CC BY
279
УДК 621.373.42
ОСОБЕННОСТИ ТЕПЛОВОГО РАСЧЕТА И КОНСТРУКЦИИ ТЕРМОСТАТИРОВАННЫХ КВАРЦЕВЫХ ГЕНЕРАТОРОВ
В.П. ЛИТВИНОВ, С.В. БОГУСЛАВСКИЙ
Статья представлена профессором, доктором физико-математических наук Козловым А.И.
Цель данной работы - обеспечение высокой стабильности частоты кварцевых генераторов в широком диапазоне температур при одновременном обеспечении минимальных массогабаритных характеристик. Предложен метод расчета и анализа схемы терморегулирования. Т ехнический результат достигнут за счет оригинальной конструкции тепловой камеры и обеспечения оптимизации схемы терморегулирования с использованием программы МісгоСар.
Ключевые слова: термостатированный кварцевый генератор, кварцевый резонатор, термостат, тепловая камера, нагреватель, регулятор температуры.
Высокостабильные автогенераторы, в которых используют кварцевые резонаторы, находят широкое применение в самых различных областях техники, в том числе в устройствах генерирования и формирования радиосигналов, в телекоммуникационных и навигационных системах, в РЛС, в космической технике, в системах сбора и обработки информации, в устройствах мобильной связи, микропроцессорах и др. В частности, использование кварцевых генераторов в трассовых РЛС, в навигационном оборудовании и космической аппаратуре предъявляет к ним высокие требования по стабильности частоты в широком диапазоне температур, к массогабаритным характеристикам и энергопотреблению.
1. Сравнительный анализ термокомпенсированных и термостатированных кварцевых генераторов
Для обеспечения высокой температурной стабильности частоты в широком диапазоне температур в автогенераторах используют термокомпенсацию уходов частоты кварцевого резонатора или его термостабилизацию. Кратко рассмотрим их.
Полученные в настоящее время достижения в области проектирования термокомпенсированных кварцевых генераторов с резонаторами АТ - среза позволяют реализовать температурную стабильность частоты ДЭТ = ± (1... 5)*10-6 в диапазоне температур от минус 600С до плюс 850С.
Более высокой стабильностью частоты в широком диапазоне температур обладают термостатированные кварцевые генераторы. По сравнению с термокомпенсированными генераторами они имеют большие габариты, массу и потребление энергии, которое особенно возрастает при низких температурах окружающей среды. С учетом влияния различных дестабилизирующих факторов, использования современных технологий, элементной базы и материалов удается обеспечить в диапазоне температур от -40 0С до +80 0С минимальную нестабильность частоты до ± 5 * 10-8 при использовании резонаторов АТ - среза, а при использовании резонаторов БС -среза до ± 1 * 10-8 и лучше.
В последнее время интенсивное развитие радиоэлектроники и непрерывное совершенствование радиоаппаратуры требуют постоянного совершенствования термостатированных генераторов, в частности повышения стабильности частоты и расширения рабочего диапазона температур.
Проведенные исследования известных конструкций термостатированных кварцевых генераторов российских производителей [1, 2] показали возможность не только расширения температурного диапазона при сохранении высокой стабильности частоты, но и обеспечения меньших массогабаритных характеристик.
2. Анализ и расчет схемы регулирования и поддержания температуры
Температура термостата, как правило, выбирается в пределах от +65 до +85 0С. Температурная стабильность частоты в большой степени зависит как от точности поддержания температуры в термостате регулятором температуры, так и от конструкции самого термостата. Поэтому в работе рассмотрены не только конструктивные особенности кварцевых генераторов, но и представлен тепловой расчет схемы регулировки температуры.
Схема регулировки и поддержания температуры в термостатированных генераторах обычно строится по структурной схеме, изображенной на рис. 1.
Рис. 1
Схемная реализация может быть представлена множеством вариантов, однако при разработке принципиальной схемы были учтены следующие соображения:
а) для обеспечения высокой надежности количество комплектующих деталей должно быть минимальным;
б) конструктивное исполнение деталей - для поверхностного монтажа.
Аналитический расчет значительно усложняется из-за зависимости параметров транзисторов от температуры, поэтому анализ данной схемы лучше всего производить с помощью программы моделирования, например М1егоСар.
Исходя из этих соображений, была разработана следующая схема (рис. 2). Температура любого нагревателя (1) определяется как сумма температуры окружающей среды (1ашЬ) и темпера-
туры, рассеиваемой на нагревателе, которая определяется как произведение мощности (Р), на величину его теплового сопротивления излучения Ш
I = 1ашЪ + Р • Ш, (1)
Эта же температура воздействует на датчик температуры в цепи управления и изменяет его сопротивление Шё(1). Тогда напряжение на входе усилителя Ш(1;) будет определяться соотношением
И(')=и- 1-ТЩШ (2>
При этом напряжение на входе нагревателя И2(1;) с учетом коэффициента усиления Ку усилителя будет равно
и 2(1) = Ш(1 )• Ку, (3)
а мощность, рассеиваемая на нагревателе, соответственно будет равна
Р^, 1ашЪ) = Еу2 • и2(1) • £>у, (4)
где Бу = 1вых/Цвх - крутизна характеристики нагревателя;
Еу2 - напряжение источника питания У2.
Поэтому формула (1) примет вид
Ш1
^ = 1ашЪ + Р (^, 1ашЪ ) • Ш = 1ашЪ + 8у • Ку-----------Ш . (5)
Яё (Г) + Я1
define TTmax 60 define TTmin -10 define PtotP1+P2 define P1 -v(V2)*l(V2) define P2 -v(V1 )*I(V1)
.define RT 50
.define Pmin (75-TTminyRT .define Рта* (75-ТТтахуЙТ
Рис. 2
Как видно из формулы (5), данное выражение представляет собой трансцендентное уравнение, нахождение корней которого представляет собой непростую задачу. Альтернативой этому является аналитический расчет нагревателя с помощью программы MicroCap в режиме анализа постоянного тока DC [3]. Для этого задаем построение зависимости общей потребляемой мощности от температуры.
С помощью директивы MicroCap .define определяем переменные и константы, необходимые при построении графика:
• TTmax = 60 - максимальная температура окружающей среды;
• TTmin = - 10 - минимальная температура окружающей среды;
• P1 - мощность, потребляемая от источника V1;
• P2 - мощность, потребляемая от источника V2;
• Ptot - общая мощность, обеспечивающая нагрев;
• Pmin и Pmax - соответственно минимальная и максимальная мощность нагрева;
• 75 - температура термостата в ОС.
Окно задания пределов расчета представлено на рис. 3.
Одновременно проводим две прямые, определяющие мощность нагрева при крайних температурах окружающей среды Pmin и Pmax.
Расчет схемы осуществляется нажатием клавиши F2 или кнопки RUN. В результате получаем график зависимости мощности нагрева от температуры нагрева, а точки пересечения прямых с кривой мощности нагрева определяют температуру нагрева при минимальной и максимальной окружающей температуре. Из графика на рис. 4 видно, что изменение температуры нагрева при изменении окружающей температуры на ДТокр = 70 ОС составляет ДШагр = 76,213 - 73,383 = 2,83 ОС. Коэффициент стабилизации Kst = ДШкр/ДШагр = 70/2,83 = 24,7. Изменяя параметры схемы и проведя анализ, можно оптимизировать величину коэффициента стабилизации.
При крутизне ТЧХ резонатора SC-среза 510-9/ОС максимальный уход частоты составит 510-9 х 2,83 = 1,4 • 10-8.
□ «gygaa|^o- з, чіех т |^ + *-и:-в&--»-+ф <> | в m 'a □ и і в | p g | s§tf- i S % i и
ПГ ¿8 -б* К Ш7^ Т ЇЙ* | ► ■ ІІІ^/'ІПВІІМІЖИІВ.КІЗГ > -* F
GRELKA (2).CIR
,.m
p2
T^o
\ 76.213,300.667m T=+60
■ 60.000 65.000 70.000 75.000 80.000 85 Pmin Pmax 000
Рис. 4
Следует отметить, что данный расчет не позволяет определить динамику работы нагревателя (время выхода в режим и устойчивость), так как для этого необходимо иметь тепловые параметры конкретной комплектации платы нагревателя, а также теплоемкости и теплопроводности элементов конструкции.
Опытным путем установлено, что тепловое сопротивление корпуса С0-08 размером 36х27х19 мм составляет 50 град/Вт. Кроме того, установлено, что коэффициент стабилизации для обеспечения устойчивой работы не должен превышать значение 20 - 25 раз. Для обеспечения более высокого значения необходимо применять двойное термостатирование или использовать термокомпенсацию ТЧХ в пределах изменения температуры термостата [4].
Из приведенного выше расчета можно сделать следующие выводы:
1. С помощью программы М1сгоСар возможно провести анализ и оптимизацию схемы нагревателя.
2. Для устойчивой работы терморегулятора необходимо, чтобы коэффициент стабилизации температуры не превышал значение 25-30, что позволяет в широком интервале температур получить максимальную величину изменения температуры порядка 3-4 ОС, что позволяет на резонаторах 8С-среза получить нестабильность частоты (1,5 - 2)10 .
3. Для получения стабильности порядка (1-5)10-9 необходимо применять двойное термо-статирование.
3. Особенности конструкции высокостабильного термостатированного кварцевого генератора
С учетом вышеописанного метода расчета, анализа и оптимизации схемы терморегулирования с использованием комплектующих компонентов для поверхностного монтажа был разработан генератор [5], который состоит из трех печатных плат: платы задающего генератора, терморегулятора и усилителя-формирователя. На плате усилителя-формирователя смонтирован также стабилизатор напряжения. Г енератор спроектирован в виде двух отдельных блоков.
Первый блок - это термостатированная камера. Камера представляет собой параллелепипед, изготовленный из теплопроводящего материала - меди, который разделен на два отсека. В одном из отсеков расположен прецизионный резонатор. На верхней грани камеры с помощью пайки установлена печатная плата из тонкого стеклотекстолита, на которой размещена схема терморегулятора. В качестве элемента, определяющего стабильность частоты генератора, используется резонатор БС-среза, характеризующийся высокой добротностью, малым значением динамического и статического температурного коэффициента частоты.
Однако для достижения стабильности частоты 510-8 и выше применение термостатирова-ния одного только резонатора оказывается недостаточным, т.к. значительный вклад в нестабильность частоты вносят также элементы схемы генератора. Поэтому во второй отсек помещен и задающий генератор.
Блок 2 содержит усилитель и стабилизатор напряжения. Конкретная конструкция термостатированного кварцевого генератора ГК 193-ТС представлена на рис. 5 и 6.
Г енератор содержит наружный герметичный корпус 1 с основанием 2, на котором закреплена первая печатная плата 3 с установленными на ней нетермостатируемыми элементами схемы генератора 4 (в частности элементами схемы выходного усилительного каскада) и теплораспределяющей камерой 5, содержащей основание 6 и крышку 7. Термостатируемые элементы схемы генератора 8 и пьезоэлектрический резонатор 9 (рис. 5) размещены на второй печатной плате 10, которая установлена в теплораспределяющей камере 5. Третья печатная плата 11 расположена на внешней стороне основной грани основания теплораспределяющей камеры 5. На третьей печатной плате 11 размещены элементы схемы регулятора температуры 12 с датчиком температуры 13 и нагревательными элементами 14. Основание теплораспределяющей камеры 6 жестко соединено с крышкой 7, внешняя сторона основной грани которой закреплена на теплоизоляционной прокладке 15, размещенной на первой печатной плате 3. Пространство между внешней поверхностью теплораспределяющей камеры 5 и внутренней поверхностью наружного корпуса 1 заполнено материалом с низкой теплопроводностью 16, который обеспечивает дополнительно сохранение тепла, в том числе возникающего из-за конвекции и излучения элементами схемы.
Рис, 6
Расширение температурного диапазона при сохранении высокой стабильности частоты и обеспечении минимальных массогабаритных характеристик достигается за счет обеспечения равномерного температурного поля по всей площади пьезоэлектрической пластины при изменении температуры окружающей среды, поскольку нагревается верхняя поверхность основания теплораспределяющей камеры 5, которая параллельна основной грани пьезоэлектрической пластины. При этом более теплый воздушный поток всегда поднимается вверх, а наличие дополнительной тепловой перегородки с такой же относительной температурой, на которую не воздействует температура окружающей среды, т.к. она размещена между двумя нагреваемыми поверхностями, обеспечивает отсутствие тепловых потоков и создает соответственно минимальный градиент температуры. Использование фольги второй стороны печатной платы в качестве элемента теплораспределяющей камеры 5 обеспечивает также уменьшение габаритов. Нагревателем служит транзистор выходного каскада схемы регулятора температуры. Причем нагрев осуществляется через тонкую третью печатную плату 11, что дополнительно обеспечивает более равномерный нагрев основания теплораспределяющей камеры и уменьшение на нее влияния температуры окружающей среды. Внешняя температура окружающей среды обеспечивает минимальное воздействие на теплораспределяющую камеру 5 за счет того, что она не имеет непосредственного теплового контакта с наружным корпусом 1 и основанием 2, поскольку пространство между внешней поверхностью теплораспределяющей камеры 5 и внутренней поверхностью наружного корпуса 1 заполнено материалом с низкой теплопроводностью 16. Технологически осуществить такую конструкцию оказалось возможным только за счет того, что основание теплораспределяющей камеры 5, на котором была размещена третья печатная плата
11, расположено сверху, а ее крышка 15, размещенная снизу, закреплена на теплоизоляционной прокладке 15. При этом для обеспечения электрических контактов между платами необходимо было выполнить длину второй печатной платы больше длины основания теплораспределяющей камеры 5, а высоту одной из боковых граней меньше высоты трех других боковых граней этой камеры. Дополнительно уменьшение влияния внешней температуры на теплораспределяющую камеру 5 и, следовательно, на пьезоэлемент обеспечивается за счет размещения в пространстве между внешней поверхностью теплораспределяющей камеры 5 и внутренней поверхностью наружного корпуса 1 материала с низкой теплопроводностью 16.
На рис. 7 представлены результаты температурных испытаний пяти произвольно выбранных из серии 50-ти штук кварцевых генераторов на частоте 12,8 МГц, где по оси абсцисс отложена температура в 0С, а по оси ординат - уходы частоты (Д1У1)-10"9.
—д-п г'
, / ** * . — ч Ч \
1—- ч- NN ^ч \ % \ \ \ * \ \
і о /у V * Г /Л 0 2 д 3 0 4 0 5 о'ч \ \' 0 Ч 70 . \ ч
//у ' І/ У ° / \ А. ' \ Л ^ ,\\ч . \ \
% \ \ Ч
-4 -
Габаритные размеры корпуса составляют 36 х 27 х 19 мм при общем объеме 18,5 см . При испытаниях кварцевого генератора с резонатором БС - среза были получены следующие результаты: температурная стабильность частоты
в интервале температур (- 40 ^ + 80) 0С составляла ± 5 • 10-9; в интервале температур (- 10 ^ + 70) 0С составляла ± 2,5 • 10-9.
4. Особенности конструкции термостатированного кварцевого генератора с уменьшенными габаритами
Уменьшение массогабаритных характеристик вышерассмотренного кварцевого генератора в более узком интервале температур было достигнуто за счет использования в качестве теплораспределяющей камеры корпуса пьезоэлектрического резонатора, выполненного из материала с высокой теплопроводностью. А сохранение высокой стабильности частоты в широком интервале температур обусловлено высокой точностью поддержания температуры [6]. Сущность разработанной конструкции генератора поясняется чертежами. На рис. 8 (вид сбоку) и рис. 9 (вид сверху) представлен один из вариантов конструкции термостатированного кварцевого генератора.
Генератор содержит показанный на рис. 8 и 9 наружный герметичный корпус с крышкой 1 и основанием 2, на котором закреплена первая печатная плата 3 с установленными на ней нетермо-статируемыми элементами схемы генератора 4 (в частности элементами схемы буферного усилительного каскада и стабилизатора напряжения) и корпусом пьезоэлектрического резонатора 5, выполняющего одновременно роль теплораспределяющей камеры. Термостатируемые элементы схемы генератора 6, в частности терморегулятор с одним или несколькими нагревательными элементами и пьезоэлектрический резонатор с корпусом 5, размещены на противоположных главных гранях второй печатной платы 7, которая закреплена на теплоизоляционной прокладке 8
с выполненным в ней углублением для размещения в нем корпуса пьезоэлектрического резонатора 5. Нижняя грань теплоизоляционной прокладки 8 закреплена на основании корпуса термостатированного пьезоэлектрического генератора 2, а пространство между внутренней поверхностью крышки 1 наружного герметичного корпуса и элементами схемы генератора заполнено материалом с низкой теплопроводностью 9, который обеспечивает дополнительно сохранение тепла, в том числе возникающее из-за конвекции и излучения элементами схемы.
Кварцевый генератор был выполнен в стандартном корпусе 155.15-2 с габаритными размерами 30 х 20 х 10 мм. В результате объем составил всего 6 см2.
При проведении температурных испытаний кварцевого генератора были получены следующие результаты:
температурная стабильность частоты
в интервале температур (- 40 ^ + 70) 0С составила ± 1,2 • 10-8;
в интервале температур (- 10 ^ + 60) 0С составила ± 0,5 • 10-8.
ЛИТЕРАТУРА
1. Альтшуллер Г.Б., Елфимов Н.Н., Шакулин В.Г. Экономичные миниатюрные кварцевые генераторы. - М.: Связь, 1979.
2. Патент РФ № 2207704, МПК Н03Н 5/32, 2001.
3. Разевиг В.Д. Схемотехническое моделирование с помощью MicroCap 7. - М.: Горячая линия. - Телеком, 2003.
4. Литвинов В.П. и др. Термостатированный высокостабильный генератор. Патент РФ № 2311726, МПК Н03Н 5/32, 2006.
5. Богуславский С.В., Литвинов В.П., Горшков К.Г. Термостатированный пьезоэлектрический генератор: Патент на изобретение РФ № 2310974, МПК: H03B 5/32, 2006.
6. Богуславский С.В., Литвинов В.П., Горшков К.Г. Термостатированный пьезоэлектрический генератор: Патент на изобретение РФ № 2323517, МПК: H03B 5/32, 2006.
SPECIFIC OF THERMAL DESIGN AND CONSTRUCTION OF THERMOSTATED
QUARTZ OSCILLATOR
Litvinov V.P., Boguslavskiy S.V.
The objective of this paper is to provide high frequency stability of quartz oscillator in wide temperature range with concurrent minimum of space-weight characteristics. There is supposed the design and analysis method of temperature control circuit. The result was achived with original design of thermal chamber and support of temperature control circuit optimization with help of Micro Cap software.
Key words: thermostated quartz oscillator, quartz resonator, thermostat, thermal chamber, heater, temperature controller.
Сведения об авторах
Литвинов Валентин Петрович, 1935 г.р., окончил МЭИ (1962), кандидат технических наук, профессор, заведующий кафедрой радиотехнических устройств и систем МГОУ, автор более 150 научных работ, область научных интересов - теория и практика высокостабильных колебаний.
Богуславский Семен Владимирович, 1947 г.р., окончил МГОУ (2009), генеральный директор ЗАО «БМГ-Кварц», автор 25 научных работ, область научных интересов - кварцевая стабилизация частоты.
