МИКРОТЕРМОСТАТ С ПОЗИСТОРНЫМ НАГРЕВАТЕЛЕМ Российский патент 2001 года по МПК G05D23/24 

Изобретение относится к технике регулирования температуры в прецизионных радиоэлектронных устройствах и может быть использовано для поддержания постоянства параметров этих устройств в широком диапазоне температур окружающей среды (ТОС).

Известны микротермостаты, содержащие схему регулирования температуры и три теплоинерционных звена: датчик температуры, нагреватель и термостатируемую подложку [1]. Наличие большого числа теплоинерционных звеньев в таких микротермостатах является одной из причин, ограничивающих динамическую точность термостатирования, так как из теории автоматического регулирования известно, что у систем с малым числом инерционных звеньев, при прочих равных условиях, эта точность выше, чем у систем с большим числом инерционных звеньев.

Известен термостабилизированный пьезоэлектрический резонатор, содержащий позистор, расположенный на подложке и подключенный к источнику питания с постоянным напряжением [2] . Он имеет только два теплоинерционных звена (позистор, являющийся одновременно датчиком температуры и нагревателем, и термостатируемую подложку). Это позволяет получить малое время выхода на заданный тепловой режим и высокую динамическую точность термостатирования в случае, когда температурный коэффициент сопротивления (ТКС) позистора велик. Недостатком указанного устройства [2] является то, что из-за недостаточно большого ТКС позисторов (≅0,2^oC^-1) достигнутая точность термостатирования подложки в нем мала и составляет ±6^oC при изменении ТОС от -50^oC до +65^oC [2,3] . Эта точность намного хуже, чем у микротермостатов, содержащих датчик температуры, нагреватель, подложку и схему регулирования.

Наиболее близким техническим решением является термостат с позисторным нагревателем [3], содержащий позистор, расположенный на подложке и термозависимый источник питания, напряжение которого зависит от ТОС. Структурная схема этого источника состоит из делителя, в одно из плеч которого включен постоянный резистор R₃, а другое представляет собой параллельное соединение постоянного резистора R₂ с цепочкой из соединенных последовательно терморезистора R_Т с отрицательным ТКС и постоянного резистора R₁. Терморезистор R_т должен иметь температуру окружающей среды, что достигается расположением его вне термостата возможно ближе к последнему. Напряжение U(t_С) с плеча делителя, содержащего R_т, подается на позисторный нагреватель R_н, через усилитель мощности, выполненный в виде эмиттерного повторителя. На вход делителя подается напряжение U_вх, задаваемое в соответствии с техническими требованиями на разработку термостата. За счет использования термозависимого источника питания погрешность термостатирования можно уменьшить в два - три раза [3].

Термостат с позисторным нагревателем и термозависимым источником питания теряет преимущества перед микротермостатами [1], содержащими также три теплоинерционных элемента, из-за описанных ниже дополнительных ограничений точности термостатирования, связанных с отсутствием замкнутости системы регулирования. Первое дополнительное ограничение: из-за того, что напряжение питания и позистора зависит от ТОС(t_С), а не от температуры подложки t_П, для реализации термостатирования необходим расчет зависимости U(t_С) при t_П = const. Исходными данными для расчета являются температурно-варисторная характеристика позистора (то есть зависимость его сопротивления от температуры и напряжения питания), размеры и теплофизические параметры элементов конструкции термостата. Погрешности в значениях величин исходных данных, погрешности в расчетных формулах приводят к увеличению погрешности термостатирования. Второе дополнительное увеличение этой погрешности происходит из-за того, что при больших пределах изменения t_С предложенная схема делителя не позволяет с достаточно высокой точностью воспроизвести расчетную зависимость U(t_С). Дополнительный вклад в увеличении погрешности термостатирования вносит то, что при расчете U(t_С) под температурой среды понимается средняя температура среды вокруг термостата, а терморезистор в делителе источника питания изменяет свои параметры и выходное напряжение источника, реагируя на локальную температуру среды в месте своего размещения, которая в общем случае не равна средней температуре среды t_С. Рекомендации авторов размещать терморезистор вне термостата возможно ближе к нему приведут к возникновению дополнительной погрешности, так как средняя температура терморезистора будет в этом случае приблизительно равна полусумме локальной температуры среды и температуры внешней поверхности термостата, а не t_С. Следует отметить, что введение в схему регулирования температуры термостата, помимо подложки и позистора, третьего теплоинерционного элемента - терморезистора увеличивает динамическую погрешность термостатирования. В частности, из-за большой разницы во времени выхода на установившийся тепловой режим термостата (по утверждению авторов равного приблизительно двум минутам) и терморезистора R_Т (для различных выпускаемых терморезисторов это время приблизительно на порядок меньше двух минут и различно при нагреве и остывании) возникает погрешность термостатирования, связанная с несинхронностью регулирования.

В заявляемом микротермостате с позисторным нагревателем, содержащем позистор, расположенный на термостатируемой подложке, регулирующий транзистор, коллектор которого соединен с источником питания, а эмиттер с одним из выводов позистора, введены резистор обратной связи, включенный между другим выводом позистора и общей шиной, операционный усилитель рассогласования и делитель напряжения, включенный между источником питания и общей шиной, выход которого соединен с инвертирующим входом операционного усилителя рассогласования, выход усилителя соединен с базой регулирующего транзистора, а неинвертирующий вход усилителя соединен с резистором обратной связи.

Повышение точности термостатирования в широком диапазоне температур окружающей среды в заявляемом техническом решении происходит за счет сокращения числа теплоинерционных звеньев и введения замкнутой системы регулирования, уменьшающей электрическое напряжение на позисторном нагревателе при увеличении его температуры.

На чертеже представлена схема устройства.

Заявляемое устройство содержит подложку 1, на одной стороне которой расположен позистор 2 в пленочном или в дискретном исполнении, шину питания 3, общую шину 4, регулирующий транзистор 5, резистор обратной связи 6, операционный усилитель рассогласования 7, резисторы делителя напряжения 8, 9 и 10.

Позистор 2, являющийся нагревателем термостатируемой подложки 1 и поэтому имеющий с ней сильную тепловую связь, одним из выводов подключен к эмиттеру регулирующего транзистора 5, коллектор которого соединен с шиной питания 3, резистор обратной связи 6 включен между другим выводом позистора 2 и общей шиной 4. Выход операционного усилителя рассогласования 7 соединен с базой регулирующего транзистора 5, причем неинвертирующий вход усилителя 7 включен между позистором 2 и резистором обратной связи 6, а инвертирующий вход соединен со скользящим контактом потенциометра 9, два других контакта которого соединены, соответственно, с резистором 8, подключенным другим выводом к шине питания 3, и с резистором 10, подключенным другим выводом к общей шине 4. В общем случае для уменьшения энергопотребления конструкция микротермостата может быть покрыта теплоизоляционной оболочкой.

Устройство работает следующим образом.

При увеличении температуры окружающей среды t_С увеличивается температура позистора 2, что приводит, благодаря положительному ТКС, к увеличению его сопротивления R₂ и уменьшению выделяемой на нем мощности P₂, расходуемой, в основном, на нагрев подложки

В этой формуле
U₂ - напряжение на позисторе 2;
U_вых - выходное напряжение операционного усилителя рассогласования 7;
U_БЭ - напряжение на открытом электронно-дырочном переходе между базой и эмиттером регулирующего транзистора 5, составляющее всего несколько десятых Вольта;
U₁ - напряжение на резисторе обратной связи 6.

Для предотвращения самовозбуждения операционного усилителя рассогласования 7 при коэффициенте усиления К_U>>1 должно выполняться условие

то есть U₁<<U₂ и K_R≈R₆/R₂. Учитывая приведенные соображения, для упрощения описания работы устройства можно считать

Уменьшение мощности нагрева подложки 1 при увеличении температуры окружающей среды t_С приводит к уменьшению перегрева подложки Δt относительно t_С. При этом происходит термостатирование подложки 1, так как ее температура t_П, равная сумме t_С и Δt, почти не меняется при увеличении t_С
t_П = t_С + Δt
Напряжение U₁ на резисторе обратной связи 6 при увеличении t_С уменьшается из-за увеличения сопротивления R₂

При этом уменьшается выходное напряжение U_вых операционного усилителя рассогласования 7, зависящее от величины опорного напряжения U₀ (U₀< U₁), снимаемого с делителя напряжения, составленного из резисторов 8, 9 и 10 и от коэффициента усиления операционного усилителя рассогласования 7

Выполнив преобразование, имеем:

Для того чтобы система была устойчивой, необходимо, чтобы K_U·R₆/R₂ было меньше единицы, так как при (K_U·R₆/R₂) = 1 имеет место эффект самовозбуждения. При уменьшении температуры окружающей среды t_С сопротивление позистора R₂ уменьшается, что приводит к увеличению выделяемой на нем мощности P₂ и увеличению перегрева подложки Δt относительно температуры t_С. Температура подложки t_П, как и в случае увеличения t_С, почти не меняется. Подставив найденное выражение для U_вых в упрощенную формулу для P₂, получим

При этом для задания требуемой величины температуры термостатирования подложки t_П можно использовать потенциометр 9, регулирующий величину U₀, определяющую мощность P₂ нагрева позистора.

Зададимся температурным коэффициентом сопротивления позистора α = 0,2^oC^-1 и определим с помощью выражения для P₂ во сколько раз изменится мощность позисторного нагревателя при повышении его температуры Δt = 5^oC, когда сопротивление позистора изменится от R₂(t)=R₂ до R₂(t+ Δt) = R₂(1+α·Δt )=2R₂

Для нашего примера получим

Результатом расчета для различных соотношений параметров схемы при устойчивой ее работе в отсутствие самовозбуждения, то есть при (K_U·R₆/R₂)< 1, приведены в таблице.

Анализ приведенных в таблице численных значений показывает, что чем меньше запас по устойчивости регулирования, то есть, чем ближе величина (K_U·R₆/R₂) к единице, тем больше выигрыш в точности регулирования, пропорциональный, при прочих равных условиях, отношению P(t) к P(t + Δt).

Для позисторного термостата, питаемого от постоянного напряжения [2], мощность P, выделяемая позисторным нагревателем с сопротивлением R₂, находит из выражения

Для таких термостатов

При α = 0,2^oC^-1 и Δt = 5^oC получаем P(t)/ P(t+ Δt) = 2, то есть при одних и тех же условиях точность регулирования температуры, а следовательно и точность термостатирования, в заявляемом устройстве может быть достигнута в 30.25 раза выше, чем в термостате [2], использующем для питания позисторов постоянное напряжение. В приведенных расчетах не учтено, что в заявляемом устройстве уменьшение напряжения питания позистора при увеличении его температуры приводит к дополнительному увеличению сопротивления позистора, то есть не учтен варисторный эффект в позисторе. При учете этого эффекта в расчете заявляемого устройства выигрыш в точности регулирования температуры по сравнению с термостатом, разработанном в [2] окажется еще больше. В прототипе [3] расчетное повышение точности термостатирования по сравнению с термостатом, разработанном в [2], оценивается лишь в 2-3 раза.

Литература
1. А.с. СССР N 1672421, М. кл. G 05 D 23/19 Бабаян Р.Р., Окропиридзе Д. П., Ованесян О.Г. Устройство для термостатирования полупроводниковых пластин интегральных микросхем.

2. А.с. СССР N 476665, М. кл. H 03 H 3/02 Соколов Б.А., Вороховский Я.Л. , Петросян И.Г., Смирнов Е.М., Шаталов О.М. Термостабилизированный пьезоэлектрический резонатор // БИ, 1975, N 25.

3. Вороховский Я. Л., Грузиненко В.Б., Петросян И.Г. Кварцевый резонатор-термостат с саморегулирующимся позисторным нагревателем // Электронная техника. Серия 5. Радиодетали и радиокомпоненты, 1977, выпуск 3 (22).

Изобретение относится к технике регулирования температуры в прецизионных радиоэлектронных устройствах и может быть использовано для поддержания постоянства параметров этих устройств в широком диапазоне температур окружающей среды. Микротермостат с позисторным нагревателем содержит позистор (П) (2), расположенный на термостатируемой подложке (ТП) (1), регулирующий транзистор (Т)(5), коллектор которого соединен с источником питания, а эмиттер с одним из выводов П(2). Введены резистор (Р)(6) обратной связи, включенный между другим выводом П(2) и общей шиной, операционный усилитель (ОУ) (7) рассогласования и делитель напряжения (ДН) (8,9,10), определяющий величину температуры термостатирования П(2), включенный между источником питания и общей шиной. Выход ДН(9) соединен с инвертирующим входом ОУ(7). Выход ОУ(7) соединен с базой регулирующего Т(5), а неинвертирующий вход ОУ(7) соединен с Р(6) обратной связи. Технический результат: повышение точности термостатирования в широком диапазоне температур окружающей среды за счет сокращения числа теплоинерционных звеньев и введения замкнутой системы регулирования, уменьшающей электрическое напряжение на позисторном нагревателе при увеличении его температуры. 1 ил., 1 табл.

Микротермостат с позисторным нагревателем, содержащий позистор, расположенный на термостатируемой подложке, регулирующий транзистор, коллектор которого соединен с источником питания, а эмиттер - с одним из выводов позистора, отличающийся тем, что в него введены резистор обратной связи, включенный между другим выводом позистора и общей шиной, операционный усилитель рассогласования и делитель напряжения, определяющий величину температуры термостатирования подложки, включенный между источником питания и общей шиной, выход которого соединен с инвертирующим входом операционного усилителя рассогласования, выход усилителя соединен с базой регулирующего транзистора, а неинвертирующий вход усилителя соединен с резистором обратной связи.