Miniaturowy termostat do rezonatora/generatora kwarcowego - zastosowanie, działanie, montaż

Do czego to służy? - termostat do rezonatora/generatora kwarcowego

Opisany w tym artykule termostat stabilizuje temperaturę rezonatora. Określenie „termostat” z reguły kojarzy się ze stosunkowo dużym urządzeniem, z izolowanym cieplnie pojemnikiem współpracującym z układem elektronicznym. W tym przypadku jest inaczej: dzięki bardzo małym rozmiarom można zamontować go bezpośrednio na rezonatorze kwarcowym!

Układ ten można wykorzystać we wszystkich układach, w których wymagana jest większa stabilność częstotliwości niż taka, jaką zapewnia zwykły rezonator kwarcowy, np. w częstościomierzach, syntezerach DDS, PLL, transwerterach, przyrządach pomiarowych itp. Przykład urządzenia, w którym zastosowano opisany układ, pokazany jest na fotografii 1.

Fot.1Termostat do rezonatora kwarcowego - przykład wykorzystania

Jak działa termostat do rezonatora/generatora kwarcowego?

Stabilność częstotliwości generatora wykorzystującego rezonator kwarcowy wynosi około 10 ppm/°C. Lepszą stabilność można uzyskać, stosując generatory termokompensowane (około 1ppm/°C) lub termostatowane (od 0,01 do 0,001ppm/°C). Jeszcze lepszą stabilność uzyskuje się, wykorzystując generatory termostatowane, synchronizowane wzorcami atomowymi, np. sygnałem GPS lub wzorcem rubidowym. W układach synchronizowanych wzorcem GPS generator termostatowany zapewnia dobrą stabilność krótkoterminową częstotliwości, a wzorzec atomowy długoterminową.

Fot.2 Zmontowany układ termostatu do rezonatora kwarcowego

Zmontowany układ termostatu pokazany jest na fotografii 2, schemat ideowy na rysunku 3. Projektując układ, szczególny nacisk położono na miniaturyzację układu. Spowodowało to konieczność użycia elementów w małych obudowach: 0603, SOT-89, SOT-416 oraz wyeliminowania elementów grzejnych w postaci rezystorów, które przy wymaganej mocy zajmowałyby zbyt dużą powierzchnię płytki. Elementem grzejnym w opisanym układzie jest tranzystor MOSFET z kanałem typu P. Zastosowanie tranzystora z kanałem typu P nie jest przypadkiem, tylko przemyślaną decyzją, ponieważ pozwala na połączenie jego obudowy (drenu) z obudową rezonatora i z masą układu.

Rys.3 Schemat ideowy - układ termostatu do rezonatora kwarcowego

Przyjęte rozwiązanie umożliwia uzyskanie bardzo niskiej rezystancji termicznej takiego złącza. Funkcję czujnika temperatury pełni czujnik krzemowy typu KT81-220. W porównaniu z termistorami NTC czujniki krzemowe mają lepszą stabilność rezystancji w funkcji czasu. Zastosowany czujnik ma stosunkowo dużą (jak na czujnik krzemowy) rezystancję, co zmniejsza nagrzewanie przez płynący przezeń prąd. Na dzielniku napięcia tworzonym przez rezystor R9 i czujnik temperatury występuje tym większe napięcie, im wyższa jest temperatura czujnika KTY. Rezystancja czujnika KTY rośnie ze wzrostem jego temperatury.

Temperaturę zadaną termostatu ustawia się jednorazowo dzielnikiem rezystancyjnym R7, R5, R6, dobierając równolegle połączone rezystory R5 i R6. Przyjęte rozwiązanie pozwala zminiaturyzować układ, ponieważ dwa połączone rezystory 0603 (nalutowane na siebie) zajmują mniejszą powierzchnię niż jakikolwiek potencjometr montażowy. Sygnał błędu (różnica napięcia między dzielnikiem R9, R8 i R7, R5, R6) wzmacniany jest we wzmacniaczu operacyjnym LMC7101 w obudowie SOT23- 5. Tranzystor T1 pracuje jako grzałka, jako opornik o regulowanej rezystancji, zależnej od napięcia na bramce. Im napięcie względem masy jest większe, tym rezystancja D-S tranzystora jest większa i element się mniej nagrzewa.

Maksymalną wartość prądu płynącego przez tranzystor T1 ogranicza układ T2, R2, R3. Zastosowane rozwiązanie ogranicza moc traconą w rezystorach R2, R3. Gdy spadek napięcia na rezystorach jest większy niż 0,6V, to tranzystor T2 zaczyna przewodzić i ogranicza prąd płynący przez tranzystor T1. Wartość prądu płynącego przez tranzystor T2 ogranicza opornik R1. Pętla ujemnego sprzężenia zwrotnego ustala punkt pracy tranzystora T1 tak, aby napięcia panujące na dzielnikach R9, R8 i R7, R5, R6 były sobie równe.

Wzmocnienie wzmacniacza ogranicza rezystor R4. Ewentualnym wzbudzeniom układu zapobiega kondensator C2. Kondensatory C1 i C3 odsprzęgają zasilanie układu. Poprawną pracę układu uzyskuje się, zasilając układ z napięcia stabilizowanego. Zmiany wartości napięcia zasilania nie mają znaczenia dla działania układu. Trzeba tylko pamiętać, że im wyższe jest napięcie, tym większa będzie moc wydzielona w postaci ciepła na tranzystorze T1, przy tych samych wartościach rezystancji R2, R3.

Montaż i uruchomienie termostatu do rezonatora/generatora kwarcowego

Układ zmontowano na dwustronnym laminacie szklano-epoksydowym o grubości 0,8 mm z metalizacją otworów. Płytka ma naprawdę znikome rozmiary, tylko 11 na 16 mm – rysunek 4. Ostatecznie zaprojektowana mozaika ścieżek różni się od wstępnego projektu (i fotografii modelu) ze względu na jej optymalizację po wykonaniu prototypu. Dolna powierzchnia płytki drukowanej stanowi masę układu i pozbawiona jest soldermaski. Przelotki między warstwami płytki drukowanej nie tylko łączą masę układu z elementami, ale również przekazują ciepło do czujnika temperatury i rezonatora kwarcowego. Ciepło do czujnika przekazuje również dodatkowa przelotka pod niepodłączonym wyprowadzeniem czujnika temperatury KTY82.

Rys.4 Projekt płytki - układ termostatu do rezonatora kwarcowego

W opisanym układzie nie należy stosować laminatu grubszego niż 1 mm, gdyż zwiększa to rezystancję termiczną przelotek oraz utrudnia montaż tranzystora T1 w obudowie SOT-223. W najprostszym wariancie układ przylutowuje się do obudowy rezonatora kwarcowego tak, by tranzystor mocy i czujnik były przylutowane do obudowy rezonatora kwarcowego. Pozostała część płytki może wystawać poza rezonator kwarcowy.

Takie połączenie zapewnia możliwie najmniejszą rezystancję cieplną połączeń. Uwaga! Do przylutowania układu do obudowy rezonatora kwarcowego zastosowano stop Lichtenberga, używany do cynowania płytek drukowanych. Stop ten (bizmut-ołów-cyna) nie zawiera toksycznego kadmu, ma niską temperaturę topnienia wynoszącą około 100°C i zapewnia niską rezystancję termiczną (popularny stop Sn60Pb40 ma temperaturę topnienia ponad 180°C). Użycie stopu Lichtenberga zamiast zwykłego lutu ołowiowego nie naraża rezonatora kwarcowego na zbyt wysokie temperatury występujące podczas lutowania.

I jeszcze jeden szczegół: część z dostępnych na rynku obudów rezonatorów kwarcowych nie da się lutować za pomocą popularnych topników z powodu zastosowania niklu jako dodatku stopowego w obudowach rezonatora. Obudowy rezonatorów łączone są za pomocą innych technik niż lutowanie. Autor osiągnął bardzo dobre rezultaty, stosując w tym wypadku preparat AlumWeld Chrome, dostępny na portalach aukcyjnych. Bardzo ważne jest, by po wstępnym pocynowaniu rezonatora nadmiar preparatu usunąć alkoholem izopropylowym, gdyż wykazuje on działanie korozyjne.

Analogicznie jak płytka termostatu, do obudowy rezonatora przylutowany jest dren tranzystora T1 w przypadku wykorzystania tranzystora w obudowie SOT- 223. W przypadku obudów rezonatorów kwarcowych mniejszych niż HC49U do rezonatora należy przylutować kawałek blachy miedzianej, a dopiero do niego płytkę z termostatem.

Pomiędzy rezonatorem a masą układu należy zastosować podkładkę izolującą cieplnie rezonator od płytki drukowanej. W przypadku problemu z zakupem podkładki, jej funkcję może pełnić kawałek cienkiego laminatu, pozbawionego miedzi. Obudowę rezonatora należy połączyć z masą układu za pomocą cienkiego drucika. Tak zmontowany układ trzeba zabezpieczyć koszulką termokurczliwą lub za pomocą pianki ochronnej używanej podczas transportu elementów, która będzie pełniła funkcję izolacji termicznej.

Większą stabilność częstotliwości można uzyskać, termostatując nie tylko rezonator kwarcowy, ale cały układ generatora. W takim wypadku należy zastąpić tranzystor w obudowie SOT-89 tranzystorem o większej mocy strat np. w obudowie SOT-223 lub TO-220. W przypadku tranzystorów w obudowach innych niż SOT-89 część płytki, gdzie kończą się wyprowadzania bramki i źródła tranzystora mocy należy odciąć, a wyprowadzenia tranzystora mocy przylutować bezpośrednio do płytki drukowanej.

Wykorzystując tranzystory większej mocy, warto zwiększyć prąd płynący przez tranzystor, zmniejszając wartość rezystorów R2, R3. Wymaganą wartość prądu można wyliczyć ze wzoru I=0,6V/R, gdzie R jest wypadkową rezystancją równolegle połączonych rezystorów R2/R3. W układzie można zastosować do czterech równolegle połączonych oporników. Dwa pierwsze rezystory montuje się na płytce drukowanej, a kolejne nalutowuje się na nich. Nie należy przekraczać dopuszczalnej mocy strat wynoszącej 0,125 W na jeden rezystor w obudowie 0603. Moc strat wyliczamy ze wzoru P=I2*R.

W przypadku generatorów kwarcowych typu DIL termostat można przylutować do obudowy generatora kwarcowego i całość zaizolować kawałkami styropianu lub pianki. Temperatura, na jaką ustawiony jest termostat, musi być wyższa od temperatury panującej w obudowie urządzenia.

Podczas pracy rezonator/generator wraz z termostatem powinien być umieszczony z dala od wszelkich elementów wymuszających przepływ powietrza. Stabilność temperatury można zwiększyć, powiększając bezwładność termiczną układu (poprzez zwiększenie masy elementu grzejnego), poprawiając izolację termiczną oraz optymalizując wzmocnienie układu. Zbyt mała wartość wzmocnienia powoduje wydłużenie czasu stabilizacji temperatury, zaś zbyt duża – nadmierne fluktuacje temperatury termostatu.

Autor stosuje następującą metodę doboru elementów R5, R6. Najpierw należy określić żądaną temperaturę pracy termostatu, np. 50°C. Dla czujnika KTY82-220 (patrz karta katalogowa) odpowiada to rezystancji z przedziału 2359Ω do 2475Ω (typowo 2417Ω). Następnie trzeba dobrać oporniki R5, R6 tak, aby uzyskać rezystancję 2417Ω. Dokładniej temperaturę można ustalić, zastępując jeden z oporników rezystorem wieloobrotowym i mierząc temperaturę stabilizowaną przez termostat za pomocą miniaturowej termopary. Czujnik mierzący temperaturę rezonatora powinien być odizolowany od wpływu temperatury zewnętrznej.

Pomiary temperatury należy wykonywać po ustabilizowaniu się temperatury, gdy napięcie na dzielniku R8–R9 przestanie się zmieniać. W przypadku gdy rezonator pochodzi z przypadkowego źródła, ustawia się tę temperaturę zwykle na 45…50°C. W przypadku rezonatorów kwarcowych wykonywanych na zamówienie użytkownik ma zwykle możliwość wyboru temperatury, w jakiej będzie pracował rezonator kwarcowy. Producent w trakcie produkcji tak wykonuje rezonator kwarcowy, aby osiągnąć jak najmniejszy współczynnik temperaturowy zmian częstotliwości dla podanej temperatury.

Wzmacniacz LMC7101 można zastąpić innym wzmacniaczem operacyjnym o podobnych parametrach w takiej samej obudowie (SOT23-5), należy jedynie sprawdzić zgodność wyprowadzeń zastosowanego układu z wyprowadzeniami LMC7101. Należy na to zwrócić szczególną uwagę, ponieważ w przeciwieństwie do wzmacniaczy w obudowach SOIC-8, wzmacniacze w obudowach SOT23-5 mogą mieć zmienioną kolejność wyprowadzeń, np. wzmacniacz OPA343 ma inną kolejność wyprowadzeń niż wzmacniacz LMC7101 w takiej samej obudowie.

W układzie można także zastosować tranzystory innych typów niż podane na schemacie. Kupując tranzystor w obudowie SOT- 416, należy jedynie sprawdzić, czy nie ma on zintegrowanych oporników – nie może to być tzw. tranzystor cyfrowy. W przypadku tranzystora w obudowie SOT-89 należy uważać, aby nie przekroczyć jego mocy strat.

W Elportalu umieszczono materiały dodatkowe do tego projektu (dokumentację płytki). Na zakończenie autor chciałby podziękować Waldkowi 3Z6AEF za uwagi do tego tekstu.