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Anordnung zur Beseitigung des Temperatureinflusses auf negative Widerstände.
Die Erfindung bezieht sich auf die Ausschaltung des Einflusses wechselnder Raumtemperaturen auf die Kennlinie negativer Widerstände, d. h. solcher Widerstände, deren Spannungsstromkennlinie einen fallenden Teil besitzt. Derartige Widerstände sind insbesondere für die Entdämpfung von Stromkreisen bekannt. Sie lassen sich vorteilhaft in Form von festen Körpern ausbilden, wie z. B. Pulver oder Pulvergemischen geeigneter Substanzen (Oxyden usw. ). Sowohl experimentelle als auch theoretische Untersuchungen haben den Nachweis erbracht, dass die Kennlinie derartiger Widerstände bei Änderungen der Umgebungstemperatur ebenfalls Änderungen unterworfen sein kann, so dass je nach dem Verwendungszweck des negativen Widerstandes die dadurch bedingten Verhältnisse, wie z.
B. der Verstärkungsgrad, sofern der Widerstand für die Entdämpfung eines Stromkreises verwendet wird, ebenfalls schwanken.
In Fig. 1 ist dies näher erläutert.
Mit a ist die Kennlinie eines negativen Widerstandes bezeichnet, welche dem Verlauf der Spannung in Abhängigkeit vom Strom bei einer ganz bestimmten Umgebungstemperatur entspricht, und mit b die entsprechende Kennlinie bei einer etwas erhöhten Umgebungstemperatur. Die Kennlinie b wird aus der Kennlinie a erhalten, indem die Spannungswerte von a etwas vermindert und die Stromwerte von a etwas erhöht werden. e ist die Widerstandsgrade eines Vorschaltwiderstandes, der für die Stabilisierung des Stromkreises notwendig ist und auch dem inneren Widerstand der Strom quelle oder dem Verbrauchswiderstand ganz oder teilweise entsprechen kann.
Die an der Reihenschaltung : Vorschaltwiderstandnegativer Widerstand liegende Spannung ist demnach mit Eo bezeichnet, während tgy den stabilisierenden Vorschaltwiderstand und A den Arbeitspunkt auf der Kennlinie des nagativen Widerstandes darstellen.
Es ist ohne weiteres erkennbar, dass bei Erhöhung der Raumtemperatur die Neigung des fallenden Teiles der Kennlinie b im Arbeitspunkt A'geringer wird, d. h. dass der Entdämpfungsgrad ebenfalls geringer wird. Entsprechendes gilt umgekehrt bei Abnahme der Raumtemperatur, so dass eine derartige Anordnung in den Fällen, wo es auf Gleichheit der Neigung der Kennlinie im Arbeitspunkt ankommt, nicht brauchbar ist.
Nach der Erfindung lässt sich eine Unabhängigkeit der durch den negativen Widerstand hervorgerufenen Wirkung von den Einflüssen der Aussentemperatur dadurch ohne Schwierigkeit herbeiführen, dass zusätzliche temperaturabhängige Mittel den negativen Widerständen zugeordnet werden, die eine gewünschte resultierende Kennlinie oder Einstellung eines gewünschten Arbeitspunktes bzw. beides bewirken. Dies bedeutet bei der Verwendung des negativen Widerstandes für Entdämpfungszwecke. dass der Entdämpfungsgrad unabhängig von der Aussentemperatur weitgehend gleichgehalten wird. Die grundsätzlich gleiche Massnahme lässt sich auch für die Herstellung von Quellen gleichbleibender Spannung nutzbringend anwenden.
Insbesondere lässt sich der Erfindungsgedanke dadurch verwirklichen, dass mit dem negativen Widerstand in Reihe oder parallel zu diesem ein positiver Widerstand mit negativem Temperaturkoeffizienten geschaltet wird, der vorzugsweise aus dem gleichen oder ähnlichen Material hergestellt ist wie das für den negativen Widerstand verwendete. Im letztgenannten Falle werden die zusätzlichen Widerstände derart bemessen, dass von ihrer Kennlinie nur der ansteigende Teil entsprechend dem Abschnitt 0-1 der Fig. 1 in Betracht kommt. Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung kann die Unabhängigkeit von der Aussentemperatur auch dadurch herbeigeführt werden, dass als Vorschaltwiderstand zwar ein normaler temperaturabhängiger Widerstand benutzt wird, diesem aber und der
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primären Spannungsquelle ein ganz bestimmter Wert erteilt wird.
Weitere Einzelheiten der Erfindung werden an Hand der nachfolgenden Beispiele sowie Zeichnungen erläutert.
In Fig. 2 sind mit a bzw. b die Kennlinien eines negativen Widerstandes bei den Temperaturen a, und 00 + A 8 entsprechend Fig. 1 bezeichnet. Die durch den Nullpunkt gelegten Geraden c und d entsprechen einem Widerstand mit negativem Temperaturkoeffizienten, der aus dem gleichen oder ähnlichen Material wie der Widerstand mit den Kennlinien a bzw. b gefertigt und mit letzterem in Reihe geschaltet ist, wobei e zur Temperatur 00 und d zur Temperatur 0 + A S gehören. Die resultierenden Kennlinien aus a bzw. b und c bzw. d sind durch die Kurven a'bzw. b'wiedergegeben, die, wie erkennbar, streckenweise bezüglich des fallenden Teiles einen parallelen Verlauf zeigen.
Je flacher die Neigung des fallenden Teiles von a, b usw. mit steigender Aussentemperatur 00 wird, desto flacher wird auch die Neigung der Geraden e, d usw., so dass die resultierenden Kurven ungefähr die gleiche Neigung besitzen.
Die Widerstandsgerade e eines vorgeschalteten Stabilisierungswiderstandes wird die Kennlinien a'und b' in den Arbeitspunkten A bzw. A'schneiden, die den gleichen oder annähernd gleichen differentiellen Widerstand aufweisen. Die Verhältnisse können so gewählt sein, dass die Punkte gleichen differentiellen Widerstandes auf den verschiedenen Kennlinien a', b'usw. auf einer Geraden liegen, die die Ordinatenachse schneidet. Es ist dann zweckmässig, den Stabilisierungswiderstand e und die Spannung der Spannungsquelle so zu wählen, dass die dadurch bedingte Widerstandsgerade mit der eben erwähnten Geraden zusammenfällt.
Auf den vorliegenden Fall übertragen, würde dies bedeuten, dass, falls bei A und A'der gleiche differentielle Widerstand vorhanden ist, durch diese Punkte die Gerade e gelegt wird und dass aus tgy der Vorschaltwiderstand errechnet wird.
In Fig. 3 ist der Fall behandelt, dass dem negativen Widerstand ein Widerstand mit negativem Temperaturkoeffizienten parallel geschaltet ist, wobei vorteilhaft letzterer wiederum aus dem gleichen oder ähnlichen Material hergestellt wird, das für den negativen Widerstand verwendet ist. Die Kennlinie des negativen Widerstandes allein ist für zwei verschiedene Temperaturen 80 bzw. 80 + A 8 wie in Fig. 2 mit a bzw. b bezeichnet. Die entsprechenden Kennlinien des Parallelwiderstandes sind durch c bzw. d wiedergegeben. Die resultierenden Kennlinien a', b'erscheinen dabei als die um den Winkel e bzw. C horizontal versehobenen Kennlinien a und b.
Die Widerstandsgerade e schneidet also die Kennlinie b'in einem Punkte A', der auf dieser Kennlinie an einer verhältnismässig steileren Stelle (nämlich näher dem Höchstwert) als der entsprechende Punkt A auf der Kennlinie a'liegt. Da aber die Kennlinie b'im ganzen etwas geringere Neigung besitzt, so kann bei beiden Arbeitspunkten A und A'der gleiche differentielle Widerstand vorhanden sein.
Darüber hinaus kann bei geeigneter Bemessung des Parallelwiderstandes, die neben anderm auch von dem Verhältnis der Temperaturkoeffizienten des negativen Widerstandes selbst, sowie des temperaturabhängigen Parallelwiderstandes abhängig sein kann, erreicht werden, dass bei Tempsraturänderung entsprechend Fig. 4 die resultierenden Kennlinien a', b'... einen gemeinsamen Abschnitt 2-3 im fallenden Teil aufweisen, der also temperaturunabhängig ist und als Arbsitsabschnitt für die Verstärkung irgendwelcher Vorgänge benutzt werden kann.
Der obengenannte Ausgleich des Temperatureinflusses kann selbstverständlich auch durch temparaturabhängige Mittel herbeigeführt werden, die aus völlig anderm Material wie dem des negativen Widerstandes hergestellt sind, sofern nur der durch die Erfindung angestrebte Erfolg erzielt wird.
Es kann weiter zweckmässig sein, auch dem Stabilisierungswiderstand e eine Temperaturabhängigkeit zu geben, z. B. dafür einen Widerstand mit positivem Temperaturkoeffizienten zu verwenden oder einen Teil dieses Widerstandes in dieser Weise auszubilden. Diese Massnahme kann getroffen sein, um eine bei den obgenannten Beispielen noch nicht völlig erreichte Kompensation des Temperatureinflusses zu einer vollständigen zu machen. In gewissen Fällen kann auch die Beseitigung des Temperatureinflusses
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Bei entsprechender Bemessung kann der Arbeitspunkt A" auf der Kennlinie b an eine Stelle gelangen, die die gleiche Neigung wie die Kennlinie a im Arbeitspunkt A besitzt.
Nach der weiteren Erfindung können ferner auch Massnahmen entsprechend den Beispielen nach Fig. 2-4 miteinander oder auch ausserdem mit der eben beschriebenen Massnahme zusammen angewendet sein. Die Erfindung ist nicht auf die Verstärkung von Wechselströmen beschränkt, sondern auch dann anwendbar, wenn es sich um die verhältnisgleiche oder in irgendeiner Weise vorgeschriebene Verstärkung beliebiger Stromvorgänge handelt.
Nach der weiteren Erfindung kann der oben erläuterte Gedanke des Temperatursausgleiches auch für die Herstellung gleichbleibender Gleich-oder Weehselspannungen vorteilhaft Anwendung finden.
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negative Widerstände die Eigenschaft, ihre Kennlinie bei Wechsel der Aussentemperatur zu ändern, so dass ihr horizontaler Verlauf und damit die Unabhängigkeit der geregelten Spannung von der primären Spannungsquelle mehr oder weniger verlorengeht.
Durch die Reihenschaltung eines Ausgleichswiderstandes, welcher ebenfalls temperaturabhängig ist bzw. durch Verwendung eines temperaturabhängigen Mittels im Zusammenhang mit der Erreichung einer horizontalen Kennlinie zum Zwecke der Spannungsregelung lässt sich in gleicher Weise, wie oben für die Erhaltung konstanten Verstärkungsgrades angegeben, eine Spannungsgleichhaltung mittels Schaltungen mit negativen Widerständen erzielen. Dabei lässt sich zunächst einmal erreichen, dass der horizontale Verlauf als solcher bei verschiedenen Aussentemperaturen gewahrt bleibt, dass aber die Höhe der horizontalen Kennlinie noch von der Aussentemperatur abhängig ist. Durch eine solche Anordnung erhält man also eine Spannung, die bei jeder Aussentemperatur von den Schwankungen der primären Spannungsquelle unabhängig ist, selbst aber noch von der Aussentemperatur abhängt.
Derartige Anordnungen können als Temperaturmesser, Temperaturrelais usw. vorteilhaft Verwendung finden. Durch geeignete weitere Massnahmen lässt sich nach der Erfindung auch eine Unabhängigkeit von der Aussentemperatur erzielen, so dass die Spannungsquelle absolut konstant ist. Fig. 5 zeigt ein Beispiel.
1, 1', 1" bezeichnen die Widerstandskennlinien eines negativen Widerstandes bei drei verschiedenen Raumtemperaturen. Entsprechend Fig. 5a sei dem negativen Widerstand 1 ein positiver Widerstand 5 vorgeschaltet, dessen Temperaturabhängigkeit bei den genannten drei verschiedenen Raumtemperaturen durch die Geraden 5, 5', 5" dargestellt sei. Es ist dabei angenommen, dass dieser Widerstand aus geeignetem Material von z. B. dem gleichen Temperaturkoeffizienten wie dem des Widerstandes 1 hergestellt ist, wobei das Mass der Stromabhängigkeit derart gewählt ist, dass in dem betrachteten Arbeitsbereich nur der ansteigende Teil der Kennlinie des negativen Widerstandes entsprechend dem Abschnitt 0-1 der Fig. 1 benutzt wird. Das letztere ist eine reine Bemessungsfrage.
Durch die Kurven 2, 2', 2" sind die Summenkennlinien von 1 und 5 wiedergegeben, die für einen gewissen Bereich einen annähernd horizontalen Verlauf zeigen. Da 2,2'und 2"drei verschiedenen Temperaturen entsprechen, haben wir hier also das Beispiel einer Kennlinie, deren Verlauf unabhängig von der Aussentemperatur horizontal ist.
Eine genauere Betrachtung lehrt, dass man einen besonders weiten horizontalen Bereich der resultierenden Kennlinie dann erhält, wenn man die Grösse des positiven Widerstandes 5 gleich dem Maximum des Betrages des negativen differentiellen Widerstandes von 1 wählt und wenn die Temperaturkoeffizienten des positiven und des negativen temperaturabhängigen Widerstandes einander gleichgesetzt werden. Man erreicht dadurch, dass auf der Summenkennlinie, welche nur annähernd eine Horizontale, genau genommen aber eine etwas gekrümmte Linie darstellt, Maximum, Wendepunkt und Minimum nicht getrennt liegen, sondern in einem Punkte zusammenfallen. Eine weitere Verbesserung wird dadurch erreicht, dass die Spannung E der primären Stromquelle und der Vorschaltwiderstand 6 so gewählt werden, dass die Widerstandsgerade 4 durch die Wendepunkte der Summenkennlinien 2,2', 2"hindurchgeht.
In Fig. 6 ist in Anlehnung an das Beispiel der Fig. 5 eine Methode erläutert, mittels deren eine unbedingt gleichbleibende auch von Schwankungen der Umgebungstemperatur unabhängige Gleichspannung erhalten werden kann. Fig. 6a zeigt das entsprechende Sehaltsehema. An die Stromquelle 7 ist eine Brückenanordnung angeschlossen, die im wesentlichen aus der Parallelschaltung von zwei Anord- nungen gemäss Fig. 5 a besteht. Sie enthält in zwei Stromzweigen je einen negativen temperaturabhängigen Widerstand 13 bzw. 14 mit je einem vorgeschalteten, ebenfalls temperaturabhängigen positiven Widerstand 15 bzw. 16 und in den beiden übrigen Stromzweigen je einen gewöhnlichen temperaturunabhängigen Widerstand 17, 18.
Zwischen den Punkten 19 und 21 einerseits würde man entsprechend dem Beispiel der Fig. 5 Gleichspannungen erhalten, die von Schwankungen der Spannungsquelle 7 unabhängig, jedoch noch abhängig von Schwankungen der Aussentemperatur sind. Durch geeignete Bemessung der Temperaturabhängigkeit beider Stromzweige lässt es sich nun bequem erreichen, dass die an den Brückenpunkten 19, 20 abgenommene Differenzspannung auch bei Schwankungen der Aussentemperatur gleichbleibt. Die geeignete Bemessung der Temperaturabhängigkeit beider Stromzweig besteht darin, dass die negativen Widerstände 13, 14 verschieden bemessen und ihnen auch verschiedene Temperaturkoeffizienten gegeben werden.
Im Kennlinienbild (Fig. 6) ergibt sich dann bei verschiedenen Tem-
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kennlinien 13a, 14a entstehenden Spannungsabschnitte einander gleich zu gestalten. Insbesondere lässt sich dies weiter dadurch ermöglichen, dass auch die Vorwiderstände 17, 18 derart verschieden bemessen werden, dass die Geraden 17, 18 infolge verschiedener Neigung die Kennlinien 13a bzw. 14a an solchen Punkten schneiden, dass die entsprechenden Spannungsabschnitte zwischen den Kennlinien sowohl bei Veränderung der Raumtemperatur als auch bei Änderung der Spannung E gleichbleiben.
In Fig. 7 ist dargestellt, wie auch durch einfache Parallelschaltung eines temperaturabhängigen positiven Widerstandes, insbesondere eines Widerstandes von gleichem oder ähnliohem Material wie dem
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des negativen Widerstandes, unbedingte Spannungsgleichheit erreicht werden kann. Entsprechend
Fig. 7 a ist der negative Widerstand mit 1, der temperaturabhängige positive Widerstand mit 5 und die primäre Spannungsquelle mit 7 bezeichnet. In Reihe mit dem negativen Widerstand liegt ein temperatur- unabhängiger positiver Widerstand 10. Die Gleichspannung wird an den Klemmen 8 und 9 abgenommen. 6 bezeichnet einen Stabilisierungswiderstand.
Abgesehen von dem Widerstand 10 entspricht die Anordnung genau dem Beispiel der Fig. 4, so dass zunächst bei Temperaturänderungen sich eine Kennlinienschar ergibt, die einen gemeinsamen Teil entsprechend dem Abschnitt M-. M besitzt, der sich mehr oder weniger annähernd durch eine Gerade darstellen lässt. Eine derartige Kennlinie kann wie eine gleichbleibende
Kennlinie in bekannter Weise durch einen gewöhnlichen positiven Widerstand 10 einen horizontalen
Verlauf erhalten.
Der Anwendungsbereich der Erfindung ist, wie bereits angedeutet, nicht auf die Herstellung gleichbleibender Gleichspannungen beschränkt, sondern kann auch auf die Herstellung gleichbleibender
Wechselspannungen ausgedehnt werden. Es ist dabei Voraussetzung, dass die Wechselzahl der zu regelnden Wechselspannung verhältnismässig klein gegenüber der thermischen Zeitkonstante der benutzten
Widerstände ist.
Fig. 8 stellt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung dar, bei welchem die Temperatur- abhängigkeit durch Wahl einer ganz bestimmten, vom jeweils gewünschten Arbeitspunkt abhängigen
Widerstandsgeraden aufgehoben wird. 1 bzw. j !' bezeichnen wiederum Kennlinien eines negativen Wider- standes für zwei verschiedene Raumtemperaturen, während die Gerade 4 den Einfluss des äusseren Wider- standes des Stromkreises auf die Einstellung des Arbeitspunktes darstellt.
Rechnerisch lässt sich nun feststellen, dass bei einem gegebenen negativen Widerstand und gegebenen Arbeitspunkt auf dessen
Kennlinie ein ganz bestimmter Vorschaltwiderstand und eine ganz bestimmte Primärspannung E, d. h. eine bestimmte Lage der Geraden 4, erforderlich ist, damit auch bei wechselnden Aussentemperaturen die
Neigungen der Kennlinien 1, l'usw. an denArbeitspunkten 5,5'usw. einander gleichbleiben. Dies bedeutet wiederum Gleichheit des negativen differentiellen Widerstandes, wobei aber zunächst keine temperatur- abhängigen Mittel notwendig, sondern nur Bemessungsfragen entscheidend sind. Diese Massnahme lässt sich insbesondere im Bereich zwischen dem Maximum und dem darauf folgenden Abschnitt der Kennlinie des negativen Widerstandes entsprechend dem Bereich 2-3 in Fig. 8 ohne Schwierigkeit durchführen.
Nach der weiteren Erfindung ist es zweckmässig, die beschriebenen oder ähnlichen Anordnungen mit negativen Widerständen baulich zu einer Einheit zusammenzufassen, z. B. in einem geschlossenen
Glasgefäss, welches gegebenenfalls entlilftet ist, anzuordnen.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Anordnung zur Beseitigung des Einflusses von Schwankungen der Aussentemperatur auf negative Widerstände, insbesondere zur Erreichung gleichbleibender Gleich-oder Wechselspannungen, dadurch gekennzeichnet, dass der negative Widerstand mit Widerständen zusammengeschaltet ist, die zwar auch einen negativen Temperaturkoeffizienten besitzen, aber im positiven Bereich, d. b. im Bereiche steigender Spannung mit steigendem Strom, arbeiten.