Система термостатирования резонатора
RESONATOR TEMPERATURE CONTROL SYSTEM

Изобретение относится к радиоэлектронике, в частности к узлам устройств для формирования высокостабильных колебаний, и может быть использовано для термостатирования генераторов с резонаторами, в том числе и на поверхностно-акустических волнах (ПАВ).
Одной из основных проблем при проектировании термостабильных генераторов является значительное изменение частоты при изменениях температуры окружающей среды. Данный недостаток связан с физическими принципами работы резонатора. Поэтому наилучшим способом повышения температурной стабильности частоты является термостатирование.
Из патентной заявки США №2008055022 известно устройство на ПАВ со встроенным нагревательным элементом. Устройство на ПАВ смонтировано на электронном узле, а нагреватель расположен непосредственно на устройстве на ПАВ. Электронный узел включает в себя печатную плату, размещенную в корпусе. Устройство на ПАВ может включать герметизирующую крышку, а нагреватель может быть расположен на обратной стороне герметизирующей крышки или на обратной стороне ПАВ устройства. Нагреватель представляет собой резистивную пленку с контактными площадками на ней.
В описанной конструкции размещение нагревательного элемента предполагает наличие, по крайне мере, нескольких дополнительных производственных циклов - напыление самого нагревательного элемента, напыление контактных площадок и микросварка выводов к нагревателю, что может привести к повреждению самого ПАВ-резонатора. Пленка нагревателя занимает только часть нагреваемой поверхности, а так как материал резонатора обладает низкой теплопроводностью, время разогрева всей структуры до равновесного значения будет очень большим. Часть тепловой мощности нагревателя будет расходоваться на нагрев окружающего воздуха, что приведет к увеличению потребляемой мощности. Кроме того, замена резонатора в случае необходимости потребует дополнительной разварки нового нагревателя, что, из-за возможного разброса параметров греющей пленки в технологическом цикле ее напыления, потребует корректировку параметров электрической схемы термостата. Заявители также не показали расположение датчика температуры термостата. Если он расположен вдали от нагревателя, это приведет к нестабильной работе схемы управления и невозможности точного поддержания температуры резонатора, а если датчик расположен вблизи нагревателя, будут нужны дополнительные технологические операции по установке датчика и организации топологии для его подключения к управляющей схеме.
Из патентной заявки США №2012234818 известно устройство термостатирования резонатора. Устройство содержит нагреватель и датчик температуры, выполненные в виде тонкопленочных металлических резистивных электродов, размещенных непосредственно на поверхности резонатора.
Однако предлагаемый способ термостатирования непригоден для реализации применительно к резонаторам на ПАВ, выполненным на основе обратной фотолитографии (с углублением встречно-штыревых преобразователей в пьезоэлектрическую подложку), так как расположение каких-либо дополнительных элементов в зоне отражательных решёток приведет к их низкой эффективности или вовсе неработоспособности. Кроме того способ нагрева не является локальным, как заявляют авторы патента, так как из-за одинакового по кристаллографическим осям теплового сопротивления прогревается весь объем резонатора, и пока его температура не достигнет температуры нагревателя, не наступит и режим стабилизации температуры поверхности из-за меняющегося с прогревом оттока тепла внутрь подложки. При этом в связи с градиентами температуры как по объему, так и по поверхности температура в области самого резонатора будет медленно и неравномерно расти и, соответственно, так же медленно будет изменяться частота резонатора. Предложенный в описанной выше патентной заявке нагреватель невозможно сделать достаточно мощным, поэтому процесс выхода на режим займет неоправданно большое время.
В описанном выше устройстве нагреватели и датчики температуры выполнены в одном и том же технологическом процессе вместе с остальными элементами топологии структуры на ПАВ и из материалов, обладающих  высокой электропроводностью (алюминий, сплав алюминия и меди), а следовательно, обладают весьма малым сопротивлением, что приводит к значительному усложнению конструкции силовых управляющих цепей нагревателей и к невозможности выделения на них мощности, необходимой для быстрого разогрева при общепринятых напряжениях питания устройства (5, 9 или 12 Вольт). Термочувствительный элемент – датчик температуры в этом случае, обладает весьма низким температурным коэффициентом сопротивления, поэтому необходима обработка показаний такого датчика дорогостоящими прецизионными операционными усилителями с большим коэффициентом усиления. Более того, данное обстоятельство приводит к большой чувствительности к помехам и неминуемо снижает точность поддержания температуры.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является «Миниатюрный прецизионный термостат для термостабилизации ПАВ-резонатора в составе генератора на ПАВ», описанный в патенте РФ №212699 на полезную модель. Термостат содержит электрические элементы: датчик температуры на основе биполярного транзистора, два нагревательных элемента на основе двух резисторов, соединённых параллельно, элементы формирования управляющего напряжения на основе трёх 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 соединён с элементами, задающими рабочую точку термостата. Элементы формирования управляющего напряжения включены между датчиком температуры и двумя нагревательными элементами. Два нагревательных элемента соединены с элементами регулировки тока. Электрические элементы размещены на керамическом основании, расположенном на стеклотекстолитовой плате. Два нагревательных элемента выполнены в виде тонкопленочного резистивного слоя, напыленного на керамическое основание. Термостат может содержать дополнительное керамическое основание для размещения ПАВ-резонатора, размещенное на стеклотекстолитовой плате со стороны, противоположной от керамического основания, на котором размещены электрические элементы термостата.
Стеклотекстолитовая плата содержит металлизированную область под областью соприкосновения с керамическим основанием для размещения ПАВ-резонатора. Металлизированная область под ПАВ-резонатором содержит металлизацию во всех слоях стеклотекстолитовой платы и прошита сквозными металлизированными отверстиями.
Однако наиболее близкий аналог обладает рядом недостатков. Нагревательные элементы расположены с обратной стороны платы, на которую монтируется резонатор, то есть достаточно далеко, как минимум между нагревателем и резонатором несколько различных диэлектрических материалов, обладающих невысокой теплопроводностью, а, значит, для нагрева резонатора до требуемой температуры будет уходить некоторое количество времени, большее, чем если бы грелся непосредственно резонатор. Кроме того в данной конструкции поддерживается постоянной температура не самого резонатора, а поверхности, на которой расположен датчик температуры, который находится на некотором расстоянии от резонатора с обратной стороны платы, что требует экспериментального подбора рабочей температуры термостата и большего энергопотребления. Из-за разнесенных в пространстве резонатора и нагревательных элементов точность поддержания температуры резонатора будет невысокой при изменении температуры окружающей среды в широких пределах. Электрическая схема термостата выполнена таким образом, что его рабочая температура будет сильно зависеть от подводимого к нему напряжения питания и при его колебании вследствие пульсаций, помех, просадки и т.д. также будет меняться, что недопустимо и скажется на стабильности и точности поддержания частоты генератора.
Технической задачей заявляемого устройства является упрощение его конструкции при обеспечении оптимального темпа разогрева резонатора и сокращения времени выхода на режим стабилизации устройства, в котором использован резонатор.
Сущность заявляемого изобретения заключается в том, что система термостатирования резонатора состоит из стабилизатора напряжения, нагревательного узла и узла управления, включающего элемент задания рабочей точки, управляющий элемент и датчик температуры, при этом нагревательный узел включает последовательно соединенные элемент управления нагревателем и нагреватель, размещенный параллельно датчику температуры, соединенному с элементом задания рабочей точки и управляющим элементом, а стабилизатор напряжения соединен с элементом задания рабочей точки и управляющим элементом узла управления.
Кроме того в заявляемой системе нагреватель выполнен в виде пленочного резистора с площадью равной площади резонатора с любым заданным сопротивлением для получения необходимой мощности, а элемент управления нагревателем – в виде полевого транзистора.
В системе термостатирования резонатора в качестве датчика температуры использован биполярный транзистор.
В заявляемом устройстве наряду с вышеописанными признаками управляющий элемент представляет собой два последовательно соединенных резистора, а элемент задания рабочей точки выполнен в виде резистора.
Кроме того в заявляемой системе термостатирования стабилизатор напряжения состоит из стабилитрона и балластного резистора.
Технический результат заявляемого изобретения заключается в том, что при упрощении конструкции системы термостатирования резонатора и за счет разработки эргономичной электрической схемы удалось обеспечить оптимальный темп разогрева термостата. Данное преимущество реализовано благодаря размещению всех элементов электрической схемы на общей теплопроводящей подложке. Кроме того при любой начальной температуре окружающей среды достигается эффект поддержания температуры в точке расположения датчика температуры, не зависящий от напряжения питания и за счет расположения датчика температуры и нагревателя в непосредственной близости друг к другу.
Разработанная конструкция системы термостатирования, в отличие от известных аналогов, может быть изготовлена в условиях современного производства в едином технологическом цикле, что экономит материально-технические и трудовые ресурсы предприятия.
Предлагаемое изобретение поясняется с помощью Фиг. 1-2, на которых изображено
Фиг.1 – электрическая схема системы термостатирования резонатора,
Фиг.2 – схема расположения системы в составе ПАВ-генератора (пример реализации),
и позициями 1-16 обозначены:
1 - стабилизатор напряжения,
2 - нагревательный узел,
3 - узел управления,
4 - датчик температуры,
5 - управляющий элемент,
6 - элемент задания рабочей точки,
7 - нагреватель,
8 - элемент управления нагревателем,
9,10 - резисторы элемента управления,
11 - стабилитрон стабилизатора напряжения,
12 - балластный резистор стабилизатора напряжения,
13 - ПАВ-резонатор,
14 - теплопроводящая подложка,
15 - объем, занимаемый элементами системы,
16 - теплоизоляционный слой,
17 - печатная плата.
Система термостатирования резонатора включает стабилизатор напряжения 1, нагревательный узел 2 и узел управления 3. Последний содержит датчик температуры 4, управляющий элемент 5 и элемент задания рабочей точки 6. Нагревательный узел 2 включает последовательно соединенные нагреватель 7 и элемент управления нагревателем 8. Нагреватель 7 размещен параллельно датчику температуры 4, соединенному с элементом задания рабочей точки 6 и управляющим элементом 5. Стабилизатор напряжения 1 соединен с элементом задания рабочей точки 6 и управляющим элементом 5 узла управления 3. Нагреватель 7 выполнен в виде пленочного резистора, напыленного на поверхность теплопроводящей подложки 14, с площадью равной площади резонатора. Элемент управления нагревателем 8 выполнен в виде полевого транзистора. В качестве датчик температуры 4 использован биполярный транзистор. Управляющий элемент 5 представляет собой два последовательно соединенных резистора 9 и 10. Элемент задания рабочей точки 6 выполнен в виде резистора. Стабилизатор напряжения 1 состоит из стабилитрона 11 и балластного резистора 12.
Устройство работает следующим образом.
Балластный резистор 12 и стабилитрон 11 образуют стабилизатор напряжения 1 параметрического типа, формирующий стабильное напряжение, практически не зависящее от изменения входного напряжения питания для слаботочной части схемы нагревательного узла 2 и для датчика температуры 4 узла управления 3. Резисторы 9 и 10 управляющего элемента 5 служат для задания режима работы биполярного транзистора, представляющего собой датчик температуры 4.
При подаче напряжения питания через резистор - нагреватель 7 начинает протекать стартовый ток, определяемый напряжением питания и собственным сопротивлением нагревателя 7.
По мере увеличения температуры увеличивается ток коллектора транзистора датчика температуры 4, а, значит, и увеличиваться падение напряжения на резисторе элемента задания рабочей точки 6, что приводит к запиранию полевого транзистора элемента управления нагревателем 7. В результате чего снижается ток, протекающий через нагреватель 7, как следствие, происходит снижение количества выделяемого тепла в системе и стабилизация рабочей температуры устройства.
Таким образом при любой начальной температуре окружающей среды достигается эффект поддержания температуры в точке расположения датчика температуры 4. Величина поддерживаемой температуры определяется номиналами резисторов 9 и 10 управляющего элемента 5 и резистора элемента задания рабочей точки 6 и не зависит от напряжения питания.
На Фиг.2 представлена реализованная в качестве макетного образца схема ПАВ-генератора с системой термостатирования резонатора. В конкретном примере реализации изобретения использован ПАВ-резонатор 13, размещенный на теплопроводящей подложке 14, выполненной, например, из нитрида алюминия. Вокруг ПАВ-резонатора 13, на свободной части теплопроводящей подложки 14 сформирован объем, занимаемый элементами системы 15. Теплопроводящая подложка 14 обратной своей стороной помещена на теплоизоляционный слой 16, размещенный на печатной плате 17. Теплоизоляционный слой 16 может быть выполнен из материала с низкой теплопроводностью, например, из кремнийорганического полимера и т.д. Все элементы электрической схемы системы, включая нагреватель 7, расположены на общей теплопроводящей подложке 14.
Следует отметить, что заявляемое техническое решение системы термостатирования является функционально законченным самостоятельным устройством, пригодным для использования в генераторных системах любого типа для формирования высокостабильных колебаний.