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Einrichtung zum Begrenzen temperaturbedingter Frequenzschwankungen
eines quarzgesteuerten Hochfrequenzoszfllators Die Erfindung betrifft eine Einrichtung
zum Begrenzen der Frequenzschwankungen eines quarzgesteuerten Hochfrequenzoszillators
auf einen vorgegebenen Frequenzbereich mit der oberen Grenze f0 und der unteren
Grenze fu bei Schwankungen der Råumtemperatur unterhalb einer vorgegebenen oberen
Temperaturgrenze T0 mit einem Quarz, der einen AT-Schnitt aufweist und eine derartige,
durch eine Gleichung dritten Grades bestimmte Frequenz-Temperatur-Kennlinie hat,
daß bei der vorgegebenen oberen Temperaturgrenze T0 die obere Frequenzgrenze f0
nicht Uberschritten wird, und mit einer Heizvorrichtung, die nur bei flaumtemperaturen
unterhalb einer Temperatur Tu, die um denselben Betrag unterhalb der durch den Wendepunkt
der Kennlinie bestimmten Temperatur T5 liegt wie die obere Temperaturgrenze To oberhalb
der Temperatur T5, in Betrieb ist.
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Es ist bekannt, bei Geräten mit einem quarzgesteuerten Hochfrequenzoszillator,
beispielsweise bei einem Funksprechgerät mit einem quarzgesteuerten, die Frequenz
des Senders bestimmenden Senderoszillator bzw. mit einem quarzgesteuerten, die Uberlagerungsfrequenz
des Empfängers des Gerätes bestimmenden Uberlagerungsoszillator entweder das ganze
Gerät in einem Thermostaten unterzubringen
unterzubringen oder nur
auf den Quarz eine elektrische Hez.v9rrichtung einwirken zu lassen. Bei batterie
betriebenen Geräten, insbesondere bei solchen, die tragbar sind und oft in der Hand
bzw. am Körper gehalten werden müssen, ist es sehr erwünscht, daß die Mittel zum
Konstanthalten der Umgebungstemperatur des Quarzes ein möglichst geringes Gewicht
und Ausmaß haben und daß zur Schonung der Batterien der Heizstrom so klein wie möglich
ist.
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Alle bekannten Einrichtungen, bei denen ein Thermostat verwendet wird,
kommen wegen des großen Gewichtes und Ausmaßes des Thermostaten für transportable
Geräte nicht in Frage. Bei einer, bekannten Einrichtung wird eine ungeregelte Heizung
eingeschaltet, wenn die Raumtemperatur und damit die Umgebungstemperatur des Quarzes
die Temperatur Tu unterschreitet. Bei allen Rrumtemperaturen unterhalb Tu wird durch
diese Heizung die Umgebu,ngstemperatur des Quarzes gegenüber der Raumtemperatur
um den Differenzbetrag zwischen der Raumtemperatur Tu und einer für die Betriebsfähigkeit
des Gerätes vorgegebenen unteren Raumtemperaturgrenze Tu' erhöht.
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Der Nachteil vorstehender bekannter Einrichtung ist Jedoch, daß dieselbe
Heizleistung bei einer Raumtemperatur knapp unterhalb Tu aufgewendet werden muß
wie bei der weit darunter liegenden Raumtemperatur Tu'. Außerdem wird der Arbeitsbereich
der Heizung durch die Forderung eingeengt, daß durch die bei der Raumtemperatur
Tu eingeschaltete Heizung die Umgebungstemperatur des Quarzes nicht höher als die
obere, für die Betriebsfähigkeit des
des Gerätes vorgegebene Raumtemperatur
T0 werden darf, da Ja sonst die obere Frequenzgrenze f0 des Quarzes überschritten
werden wUrde. Dieses bedeutet umgekehrt, daß die untere vorgegebene Raumtemperatur
Tu nur um diesen Arbeitsbereich der Heizung tiefer liegen darf als die die Einschaltung
der Heizung bestimmende Temperatur Tu, wodurch beispielsweise für Ts = + 27° C,
To = + 40° C sowie Tu = + 14° C der Arbeitsbereich der Heizung 260 C betragen würde
und Tu' bei - 120 C liegen müßte. Letzterer Wert genügt aber nicht, da normalerweise
die untere Raumtemperatur mit - 200 C vorgegeben ist.
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Die geschilderten Nachteile der bekannten Einrichtung zum Heizen werden
gemäß der Erfindung dadurch vermieden, daß die Heizvorrichtung von einer Regelschaltung
derart gesteuert wird, daß sie die Umgebungstemperatur des Quarzes bei Tu konstant
hält.
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Die Heizvorrichtung wird also bei einer knapp unterhalb Tu liegenden
Raumtemperatur, beispielsweise bei einer Temperatur von + 100 C, wenn der ert von
Tu angenommenerweise + 14Q C betragen soll, nur eine sehr geringe Heizleistung an
den Quarz abzugeben brauchen, um die Umgebungstemperatur des Quarzes von annähernd
+ 14Q C auRrechtzuerhalten. Die RegeLschaltung ist dabei so aufgebaut, daß im Gegensatz
zu der vorstehend erwähnten bekannten Einrichtung bei der Außentemperatur von +
100 C eine Umgebungstemperatur des Quarzes von + 140 C nicht überschritten wird.
Bei weiterem Absinken der Raumtemperatur, beispielsweise bis 0° wird dann die Heizleistung
größer werden, um die Umgebungstemperatur
temperatur des Quarzes
von annähernd 140 C zu gewShrleisten.
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Schließlich kann die Regelschaltung der Heizvorrichtung ohne Schwierigkeit
so dimensioniert sein, daß sie bei beispielsweise einer Raumtemperatur von - 200
C eine solche Heizleistung'aufbringt, daß die Umgebungstemperatur des Quarzes ebenfalls
auf annähernd + 140 C gehalten wird. Ein Absinken der Raumtemperatur unter - 200
C könnte gegebenenfalls ohne weiteres beim Aufbau der Heizvorrichtung mit Erfolg
berücksichtigt werden. Jeden-' ralls kann man bei der erfindungsgemäßen Einrichtung
zum Begrenzen temperaturbedingter Frequenzschwanküngen einen viel größeren Arbeitsbereich
der Heizvorrichtung ausnutzen als bei der bekennS ten Einrichtung. Außerdem wird
an Heizleistung gespart, da Ja bei Raumtemperaturen knapp unterhalb Tu nur wenig
Heizleistung benötigt wird.
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In Durchführung des Erfindungsgedankens können in einem aus einer
Grundplatte und einer auf der Grundplatte aufgesetzten metallischen Haube bestehenden
Gehäuse der Quarz, der HochRrequenz-, oszillator in Form einer integrierten Schaltung
und die zur Steuerung der mindestens einen Heizwiderstand enthaltenden elektrischen
Heizvorrichtung dienende Regelschaltung einschließlich der Heizwiderstände in integrierter
Bauweise untergebracht und das Gehäuse von einer Wärme-Isolation umgeben sein.
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Dieses ergibt einen raumsparenden und preiswerten Aufbau der Einrichtung.
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Natürlich
Natürlich kann die vorgeschlagene Einrichtung
auch bei ortsfesten Geräten, die aus dem Starkstromnetz betrieben werden, von Vorteil
sein, wenn man Strom sparen will.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung sowie deren Wirkungsweise seien
anhand der Zeichnungen erläutert, in denen ein AusrWhrungsbeispiel der erfindungsgemäßen
Einrichtung zum Begrenzen der Frequenzschwankungen eines quarzgesteuerten Hochfrequenzoszillators
dargestellt ist, Fig. 1 bringt Frequenz-Temperatur-Kennlinien von drei Quarzen mit
verschiedenen AT-Schnitten, Fig. 2 ist ein in stark vergrößertem Maßstab und schematisch
gezeichneter Schnitt durch ein einen Quarz, einen Hochfrequenzoszillator und eine
geregelte Heizvorrichtuxg enthaltendes Gehäuse, Fig. 3 gibt eine Regelschaltung
der Heizvorrichtung wieder.
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In Fig. 1 sind die Frequenz-Temperatur-Kennlinien 1, 2, 3 von drei
Quarzen mit AT-Schnitten gezeichnet, wobei die Quarze jeweils unter einem anderen
Winkel geschnitten sind. Auf der Abszisse sind die Temperaturen von minus dreißig
bis plus sechzig Grad Celsius eingetragen, während die Ordinate die positiven Frequenzabweichungen
des Quarzes nach oben und die negativen nach unten enthält.
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Die Kennlinien 1, 2, 3 sind durch Gleichungen dritten Grades bestimmt,
die alle einen gemeinsamen Wendepunkt 24 bei der Temperatur
tur
Ts, beispielsweise bei + 270 C, haben und symmetrisch zur Ordinate dieser Temperatur
verlaufen.
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Für die Entwicklung der Einrichtung zum Begrenzen der Frequenzschwankungen
eines quarzgesteuerten Hochfrequenzoszillators ist vorgegeben, daß bis zu einer
oberen Raumtemperatur T0, beispielsweise von + 400 C, die obere Grenze f0 des Frequenzbereiches
nicht überschritten und daß bis zu einer unteren Raumtemperatur Tu' eine untere
Grenze fu des Frequenzbereiches nicht unterschritten werden darf, wobei die Frequenzen
fo und fu vorteilhafterweise symmetrisch zu einer Sollfrequenz liegen, die der Temperatur
Ts des Wendepunktes 24 der Kennlinien l, 2, 3 entspricht0 Ein Blick auf Fig. 1 zeigt,
daß oberhalb der Temperatur T5 bis zur oberen Raumtemperatur T0 ein Quarz mit der
Kennlinie 2 in diesem Temperaturbereich, beispielsweise zwischen + 27° C und + 400
C, die obere Grenze rO des Frequenzbereiches nicht Uberschreitet und daß bei der
Raumtemperatur Tu, die um denselben Betrag unterhalb der durch den Wendepunkt 24
der Kennlinie bestimmten Temperatur T5 liegt wie die obere Raumtemperatur To oberhalb
der Temperatur Ts, eine untere Grenze fu des Frequenzbereiches eingehalten wird,
wobei für exakt symmetrischen Verlauf der Kennt linie fu gleich fo ist. Für beispielsweise
Ts = + 27° C und To = + 40° C liegt Tu bei + 14° C. Um nun für tiefere Raumtemperaturen,
beispielsweise von + 14° C abwärts bis zur unteren vorgegebenen Raumtemperatur von
Tu' = - 20Q C, die Umgebungstemperatur des Quarzes nicht unter Tu absinken zu lassen
und dadurch eine wesentliche
wesentliche Unterschreitung der unteren
Grenze fu zu erhalten, wird erfindungsgemäß bei der Temperatur Tu eine von einer
Regelschaltung gesteuerte Heizvorrichtung selbsttätig in Funktion gesetzt, die die
Umgebungstemperatur des Quarzes auf annähernd Tu konstant hält. Beispielsweise sinkt
dann, durch die geregelte Heizvorrichtung gesteuert, die Umgebungstemperatur des
Quarzes für eine knapp unterhalb Tu liegende Raumtemperatur um wenige Zehntel Grad
und für eine untere vorgegebene Raumtemperatur von Tu' - - 200 C um etwa einen Grad
Celsius ab.
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Die Einrichtung zum Begrenzen der Frequenzschwankungenieines quarzgesteuerten
llochfrequenzoszillators ist, wie in Fig. 2 schematisch gezeichnet, beispielsweise
in einem aus einer Haube 5 und einer Grundplatte 4 bestehenden Gehäuse untergebracht.
Dieses Gehäuse kann ähnlich dem Gehäuse eines -Transistors gestaltet sein. Ein HochRrequenzoszlllator
7 und eine Regelschaltung 6, beide in integrierter Bauweise, sind unmittelbar auf
der Oberseite der Grundplatte 4 befestigt ein Quarz 8 ist frei innerhalb der Haube
gehalten. Schließlich ist das ganze Gehäuse mit einer Wärme-Isolation 10 umgeben,
aus der Anschlußdrähte 9 herausragen.
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Die Regelschaltung (Pig. 3) enthält eine BrUcke mit vier Zweigen 11
bis 14, von denen der Zweig 11 ein ohmscher Widerstand, der Zweig 12 ein Heißleiter
und die Zweige 13, 14 zwei in Sperrichtung arbeitende Zener-Dioden sind. Die an
den Zener-Dioden herrschende Spannung ist Jeweils größer als ihre Zenerspannung,
so daß die an den Diagonalpunkten 25,. 26 der BrUcke wirksame Arbeitsspannung stabilisiert
stabilisiert
ist, die von dem Pluspol 29 und dem Minuspol 28 einer Batterie entnommen ist, Die
andere, waagerechte Diagonale mit den Diagonalpunkten 17, 18 bildet den Eingang
eines aue,zwel Transistoren 15, 16 bestehenden Gleichstromverstärkers. 15 ist ein
npn-Transistor, 16 ein pnp-Transistor.
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Oberhalb einer Temperatur Tu, im weiter oben erwähnten Beispiel angenommenerweise
+ 140 C, ist der Widerstandswert des Heißleiters 12 kleiner als der des Widerstandes
11, der zur Basis des Transistors 15 führende Diagonalpunkt 17 der Brücke 11 bis
14 ist somit negativer als der zum Emitter des Transistors 15 ruhrende Diagonalpunkt
18 und der npn-Transistor 15 gesperrt. Dadurch rührt der Transistor 15 keinen Kollektorstrom
über Widerstände 19, 20, und der pnp-Transistor 16 ist ebenfalls nahezu gesperrt,
weil dessen Emitter und Basis das gleiche Potential haben. Im Kollektorkreis des
Transistors 16 liegende Heizwiderstände 21, 22 bleiben also kalt. Der Widerstandswert
des ohmschen Widerstandes 11 ist also derart dimensioniert und der Heißleiz ter
12 in seiner Kennlinie derart ausgesucht, daß bei einer Temperatur Tu keine Heizleistung
in den Heizwiderständen entsteht und die Heizvorrichtung außer Funktion ist.
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Sinkt die Umgebungstemperatur des Quarzes wegen sinkender Außentemperatur
unter Tu, so wird der Widerstandswert des Helßleiters 12 größer als der des Widerstandes
11, die Basis des npn-Transistors 15 erhält eine positivere Spannung als dessen
Emitter, der Kollektor führt Strom über die Widerstände 19, 20 vom Pluspol 23 der
der
Batterie her, und der pnp-Transistor 16 erhält an seiner Basis eine negativere Spannung
als an seinem Emitter. Dadurch rührt der Kollektor des Transistors 16 Strom über
die beiden Heizwiderstände 21, 22. Die dabei und in dem Transistor selbst entstehende
Wärme erhöht die Temperatur der Umgebung des integrierten Bausteines 6 (Fig. 2)
sowie des Quarzes 8, bis nahe an Tu.
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Eine Diode 27 dient zum Reduzieren des Reststromes des Transistors
16 bei hohen Raumtemperaturen. Die für die einzelnen Widerstände vermerkten Widerstandswerte
stellen nur angenäherte Werte dar; es können gegebenenfalls andere Größen dafür
genommen werden.
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Die erfindungsgemäße Einrichtung kann auch zum Begrenzen der Schwankungen
der Resonanzfrequenz eines Quarzfilters benutzt werden.