Quarzofen selber bauen Eigenbau Temperaturregelung diskret KTY81-122 LM386

[Bernhard S. (bernhard)]

Ein kleines Beispiel einer diskreten Temperaturregelung mit PTC 
KTY81-122 und einem LM386 für einen Quarzofen.

Im Sockel des Ofens befinden sich 3x12V 10W Glühlampen, welche mit 
maximal 5V betrieben werden. Der Sensor ist direkt über den 
Heizelementen (Glühlampen) angebracht. Im Innenraum des Ofens wurde der 
Quarz, seine Kondensatoren und ein Trimmer, welcher von außen drehbar 
ist, plaziert.

Leider fehlt dem Ofen noch die äußere isolierende Hülle.

Der LM386, eine NF-Leistungsverstärker mit OPV eignet sich vorzüglich 
zur Temperaturregelung.

Hinweis: seine Eingangsspannung sollte 0,8V bei 5V Betriebsspannung 
nicht überschreiten, sonst kommt es zu seltsamen "Klemm-Effekten" im 
Eingans-Differenzverstärker.

Wer möchte kann den PIN 1 und 8 (Gain) brücken, erhöht die Genauigkeit 
der Reglung.

Im Versuchsaufbau, ohne Isolierung des Würfels, wurde eine die 
Temperatur auf 2K konstant gehalten.


Bernhard

[Christian S. (roehrenvorheizer)]

Hallo,

schön realisiert.

Vor etlichen Jahren habe ich mal so einen Ofen für ein VCO-IC aufgebaut 
ohne diese Glühlampen, dafür mit sechs Darlingtons an den sechs 
Kupferseiten des Kastens. Geregelt wurde mittels PI-Regler mittels OPV 
und mit Hilfe von Präzisionswiderständen. Der REgler mußte sehr langsam 
sein, damit er nicht überschwingt. Es waren recht große 
Folien-Kondensator-Werte nötig. Dann hatte das Teil nach mehr als einer 
halben Stunde Einschwingzeit und bei ruhiger Luft die Temperatur so im 
Bereich hundertstel Grad genau gehalten. Ein Styroporkasten war 
natürlich außen herum.

So ein integrierender Anteil wäre in Deinem Regler sicher nicht fehl am 
Platz.


mfG

[Pille (Gast)]

...was ist denn da jetzt das Besondere dran? Die Verwendung des NF 
Verstärkers?

..geht wohl auch so:

http://romanblack.com/xoven.htm

Gruß,
Pille

[Pandur S. (jetztnicht)]

Die Gluehlampen sind Quatsch. Die sind dynamisch und nichtlinear. Sobald 
die Temperatur steigt, steigt auch der widestand.

[Gerhard H. (ghf)]

2 °C? Bei Quarzöfen sind mK normal.

<   http://www.karlquist.com/oven.pdf    >
Kalquist war einer der alten Kämpen von HP in Santa Clara.

[Hp M. (nachtmix)]

Gerhard H. schrieb:
> 2 °C? Bei Quarzöfen sind mK normal.

Auch die Öfen von Gaschromatographen zeigten bei Temperaturen bis über 
200°C nur Schwankungen von Zehntel Graden.
Die Aerographen von Varian konnten das damals sogar mit einem 
Thermoelement und einem Röhrenverstärker.
Der Trick dabei war ein kleiner Übertrager "Magsense", der von der 
Röhrenschaltung mit einem (iirc) Sägezahn beaufschlagt wurde und mit den 
vom Thermoelement kommenden µV vormagnetisiert wurde.
Dann noch kräftig verstärken und am Schluss 25A Thyristoren für die 
Heizung triggern ;-)




Bernhard S. schrieb:
> Im Sockel des Ofens befinden sich 3x12V 10W Glühlampen,

Warum heizt du nicht mit dem Leistungstransistor?

[KM (Gast)]

Noch ne Anmerkung:

Standard 0815 Quarze haben meist einen AT-Cut. Der Umkehrpunkt ( = Zone 
geringster Frequenzänderung mit der Temperatur) bei AT-Cut Quarzen ist 
typischerweise bei ~25°C so dass sie bei Raumtemperatur ihren geringsten 
Temperaturdrift haben.

Betreibt man AT Quarze in einem Ofen weitab von diesem Umkehrpunkt, so 
gewinnt man zwar durch die Temperaturstabilität des Ofens, verliert aber 
gleichzeitig durch die grössere Steilheit des Quarz TK. an diesem 
Arbeitspunkt.

Deshalb werden für Quarzöfen gerne SC-Cut Quarze genommen mit einem 
Umkehrpunkt (=Arbeitspunkt) von ~95°C.

Siehe hierzu auch: Quarz Crystal Cookbook von Neubig & Briese, Kap 2.
https://www.axtal.com/English/TechnicalNotes/QuarzkochbuchQuarzCrystalCookbook/

sowie der oben schon genannte  Artikel von Karlquist.

[Bernhard S. (bernhard)]

Bei dieser Variante wurde ein pnp Transistor BDW84C als Heizelement, 
geschraubt auf einen Kühlkörper mit Sensor KTY81-22.

Stromaufnahme: 1A...200mA (nach ca. 30 Minuten)

Glühlampen sehen zwar schöner aus im Ofen, ist aber reglungstechnisch 
nicht ganz unproblematisch, da die Wärme erst das Medium Luft überwinden 
muss.

Da der Sensor direkt mit dem Kühlkörper verbunden ist, läßt sich die 
Kühlkörpertemperatur gut nachregeln, ohne überschwingen.

[Josef L. (Gast)]

Zwei Anmerkungen, nein drei:
1) Man sieht an den Temperaturkurven, dass der AT-Schnitt zwei 
Umkehrpunkte hat, 25° und 50°. Wenn man nicht grade militärische 
Anforderungen hat oder mit dem Gerät in die Tropen reist, kann man den 
Ofen bei 50°C betreiben. Das spart auch Energie.
2) Es ist natürlich Quatsch die ganze Schaltung in den Ofen zu setzen! 
Nur alles, was den Oszi selber ausmacht muss rein. Und den so klein, so 
winzig wie möglich auslegen! Also einen SMD-XO mit 7.5mm Länge maximal, 
mit einem Widerstand oder Transistor geheizt. Mit Isolation kleiner als 
2cm³. Die Temperaturregelschaltung könnte schon wieder außerhalb des 
Ofens sein.
3) Bei diesen Größen kann man sogar einen Ofen im Ofen vorsehen, also 
einen inneren zB bei 50°C, einen äußeren bei 48°. Bei 5 mm Wandabstand 
zum inneren Ofen sind das dann aber schon 10cm³, die von außen isoliert 
werden müssen. Mit weiteren 10-15mm Abstand zum Außengehäuse in etwa ein 
Würfel mit 5cm Kantenlänge.

Heutige OCXO (Bild) sind kaum größer als dein verbauter XO, oder nur 
halb so groß. Sind aber kein "Ofen im Ofen".

[Bernhard S. (bernhard)]

> Es ist natürlich Quatsch die ganze Schaltung in den Ofen zu setzen!

Das sehe ich nicht ganz so, denn der AVR ATmega8 könnte durch 
Temperaturänderung ev. doch die Quarzfrequenz beeinflussen, der verbaute 
Festspannungsregler und alle anderen Komponenten im Ofen heizen schon 
mal mit, es muss also keine zusätzliche Energie für den Ofen aufgebracht 
werden.

Greta würde sich sehr darüber freuen :-)

Noch ein Argument, würde man nur den Quarz und dessen Kapazitäten im 
Ofen verbauen sind Anschlussleitungen zur Schwingschaltung erforderlich, 
z.B. geschirmte Kabel, das temperaturabhängige Dielektrikum dieser Kabel 
beinflußt natürlich die Oszillatorfrequenz, das ist kontraproduktiv.

[Josef L. (Gast)]

Bernhard S. schrieb:
> nur den Quarz und dessen Kapazitäten

Nein, so natürlich nicht. Aber auf deinem Bild ist doch ein kompletter 
Quarzoszillator abgebildet, der intern auch eine Pufferschaltung und 
sicher nochmal Konstantspannungsquelle enthält - da beeinflusst 
außerhalb nichts mehr die Frequenz; zur Not eben nochmal einen Puffer 
dazwischenschalten, damit die Lastkapazität konstant bleibt. Diese 
Komponenten müssen in den Ofen. Und natürlich Heizelement und 
Temperaturfühler.

Das von mir gezeigte IC hat das alles drin, braucht weniger als 1W im 
Dauerbetrieb, hat aber einen Quarz im SC-Cut. Bei 50° und der Größe 
bräuchte man noch weniger.

Ich kann ja mal unsere CAQ Kleinquarzuhr von R&S aufmachen und mir den 
Ofen darin ansehen, das ist natürlich eine andere Größenordnung.

[Gerhard O. (gerhard_)]

In den 90ern befasste ich mich auch mit dem Design von stabilen 
Quarzoszillatoren. Dafür hatte ich einen Bliley 5MHz SC Obertonquarz mit 
einem Q~4E6. Die Umkehrtemperatur war rund 85C. Ich verwendete einen in 
eingeblasenen expandierenden Schaumstoff doppelt umwandeten rechteckigen 
eingebetteten Kupferblock mit eingelassenen entfernbaren aufgeschraubten 
Deckeln. Für die innere Temperaturreglung verwendete ich einen NTC 
Fühler mit OPV und Transistorheizung. Der äußere Heizer verwendete einen 
einfachen Bi-Metall Thermostaten. Mit einem GL9540 Thermometer gemessen, 
betrug die Temperatur-Stabilität um +/- 0.01 Grad. Die Frequenzdrift pro 
Tag betrug rund 2.5E-11. Die Alterungrate per Jahr betrug um 1E-8. Klein 
war aber dieser Versuchsaufbau nicht wirklich; das kann man heutzutage 
besser. Mit der Zeit wurde die Alterungsrate etwas weniger. Die 
Oszillatorschaltung war nach Colpitts. Feinabgleich über Varicap Diode.

Der Quarz reagierte sogar ganz leicht, aber trotzdem noch erfassbar auf 
die Schwerkraft wenn man die Anordnung um 90 Grad drehte. War ein 
interessantes Projekt.

[Rainer V. (a_zip)]

Gerhard O. schrieb:
> Der Quarz reagierte sogar ganz leicht, aber trotzdem noch erfassbar auf
> die Schwerkraft wenn man die Anordnung um 90 Grad drehte. War ein
> interessantes Projekt.

Bis der TO aber so weit ist, habe ich eine ganze Brauerei 
"leergetrunken"

[Bernhard S. (bernhard)]

Gerhard O. schrieb:

> Der Quarz reagierte ... noch erfassbar auf die Schwerkraft

Das klingt sehr interessant, diesen Fakt werde ich experimentell 
versuchen zu prüfen und berichten.

Hast Du schon von Deinem Exemplar konkrete Messwerte?

[Gerhard O. (gerhard_)]

Bernhard S. schrieb:
> Gerhard O. schrieb:
>
>> Der Quarz reagierte ... noch erfassbar auf die Schwerkraft
>
> Das klingt sehr interessant, diesen Fakt werde ich experimentell
> versuchen zu prüfen und berichten.

Ich verglich damals die Frequenz mit WWVB 60 kHz und verglich die 
tägliche Phase des Testoszillators. Allerdings brauchte dieser Vergleich 
immer mindestens 24Std.
>
> Hast Du schon von Deinem Exemplar konkrete Messwerte?

Leider nicht mehr. Ich schenkte alles später einem Freund von mir und 
verlor es dann aus den Augen. Ob das Teil noch existiert weiß ich nicht 
da es schon dreissig Jahre her ist.

Die Oszillator Schaltung war konzeptmässig ähnlich der des HP105A OCXO.

Am Phasenvergleicherrecorder konnte man den Effekt gerade noch so 
erkennen.
Es ist aber auch möglich, daß der Effekt durch das Erdmagnetfeld 
verursacht wurde weil in der Oszillatorschaltung eine Ziehspule aus 
Ferritmaterial war. Ich habe mich mit diesen Aspekt dann auch nicht 
weiter befasst. Ohne spezielle Investigation lässt sich das nicht ohne 
weiteres isolieren. Man müsste den Quarz drehbar anordnen damit sonst 
nichts verändert wird. Damals wurde ja alles zusammen neu-orientiert.