JP2011198209A - 温度制御回路及び恒温型圧電発振器 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】この温度制御回路51は、ベース電圧Vbによりコレクタ電流Icが制御さ
れるパワートランジスタTrと、パワートランジスタTrの発熱温度を検知するTH1(
第1の感温素子)と、負の温度係数により非線形な抵抗・温度特性を示すTH2(第2の
感温素子)と、正の温度係数により線形な抵抗・温度特性を示すTH3(第3の感温素子
)と、TH1、TH2、及びTH3から検出された結果(電圧値)に基づいてパワートラ
ンジスタTrに供給するベース電圧Vbを出力するQ1(差動増幅器)と、を備えている
。
【選択図】図1
Description
囲温度変動に対応して制御可能な回路構成に関するものである。
に対して高い精度で出力周波数が安定していることが求められている。一般に水晶発振器
の中でも極めて高い周波数安定度が得られるものとしては、電気的特性が温度の影響を受
け易い水晶振動子等の電子部品を一定温度に保たれた槽内に収納した恒温槽型水晶発振器
(OCXO)が知られており、これにより、例えば1×10−7〜5×10−10ppm
/0〜+60℃と極めて高い周波数安定度が得られている。
尚、特許文献1には、主の温度制御を行なうための感温素子とは別にサーミスタを備え
、周囲温度変化に対する温度制御機能を加えることで、通常の温度制御だけでは制御しき
れずに発生してしまう温度制御偏差に補正を加えて、更に高精度の温度制御を実現してい
る恒温槽型圧電発振器について開示されている。
のような動作温度範囲では問題となることはないが、−40℃〜+85℃のような温度範
囲の拡張を考えた場合、サーミスタの特性が低温(−40℃〜−10℃)では、その抵抗
値が図6に示すように急激に変化することから、本来の主の温度制御よりも大きな補正制
御が加わることとなり、温度制御異常(低温側での異常な加熱)を引き起こすといった問
題がある。
本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、負の温度係数で非線形な抵抗・温
度特性を示す感温素子と、正の温度係数で線形な抵抗・温度特性を示す感温素子を併用す
ることにより、温度制御偏差の補正量を微調整することが可能となった温度制御回路を提
供することを目的とする。
形態又は適用例として実現することが可能である。
ワートランジスタの発熱温度を検知する第1の感温素子と、周囲温度を検知する第2の感
温素子と、周囲温度を検知する第3の感温素子と、前記ベース電圧を出力する差動増幅器
と、を備えた温度制御回路であって、前記第2の感温素子は負の温度係数による非線形な
抵抗・温度特性を有し、前記第3の感温素子は正の温度係数による線形な抵抗・温度特性
を有し、前記差動増幅器は、前記第1の感温素子、前記第2の感温素子、及び前記第3の
感温素子から検出された電圧に基づいてベース電圧を出力し、前記第1の感温素子と前記
第2の感温素子とを直列に接続して基準電圧とグランド間に接続し、前記第1の感温素子
と前記第2の感温素子との接続中点を前記差動増幅器の一方の入力端子に接続し、前記第
3の感温素子と抵抗素子とを直列に接続して前記基準電圧とグランド間に接続し、前記第
3の感温素子と前記抵抗素子との接続中点を前記差動増幅器の他方の入力端子に接続して
ブリッジ回路を構成したことを特徴とする。
感知し、負の温度係数(感温素子がサーミスタの場合、周囲温度が低いと抵抗値が高くな
る)により非線形な抵抗・温度特性を示す第2の感温素子とを直列に接続し、その接続中
点の電圧を差動増幅器の一方に入力する。また、正の温度係数(感温素子がサーミスタの
場合、周囲温度が低いと抵抗値も低くなる)により線形な抵抗・温度特性を示す第3の感
温素子と抵抗素子を直列に接続し、その接続中点の電圧を差動増幅器の他方に入力する。
この構成により、周囲温度が低くなった場合(−40℃〜−10℃)に、第2の感温素子
の抵抗値が急激に高くなるが、同じ周囲温度を検知する第3の感温素子は第2の感温素子
の変化とは逆に抵抗値が直線的に低くなる。従って、第2の感温素子と第3の感温素子の
特性が相補的な関係となり、差動増幅器は低温側の周囲温度による急激な変化を抑制する
。また、高温側では第2の感温素子の特性は非線形ではあるが、略なだらかに変化するた
め急激な変化は発生しない。これにより、低温から高温までの広範囲(例えば、−40℃
〜+80℃)な周囲温度に亘って温度制御偏差の補正量を微調整することができる。
ド間に接続し、前記第1の感温素子と抵抗素子との接続中点を前記差動増幅器の一方の入
力端子に接続し、前記第3の感温素子と前記第2の感温素子とを直列に接続して前記基準
電圧とグランド間に接続し、前記第3の感温素子と前記第2の感温素子との接続中点を前
記差動増幅器の他方の入力端子に接続してブリッジ回路を構成したことを特徴とする。
、第2の感温素子を第3の感温素子と直列接続し、その接続中点の電圧を差動増幅器の他
方の入力に接続した。この回路構成の場合は、パワートランジスタの発熱温度による電圧
は補正されずに、直接差動増幅器の一方に入力される。しかし、差動増幅器の他方の入力
には第2の感温素子と第3の感温素子により補正された電圧が入力されるため、周囲温度
が低温になって第2の感温素子の抵抗値が急激に変化しても、第3の感温素子により補正
することができる。これにより、低温から高温までの広範囲(例えば、−40℃〜+80
℃)な周囲温度に亘って温度制御偏差の補正量を微調整することができる。
ド間に接続し、前記抵抗素子と前記第3の感温素子との接続中点を前記差動増幅器の一方
の入力端子に接続し、抵抗素子、前記第1の感温素子、及び前記第2の感温素子とを直列
に接続して前記基準電圧とグランド間に接続し、前記抵抗素子と前記第1の感温素子との
接続中点を前記差動増幅器の他方の入力端子に接続してブリッジ回路を構成したことを特
徴とする。
続し、抵抗素子、第1の感温素子、及び第2の感温素子を直列接続し、抵抗素子と第1の
感温素子との接続中点を差動増幅器の他方の入力に接続した。この回路構成の場合は、周
囲温度による電圧は補正されずに直接、差動増幅器の一方に入力される。しかし、差動増
幅器の他方の入力にはパワートランジスタの発熱温度による電圧が第2の感温素子により
補正されて入力されるため、周囲温度が低温になって第2の感温素子の抵抗値が急激に変
化してパワートランジスタの発熱温度が高くなったようになり、パワートランジスタの発
熱を抑えるように働こうとするが、第3の感温素子により補正することができる。これに
より、低温から高温までの広範囲(例えば、−40℃〜+80℃)な周囲温度に亘って温
度制御偏差の補正量を微調整することができる。
用素子であり、前記第2の感温素子及び前記第3の感温素子は、所定の周囲温度範囲に亘
って温度制御偏差を補正する補正用素子であることを特徴とする。
素子、及び負の温度係数を有する感温素子の3つが少なくとも必要である。そして、パワ
ートランジスタの温度を検知する感温素子は主制御用に使用され、正負の温度係数の感温
素子は、それぞれ周囲温度を検知するために必要である。これにより、最小限の感温素子
で回路を構成することができる。
ミスタは温度変化に対して抵抗値が変化する素子であり、最も多く使用されている。また
、サーミスタには温度に比例して抵抗値が高くなる正温度係数を有するものと、温度に比
例して抵抗値が低くなる負温度係数のものがある。更に、サーミスタの両端に基準電圧を
印加することにより、抵抗値の変化(温度変化)を電圧変化として捉えることができる。
これにより、簡易な構成で且つ安価に回路を構成することができる。
ランジスタを圧電振動子に密着配置し、前記第2の感温素子及び前記第3の感温素子を周
囲温度検知用として配置した恒温型圧電発振器を特徴とする。
を検知する第1の感温素子は、直接パワートランジスタのケースに密着する。また、周囲
温度を検知する第2及び第3の感温素子は、パワートランジスタの発熱の影響をできるだ
け受けない場所に配置する。これにより、低温から高温までの広範囲(例えば、−40℃
〜+80℃)な周囲温度に亘って温度制御偏差の補正量を微調整することができる恒温型
圧電発振器を実現することができる。
載される構成要素、種類、組み合わせ、形状、その相対配置などは特定的な記載がない限
り、この発明の範囲をそれのみに限定する主旨ではなく単なる説明例に過ぎない。
ワートランジスタ、TH1はTrの発熱コントロール用(主の制御)サーミスタ、TH2
は周囲温度を検知するNTCサーミスタ(温度制御偏差補正用)、TH3は周囲温度を検
知するリニア正温度係数サーミスタ(温度制御偏差補正用)である。この温度制御回路5
1は、ベース電圧Vbによりコレクタ電流Icが制御されるパワートランジスタTrと、
パワートランジスタTrの発熱温度を検知するTH1(第1の感温素子)と、負の温度係
数により非線形な抵抗・温度特性を示すTH2(第2の感温素子)と、正の温度係数によ
り線形な抵抗・温度特性を示すTH3(第3の感温素子)と、TH1、TH2、及びTH
3から検出された結果(電圧値)に基づいてパワートランジスタTrに供給するベース電
圧Vbを出力するQ1(差動増幅器)と、を備え、TH1とTH2とを直列に接続して基
準電圧VrefとグランドG間に接続し、TH1とTH2との接続中点Pから抵抗素子R
1を介してQ1の一方の入力端子(−)に接続し、TH3と抵抗素子R2とを直列に接続
してVrefとG間に接続し、TH3とR2との接続中点RをQ1の他方の入力端子(+
)に接続してブリッジ回路を構成した。尚、TH1とTH2は抵抗素子を介してGに接続
され、Trのエミッタにはコレクタ電流Icを制限する抵抗素子Reを介してGに接続さ
れる。また、Q1の出力はTrのベースに接続され、Trのコレクタは電源Vccに接続
される。
一定とし、その時のTH2とTH3の抵抗値は一定とする。ここで、TH2とTH3の周
囲温度と抵抗値との関係は図6に示す。TH2は負の温度係数を有するサーミスタであり
、−40℃〜−10℃の間で急激に抵抗値が変化する温度特性である。また、TH3は正
の温度係数を有するサーミスタであり、略直線的に変化する温度特性である。
まず、温度制御回路51の電源が投入されると、TRは最初冷えているのでTH1の抵
抗値は高い値を示す。その結果、TH1とTH2の接続点Pの電圧は、ローレベルとなり
、Q1の(−)端子に入力されるので、Q1の出力は反転されてTrのベース電圧Vbは
ハイレベルとなり、Trのコレクタ電流Icが流れる。Trにコレクタ電流Icが流れる
と、コレクタ損失によりTrは発熱する。その熱は、TH1により検出されて抵抗値を下
げるように働く。その結果、接続点Pの電圧は徐々に上昇してQ1の出力電圧も低下し、
Trのコレクタ電流Icも減少する。それに伴って、Trの発熱量が減少する。尚、Q1
の(+)入力には周囲温度による電圧が印加されているので、その温度に適した温度にな
るようにTrが加熱されて維持される。
周囲温度が低温側(−40℃〜−10℃)に移行すると、TH2は図6に示すように、急
激に抵抗値が高くなる。その結果、接続点Pの電圧は急激に上昇する。このままであれば
、Q1の出力は急激にローレベルになってTrのコレクタ電流Icを減少させて、Trの
発熱が減少するが、本実施形態では、Q1の(+)入力にTH3とR2の接続点Rが入力
されている。その結果、周囲温度が急激に低下すると、TH3の抵抗値は図6に示すとお
りなだらかに低下するので、接続点Rの電圧も高くなり、Q1の出力電圧Vbが急激に低
下するのを抑制することができる。その結果、Trにはそれなりのコレクタ電流Icが流
れて、Trが急激に冷却するのを防止することができる。
即ち、本実施形態では、パワートランジスタTrの発熱温度を検知するTH1と、周囲
温度を感知し、負の温度係数(感温素子がサーミスタの場合、周囲温度が低いと抵抗値が
高くなる)により非線形な抵抗・温度特性を示すTH2とを直列に接続し、その接続中点
Pの電圧をQ1の(−)に入力する。また、正の温度係数(感温素子がサーミスタの場合
、周囲温度が低いと抵抗値も低くなる)により線形な抵抗・温度特性を示すTH3と抵抗
素子R2を直列に接続し、その接続中点Rの電圧をQ1の(+)に入力する。この構成に
より、周囲温度が低くなった場合(−40℃〜−10℃)に、TH2の抵抗値が急激に高
くなるが、同じ周囲温度を検知するTH3はTH2の変化とは逆に抵抗値が直線的に低く
なる。従って、TH2とTH3の特性が相補的な関係となり、Q1は低温側の周囲温度に
よる急激な変化を抑制する。また、高温側ではTH2の特性は非線形ではあるが、略なだ
らかに変化するため急激な変化は発生しない。これにより、低温から高温までの広範囲(
例えば、−40℃〜+80℃)な周囲温度に亘って温度制御偏差の補正量を微調整するこ
とができる。
ワートランジスタ、TH1は、Trの発熱コントロール用サーミスタ(主の制御)、TH
2、TH2’は、NTCサーミスタ(温度制御偏差補正用)(TH2、TH2’のどちら
か一方は抵抗でも良い)、TH3、TH3’はリニア正温度係数サーミスタ(温度制御偏
差補正用)(TH3、TH3’のどちらか一方は抵抗でも良い)。図2では、TH2、T
H3´を抵抗素子にした回路構成として説明する。この温度制御回路52は、TH1と抵
抗素子とを直列に接続して基準電圧VrefとグランドG間に接続し、TH1と抵抗素子
との接続中点PをQ1の一方の入力端子(−)に接続し、TH3とTH2’とを直列に接
続してVrefとG間に接続し、TH3とTH2’との接続中点RをQ1の他方の入力端
子(+)に接続してブリッジ回路を構成した。
即ち、本実施形態では、TH1と抵抗素子の接続中点PをQ1の一方の入力(−)に接
続し、TH2をTH3と直列接続し、その接続中点Rの電圧をQ1の他方の入力(+)に
接続した。この回路構成の場合は、Trの発熱温度による電圧は補正されずに、直接Q1
の(−)に入力される。しかし、Q1の(+)にはTH3とTH2´により補正された電
圧が入力されるため、周囲温度が低温になってTH2´の抵抗値が急激に変化しても、T
H3により補正することができる。これにより、低温から高温までの広範囲(例えば、−
40℃〜+80℃)な周囲温度に亘って温度制御偏差の補正量を微調整することができる
。
ワートランジスタ、TH1はTrの発熱コントロール用サーミスタ(主の制御)、TH2
、TH2’はNTCサーミスタ(温度制御偏差補正用)(TH2、TH2’のどちらか一
方は抵抗でも良い)、TH3、TH3’はリニア正温度係数サーミスタ(温度制御偏差補
正用)(TH3、TH3’のどちらか一方は抵抗でも良い)。図3では、TH2’、TH
3´を抵抗素子にした回路構成として説明する。この温度制御回路53は、抵抗素子とT
H3とを直列に接続して基準電圧VrefとグランドG間に接続し、抵抗素子とTH3と
の接続中点PをQ1の一方の入力端子(−)に接続し、抵抗素子、TH1、及びTH2と
を直列に接続してVrefとG間に接続し、抵抗素子とTH1との接続中点RをQ1の他
方の入力端子(+)に接続してブリッジ回路を構成した。
即ち、本実施形態では、抵抗素子とTH3の接続中点PをQ1の(−)に接続し、抵抗
素子、TH1、及びTH2を直列接続し、抵抗素子とTH1との接続中点RをQ1の(+
)に接続した。この回路構成の場合は、周囲温度による電圧は補正されずに直接、Q1の
一方に入力される。しかし、Q1の(+)にはTrの発熱温度による電圧がTH2により
補正されて入力されるため、周囲温度が低温になってTH2の抵抗値が急激に変化してT
rの発熱温度が高くなったようになり、Trの発熱を抑えるように働こうとするが、TH
3により補正することができる。これにより、低温から高温までの広範囲(例えば、−4
0℃〜+80℃)な周囲温度に亘って温度制御偏差の補正量を微調整することができる。
以上のとおり、上記実施形態ではTrの温度を検知するTH1、正の温度係数を有するT
H3、及び負の温度係数を有するTH2の3つが少なくとも必要である。そして、Trの
温度を検知するTH1は主制御用に使用され、正負の温度係数のTH3、TH2は、それ
ぞれ周囲温度を検知するために必要である。これにより、最小限のサーミスタで回路を構
成することができる。
、サーミスタは温度変化に対して抵抗値が変化する素子であり、最も多く使用されている
。また、サーミスタには温度に比例して抵抗値が高くなる正温度係数を有するものと、温
度に比例して抵抗値が低くなる負温度係数のものがある。更に、サーミスタの両端に基準
電圧を印加することにより、抵抗値の変化(温度変化)を電圧変化として捉えることがで
きる。これにより、簡易な構成で且つ安価に回路を構成することができる。
温度(℃)、縦軸に温度制御偏差を示す。図では周囲温度の範囲を−40℃〜+85℃と
して表示している。図で符号20は温度制御偏差補正がない場合の特性であり、温度に比
例して温度制御偏差の値が直線的に増加しているのがわかる。符号21は、従来の実施例
でTH2の感度が大きい場合の特性であり、常温から高温側の範囲では所定の温度制御偏
差を維持するが、低温側で急激に温度制御偏差が増加しているのが分かる。符号22は従
来の実施例でTH2の感度が小さい場合の特性であり、低温側では所定の温度制御偏差を
維持するが、温度が上昇するに従って温度制御偏差が増加しているのが分かる。符号23
は本発明の特性であり、低温側から高温側に亘って略フラットな特性であることがわかる
。即ち、−40℃〜+85℃のような動作温度範囲を拡張した場合にも、温度制御異常の
発生がなく、高精度な温度制御を実現することができる。
化を示す図である。左側の縦軸はパワートランジスタの温度であり、右側の縦軸は周囲温
度であり、横軸は経過時間を表す。
符号27は周囲温度の変化を示す図であり、約60分まで20℃で維持し、その後−4
0℃まで低下させて120分までその状態を維持し、そこから60分かけて+80℃まで
上昇させ、その後、その温度を約210分まで維持して、20℃に戻す。
符号24はTH2の感度が小さい場合の特性であり、−40℃の低温側では温度変化は
殆どないが、周囲温度を−40℃から+80℃に上昇させると、約1℃温度が上昇するの
がわかる。
符号25はTH2の感度が大きい場合の特性であり、−40℃の低温側では温度変化は
最大で約3℃まで上昇している。しかし、周囲温度を−40℃から+80℃に上昇させる
と、殆ど変化しないのがわかる。
符号26はTH2を感度が小さいNTCサーミスタを使用し、TH3に正温度係数サー
ミスタを使用した場合の特性であり、低温側、高温側とも殆ど温度変化はないのがわかる
。
す図である。この恒温型圧電発振器50は、全体を覆うケース1と、縦型基板9に実装さ
れて横向きになっている水晶振動子2と、水晶振動子2のケースの温度を検知するサーミ
スタ3と、水晶振動子2を加熱するパワートランジスタ4と、温度制御回路を実装した基
板5と、基板5の上に配置され、周囲温度を検知する負の温度特性を有するサーミスタ6
と、周囲温度を検知する正の温度特性を有するサーミスタ7と、基板5と外部回路との信
号のやりとりを行う端子8と、基板5に実装された部品10と、を備えて構成されている
。
本発明の温度制御回路を恒温型圧電発振器50に利用する場合、パワートランジスタ4
の温度を検知するサーミスタ3は、直接パワートランジスタのケースか、或いは水晶振動
子2のケース2に密着する。また、周囲温度を検知するサーミスタ6、7は、パワートラ
ンジスタ4の発熱の影響をできるだけ受けない場所に配置する。これにより、低温から高
温までの広範囲(例えば、−40℃〜+80℃)な周囲温度に亘って温度制御偏差の補正
量を微調整することができる恒温型圧電発振器を実現することができる。
サーミスタ、7 サーミスタ、8 端子、9 縦型基板、10 部品、50 恒温型圧
電発振器、51〜53 温度制御回路
Claims (6)
- ベース電圧によりコレクタ電流が制御されるパワートランジスタと、
該パワートランジスタの発熱温度を検知する第1の感温素子と、
周囲温度を検知する第2の感温素子と、
周囲温度を検知する第3の感温素子と、
前記ベース電圧を出力する差動増幅器と、を備えた温度制御回路であって、
前記第2の感温素子は負の温度係数による非線形な抵抗・温度特性を有し、
前記第3の感温素子は正の温度係数による線形な抵抗・温度特性を有し、
前記差動増幅器は、前記第1の感温素子、前記第2の感温素子、及び前記第3の感温素
子から検出された電圧に基づいてベース電圧を出力し、
前記第1の感温素子と前記第2の感温素子とを直列に接続して基準電圧とグランド間に
接続し、前記第1の感温素子と前記第2の感温素子との接続中点を前記差動増幅器の一方
の入力端子に接続し、前記第3の感温素子と抵抗素子とを直列に接続して前記基準電圧と
グランド間に接続し、前記第3の感温素子と前記抵抗素子との接続中点を前記差動増幅器
の他方の入力端子に接続してブリッジ回路を構成したことを特徴とする温度制御回路。 - 前記第1の感温素子と抵抗素子とを直列に接続して前記基準電圧とグランド間に接続し
、前記第1の感温素子と抵抗素子との接続中点を前記差動増幅器の一方の入力端子に接続
し、前記第3の感温素子と前記第2の感温素子とを直列に接続して前記基準電圧とグラン
ド間に接続し、前記第3の感温素子と前記第2の感温素子との接続中点を前記差動増幅器
の他方の入力端子に接続してブリッジ回路を構成したことを特徴とする請求項1に記載の
温度制御回路。 - 抵抗素子と前記第3の感温素子とを直列に接続して前記基準電圧とグランド間に接続し
、前記抵抗素子と前記第3の感温素子との接続中点を前記差動増幅器の一方の入力端子に
接続し、抵抗素子、前記第1の感温素子、及び前記第2の感温素子とを直列に接続して前
記基準電圧とグランド間に接続し、前記抵抗素子と前記第1の感温素子との接続中点を前
記差動増幅器の他方の入力端子に接続してブリッジ回路を構成したことを特徴とする請求
項1に記載の温度制御回路。 - 前記第1の感温素子は、前記パワートランジスタの発熱を制御する主制御用素子であり
、前記第2の感温素子及び前記第3の感温素子は、周囲温度範囲に亘って温度制御偏差を
補正する補正用素子であることを特徴とする請求項1乃至3の何れか一項に記載の温度制
御回路。 - 前記感温素子はサーミスタであることを特徴とする請求項1乃至4の何れか一項に記載
の温度制御回路。 - 請求項1乃至5の何れか一項に記載の温度制御回路を備え、前記パワートランジスタを
圧電振動子に密着配置し、前記第2の感温素子及び前記第3の感温素子を周囲温度検知用
として配置したことを特徴とする恒温型圧電発振器。
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