КВАРЦЕВЫЙ РЕЗОНАТОР-ТЕРМОСТАТ Российский патент 2004 года по МПК H03H9/08 

Изобретение относится к технике стабилизации частоты и может быть использовано при разработке высокостабильных кварцевых генераторов.

Известен кварцевый резонатор-термостат (КРТ), содержащий пьезоэлемент с расположенными на нем электродами, пленочным нагревателем и датчиком температуры и закрепленный в корпусе при помощи теплоизолирующего держателя [1]. Недостатком данного КРТ является большая температурная нестабильность частоты, обусловленная влиянием сильных градиентов температуры в пьезоэлементе на частоту КРТ во время разогрева после включения и в стационарном режиме при изменении температуры окружающей среды или напряжения питания.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является кварцевый резонатор-термостат, содержащий вакуумированный корпус, в котором закреплено основание с размещенным на нем транзистором, установленным на металлической пластине, и контактными лепестками, в которых установлен кварцевый пьезоэлемент с нанесенными на него возбуждающими электродами, нагревателем и датчиком температуры. Основание выполнено в виде металлического кольца с расположенными на нем местами крепления его в вакуумированном корпусе. Указанные места крепления опорного металлического кольца в корпусе и места крепления металлической пластины на опорном кольце выполнены в виде диэлектрических изоляторов, в которых размещены металлические стержни. Вакуумированный корпус снабжен металлизацией внутренней поверхности. Технический результат заключается в том, что малая масса термостатируемого узла и хорошая тепловая связь между нагревателем, пьезоэлементом и датчиком температуры обеспечивают его быстрый разогрев [2]. Недостатком данного устройства является также большой градиент температуры в пьезоэлементе и недостаточно высокая стабильность частоты.

Задачей изобретения является повышение стабильности частоты за счет уменьшения градиентов температуры в пьезоэлементе при сохранении малого времени разогрева.

Поставленная задача решается тем, что в кварцевом резонаторе-термостате, содержащем пьезоэлемент с нанесенными на него возбуждающими электродами, пленочным резистивным нагревателем и датчиком температуры, основание с закрепленным на нем пьезоэлементом и транзисторным нагревателем, которое в свою очередь закреплено в корпусе при помощи теплоизолирующего держателя, основание выполнено в виде пластины из диэлектрического материала и имеет теплоемкость, равную теплоемкости пьезоэлемента. На основании закреплен транзисторный нагреватель, в цепь эмиттера которого включен пленочный резистивный нагреватель, причем сопротивление пленочного резистивного нагревателя удовлетворяет условию

где k - коэффициент ослабления градиентов температуры; Е - напряжение питания; R_t - общее тепловое сопротивление термостата; ΔT - разность между температурой термостатирования и минимальной температурой окружающей среды.

На фиг.1 представлена конструктивная схема кварцевого резонатора-термостата; на фиг.2 - электрическая схема соединения элементов; на фиг.3 - графики зависимости мощности, выделяемой в термостате от управляющего напряжения.

Пьезоэлемент 1 с нанесенными на него возбуждающими электродами 2, пленочным резистивным нагревателем 3, датчиком температуры 4 закреплен на основании 5 при помощи металлических держателей 6. Основание выполнено в виде пластины из диэлектрического материала, например, керамики на основе окиси алюминия и имеет теплоемкость, равную теплоемкости пьезоэлемента 1. На основании 5 расположен транзисторный нагреватель 7. Основание закреплено в корпусе 8 при помощи держателя в виде стоек 9 из материала с низкой теплопроводностью, например, кварцевого стекла. Корпус резонатора вакууммирован. Транзистор 7, пленочный резистивный нагреватель 3 и датчик температуры 4, в качестве которого используется терморезистор, соединены в соответствии со схемой фиг.2.

Кварцевый резонатор-термостат работает следующим образом. В момент подключения источника питания на базу транзистора 7 подается такое управляющее напряжение U_упp, при котором напряжение U на эмиттере транзистора, соединенного с пленочным нагревателем, равно половине напряжения питания Е. При этом на пленочном нагревателе, сопротивление которого R_н, выделяется мощность

P1=U²/R_н, (2)

а на транзисторе мощность

P2=U·(E-U)/R_н, (3)

обеспечивающая быстрый прогрев пьезоэлемента 1 и диэлектрической пластины 5 до температуры термостатирования, которая контролируется датчиком температуры 4. Так как теплоемкости пьезоэлемента и основания одинаковы, скорость их нагрева также одинакова, следовательно нет перетоков тепла от пьезоэлемента к основанию и наоборот, чем обеспечивается отсутствие больших градиентов температуры в пьезоэлементе во время разогрева. По мере приближения температуры пьезоэлемента к температуре термостатирования напряжение U уменьшается до величины U_paб, мощности Р1 и Р2 уменьшаются в соответствии с выражениями (2) и (3). График изменения мощности P1, P2 и общей мощности Р=P1+P2, выделяемой в КРТ, приведены на фиг. 3. В стационарном режиме, когда температура пьезоэлемента равна температуре термостатирования и сопротивление R_н выбрано в соответствии с условием (1), суммарная мощность Р находится в пределах рабочей зоны Р_раб, а мощность, выделяемая на пьезоэлементе, в k раз меньше суммарной мощности, выделяемой в термостате, где коэффициент k определяется соотношением:

k=P1/(P1+P2)=U_раб/E (4)

На практике k составляет величину 0,1 и менее, тогда U_paб<<E и Р1<<Р, или Р1<<P2. Так как градиент температуры в пьезоэлементе и соответственно нестабильность частоты пропорциональны выделяемой пленочным нагревателем мощности на пьезоэлементе Р1, снижение ее приводит к пропорциональному уменьшению в k раз нестабильности частоты, обусловленной как изменением температуры окружающей среды, так и колебаниями напряжения питания Е.

Источники информации

1. Иванов А.А., Теренько В.С., Тихомиров В.Г. Кварцевый резонатор-термостат с прямым термостатированием пьезоэлемента // Электронная техника. Сер. 5. - 1983. - Вып.1 (50). - С.76-78.

2. Патент 2155442 Россия, МПК 7 Н 03 Н 9/19, 9/15. ОАО “Морион”. №111816/09; Кварцевый резонатор с внутренним термостатированием. Опубл. 27.08.2000.

Изобретение относится к технике стабилизации частоты и может быть использовано при разработке высокостабильных кварцевых генераторов. Техническим результатом является повышение стабильности частоты за счет уменьшения градиентов температуры в пьезоэлементе при сохранении малого времени разогрева. Кварцевый резонатор-термостат содержит пьезоэлемент с нанесенными на него возбуждающими электродами, пленочным резистивным нагревателем и датчиком температуры, основание с закрепленным на нем пьезоэлементом и транзисторным нагревателем, которое в свою очередь закреплено в корпусе при помощи теплоизолирующего держателя, основание выполнено в виде пластины из диэлектрического материала и имеет теплоемкость, равную теплоемкости пьезоэлемента. На основании закреплен транзисторный нагреватель, в цепь эмиттера которого включен пленочный резистивный нагреватель. 1 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Кварцевый резонатор-термостат, содержащий пьезоэлемент с нанесенными на него возбуждающими электродами, пленочным резистивным нагревателем и датчиком температуры, основание с закрепленным на нем пьезоэлементом и транзисторным нагревателем, которое, в свою очередь, закреплено в корпусе при помощи теплоизолирующего держателя, отличающийся тем, что основание выполнено в виде пластины из диэлектрического материала и имеет теплоемкость, равную теплоемкости пьезоэлемента.2. Кварцевый резонатор термостат по п.1, отличающийся тем что на основании закреплен транзисторный нагреватель, в цепь эмиттера которого включен пленочный резистивный нагреватель, причем сопротивление пленочного резистивного нагревателя R_н удовлетворяет условию

где k - коэффициент ослабления градиентов температуры;

Е - напряжение питания;

R_t - общее тепловое сопротивление термостата;

ΔT - разность между температурой термостатирования и минимальной температурой окружающей среды.