Ich habe eine frage zu Oszillatoren, es handelt sich um eine Anwendung welche bei -80°C läuft. Das Problem dabei ist das bei diesen Temperaturen der Frequenzdrift des Oszillators zu groß wird und die Anwendung nicht mehr funktioniert. Gibt es für solch niedrige Temperaturen Oszillatoren welche in diesem Temperaturbereich arbeiten oder muss ich da direkt Hersteller anfragen, denn ich konnte leider noch nichts für so niedrige Temperaturen finden. Danke schon im Voraus für Antworten. Grüße Joel
Joel W. schrieb: > der Frequenzdrift des Oszillators zu groß wird Es driftet bei -80° mehr hin und her als bei 20° oder ist die absolute Frequenzabweichung von 20 nach -80 zu gross?
Das Problem an tiefen Temperaturen ist die Leitfaehigkeit von silizium in Bipolartransistoren, sowie die Zyklenfestigkeit der Bondstellen bezueglich der Temperatur. Der Bandgap einer PN-Verbindung steigt mit 2mV pro Grad kaelter. -80 Grad bedeutet als 100 Grad unterhalb Raumtemperatur, bedeutet die Dioden Spannung resp Basis-Emitter Spannung ist 200mV hoeher. Welche Schaltung vertraegt das ? Ich weiss nicht, ob es fertige Oszilatoren fuer diese Temperaturen gibt, allenfalls eben selbst Bauen. Fets funktionieren bei diesen Temperaturen. Ich wuerde allenfalls kaufen und probieren, oder den Hersteller anfragen. Allenfalls kommen Space-rated Komponenten in Frage. Bedeutet ein Oszillator, welcher normalerweise 5 Euro kostet, kostet dann eben 400 Euro. Der ist dann designt und qualitaetskontrolliert fuer den ganzen Temperaturbereich,
Zyklenfestigkeit ist ein wichtiger Punkt. Ueblicherweise versucht man den Oszilator auf Raumtemperatur zu bringen und das Taktsignal thermisch isoliert einzuspeisen.
Die gesamt Abweichung ist zu groß ich hatte mir schon überlegt ob man das mit einem TCXO Oscillator ausgleichen könnte finde aber keinen für so niedriege temperaturen
Was für einen Oszillator verwendest du bisher? Bauteile sind fast immer nur bis -55°C spezifiziert. Einfach weil tiefere Temperaturen auf dieser Erde im Massenmarkt praktisch nicht auftreten. Ich hätte keine bedenken Bauteile auch bei tieferen Temperaturen einzusetzen würde mich dabei aber von der minimalen Versorgungsspannung fernhalten. Natürlich nur wenn es sich nicht um Serienproduktion handelt, sonst Freigabe vom Hersteller holen. Allerdings können durch Wärmeausdehnungskoeffizienten, Sprödigkeit von Kunststoffen und grosse thermische Zyklen Lebensdauerprobleme entstehen.
Joel W. schrieb: > Die gesamt Abweichung ist zu groß ich hatte mir schon überlegt ob man > das mit einem TCXO Oscillator ausgleichen könnte finde aber keinen für > so niedriege [SIC!] temperaturen Aber Dir schon klar, dass Du so oder so den Oszilatoren thermisch stabilisieren musst? Bei 300K kalibrieren und bei 200K die gleichen Wert erwarten: das klappt nicht (Purzel hatte Dir ja die Elektronik erklaert).
Ich dachte auch das ich den Oszillator bei -80°C kalibrieren könnte da die Anwendung dauerhaft bei -80°C laufen soll oder habe ich da etwas nicht verstanden?
Was ist die Problemstellung, wenn quarzgenau nicht reicht? Das sollte doch deutlich unter 200ppm zu schaffen sein. Du hast auf -80°C sicher keinen Batteriebetrieb. Musst also eh Kabel rein und raus bringen. Warum kein Clocksignal mitführen?
Joel W. schrieb: > Gibt es für solch niedrige Temperaturen Oszillatoren Es gibt eigentlich gar keine Bauteile, die für so niedrige Temperaturen spezifiziert sind, kein Widerstand, kein Transistor. Immerhin gibt es jetzt keinen physikalischen Grund warum die Bauteile bei der Temperatur nichts mehr funktionieren würden, wie das bei +800 GradC der Fall wäre, aber du betreibst alles ausserhalb der Spec und musst selber rausfinden wie sie da noch funktionieren. http://www.extremetemperatureelectronics.com/tutorial1.html
Das Problem ist das es eine Batterieanwendung werden soll somit kann ich nicht über ein Kabel ein Clocksignal mitführen. Bei der Applikation handelt es sich um einen Batteriebetrieben Logger welcher dauerhaft bei -80°C betrieben werden soll.
Joel W. schrieb: > es handelt sich um eine Anwendung welche bei -80°C läuft. Ist die "Anwendung" eher digital oder eher analog? Und in welchem Frequenzbereich soll der Oszillator schwingen? > Die gesamt Abweichung ist zu groß Wovon oder wofür? Und wie groß darf diese Abweichung denn in Zahlenwerten ausgedrückt überhaupt sein?
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Joel W. schrieb: > Die gesamt Abweichung ist zu groß Dann nenn doch endlich mal konkrete Werte. Was ist "zu groß" (ppm/°C) und was benötigst Du. Und welche Frequenz (Hz, GHz). Ein Techniker kann immer nur mit Zahlen arbeiten und nicht mit "zu groß", "ganz genau" usw.
Meiner Meinung nach macht die Kombination aus -80°C und Batterie die Frage nach Oszillatorstabilität schon überflüssig.
-80°C geht noch mit Lithiumbatterien von Tadiran. Dies sind zwar auch nicht für diesen Temperaturbereich spezifiziert können aber die Spannung aufbringen. Sie geben aber nicht mehr so viel Strom ab und gehen schneller kaputt
H. H. schrieb: > Wolfgang R. schrieb: >> Welche Batterien schaffen -80°C? > > Beheizte. Ich hab die Lösung: Oszillator auf die Batterie kleben. Mission erfüllt.
H. H. schrieb: > Beheizte. Da stelle ich sofort die Frage, wie man ein modulares System, das als "batteriebetrieben" geplant ist (und damit autark sein dürfte), überhaupt beheizen will. Hoffentlich nicht mit einer Batterie :-) Purzel H. schrieb: > Der Bandgap einer PN-Verbindung steigt mit > 2mV pro Grad kaelter. uns hat man erklärt, der Bandabstand sei konstant. Er sei nur bei tieferen Temperaturen genauer definiert, weil der Übergang nicht so verschmiert ist. Die Leitfähigkeit als solche nimmt natürlich ab, weil die Elektronen weniger beweglich sind.
Joel W. schrieb: > Ich dachte auch das ich den Oszillator bei -80°C kalibrieren > könnte da > die Anwendung dauerhaft bei -80°C laufen soll oder habe ich da etwas > nicht verstanden? Die Frage ist eher: Welche Energiequelle für die Versorgung hast zur Verfügung? Wenn Du reichlich Leistung hast: Tesla hat z.B. in den frühen Modellen seiner automobilen Steuergeräte einfach sehr kleinen Heizmanschetten um wichtige IC gelegt (da es diese IC zur Entwicklungszeit nur als commercial Grade bis -25C zu kaufen gab) und so die -40C geschafft. Wenn deren Gerät erstmal einige Zeit lief, reichte die Verlustleistung des Restes der Platine, um die Heizmanschette abzuschalten. Wenn Du also genug Energie hast, kannst Du Deine Baugruppe thermisch isolieren und thermostatgesteuert bei z.B. -40C halten --- für diese Temperatur gibt es reichlich spezifizierte Bauelemente, die sogar recht preisgünstig sind.
Joel W. schrieb: > Die gesamt Abweichung ist zu groß ich hatte mir schon überlegt ob > man > das mit einem TCXO Oscillator ausgleichen könnte finde aber keinen für > so niedriege temperaturen OCXO nehmen und diesen zusätzlich themisch abkoppeln mit Manschette siehe oben.
Joel W. schrieb: > -80°C geht noch mit Lithiumbatterien von Tadiran. Die härtesten Li-Batterien von Tadiran sind lt. Webseite bis -55°C spezifiziert, sehen da aber schon nicht mehr so gut aus...
Wolfgang R. schrieb: > Ich hab die Lösung: Oszillator auf die Batterie kleben. Mission erfüllt. Oder direkt einen Roehrenoszillator nehmen, da heizt das aktive Element.
Quarze sind so geschnitten, dass bei etwa Raumtemperatur ein Umkehrpunkt des Temperaturkoeffizienten stattfindet. Wenn ich so einen Quarz nun 100K tiefer betreibe, habe ich einen riesigen Temperaturkoeffizienten. Fuer spezielle Anwendungen wird dieser Umkehrpunkt verlegt. zB laufen OCXO bei erhoehter Temperatur und werden beheizt und temperaturstabilisiert. Bei erhoehten Anforderungen verwendet man anstelle von AT-cut Quarzen SC-cut Quarze. Die haben verbesserte Eigenschaften, sind unter mechanischer Spannung gezogen und werden hoeher ausgesteuert. Ich verweise auf das Quarz-Kochbuch. Natuerlich gibt es Tieftemperatur Elektronik. Das ist einfach eine Disziplin fuer sich selbst. Wie gesagt, werden Bipolartransistoren durch FET ersetzt, Kondensatoren bleiben, Widerstaende bleiben, man kann sehr gut Verstaerker bauen, welche bei Fluessig Helium und tiefer laufen. Die Temperatur geht direkt ins Rauschen rein. Die Rauschleistung eines Widerstandes ist proportional zur Temperatur, und wenn man von 290K auf 2.9K runter geht, ist die Rauschleistung 100 Mal kleiner. Bedeutet im wesentlichen, man muss 100 mal weniger integrieren fuer denselben Signal-zu-Noise, resp kann viel kleinere Signale noch sinnvoll messen. Vereinfacht.. wenn die Batterie schon beheizt ist, den Oszillator auch gleich mitheizen. Oszillatoren gibt es ja auch im 7x5mm Gehaeuse. Interessant waere, was das Ganze soll.
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Es gibt auch Temperaturmessgeräte die einen Quarz als Temperatursensor verwenden. Nur wenn die Temperatur konstant ist, ist sicherlich ein gut ausgelegter RC Oszillator eine recht genaue Sache.
Purzel H. schrieb: > und wenn man von 290K auf > 2.9K runter geht, ist die Rauschleistung 100 Mal kleiner War das nicht logarithmisch mit der Bolzmannkonstante?
B. schrieb: > Purzel H. schrieb: >> und wenn man von 290K auf >> 2.9K runter geht, ist die Rauschleistung 100 Mal kleiner > > War das nicht logarithmisch mit der Bolzmannkonstante? Ur(eff)~sqrt(T) und damit Pr~T.
B. schrieb: > Bolzmann Ja, ich weiß, es ist nur ein Flüchtigkeitsfehler... - https://de.m.wikipedia.org/wiki/Ludwig_Boltzmann
Joel W. schrieb: > Ich habe eine frage zu Oszillatoren, es handelt sich um eine Anwendung > welche bei -80°C läuft. Das Problem dabei ist das bei diesen > Temperaturen der Frequenzdrift des Oszillators zu groß wird und die > Anwendung nicht mehr funktioniert. Joel W. schrieb: > Bei der Applikation > handelt es sich um einen Batteriebetrieben Logger welcher dauerhaft bei > -80°C betrieben werden soll. Das halte ich für ausgemachten Schwachsinn. Welcher Logger braucht denn bitte einen Takt, der genauer ist als ein Quarz? Auch bei 100K unter der Normaltemperatur. Und vor allem: welcher Logger "funktioniert nicht mehr", wenn der Takt zu sehr abweicht? Bei -80°C ist man ohnehin außerhalb jeglicher Spezifikation. Experimente sind dann angesagt. Wurde denn wenigstens eins gemacht? Wie groß war die Frequenzabweichung da und wie äußerte sich das "Nichtfunktionieren"? Ach ja: alle batteriebetriebenen Uhren weichen früher oder später ab. Das kann man nicht vermeiden. Entweder man lebt damit oder man muß wenigstens ab und zu mal mit einer externen Quelle (z.B. GPS) synchronisieren.
Axel S. schrieb: > Bei -80°C ist man ohnehin außerhalb jeglicher Spezifikation. Vielleicht sollte der TO mal erwähnen in welchen Frequenzbereich er sich bewegt. Außerdem, ob dieser mit Quarz stabilisiert wurde. Es gibt für den Quarz mehrere Lösungen: a) Eine Lösung geht mit einer Temperaturmessung und Kapazitätsdioden um den Quartz gesteuert zu ziehen. b) Eine andere Lösung schaltet üm auf einen zweiten Quarz mit einer leicht abweichenden Resonanzfrequenz, die dann paßt. c) Der Quarz wird beheizt.
... hat sich extra für diesen Thread neu angemeldet...
Thomas W. schrieb: > Ueblicherweise versucht man den Oszilator auf Raumtemperatur zu bringen wenn die Raumtemperatur (in Laboren) aber von +18°C bis +35°C schwanken kann ist es sinnvoller Oszillatoren auf +45°C zu heizen und die Oszillatortemperatur konstant zu halten damit Meßergebnisse Sommer wie Winter vergleichbar bleiben. > und das Taktsignal thermisch > isoliert einzuspeisen. hier sinnvoller als den Oszillator auf -80°C zu bringen.
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Heinrich K. schrieb: > ... hat sich extra für diesen Thread neu angemeldet... und das ist ein Problem? Dürfte nicht der erste Internet-User sein, der sich in einem Forum anmeldet, weil er eine Frage hat...
Heinrich K. schrieb: > ... hat sich extra für diesen Thread neu angemeldet... Ja, wenn er den Betrieb hier kennen würde, dann hätte er sich die Mühe nicht gemacht. Der beste Vorschlag war bisher, einen ungeeigneten Quarz bei einer ungeeigneten Temperatur mit einer Stromversorgung zu betreiben die man nicht hat. 2 Min. googlen nach "crystal inflection point" stößt einen mit der Nase z.B. auf < https://arxiv.org/pdf/1804.07432.pdf > und die Fig. 8 sieht schon mal ganz vernünftig aus. Und carrier freeze out findet selbst bei BJTs nicht bei -80°C statt; Infernion hat für seine SiGeTs mal Werbung für das Rauschverhalten bei RICHTIGEN Cryo-Temperaturen gemacht. Gerhard (ghf, dk4xp)
B. schrieb: > uns hat man erklärt, der Bandabstand sei konstant. Der Bandabstand ist keine konstante Größe sondern variiert je nach Impuls und Energie eines Elektrons. Aufschluss gibt das Banddiagramm / WK-Diagram. Dort kann man sehen, dass z.B. bei Silizium das Minimum des LB nicht über dem Maximum des VB liegt, im Ggs zu GaAs z.B. In beiden Fällen bedeutet dies, dass die Wahrscheinlichkeit, mit welchem Impuls und Energie ein Elektron über geht, mer oder wenig flach verteilt ist. Bildlich ausgedrückt, braucht ein niederenergetisches Elektron einfach einen anderen Impuls. Impuls heißt hier "Gitterschwingung" und die ist direkt von der Wärme abhängig. Damit ist direkt plausibel, dass bei stark abnehmender Temperatur (links im Diagramm) die Übergänge immer mehr dort stattfinden, wo mehr Energie im Elektron stecken muss. Es braucht also mehr Elektronvolt. Das kann man nun so interpretieren, dass der Bandabstand steigt. > bei tieferen Temperaturen genauer definiert, das ist korrekt > Die Leitfähigkeit als solche nimmt natürlich ab, weil die Elektronen > weniger beweglich sind. Das kann man so pauschal nicht sagen, weil in die Leitfähigkeit auch die Ladungsträgerlebensdauer mit hineinspielt. Entscheidend ist auch die Besetzung der Bänder: Je stärker gefüllt, desto mehr Trapping / Rekombination findet statt und desto eher nimmt die Leitfähigkeit mit zunehmender Temperatur auch wieder ab, weil die Elektronen "keinen Platz haben". Bei Metallen wie dem Kupfer ist das der Fall, weswegen deren Widerstand nur nahe am Nullpunkt sinkt und dann sofort mit realistischen Temperaturen steigt. Umgekehrt lässt sich so erklären, warum Solarzellen bei niedrigen Temperaturen im Winter bis hinunter zu einem Grenzpunkt relativ besser funktionieren: Es gibt weniger (Zwischenniveau-)rekombination und die Lebensdauer der Ladungsträger steigt.
Gerhard H. schrieb: > Infernion Ist das eine neue Siemenstochter? :D Oszillatoren für sehr niedrige Temperaturen hat man z.B. fürs Quanten Computing: https://ieeexplore.ieee.org/document/9866099
J. S. schrieb: > Gerhard H. schrieb: >> Infernion > Ist das eine neue Siemenstochter? :D Erinnert sofort an den ersten Teil von Dantes ›Divina Commedia‹ Und bei Commedia schließt sich gleich in mehrfacher Hinsicht der Kreis zu: Zirkus … Zeche … Ziemens
Axel S. schrieb: > welcher Logger "funktioniert nicht > mehr", wenn der Takt zu sehr abweicht? Einfacher wäre den Logger laufen lassen und die Abweichung rausrechnen? Allerdings könnte ich mir vorstellen, dass h21e viel geringer wird und Quarze weniger Lust zum Schwingen haben bei -80 Grad. Dann setzt die Schwingung aus. Zuverlässigkeitsprobleme sehe ich eher bei Temperaturwechsel und abreißen von Leiterzügen. Wahrscheinlich sollte er statt einem Logger besser 10 benutzen, um die Ausfallrate zu kompensieren?
Schon aufgefallen? Der TO hat am 9.2. das letzte Mal geantwortet. Ist ihm vielleicht doch zu kalt geworden...
Hallo, Ich hatte am Wochenende nicht geschaut wie sich die Diskussion weiterentwickelt. Erstmal möchte ich mich bedanken, das so viele Leute geschrieben haben. Des weiteren würde ich gerne meine Problem noch einmal spezifizieren, Ich habe einen Logger mit welchem ich Messungen für Trockeneis bei ca. -80°C Raumtemperatur überwachen möchte. Dabei habe ich beim Logger aber einen Funktionsausfall der Funkverbindung. Der Rest der Funktionen läuft noch und ich glaube die Funkverbindung funktioniert nicht da es einen zu großen Frequenzdrift beim einem Oszillator gibt. Im Logger sind zwei Oszillatoren verbaut einmal ein 32.768kHz Oszillator und einmal ein 40MHz Oszillator. Dabei ist der 40MHz Oszillator für die Trägerfrequenz des Signals verantwortlich und der 32.768KHz Oszillator für die Richtigen timestamps. Die Anwendung ist nicht selbst beheizt und ich habe als einzige Energiequelle eine Batterie. Deswegen war meine Frage ob es Oszillatoren gibt welche für so niedrige Temperaturen noch funktionieren oder ob es verfahren gibt welche mir helfen könnten meinen Frequenzdrift in den Griff zu bekommen, für welches ich nicht viel Energie benötige da ich auf dieser Seite sehr limitiert bin und nicht einfach den Oszillator auf z.B. -40°C erhitzen kann. Grüße Joel
Joel W. schrieb: > welche mir helfen könnten meinen Frequenzdrift in den Griff zu bekommen Läuft die Frequenz weg oder setzt die Schwingung des Oszillators aus? Wenn sie nur wegläuft, dann bau doch notfalls 2 ein.
Joel W. schrieb: > ich glaube die Funkverbindung funktioniert nicht da es einen zu großen > Frequenzdrift beim einem Oszillator gibt. Es ist immer eine gute Idee, ein Problem anhand von Vermutungen lösen zu wollen. Wenn's dann doch eine andere Ursache hat, hat man ja noch drölfundneunzig weitere Iterationen vor sich und die Arbeit geht nie aus.
Joel W. schrieb: > habe ich beim Logger aber einen Funktionsausfall der Funkverbindung. > Der Rest der Funktionen läuft noch Hmm, Salami! Es handelt sich also gar nicht um einen Logger, der "nicht funktioniert", sondern um eine Funkverbindung. > und ich glaube die Funkverbindung > funktioniert nicht da es einen zu großen Frequenzdrift beim einem > Oszillator gibt. Kann sein. Kann aber auch nicht sein. Tip: ob die Sendefrequenz wegdriftet, kann man mit einem geeigneten (vulgo: durchstimmbaren) Empfänger einfachst feststellen. Mit einem fest abgestimmten Empfänger aber natürlich nicht. > Deswegen war meine Frage ob es Oszillatoren gibt welche für so > niedrige Temperaturen noch funktionieren Du weißt doch gar nicht, ob der der Oszillator noch funktioniert oder nicht? Eine Frequenzabweichung ist nicht das selbe wie "funktioniert nicht". Im Gegenteil ist die Drift genau spezifiziert. OK, zumindest in einem gewissen Temperaturbereich, den du vermutlich verlassen hast. Die kanonische Anwendung für niedrige Temperaturen ist die Raumfahrt. Die haben sicher etwas, das dir weiterhelfen kann. Für entsprechende Preise versteht sich.
Joel W. schrieb: > ich glaube die Funkverbindung funktioniert nicht Ich glaube, deine Analyse ist lückenhaft. Joel W. schrieb: > ich habe als einzige Energiequelle eine Batterie. Welche funktioniert denn noch bei -80 GradC ? Welche Elektronik funktioniert noch bei -80 GradC. Die Oszillatoren könntest du überprüfen ob sie schwingen und auf welcher Frequenz, EMI Probe mit langem Koaxkabel an Messgerät im Warmen. Viel klüger wäre es, gleich den Sensor in den Stickstoff zu stecken, Kabel dran zur Auswerteschaltung die im Warmen sitzt und auf den Funkmist zu verzichten.
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Trockeneis ... lass mich raten, da gibt es auch ein Ausserhalb. Lass die Elektronik ausserhalb und du bist die Sorgen los. Was spricht dagegen ? Wenn der Poster nun etwas von Satellit gesagt haette ... waere auch das Budget dagewesen.
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