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Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Temperaturkompensation
eines piezoelektrischen Schwingers.
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Bei piezoelektrischen Schwingern, die eine Frequenz mit hoher Genauigkeit
erfordern, ist bisher bekannt, die Temperaturkompensation dadurch vorzunehmen, daß
der piezoelektrische Schwinger in einem Thermostaten untergebracht wird, wodurch
die durch die Temperatur bedingten Frequenzschwankungen verkleinert werden. Bei
einer solchen Temperaturkompensation wird jedoch durch den Thermostaten das Volumen
der Baueinheiten vergrößert. Außerdem muß die für die Erhitzung des Thermostaten
erforderliche Leistung vorgesehen werden.
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Im »Technischen Zentralblatt«, 1959/Elektro, S. 828, ist unter dem
Abschnitt »Thermisch kompensierte Kristall-Oszillatoren« eine aus Blindwiderständen
und Heißleitern bestehende Temperaturkompensationsschaltung für Quarzoszillatoren
beschrieben. Mit einer derartigen Anordnung lassen sich die Frequenzänderungen im
Bereich von 10J' halten.
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Ähnliche Anordnungen zur Temperaturkompensation für AT- und BT-Quarzschnitte
sind auf Seite 314 der Zeitschrift »Electronic & Radio Engineer«, August 1958,
und auf Seite 441 der Zeitschrift »Wireless World«, September 1958, beschrieben.
Dort werden Anordnungen gezeigt, bei denen Heißleiter in entsprechende Netzwerke,
die in Reihe oder parallel zum Quarz liegen, eingefügt sind. Auch bei diesen Anordnungen
kann die Frequenzstabilität entsprechend der Quarzoszillatoren nicht wesentlich
kleiner als 10-' gehalten werden. Dasselbe trifft für die in der deutschen Auslegeschrift
1060 922 beschriebenen Temperaturkompensationsschaltungen für Quarzoszillatoren
zu.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter Vermeidung der obigen
Nachteile eine Temperaturkompensation eines piezoelektrischen Schwingers ohne Thermostaten
durchzuführen. Der Erfindung liegt weiter die Aufgabe zugrunde, die an sich bekannte
Temperaturkompensation eines piezoelektrischen Schwingers ohne Thermostaten gegenüber
bekannten Anordnungen noch weiter zu verbessern.
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Erfindungsgemäß erhält man den Schwinger mit der gegenüber Temperaturänderungen
sehr stabilen Oszillatorfrequenz, indem in Reihe zum Schwingquarz die Diagonale
einer Brückenschaltung gelegt wird, die derart aufgebaut ist, daß die beiden Brückenzweige
in abwechselnder Reihenfolge aus je zwei hintereinandergeschalteten Widerständen
bestehen, von denen jeweils ein Widerstand einen positiven und der andere Widerstand
einen negativen Temperaturkoeffizienten besitzt, und daß in der anderen Diagonale
ein Kondensator eingeschaltet ist.
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Die durch die Temperaturänderung bedingte Frequenzänderung des piezoelektrischen
Schwingers ist je nach dem Schwingungstyp und der Richtung des Quarzschnittes verschieden;
in den meisten Fällen hat aber die Temperatur-Frequenz-Kurve der Quarze den in F
i g. 1 gezeigten Verlauf. Wenn also die Temperatur t, bei der die Frequenz das Maximum
f, erreicht, mit to und die bei der Temperatur t von f,
aus gerechnete
Frequenzänderung mit il f bezeichnet wird, ergibt sich folgende Formel:
Hierin bedeutet k die Konstante, die je nach dem Schwingungstyp und der Richtung
des Quarzschnittes verschiedene Werte aufweist.
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Das elektrische Ersatzschaltbild des piezoelektrischen Schwingers
wird in F i g. 2 gezeigt. Schaltet man zu diesem Stromkreis die Kapazität C, in
Reihe, wie dies in F i g. 3 gezeigt ist, so kann der Stromkreis in den in F i g.
4 gezeigten Stromkreis umgewandelt werden.
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In F i g. 4 ergeben sich die umgewandelten Werte folgendermaßen:
Der Stromkreis in F i g. 4 weist nunmehr den gleichen Schaltungsaufbau wie das in
F i g. 2 gezeigte Ersatzschaltbild des piezoelektrischen Schwingers auf, so daß
also durch die Reihenschaltung der Kapazität C2 zum Schwinger der gleiche Zustand
erreicht wird, den man auch bekäme, wenn die Resonanzfrequenz.fo des Schwingers
um 1.J'' erhöht würde. Zwischen diesen Werten besteht nämlich folgende Beziehung:
Aus dem oben Erwähnten ist zu entnehmen, daß die Temperaturcharakteristik des piezoelektrischen
Schwingers kompensiert werden kann, wenn in F i g. 3 der Wert der Kapazität C2 bei
der Temperatur to so gewählt wird, daß die Kapazität unendlich groß wird und daß
sie unabhängig davon, ob die Temperatur, von der Temperatur to ausgehend, gesteigert
oder abgesenkt wird, allmählich verkleinert wird.
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Um die vollständige Kompensation zu erreichen, genügt es daher, wenn
die Kapazität C2 mit einer Temperaturcharakteristik, die im Betriebstemperaturbereich
die Formel
gemäß (1) und (3) also
erfüllt, eingeschaltet wird.
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Die Kapazität mit der obengenannten Temperaturcharakteristik kann
durch die in F i g. 5 gezeigte Brückenschaltung verwirklicht werden. Die Widerstände
Ra, Rb stellen hierbei jeweils den Widerstand mit der positiven und negativen Temperaturcharakteristik
dar und weisen bei der Temperatur to den gleichen Wert auf. Wenn der Wellenwiderstand
zwischen
1 und 2 in F i g. 5 mit Z bezeichnet wird, wird er durch
folgende Formel zum Ausdruck gebracht:
Hierbei ist
Von der Temperatur to ab wird somit die Blindwiderstandskomponente Null vergrößert,
gleichgültig, ob die Temperatur, von to ausgehend, gesteigert oder abgesenkt wird.
Der Wellenwiderstand Z weist zwar eine Widerstandskomponente auf, aber diese wird
keiner großen Schwankung im Betriebstemperaturbereich unterworfen und kann vernachlässigt
werden, solange sein Wert gegenüber dem Resonanzwiderstand Ro des Quarzes nicht
allzu groß ist.
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Beim zweipoligen Quarz genügt es, wenn, wie in F i g. 7 gezeigt, der
piezoelektrische Schwinger und die Kompensationsbrücke an den Oszillator OSC angeschaltet
werden. Auch beim dreipoligen Quarz kann die durch die Temperatur bedingte Frequenzänderung
des piezoelektrischen Schwingers kompensiert werden, wenn die Schaltung so ausgeführt
wird, wie in F i g. 8 gezeigt ist.
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Es zeigt in der Zeichnung F i g. 1 eine Temperaturcharakteristik des
piezoelektrischen Schwingers, F i g. 2 und 3 ein Ersatzschaltbild des bekannten
piezoelektcischen Schwingers, F i g. 4 das umgewandelte Ersatzschaltbild nach Fig.3,
F i g. 5 und 6 ein Bild zur Erklärung der erfindungsgemäßen Anordnung, F i g. 7
und 8 ein Ausrtihrungsbeispiel des piezoelektrischen Schwingers, auf das die erfindungsgemäße
Temperaturkompensation angewandt ist.
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Nachstehend wird der erfindungsgemäße Effekt an Hand eines Ausführungsbeispiels
erläutert, bei dem die Temperaturkompensation nach der Erfindung auf den piezoelektrischen
Schwinger von 100 kHz und DT-Schnitt angewandt ist.
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Die Temperatur- Frequenz- Charakteristik des Schwingers wird aus der
Formel (1) wie folgt errechnet:
Die Konstanten des Ersatzschaltbildes in F i g. 2 werden wie folgt gewählt: Co =
0,06 pF, C, = 30 pF, R" = 500 S2, L" = 42,2172 H.
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In der Kompensationsbrücke der F i g. 5 werden als Widerstände Ra,
Rb jeweils aus Halbleitern bestehende, gegen Temperatur empfindliche Widerstände
mit positivem und negativem Temperaturkoeffizienten verwendet, wobei die Temperaturcharakteristik
in folgende Beziehung gesetzt ist:
| Ra = 378,6 exp [-0,07 (CC - 20)] [S2] |
| Rb = 378,6 exp [+0,07 (t"C - 20)] [S2] (8) |
| Ck = 2101,9 [pF]. |
Wenn diese Werte in die Formel (6) eingeführt werden und der Kompensationsstromkreis
der F i g. 5 durch das in F i g. 6 gezeigte Reihenersatzschaltbild gegeben ist,
ergeben sich für die äquivalente Kapazität Cz und den Widerstand R bei 100 kHz folgende
Werte bei der Temperatur von 0 bis -40°C:
| Temperatur ( C) R (S1) C; (pF) |
| 20 378,6 00 |
| 22 18 380,9 534814 |
| 24 16 387,3 132703 |
| 26 14 397,5 58 297 |
| 28 12 411,0 32320 |
| 30 10 426,1 20365 |
| 32 8 442,2 13 937 |
| 34 6 456,0 10124 |
| 36 . 4 466,8 7707 |
| 38 2 472,7 6102 |
| 40 0 471,9 5000 |
Nach dieser Tabelle wird der Wert des Widerstandes R im Temperaturbereich 0 - 40°C
nur zwischen etwa 370 [i2] -#. 480 [i2] geändert, so daß der Resonanzwiderstand
Ro des Quarzes gegenüber 500 [S2] den f`ür die Praxis einwandfreien Wert aufweist.
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Wenn die durch die äquivalente Kapazität C; bewirkte Frequenzkompensation
unter Verwendung der Formel (3) errechnet
wird, ergibt sich nachstehende Tabelle. Wenn diesen Werten die durch die Temperatur
bedingte Frequenzänderung hinzugefügt wird, kann die durch die Temperatur
bedingte Frequenzänderung nach der Kompensation erreicht werden. Diese Werte sind
in der rechten Spalte der nachstehenden Tabelle gezeigt:
| Temperatur (C) `t ( 10-") # (. 10-(,) `1f '# +
' -1f |
| fo ( 10-") |
| o |
| 20 0,000 0,000 0,000 |
| 22 18 0,056 -0,060 -0,004 |
| 24 16 0,226 -0,240 -0,014 |
| 26 14 0,514 -0,540 -0,026 |
| 28 12 0,927 -0,960 -0,033 |
| 30 10 1,471 -1,500 -0,029 |
| Fortsetzung |
| Temperatur ('C) 4 f (# 10-6) d L (. 10-6)
d f + d f (- 10-6) |
| .fo .fo .% .fo |
| 32 8 2,148 -2,160 -0,012 |
| 34 6 2,954 -2,940 +0,014 |
| 36 4 3,877 -3,840 +0,037 |
| 38 2 4,892 -4,860 +0,032 |
| 40 0 5,964 -6,000 -0,036 |
Wenn der Reihenresonanzoszillator verwendet wird, wird
unverändert als die Schwankung der Oszillatorfrequenz angesehen. Daraus ist zu entnehmen,
daß im Falle ohne Kompensation die Frequenz im Temperaturbereich 0 - 40 C um 6 -
10-6 schwankt, während die Frequenzschwankung nach der Kompensation auf unter 4
- 10-H beschränkt werden kann.
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Wie oben erwähnt ist, kann nach der Erfindung die durch die Temperatur
bedingte Frequenzänderung durch die einfache Anschaltung der Temperaturkompensationsbrücke
an den Schwinger nahezu vollständig kompensiert werden, so daß die Anordnung zur
Temperaturkompensation des piezoelektrischen Schwingers gegenüber den bekannten
Anordnungen mit Thermostaten in ihren Abmessungen sehr verkleinert und wirtschaftlicher
ausgebildet und gegenüber den bekannten Anordnungen ohne Thermostaten verbessert
werden kann.