OCXO
OCXO, oven controlled crystal oscillator, "Quarzoszillator-Thermostat"
Die Herstellung eines Thermostats mit Quarzoszillator wird beschrieben. Dabei werden auch die Gründe genannt, die für die Details des Aufbaus maßgebend sind. Ziel ist keine Maximallösung sondern eine im Bereich des für den Bastler realisierbare. Das Schwierigste ist dabei der für gute Lösung notwendige SMD-Aufbau. Aber auch mit THT-Technik kann eine gute Lösung erreicht werden.
Das Thermostat
Die Isolierung
Ein erster wichtiger Teil ist die Isolierung des Thermostats. Die soll so gut wie möglich sein und kann als Wärmewiderstand [K/W] angegeben werden.
Der erste Grund für viele K/W besteht im Leistungsverbrauch. Nach einem Neu-Aufheizen dauert es etwa einen Tag, bis die Frequenz des Quarzes auf etwa 0,1ppm stabil ist und etwa eine Woche bis 0,01ppm Restfehler erreicht ist. Deshalb ist es notwendig, dass ein Quarzthermostat möglichst ständig durchläuft, um hohe Genauigkeit zu erreichen. Bei einem eventuellen Transport soll die Zwischenversorgung aus einem Akku möglich sein.
Der zweite Grund ist die Leistungsersparnis. Wenig Leistungsfluss nach außen verkleinert die Temperaturunterschiede am Thermostaten und erhöht auch die Gleichmäßigkeit der Temperaturregelung.
Bei einem vorangehenden Versuch verwendete ich eine alte Thermosflasche, und stopfte den Thermostaten mit Steinwolle darin fest. Der Wert von ca 140K/W wurde erreicht und bestand im Wesentlichen aus dem thermischen Nebenschluss nach außen durch die Anschlussdrähte. Das ganze war etwas sperrig, deshalb blieb als Lösung: Im Gehäuse eines alten PC-Netzteils wurde ein PS- (Polystyrol-)-Schaum-Gehäuse mit 80mm Höhe, 110mm Breite und 135mm Tiefe untergebracht. Dabei ergaben sich etwa folgende Werte als Wärmewiderstand:
- Einfacher PS-Schaum mit etwa 8mm-Körnung (Verpackungsmaterial): 45 K/W
- Etwas feinkörniger PS-Schaum (Verpackungsmaterial), ein etwas besseren Wert: 47K/W
- Leicht eingefärbter harter PS-Schaum (beim Bau als Wärmeisolierung üblich): 53 K/W
- Bräunlicher PU-Schaum (Polyurethan), bei Flachdach als Wärmeisolierung):55 K/W
- Faseriges Material wie Glaswolle, Steinwolle und Watte brachte deutlich schlechtere Werte,
- zwischen 20 und 30 K/W, vermutlich weil es durch seine faserige Struktur "Zugluft" zuließ.
Die beiden PS-Hälften wurden mit etwa 2mm dicker weicher Schaumstoffolie zum Sandwich aufgebaut, damit die Zuleitungen, vom weichen Schaum umhüllt keinen offenen Spalt erzeugen. zwei Schichten machen das Paket etwas höher als das Gehäuse, sodas es beim Schließen das Paket fest zusammen drückt.
Bild des Aufbaus, noch ohne Frontplatte.
Der Trägerkörper
Der Träger sollte möglichst hohe Masse haben, denn er bildet einen themischen Kondensator [Ws/K] und mit dem Wärmewiderstand ein 2RC-Glied" das bei ...g Aluminium die Kapazität von Ws/K und mit dem Wärmewiderstand ein RC-Glied mit einer Zeitkonstante von... Sekunden bildet. Natürlich hat die Regelschaltung umso weniger Probleme je größer diese Zeitkonstante ist. Ideal wäre eine rundum-Umhüllung des Quarzoszillators, die eine isothermische Umhüllung darstellt. Da aber die Leiterplatten und das Quarzgehäuse mit dem Träger verklebt werden, nehmen sie auch so die Temperatur gleichmäßig an. Zusätzlich sollte der Träger möglichst wenig Oberfläche haben, da ja über diese die Wärme abgegeben wird. Deshalb auch der Aufbau in SMD-Technik: THT ist zwar auch möglich, aber der dann größere Aufbau nimmt Platz für die Isolierung weg, außerdem ist das Aufkleben auf den Träger dann nicht mehr möglich und einzelne ICs oder Widerstände erzeugen dann unterschiedliche Wärme in der Schaltung.
Bilder der Teile , mit Hinweisen auf der Unterschrift.
Die Reglerschaltung
T bildet den Heizer. Seine Kollektorverlustleistung heizt den Träger. Ein PNP-Transistor BD138 hat da den Vorteil, dass er direkt auf den dann geeerdeten Träger geschraubt werden kann und die Wärme optimal dem Träger übergibt. In einer Kupfer-Version des Trägers habe ich einen FTZ... sogar mit der Kollektorfahne direkt aufgelötet.
Zusammen mit R und der Led bildet das Ganze eine Konstantstromquelle: Beim Anheizbetrieb wird der Strom auf etwa 100mA begrenzt, beim Einsatz des Regelbetriebs geht der Strom auf etwa 50mA zurück.
T bildet den Temperatursensor. Sein Kollektor muss möglichst nah am Kollektor des Heizers angelötet sein. Der Abstand bestimmt nämlich eine Totzeit zwische Regler und Sensor und bringt damit eine Schwingneigung des Regelkreises. Bei gutem Aufbau kan man dann R weglassen, ohne dass es schwingt, bei schlechterem Aufbau muss man ein R von 330...100kOhm einsetzen, um die Schwingneigung zu unterdrücken.
T2 hat eine Beschaltung, die UCE etwa vierfach so groß macht wie UBE. Damit bleibt UCE im Spannungsbereich, den der Opamp als Eingangsspannung zulässt und außerdem wird die Enmpfindlichkeit von -2mV/K auf -8mV/K erhöht.