JP2020167513A - 温度補償回路 - Google Patents

Abstract

【課題】目標温度までより短時間で加熱するとともに、ハンチングを抑制する。【解決手段】直流電源からメイン抵抗に流れる電流を増減させるトランジスタと、メイン抵抗のグランド側の端子とオペアンプの第１入力端子とに接続された温度感応素子と、オペアンプの出力端子と第１入力端子とに接続された帰還抵抗と、オペアンプの第２入力端子に接続された電圧源とを備え、トランジスタのベース端子は、前記オペアンプの出力端子と電気的に導通しており、トランジスタは、出力端子の電位が低下するほど、メイン抵抗に流れる電流を減少させる。【選択図】図１

Description

本発明は、加熱のための温度補償回路に関する。

発振回路に広く用いられている水晶振動子は、温度特性に依存して周波数が変化する。この周波数の変化を抑制することを目的として、水晶振動子を恒温槽に収納し、水晶振動子の動作温度を一定に維持することが行われている（例えば、特許文献１を参照）。

特開２０１３−１５０２５３号公報

図３は、恒温槽内の温度を一定に維持するための従来の温度補償回路５００を示す図である。温度補償回路５００では、直流電源Ｖｃｃからメイン抵抗Ｒ１に流れる電流をトランジスタ５１により増減させることにより、メイン抵抗Ｒ１及びトランジスタ５１が生じさせる熱エネルギーを制御し、恒温槽内の温度を一定に維持する。恒温槽内の温度が高くなると、温度感応素子ＴＨ１の抵抗値が小さくなるため、温度感応素子ＴＨ１による電圧降下が小さくなる。このため、抵抗Ｒ２と温度感応素子ＴＨ１との間に結線された抵抗Ｒ３の両端にかかる電圧が小さくなるので、抵抗Ｒ３を流れる電流が減少する。

オペアンプ５２１の反転入力端子（図３中、「−」で示す）の電位は、仮想短絡により非反転入力端子（図３中、「＋」で示す）の電位と等しく、温度によらず一定値であるとみなせる。抵抗Ｒ３を経由した電流は、帰還抵抗Ｒ４を経由してオペアンプ５２１の出力に流れ込む。恒温槽内の温度が高くなると、抵抗Ｒ３を流れる電流が減少するので、帰還抵抗Ｒ４を流れる電流が減少する。したがって、帰還抵抗Ｒ４による電圧降下が小さくなるため、オペアンプ５２１の出力端子の電位は高くなる。

直流電源Ｖｃｃからメイン抵抗Ｒ１を経由した後、トランジスタ５１のエミッタからベースに流れた電流は、抵抗Ｒ５を経由して、オペアンプ５２１の出力端子に流れ込む。恒温槽内の温度が高くなると、上述のようにオペアンプ５２１の出力端子の電位が高くなることから、トランジスタ５１のエミッタ−ベース間にかかる電圧は小さくなる。トランジスタ５１では、エミッタ−ベース間にかかる電圧が小さくなると、エミッタからコレクタへの電流が流れにくくなる。このため、メイン抵抗Ｒ１に流れる電流が減少する。以上のように、図３の温度補償回路５００では、恒温槽内の温度が高くなると、メイン抵抗Ｒ１に流れる電流を減少させることにより恒温槽内の温度を低くするフィードバックが働き、恒温槽内の温度を一定に維持する。

図３の温度補償回路５００では、オペアンプ５２１の利得は抵抗Ｒ３及びＲ４により定まるため、温度によらずに一定となる。恒温槽内の温度が低いときに短時間で目標温度まで加熱するには、オペアンプ５２１の利得の絶対値を大きくする必要がある。しかしながら、オペアンプ５２１の利得の絶対値を大きくすると、恒温槽内の温度が目標温度付近となったときにハンチングしやすいという問題があった。

本発明はこの点に鑑みてなされたものであり、目標温度までより短時間で加熱するとともに、ハンチングを抑制することができる温度補償回路を提供することを目的とする。

本発明の態様の温度補償回路は、直流電源からメイン抵抗に流れる電流を増減させるトランジスタと、前記メイン抵抗のグランド側の端子とオペアンプの第１入力端子とに接続された温度感応素子と、前記オペアンプの出力端子と前記第１入力端子とに接続された帰還抵抗と、前記オペアンプの第２入力端子に接続された電圧源とを備え、前記トランジスタのベース端子は、前記オペアンプの出力端子と電気的に導通しており、前記トランジスタは、前記出力端子の電位が低下するほど、前記メイン抵抗に流れる電流を減少させるように構成されている。

本発明によれば、目標温度までより短時間で加熱するとともに、ハンチングを抑制するという効果を奏する。

実施形態の温度補償回路の構成を示す図である。 別の温度補償回路の構成を示す図である。 恒温槽内の温度を一定に維持するための従来の温度補償回路を示す図である。

図１は、本実施形態の温度補償回路１００の構成を示す図である。温度補償回路１００は、例えば、水晶振動子が配置された恒温槽内の温度を目標温度付近において維持する。目標温度は、例えば、水晶振動子に要求される発振周波数に応じて、水晶振動子の製造者により定められた温度である。温度補償回路１００は、恒温槽を加熱するヒータ以外の一般的なヒータの温度を制御する回路にも適用可能である。

温度補償回路１００は、メイン抵抗Ｒ１、トランジスタ１、抵抗Ｒ５及びヒータ制御回路２を備える。温度補償回路１００では、主にメイン抵抗Ｒ１及びトランジスタ１により恒温槽内の加熱が行われる。メイン抵抗Ｒ１は、直流電源Ｖｃｃから供給される電流を熱エネルギーに変換する。トランジスタ１は、ＮＰＮ型のバイポーラトランジスタである。トランジスタ１は、直流電源Ｖｃｃからメイン抵抗Ｒ１に流れる電流を増減させる。トランジスタ１のベース端子は、抵抗Ｒ５を介して、オペアンプ２１の出力端子と電気的に導通している。抵抗Ｒ５は、トランジスタ１のベース抵抗である。

ヒータ制御回路２は、オペアンプ２１、温度感応素子ＴＨ２、帰還抵抗Ｒ４、抵抗Ｒ６及び電圧源Ｖ１を備える。オペアンプ２１は、複数の抵抗及びトランジスタを備える回路素子である。本明細書の例では、オペアンプ２１の第１入力端子は、図１中において「−」で示す反転入力端子であり、第２入力端子は、図１中において「＋」で示す非反転入力端子であるものとする。オペアンプ２１の第１入力端子は、温度感応素子ＴＨ２に接続されている。第２入力端子は、電圧源Ｖ１に接続されている。オペアンプ２１の出力端子は、抵抗Ｒ５に接続されている。

温度感応素子ＴＨ２は、メイン抵抗Ｒ１のグランド側の端子と、オペアンプ２１の第１入力端子とに接続されている。温度感応素子ＴＨ２は、恒温槽内の温度変化に応じて、その抵抗値が変化する。図１の例では、温度感応素子ＴＨ２は、恒温槽内の温度が上昇すると、抵抗値が小さくなる。

帰還抵抗Ｒ４は、オペアンプ２１の第１入力端子と、出力端子とに接続されている。抵抗Ｒ６は、温度感応素子ＴＨ２からオペアンプ２１の第１入力端子へ延びる配線と、グランドとに接続されている。電圧源Ｖ１は、オペアンプ２１の第２入力端子に接続されている。電圧源Ｖ１は、一定の直流電圧をオペアンプ２１の第２入力端子に印加する。

［温度変化時の温度補償回路の動作］
温度補償回路１００では、恒温槽内の温度が高くなると、温度感応素子ＴＨ２の抵抗値が小さくなるので、温度感応素子ＴＨ２を流れる電流が増加する。このとき、温度感応素子ＴＨ２の電圧降下が小さくなることによりオペアンプ２１の第１入力端子の電位がわずかに高くなる。

オペアンプ２１の利得は、温度感応素子ＴＨ２及び帰還抵抗Ｒ４の抵抗値により定められる。恒温槽の温度が高くなると、温度感応素子ＴＨ２の抵抗値が小さくなることにより利得の絶対値は大きくなる。図１のオペアンプ２１及び帰還抵抗Ｒ４は反転増幅回路を構成しているため、オペアンプ２１の利得は負の値をとる。このため、利得の絶対値が大きくなることにより、出力端子の電位は低くなる。

温度感応素子ＴＨ２を流れる電流は、一部が抵抗Ｒ６を経由してグランドに流れ、残りは、帰還抵抗Ｒ４、抵抗Ｒ５及びトランジスタ１のベース−エミッタ間を経由してグランドへ流れる。上述のように、温度感応素子ＴＨ２を流れる電流が増加するので、抵抗Ｒ５を流れる電流が増加する。したがって、抵抗Ｒ５による電圧降下が大きくなることにより、トランジスタ１のベース電位が低くなる。このため、トランジスタ１のベース−エミッタ間にかかる電圧が小さくなる。

トランジスタ１では、ベース−エミッタ間にかかる電圧が小さくなることにより、コレクタ−エミッタ間に電流が流れにくくなり、コレクタ−エミッタ間に流れる電流が減少する。したがって、トランジスタ１では、オペアンプ２１の出力端子の電位が低下するほど、メイン抵抗Ｒ１を流れる電流を減少させ、恒温槽内の温度を低下させるということができる。一方、温度補償回路１００では、恒温槽内の温度が低くなると、恒温槽内の温度が高くなった場合と逆の反応が生じることにより恒温槽内の温度を上昇させるフィードバックが働く。したがって、温度補償回路１００では、恒温槽内の温度を一定に維持することができる。

本実施形態の温度補償回路１００では、恒温槽内の温度変化に基づいて、オペアンプ２１の利得を変化させることができる。このため、恒温槽内の温度が低い場合に利得の絶対値を大きくして目標温度まで加熱するのにかかる時間を短くしつつ、目標温度付近において利得の絶対値を小さくしてハンチングを抑制することができる。また、温度補償回路１００では、一つのオペアンプ２１のみを用いるので、部品点数を削減することができる。

［変形例］
本実施形態では、恒温槽内の温度が上昇すると、温度感応素子の抵抗値が小さくなる例について説明した。しかしながら、本発明はこれに限定されない。例えば、温度感応素子は、恒温槽内の温度が上昇すると、その抵抗値が大きくなるものであってもよい。図２は、別の温度補償回路２００の構成を示す図である。温度補償回路２００は、温度感応素子ＴＨ３及びトランジスタ３１を備える点を除き、図１の温度補償素子と同様である。図１と同様の回路素子については、同じ符号を付して説明を省略する。温度感応素子ＴＨ３は、恒温槽内の温度が上昇すると、抵抗値が大きくなる。トランジスタ３１は、ＰＮＰ型のトランジスタである。

恒温槽内の温度が上昇すると、温度感応素子ＴＨ３の抵抗値が大きくなるので、オペアンプ２１の利得の絶対値が小さくなる。オペアンプ２１の利得は負の値をとるため、利得の絶対値が小さくなることにより、出力端子の電位は高くなる。このため、トランジスタ１のベース電位が高くなり、トランジスタ３１のエミッタ−ベース間にかかる電圧が小さくなる。したがって、メイン抵抗Ｒ１を流れる電流が減少し、恒温槽内の温度を低下させるフィードバックが働く。このため、温度補償回路２００では、恒温槽内の温度を一定に維持することができる。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。例えば、装置の全部又は一部は、任意の単位で機能的又は物理的に分散・統合して構成することができる。また、複数の実施の形態の任意の組み合わせによって生じる新たな実施の形態も、本発明の実施の形態に含まれる。組み合わせによって生じる新たな実施の形態の効果は、もとの実施の形態の効果を併せ持つ。

１ トランジスタ
２ ヒータ制御回路
２１ オペアンプ
３１ トランジスタ
５１ トランジスタ
１００ 温度補償回路
２００ 温度補償回路
５００ 温度補償回路
５２１ オペアンプ
Ｒ１ メイン抵抗
Ｒ２ 抵抗
Ｒ３ 抵抗
Ｒ４ 帰還抵抗
Ｒ５ 抵抗
Ｒ６ 抵抗
ＴＨ１ 温度感応素子
ＴＨ２ 温度感応素子
ＴＨ３ 温度感応素子
Ｖ１ 電圧源
Ｖｃｃ 直流電源

Claims (1)

1. 直流電源からメイン抵抗に流れる電流を増減させるトランジスタと、
   前記メイン抵抗のグランド側の端子とオペアンプの第１入力端子とに接続された温度感応素子と、
   前記オペアンプの出力端子と前記第１入力端子とに接続された帰還抵抗と、
   前記オペアンプの第２入力端子に接続された電圧源とを備え、
   前記トランジスタのベース端子は、前記オペアンプの出力端子と電気的に導通しており、
   前記トランジスタは、前記出力端子の電位が低下するほど、前記メイン抵抗に流れる電流を減少させる、
   温度補償回路。

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