Устройство для термостабилизации ПАВ-резонатора

Полезная модель относится к радиотехнике и может быть использована в системах стабилизации температуры резонаторов, в том числе и на поверхностно-акустических волнах (ПАВ).
Известны различные конструкции устройств термостабилизации - термостатов, используемые для пьезоэлектрических резонаторов, применяемых в высокостабильных генераторах, и описанные в следующих патентно-информационных источниках: в
патенте US на изобретение №4011526,
патенте US на изобретение №4862110,
патенте US на изобретение №4721515,
патентной заявке KR на изобретение №20010076621,
патентной заявке JP на изобретение №2015177245,
патентной заявке JP на изобретение №2015211335.
Известно также устройство для термостабилизации, описанное в патенте RU на изобретение №2311726. Резонатор, применяемый в  высокостабильном генераторе, включен колебательную систему или цепь обратной связи. Резонатор помещен в термостат с регулятором температуры, датчиком температуры и нагревателем. В конструкцию генератора введена дополнительная термозависимая цепь, обеспечивающая термокомпенсацию температурно-частотной характеристики генератора в пределах изменения температуры термостата, которая размещена внутри термостата.
Однако для данного устройства характерны скачки частоты резонатора при изменении внешней температуры и сложная схема реализации термозависимой цепи.
Известен также терморегулятор генератора, описанный в патенте RU на изобретение №2463700. Терморегулятор содержит термочувствительный мост с опорным плечом и термочувствительным плечом с основным датчиком температуры R2. В диагональ термочувствительного моста между точками подключения входов усилителя дифференциального сигнала "А" и "Б" включена Т-образная резистивная цепь, третий вывод которой подсоединен к общей точке соединения опорного и термочувствительного плеч моста "О". Один из резисторов диагональной ветви моста является компенсационным датчиком температуры и размещен в любом месте генератора, так что его температура при нормальных внешних условиях ниже, чем температура основного датчика, по меньшей мере, на 0,5°С.
Данная конструкция подразумевает размещение компенсационного датчика температуры в любом месте генератора, что не может обеспечить стабильную термокомпенсацию в широком диапазоне температур.
Наиболее близким аналогом к заявляемой полезной модели является термостат для термостабилизации ПАВ-резонатора в составе генератора на ПАВ, описанный в патенте RU на полезную модель №212699. Термостат содержит электрические элементы: датчик температуры на основе биполярного транзистора, два нагревательных элемента на основе двух резисторов, соединенных параллельно, элементы формирования управляющего напряжения на основе трех биполярных транзисторов и двух резисторов, элементы, задающие рабочую точку термостата, выполненные на основе делителя напряжения и резистора, элементы регулировки тока, выполненные на основе пары биполярных транзисторов. Датчик температуры соединен с элементами, задающими рабочую точку термостата, два нагревательных элемента - с элементами регулировки тока. Элементы формирования управляющего напряжения включены между датчиком температуры и двумя нагревательными элементами.
Недостатком наиболее близкого аналога является наличие статической погрешности температуры статирования резонатора, возникающей вследствие несовпадения местоположений резонатора и нагревательных элементов в пространстве. Кроме того конструкция не обеспечивает эффективный нагрев резонатора, так как нет механизма устранения тепловых потерь от конвекции. Низкий уровень тока датчика температуры не обеспечивает достаточной динамики разогрева ПАВ-резонатора и, как следствие, ПАВ-генератор обладает нестабильностью при пониженных температурах и длительным временем выхода на рабочий режим.
Задачей заявляемой полезной модели является повышение эффективности нагрева устройства для термостабилизации с установлением оптимальной температуры для работы ПАВ-резонатора в составе генератора.
Сущность заявляемой полезной модели заключается в том, что в устройстве для термостабилизации ПАВ-резонатора, содержащем параллельно соединенные: два нагревательных элемента, состоящих каждый из нагревателя, токоограничивающего биполярного транзистора и конденсатора; элемент формирования управляющего напряжения; датчик температуры; элемент установки точки термостатирования, включающий два последовательно соединенных резистора, и токовое зеркало, элемент формирования управляющего напряжения содержит последовательно соединенный биполярный транзистор и резистор, датчик температуры выполнен в виде двух параллельно соединенных биполярных транзисторов, кроме того введен дополнительный резистор, включенный параллельно биполярным транзисторам датчика температуры.
Заявляется также устройство, в котором наряду с вышеописанными признаками токовое зеркало состоит из пары согласованных биполярных транзисторов, базы которых соединены, а к коллектору одного из них подключен токозадающий резистор.
Заявляется также полезная модель, в которой нагреватели представляют собой тонкопленочные резисторы.
Технический результат заявляемой полезной модели заключается в обеспечении термостабилизации за счет организации эффективного нагрева и снижения тепловых потерь. В заявляемом устройстве датчик температуры выполнен в виде двух параллельно соединенных биполярных транзисторов, что является одним из отличий от наиболее близкого аналога. Данное новшество обеспечивает более высокий коэффициент усиления по току датчика температуры, что гарантирует более динамичный нагрев за счет увеличения крутизны динамической характеристики и повышения суммарного тока биполярных транзисторов. Кроме того для стабильности формируемого управляющего напряжения на токоограничивающих биполярных транзисторах нагревателей дополнительно введен резистор в элемент формирования управляющего напряжения, что также является отличием заявляемой конструкции. Размещение заявляемого устройства между двумя защитными крышками из теплоизолирующего материала, образующими замкнутый контур вокруг ПАВ-резонатора, дополнительно минимизирует тепловые потери вследствие конвекции, что также усиливает эффект термостабилизации ПАВ-резонатора.
Полезная модель поясняется фиг. 1-2, на которых изображены:
на фиг.1 - электрическая схема заявляемого устройства,
на фиг.2 - пример реализации заявляемого устройства в составе ПАВ-генератора.
Позициями 1-10 обозначены:
1, 2 - нагревательные элементы,
3 - элемент формирования управляющего напряжения,
4 - датчик температуры,
5 - элемент установки точки термостатирования,
6 - токовое зеркало,
7 - основание,
8 - поликоровые платы,
9 - ПАВ-резонатор,
10 - защитные крышки.
R6, R7 - тонкопленочные резисторы нагревательных элементов 1 и 2,
C1, C2 - конденсаторы нагревательных элементов 1 и 2,
VT6, VT7 - токоограничивающие биполярные транзисторы нагревательных элементов 1 и 2,
R4, R5 - резисторы элемент формирования управляющего напряжения 3,
VT5 - биполярный транзистор элемент формирования управляющего напряжения 3,
VT2, VT4 - биполярные транзисторы датчика температуры 4,
R2, R3 - резисторы элемента установки точки термостатирования 5,
VT1, VT3 - биполярные транзисторы токового зеркала 6,
R1 - токозадающий резистор токового зеркала 6.
Устройство для термостабилизации ПАВ-резонатора содержит параллельно соединенные: два нагревательных элемента 1 и 2, элемент формирования управляющего напряжения 3, датчик температуры 4, элемент установки точки термостатирования 5 и токовое зеркало 6. Нагревательные элемента 1 и 2 состоят каждый из нагревателя, представляющего собой тонкопленочные резисторы - R6 и R7 соответственно, токоограничивающего биполярного транзистора - VT6 и VT7 соответственно, и конденсатора - C1 и C2 соответственно. Элемент установки точки термостатирования 5 включает два последовательно соединенных резистора  R2 и R3. Элемент формирования управляющего напряжения 3 содержит последовательно соединенный биполярный транзистор VT5 и резистор R4. Датчик температуры 4 выполнен в виде двух параллельно соединенных биполярных транзисторов VT2 и VT4. Параллельно последним подключен дополнительный резистор R5. Токовое зеркало 6 состоит из пары согласованных биполярных транзисторов VT1 и VT3, установленных в непосредственной близости друг от друга. База биполярного транзистора VT1 соединена электрически с базой транзистора VT3. Коллектор биполярного транзистора VT1 подключен к токозадающему резистору R1.
Заявляемое устройство работает следующим образом.
При подаче напряжения питания, через тонкопленочные резисторы R6, R7 нагревательных элементов 1 и 2, протекает ток, что приводит к выделению тепла на нагревательных элементах 1 и 2, и, как следствие, равномерному разогреву ПАВ-резонатора. Благодаря высокой теплопроводности заявленной конструкции, а также минимизации тепловых потерь вследствие конвекции, тепловой поток от нагревательных элементов 1 и 2 равномерно распространяется до датчика температуры 4. Для стабилизации прямого тока, протекающего через транзистор VT2 датчика температуры 4, используется токовое зеркало 6. С ростом температуры, при фиксированном прямом токе, напряжение на области пространственного заряда p-n-перехода биполярного транзистора VT2 датчика температуры 4 линейно уменьшается. Напряжение на базе транзистора VT2 датчика температуры 4 задано с помощью резисторов R2 и R3 элемента установки точки термостатирования 5 таким образом, что при достижении температуры термостатирования биполярный транзистор VT2 начинает открываться, что приводит к росту напряжения на базе биполярного транзистора VT5 элемента формирования управляющего напряжения 3 и его закрытию. При этом транзистор VT5 и резисторы R4, R5 формируют управляющее напряжение на базах токоограничивающих транзисторов VT6 и VT7 нагревательных элементов 1 и 2, что приводит к их закрытию и, как следствие, падению тока, протекающего через тонкопленочные резисторы R6, R7. При достижении теплового равновесия ток, протекающий через нагреватели 1, 2, и температура ПАВ-резонатора стабилизируются.
Заявляемое техническое решение было изготовлено и опробовано в составе ПАВ-генератора (фиг.2). На основании 7, изготовленном из текстолита, были смонтированы поликоровые платы 8. На одной из поликоровых плат 8 были размещены элементы устройства для термостабилизации ПАВ-резонатора. На другой  поликоровой плате 8 был нанесен тонкопленочный резистор R7, на который был размещен ПАВ-резонатор 9 с тонкопленочным резистор R6 на другой противоположной его поверхности. Вся конструкция ПАВ-генератора заключена межу двумя защитными крышками 10, которые изготавливали из теплоизоляционного материала.
Описанная выше конструкция ПАВ-генератора с заявляемым устройством в составе прошла успешно климатические испытания и подтвердила свою работоспособность в диапазоне температур от -60°С до +70°С при достижении времени выхода на рабочий режим 120 секунд, что подтверждает превосходство разработанного технического решения над известными аналогами.