КВАРЦЕВЫЙ ГЕНЕРАТОР И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК H03B5/32 

Изобретение относится к радиоэлектронике, в частности к генераторам частоты с пьезоэлектрическими резонаторами.

Как известно, стабильность частоты кварцевых генераторов в значительной степени зависит от температурного режима элементов, входящих в состав генератора, и, в первую очередь, кварцевого резонатора. Поэтому разработаны различные конструкции кварцевых генераторов, в которых с помощью специальных конструктивных мероприятий поддерживается заданная рабочая температура резонатора. Например, известен кварцевый генератор по патенту США 4985687, 1990, в котором на печатной плате смонтированы кварцевый резонатор, помещенный в съемный герметичный корпус, и элементы схемы генератора. Непосредственно на самом резонаторе установлен нагревательный элемент, а между резонатором и печатной платой размещен датчик температуры. Таким образом, расположение нагревателя на поверхности резонатора обеспечивает наименьшие потери тепла при теплопередаче от нагревателя к резонатору и тем самым позволяет снизить потребляемую мощность нагревателя, если в генераторе необходимо поддерживать заданную температуру только резонатора. Все остальные элементы схемы генератора, смонтированные на печатной плате, получают значительно меньшее количество тепла, которое передается на плату через корпус резонатора и при этом распространяется по всей плате.

В то же время существуют другие конструкции кварцевых генераторов, в которых для достижения заданной стабильности частоты необходимо обеспечивать стабильность температуры не только резонатора, но и других элементов схемы генератора. В частности, известны термостатированные высокостабильные кварцевые генераторы, включающие в себя печатные платы с электрической схемой генератора, помещенные в камеру термостата, датчик температуры и нагревательный элемент, поддерживающий в камере термостата заданный температурный режим (см. Альтшуллер Г.Б. и др. Кварцевые генераторы. М. Радио и связь, 1984).

Недостатком кварцевых генераторов, имеющих указанную конструкцию, является высокое энергопотребление, большое время выхода на рабочий режим и большие габариты. Для получения частотной стабильности в области рабочих температур в известных генераторах нагревают практически все элементы схемы. Большая площадь поверхности нагрева приводит к высокой потребляемой мощности, увеличению времени выхода на режим из-за большой массы всех нагреваемых элементов и снижению температурной стабильности из-за больших тепловых потоков, вызванных большой потребляемой мощностью.

Известен также термостатированный кварцевый генератор, включающий в себя резонатор, печатную плату с элементами электрической схемы генератора и схему термостатирования, состоящую из нагревательного элементы, датчика температуры и терморегулятора. Для повышения стабильности температуры резонатора, последний помещен в герметичный отсек, на корпусе которого с наружной стороны установлен нагревательный элемент. Вся сборка в целом помещена в наружный корпус (см. патент Франции Nо 2660499, 1991). Это устройство принято за прототип.

Недостатком известного устройства является сложность конструкции, связанная с наличием двух корпусов, а также большая потребляемая на обогрев мощность, так как тепло обогрева распространяется через нижнюю часть корпуса герметичного отсека по всей печатной плате. Соответственно снижается температурная стабильность увеличивается время выхода на режим.

Известен также способ изготовления термостатированного кварцевого генератора, включающий изготовление печатной платы, монтаж на ней термостатируемых и нетермостатируемых элементов схемы генератора, установку резонатора, помещенного в термостатированный корпус, на печатную плату, подключение к электрической схеме генератора, установку датчика температуры, терморегулятора и нагревателя, герметизацию термостатированного корпуса и затем установку всей сборки в наружный корпус (см. Альтшуллер Г.Б. и др. Кварцевые генераторы. М. Радио и связь, 1984 г.). Этот способ принят за прототип.

Недостатком известного способа является его сложность, связанная с необходимостью помещения резонатора в специальный термостатированный корпус с последующей герметизацией этого корпуса, а затем установкой всей сборки в наружный корпус.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является создание простого по конструкции кварцевого генератора, имеющего низкое энергопотребление, небольшие габариты и высокую стабильность частоты, а также разработка экономичного способа изготовления такого генератора.

Техническим результатом, который может быть получен при осуществлении изобретения, является снижение энергопотребления генератора, уменьшение времени выхода на рабочий режим, а также упрощение технологии изготовления.

Согласно изобретению в кварцевом генераторе, включающем наружный герметичный корпус и установленную в этом наружном корпусе печатную плату, на которой смонтированы термостатируемые и нетермостатируемые элементы схемы генератора, датчик температуры, терморегулятор и нагреватель, для достижения указанного технического результата печатная плата снабжена сквозными по толщине платы прорезями, разделяющими плату на два сегмента, соединенные между собой перемычками, причем все термостатируемые элементы схемы генератора, а также датчик температуры и нагреватель смонтированы на одном сегменте, а на другом сегменте расположены нетермостатируемые элементы и узлы крепления печатной платы в наружном корпусе.

Электрические соединения между элементами схемы генератора, смонтированными на разных сегментах печатной платы, могут быть выполнены тонкими проволочками из металла с низкой теплопроводностью. Суммарная ширина перемычек может быть равна 0,01-0,2 от суммарной длины прорезей. Кварцевый резонатор, если он нуждается в дополнительном термостатировании, может быть смонтирован на печатной плате в том сегменте, в котором смонтированы остальные термостатируемые элементы схемы, но если конструкция резонатора такова, что он не нуждается в дополнительном термостатировании, то он может быть смонтирован в наружном корпусе отдельно от печатной платы. Наружный корпус может быть заполнен газом с низкой теплопроводностью, например, ксеноном. Часть нетермостатируемых элементов схемы может быть расположена на дополнительной печатной плате, установленной в наружном корпусе.

Способ изготовления кварцевого генератора, согласно изобретению, включает изготовление печатной платы, монтаж на ней электрической схемы генератора, содержащей нетермостатируемые и термостатируемые элементы, датчика температуры, терморегулятора и нагревателя, установку платы в наружный корпус и герметизацию корпуса, причем для достижения указанного технического результата на печатной плате перед монтажом выполняют сквозные по толщине платы прорези с образованием на плате двух сегментов, соединенных между собой перемычками, и монтируют на одном сегменте термостатируемые элементы схемы генератора, а также датчик температуры и нагреватель, а на другом сегменте платы монтируют нетермостатируемые элементы.

Электрические соединения между элементами, смонтированными на разных сегментах, могут быть выполнены тонкими проволочками из металла с низкой теплопроводностью, например, нихрома или ковара. При герметизации наружного корпуса по окончании монтажа его полость может быть заполнена газом с низкой теплопроводностью, например, ксеноном.

Выполнение на печатной плате сквозных по толщине прорезей обеспечивает значительное уменьшение теплового потока, распространяющегося от термостатируемых элементов по пластмассе платы. Поскольку все термостатируемые, то есть нагреваемые, элементы схемы смонтированы только на одном сегменте платы, который отделен от остальной части платы сквозными прорезями, то тепловой поток, идущий от нагреваемых элементов по плате, может распространяться только через перемычки, соединяющие сегменты платы. Поперечное сечение перемычек достаточно мало, и это создает большое термическое сопротивление на пути теплового потока, в результате чего значительно уменьшаются потери тепла на обогрев соседних участков платы, нетермостатируемых элементов и наружного корпуса. Еще больше увеличить тепловое сопротивление на пути тепловых потоков, идущих от нагреваемых элементов, может выполнение электрических соединений элементов, смонтированных на разных сегментах, в виде тонких, диаметром примерно 0,1 мм, проволочек из металла с низкой теплопроводностью, например, нихрома или ковара. В этом случае исключаются хорошо проводящие тепло медные дорожки на печатной плате. Эффект теплоизоляции тем выше, чем меньше суммарная ширина перемычек, потому последняя не должна превышать 0,2 от суммарной длины прорезей. В противном случае полезный эффект увеличения теплоизоляции сильно ослабляется. Однако при суммарной ширине перемычек менее 0,01 от суммарной длины прорезей, прочность соединения сегментов между собой становится недостаточной и это может привести к разрушению печатной платы. Уменьшения потерь тепла можно также добиться благодаря заполнению полости корпуса газом с низкой теплопроводностью, например, ксеноном. Резонатор моет иметь конструкцию, в которой пьезоэлемент уже термостатирован, и в этом случае резонатор может располагаться отдельно от печатной платы. Однако в случае необходимости резонатор может быть размещен также и на термостатированном секторе печатной платы. Возможность размещения резонатора на печатной плате или отдельно от нее дает преимущества при конструировании генератора благодаря расширению числа возможных компоновочных решений. Размещение части нетермостатируемых элементов схемы на дополнительной печатной плате дает возможность обеспечить необходимые габаритные размеры генератора.

Отнесение элементов схемы к числу термостатируемых или нетермостатируемых определяется требованиями, предъявляемыми к термостабильности генератора. В частности, при минимальных требованиях, термостатируемым может быть только пьезоэлемент резонатора. Для достижения более высокой температурной стабильности могут быть термостатированы резонатор, варикап, терморегулятор и другие элементы.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображен кварцевый генератор, общий вид, поперечный разрез; на фиг. 2 разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3 вариант выполнения кварцевого генератора, в котором часть нетермостатируемых элементов расположена на дополнительной печатной плате.

В одном из возможных вариантов выполнения изобретения, согласно формуле изобретения, кварцевый генератор (фиг. 1) содержит печатную плату 1, установленную в наружном герметичном корпусе 2. Кварцевый резонатор 3, накрытый тепловым экраном (экран на чертеже условно не показан), варикап 4, включенный в цепь корректировки частоты генератора, датчик температуры 5, терморегулятор 6 и нагревательный элемент 7, т.е. все термостатируемые в данной конкретной конструкции генератора элементы, сгруппированы на одном сегменте 8 печатной платы 1. Все другие элементы схемы, в частности автогенератор 9, источник питания 10, усилитель 11, формирователь 12 ТТ -сигнала и др. расположены на другом сегменте 13 печатной платы 1. Сегмент 8 отделен от сегмента 13 сквозными по толщине платы прорезями 14 (фиг. 2), расположенными по периметру сегмента 8. Сегменты 8 и 13 соединены между собой перемычками 15. Электрические соединения элементов, расположенных на разных сегментах печатной платы 1, выполнены тонкими проволочками 16. Внутренняя полость наружного корпуса 2 заполнена волокнистым теплоизолятором 17, который способствует устранению потерь тепла, возникающих из-за конвекции и излучения, и увеличивает механическую прочность всей конструкции. Плата 1 закреплена посредством пайки на штырьевых выводах 18 корпуса 2, причем узлы крепления платы 1 на штырьевых выводах 18 размещены только в сегменте 13. В качестве газовой среды внутри герметичного корпуса 2 находится инертный газ ксенон, имеющий низкую теплопроводность.

Способ изготовления описанного кварцевого генератора заключается в следующем.

На заготовке для печатной платы 1 выполняют методом просечки или любым иным способом сквозные по толщине прорези 14 заданной конфигурации, оставляя перемычки 15, и таким путем образуют на плате 1 сегменты 8 и 13. Затем на сегменте 8 монтируют все термостатируемые элементы схемы, в частности, резонатор 3, варикап 4, датчик температуры 5, терморегулятор 6 и нагревательный элемент 7. На сегменте 13 монтируют все нетермостатируемые элементы, в частности, автогенератор 10, усилитель 11 и другие. С помощью тонких проволочек из металла с низкой теплопроводностью выполняют электрические соединения элементов, расположенные на разных сегментах платы. Затем припаивают плату 1 на штырьевые выводы 18 корпуса 2, заполняют полость корпуса 2 волокнистым или пористым теплоизолятором 17, закрывают крышку корпуса 2 и производят герметизацию корпуса, например, путем запаивания. Одновременно откачивают из полости корпуса 2 воздух и заполняют эту полость ксеноном.

В конкретном примере выполнения кварцевый генератор содержал печатную плату размерами 24х33 мм, выполненную из пластмассы толщиной 1 мм. В центральной части платы выполнены прорези шириной 1 мм, ограничивающие прямоугольный сегмент размерами 13х17 мм. Между собой сегменты печатной платы соединены двумя перемычками шириной по 2 мм каждая. Элементы схемы, расположенные на разных сегментах платы, соединены между собой проволочками из нихрома диаметром 0,1 мм.

Кварцевый генератор работает следующим образом. При подаче питания на генератор нагревательный элемент 7 разогревается до заданной температуры, которая измеряется датчиком 5 и поддерживается постоянной с помощью терморегулятора 6. При этом тепло от нагревателя 7 распространяется по плате 1, по теплоизоляции 17, и по газовой среде, заполняющей внутреннюю полость корпуса 2. Часть теплового потока от нагревателя 7, которая распространяется по печатной плате 1, концентрируется в основном на "горячем" сегменте 8, т.к. прорези 14 надежно изолируют сегмент 8 от сегмента 13, а поперечное сечение перемычек 15 достаточно мало и это создает большое термическое сопротивление на пути теплового потока. Вследствие этого "горячий" сегмент 8 прогревается равномерно, что обеспечивает точное поддержание температуры на всех элементах схемы генератора, расположенных на сегменте 8. Часть теплового потока от "горячего" сегмента 8, которая протекает через слой теплоизоляции 17, окружающей плату 1, тоже мала, т.к. она пропорциональна площади поверхности "горячего" сегмента 8, а эта площадь невелика, поскольку на сегменте 8 расположены только элементы, нуждающиеся в термостатировании, которые составляют только часть (обычно небольшую) от общего количества элементов, входящих в схему генератора. Величину теплового потока, распространяющегося по теплоизоляционному материалу, можно еще уменьшить, используя в качестве газовой среды внутри корпуса 2 инертный газ ксенон, теплопроводность которого примерно в четыре раза ниже, чем теплопроводность воздуха.

Кварцевый генератор предлагаемой конструкции обладает малыми габаритами и более высокими эксплуатационными характеристиками при использовании тех же, что и в известных конструкциях, элементов схемы, в том числе и при одинаковых кварцевых резонаторах. Разделение платы на сегменты с термостатируемыми и нетермостатируемыми элементами приводит к тому, что потребляемая мощность генератора снижается в 2 раза, температурная стабильность увеличивается в 2 раза, время выхода на режим уменьшается в 1,5 раза.

Кварцевый генератор включает в себя наружный герметичный корпус 2 и установленную в нем печатную плату 1. На плате 1 выполнены сквозные по толщине прорези 14, разделяющие плату 1 на два сегмента 8 и 13, соединенные между собой перемычками 15. Все термостатируемые элементы схемы генератора, например, кварцевый резонатор 3, варикап 4 и другие, а также датчик температуры 5 и нагреватель 7 смонтированы на сегменте 8, а все нетермостатируемые элементы схемы, например, автогенератор 9, источник питания 10, усилитель 11 и другие, а также узлы крепления печатной платы 1 к корпусу 2, смонтированы на сегменте 13. Элементы, расположенные на разных сегментах, соединены между собой тонкими проволочками 16 из металла с низкой теплопроводностью. Суммарная ширина перемычек 15 равна 0,01-0,2 от суммарной длины прорезей 14. Свободные полости корпуса 2 заполнены газом с низкой теплопроводностью, например, ксеноном. Способ изготовления кварцевого резонатора включает в себя выполнение на печатной плате 1 сквозных по толщине прорезей 14 с образованием двух сегментов 8 и 13, соединенных между собой перемычками 15. Затем производят монтаж элементов схемы генератора на плате 1, причем все термостатируемые элементы схемы, а также датчик температуры и нагреватель, монтируют на сегменте 8, а все нетермостатируемые элементы монтируют на сегменте 13. Затем устанавливают плату 1 в корпус 2 на штырьевых выводах 18, причем места крепления выводов 18 на плате 1 располагают только на сегменте 13. После этого наружный корпус 2 герметизируют и заполняют его внутреннюю полость ксеноном. 2 с. и 8 з.п. ф-лы., 3 ил.

1. Кварцевый генератор, включающий наружный герметичный корпус и установленную в этом корпусе печатную плату, на которой смонтированы термостатируемые и нетермостатируемые элементы схемы генератора, датчик температуры, нагреватель и терморегулятор, отличающийся тем, что печатная плата снабжена сквозными по толщине прорезями, разделяющими плату на два сегмента, соединенных между собой перемычками, причем все термостатируемые элементы схемы генератора, а также датчик температуры и нагреватель смонтированы на одном сегменте, а на другом сегменте расположены нетермостатируемые элементы и узлы крепления печатной платы в наружном корпусе. 2. Генератор по п. 1, отличающийся тем, что суммарная ширина перемычек составляет 0,01 0,2 от суммарной длины прорезей. 3. Генератор по п. 1, отличающийся тем, что электрические соединения между элементами, смонтированными на разных сегментах, выполнены тонкими проволочками из металла с низкой теплопроводностью. 4. Генератор по п. 1, отличающийся тем, что наружный корпус заполнен газом с низкой теплопроводностью, например, ксеноном. 5. Генератор по п. 1, отличающийся тем, что резонатор смонтирован на сегменте печатной платы вместе с термостатируемыми элементами схемы генератора. 6. Генератор по п. 1, отличающийся тем, что резонатор смонтирован в упомянутом наружном герметичном корпусе отдельно от печатной платы. 7. Генератор по п. 1, отличающийся тем, что часть нетермостатируемых элементов схемы генератора смонтирована на дополнительной печатной плате, установленной в упомянутом наружном корпусе. 8. Способ изготовления кварцевого генератора, включающий изготовление печатной платы, монтаж на ней электрической схемы генератора, содержащей нетермостатируемые и термостатируемые элементы, датчика температуры, терморегулятора и нагревателя, последующую установку платы в наружный корпус и герметизацию корпуса, отличающийся тем, что на печатной плате перед монтажом схемы выполняют сквозные по толщине прорези с образованием на плате двух сегментов, соединенных между собой перемычками, причем на одном сегменте монтируют термостатируемые элементы схемы генератора, датчик температуры и нагреватель, а на другом сегменте монтируют нетермостатируемые элементы. 9. Способ по п. 8, отличающийся тем, что электрические соединения между элементами, смонтированными на разных сегментах, выполнены тонкими проволочками из металла с низкой теплопроводностью. 10. Способ по п. 7, отличающийся тем, что при герметизации наружного корпуса по окончании монтажа его полость заполняют инертным газом с низкой теплопроводностью, например ксеноном.