КОНСТРУКЦИЯ ТЕРМОСТАТИРОВАННОГО ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ГЕНЕРАТОРА

Полезная модель относится к радиоэлектронике, в частности к области пьезотехники, и может быть использована при разработке термостатированных генераторов с пьезоэлектрическими резонаторами.
Известна конструкция термостатированного пьезоэлектрического генератора, описанного в патенте RU №2310974. Данная конструкция состоит из корпуса, теплораспределяющей камеры, пьезоэлектрического резонатора и трех печатных плат. Первая печатная плата расположена в корпусе и содержит нетермостатируемые элементы. Пьезоэлектрический резонатор и вторая печатная плата, которая содержит термостатируемые элементы, расположены в теплораспределяющей камере. Третья печатная плата содержит также термостатируемые элементы и расположена поверх теплораспределяющей камеры.
Однако, разделение схемы на термостатируемые и нетермостатируемые элементы приводит к ограничению температурного диапазона из-за того, что большинство радиоэлементов не работают или работают некорректно при крайне низких температурах - ниже -50°C.
Известна также конструкция термостатированного кварцевого генератора, описанная в патенте US №8149068 и содержащая корпус и размещенную в нем печатную плату, на которой расположены кварцевый резонатор, схема резонатора и схема термостата. В данной конструкции все элементы расположены на одной двусторонней печатной плате, а тепловой контакт между нагревателем и пьезоэлементом обеспечивается за счет теплопроводящей резины.
Однако, несмотря на простоту конструкции и небольшие массогабаритные параметры, ее недостатком является то, что теплопроводящая резина не может обеспечить достаточный тепловой контакт между нагревателем, термостатируемыми элементами и пьезоэлементом, т.к. герметики или компаунды не обладают достаточной теплопроводностью по сравнению с металлами или сплавами, снижая точность определения температуры резонатора. Кроме того, распределение резины по всей поверхности платы относительно тонким слоем приводит к большим потерям тепла и увеличению теплового градиента через пьезоэлемент.
Наиболее близкой к заявляемой полезной модели является конструкция термостатированного кварцевого генератора в соответствии с патентом RU №2122278. Согласно патентному описанию конструкция содержит наружный корпус, размещенную в этом корпусе печатную плату с установленными на ней элементами схемы, включая кварцевый резонатор и терморегулятор, и зафиксированный на печатной плате корпус. Все термостатируемые элементы схемы генератора сосредоточены в центральной части печатной платы, которая отделена от периферийной части печатной платы сквозными по толщине прорезями и соединяется с периферийной частью печатной платы перемычками между концами прорезей. Кварцевый резонатор установлен на днище корпуса, выполненного в виде открытого короба из материала с высокой теплопроводностью. Корпус, в котором расположен кварцевый резонатор, снабжен высокотеплопроводящими стержнями и крышкой из материала с высокой теплопроводностью, установленной с теплоизолирующим зазором относительно корпуса кварцевого резонатора. Причем корпус расположен так, что днище корпуса плотно прилегает к печатной плате через слой клея, имеющего высокую теплопроводность, а стержни проходят сквозь печатную плату в ее центральной части вблизи каждой из перемычек. На концах указанных стержней, выступающих над противоположной поверхностью печатной платы, закреплена крышка из материала с высокой теплопроводностью с теплоизолирующим зазором относительно установленных на этой поверхности в центральной части печатной платы элементов схемы генератора.
Однако сложность конструкции и настройки данного генератора приводит к увеличению его массогабаритных параметров. При заявленной потребляемой мощности - 1,5 Вт - выход генератора на рабочую частоту с указанной стабильностью будет происходить через длительный промежуток времени за счет недостаточной мощности для данной конструкции. Разделение печатной платы на термостатируемые и нетермостатируемые участки ограничит также диапазон рабочих температур.
Задачей заявляемой полезной модели является создание конструкции термостатированного пьезоэлектрического генератора, обеспечивающей высокую стабильность частоты в широком интервале рабочих температур с минимально возможным временем установления частоты генератора при минимально возможных для требуемой стабильности частоты массогабаритных параметрах.
Сущность заявляемой полезной модели заключается в том, что в конструкции термостатированного пьезоэлектрического генератора, представляющей собой размещенные в корпусе печатную плату схемы генератора, печатную плату схемы термостата, камеру пьезоэлектрического резонатора с пьезоэлектрическим резонатором внутри, печатная плата схемы генератора и печатная плата схемы термостата закреплены посредством паяного соединения на противоположных сторонах камеры пьезоэлектрического резонатора; при этом печатная плата схемы генератора и печатная плата схемы термостата выполнены из материала с высокой теплопроводностью, а камера пьезоэлектрического резонатора - из металла или сплава с температурным коэффициентом линейного расширения, соответствующим температурному коэффициенту линейного расширения материала печатной платы схемы генератора и печатной платы схемы термостата.
Заявляется также конструкция, в которой наряду с вышеназванными признаками печатная плата схемы генератора и печатная плата схемы термостата выполнены из поликора, а камера пьезоэлектрического резонатора выполнена из ковара.
Технический результат заявляемой полезной модели заключается в повышении стабильности частоты и уменьшении времени установления частоты генератора в широком интервале рабочих температур при минимизации массогабаритных параметров конструкции. Данный технический результат достигается за счет использования заявляемого трехслойного расположения элементов конструкции генератора совместно с применением материала печатных плат с высокой теплопроводностью и корпуса из металла или сплава с температурным коэффициентом линейного расширения (ТКЛР), соответствующим ТКЛР материала печатных плат, при отказе от разделения элементов схемы генератора на термостатируемые и нетермостатируемые.
Трехслойное конструктивное решение, в котором печатная плата схемы генератора и печатная плата схемы термостата расположены на противоположных гранях камеры пьезоэлектрического резонатора и находятся с камерой в непосредственном тепловом контакте посредством паяного соединения без воздушных зазоров, является одной из необходимых составляющих, обеспечивающих равномерность теплового поля по всему объему генератора. Паяное соединение и отсутствие воздушных зазоров между печатными платами и корпусом для кварцевого резонатора приводят к снижению тепловых потерь, а следовательно, снижению энергопотребления генератора. Второй составляющей для обеспечения равномерности теплового поля по всему объему генератора, которая способствует повышению точности определения температуры резонатора, а следовательно, улучшению термостатирования, является выполнение печатных плат из материала с высокой теплопроводностью и корпуса из металла или сплава с ТКЛР, соответствующим ТКЛР материала печатных плат. Высокая теплопроводность материала печатных плат обеспечивает равномерный необходимый прогрев элементов схем генератора и термостата, а камера пьезоэлектрического резонатора, выполненная из металла или сплава с требуемым ТКЛР, позволяет одновременно добиться равномерности прогрева по всему объему генератора и сохранить целостность конструкции без деформации прилегающих к ней печатных плат. Такое построение позволяет исключить выход из строя элементов схем генератора и термостата при низких температурах и обеспечить широкий диапазон рабочих температур. Отказ от разделения элементов на термостатируемые и нетермостатируемые позволяет обеспечить прогрев всех элементов схем генератора и термостата, обеспечивая их работу в одном тепловом режиме. Благодаря тому, что заявляемая конструкция обладает высокой теплопроводностью, происходит быстрое и равномерное распределение теплового поля, что обеспечивает малое время выхода на рабочий режим генератора, т.е. прогрев всех элементов генератора происходит быстро и равномерно. Если поместить генератор в теплоизоляционную камеру, то температурная стабильность будет зависеть только от свойств самой теплоизоляционной камеры. За счет того, что все элементы генератора прогреваются одинаково, генератор способен работать при очень низких температурах. Образцы данного генератора уверенно работают в диапазоне температур -60 до +80°C. Таким образом, благодаря комплексному использованию совокупности вышеперечисленных признаков заявляемая конструкция позволяет получить высокую стабильность частоты в широком диапазоне температур при сохранении минимально возможных массогабаритных параметров генератора.
Заявляемое изобретение поясняется с помощью Фиг.1-3, на которых изображено:
на Фиг.1 - конструкция, вид сбоку;
на Фиг.2 - конструкция, вид со стороны печатной платы схемы генератора;
на Фиг.3 - конструкция, вид со стороны печатной платы схемы термостата.
На Фиг.1-3 позициями 1-7 обозначены:
1 - печатная плата схемы генератора;
2 - печатная плата схемы термостата;
3 - камера пьезоэлектрического резонатора;
4 - пьезоэлектрический резонатор;
5 - крышка;
6 - крепежный элемент;
7 - нагревательный элемент.
Конструкция термостатированного кварцевого генератора содержит корпус (на Фиг.1-3 не показан), в котором размещены: печатная плата 1 схемы генератора, печатная плата 2 схемы термостата, камера 3 пьезоэлектрического резонатора и размещенный в нем пьезоэлектрический резонатор 4. Камера 3 пьезоэлектрического резонатора имеет углубление для размещения пьезоэлектрического резонатора 4. Камера 3 пьезоэлектрического резонатора имеет крышку 5 из того же материала и снабжена крепежными элементами 6, с помощью которых конструкция крепится в корпусе. Крышка 5 выполнена с выборкой для размещения печатной платы 2 схемы термостата. Печатная плата 1 схемы генератора размещена на нижней грани камеры 3 пьезоэлектрического резонатора. Нагревательный элемент 7, входящий в состав схемы термостата, размещен на крышке 5 камеры 3 пьезоэлектрического резонатора рядом с печатной платой 2 схемы термостата.
Конструкцию термостатированного пьезоэлектрического генератора изготавливают следующим образом.
-6
-1
-6
-1
Печатную плату 1 схемы генератора и печатную плату 2 схемы термостата изготавливают из материала с высокой теплопроводностью, и в зависимости от выбранного материала печатных плат 1, 2 выбирают материал камеры 3 пьезоэлектрического резонатора с ТКЛР близким к ТКЛР печатных плат 1, 2. В частном случае исполнения могут быть использованы: поликор в качестве материала печатных плат 1, 2 и ковар в качестве материала камеры 3 пьезоэлектрического резонатора. ТКЛР данных материалов в интервале температур 20-400°C имеют следующие значения: (7,5-8,5)·10 К для поликора и (4,5-5,2)·10 К для ковара.
На нижней стороне камеры 3 пьезоэлектрического резонатора посредством пайки фиксируют печатную плату 1 схемы генератора. На крышке 5 аналогично фиксируют печатную плату 2 схемы термостата. Затем крышку 5 припаивают к камере 3 пьезоэлектрического резонатора.
В качестве нагревательного элемента 7 служит полевой транзистор с изолированным затвором. Транзистор представляет собой параллелепипед размерами 6×5×1 мм. Основной металлизированной подложкой (сток) его припаивают непосредственно к крышке 5, а два других (исток, затвор) - к печатной плате 2 схемы термостата. Это возможно за счет того, что крышку 5 выполняют с выборкой для печатной платы 2 схемы термостата, в которой последняя после монтажа оказывается утопленной на всю толщину. Гибкие выводы пьезоэлектрического резонатора 4 припаивают к площадкам печатной платы 1 схемы генератора.
В углублении камеры 3 пьезоэлектрического резонатора размещают пьезоэлектрический резонатор 4, фиксируя его пластичной теплопроводной пастой. Полученную конструкцию посредством крепежных элементов 6 крепят в корпусе.
При нагреве тепловой поток распространяется от нагревательного элемента 7 через камеру 3 пьезоэлектрического резонатора и крышку 5 к печатным платам 1, 2. Благодаря высокой теплопроводности печатных плат 1, 2 и их соединений обеспечивается равномерный нагрев всей конструкции с минимальными потерями энергии. Кроме того, равномерный нагрев конструкции обеспечивает точность определения температуры пьезоэлектрического резонатора 4, что приводит к улучшению термостатирования, повышая стабильность частоты. Быстрый и равномерный прогрев конструкции в целом снижает время выхода на режим и расширяет диапазон рабочих температур.