DE1116821B

DE1116821B - Arrangement for stabilizing electrical switching elements or electrical circuit arrangements to a certain temperature

Info

Publication number: DE1116821B
Application number: DES39848A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Phys Dr Walter Heywang
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1954-07-02
Filing date: 1954-07-02
Publication date: 1961-11-09

Description

Anordnung zur Stabilisierung elektrischer Schaltelemente oder elektrischer Schaltungsanordnungen auf eine bestimmte Temperatur Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur thermischen Stabilisierung von elektrischen Schaltelementen wie Kondensatoren, Magnetkernspulen, Transistoren od. dgl. bzw. von elektrischen Schaltungsanordnungen mit derartigen Bauelementen, die sich durch ihre selbsttätige Wirkungsweise vorteilhaft gegenüber solchen bekannten Stabilisierungsanordnungen auszeichnet, bei denen bei Erreichen der Stabilisierungstemperatur Schaltmaßnahmen vorgenommen werden müssen, oder bei denen die Stabilisierungstemperatur schon bei geringen Schwankungen der Wärmeabfuhr starken Änderungen unterworfen ist. Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung arbeitet also praktisch selbsttätig und außerdem sehr genau.Arrangement for stabilizing electrical switching elements or electrical Circuit arrangements to a certain temperature The invention relates to a Arrangement for the thermal stabilization of electrical switching elements such as capacitors, Magnetic core coils, transistors or the like or of electrical circuit arrangements with such components, which are advantageous due to their automatic mode of action compared to such known stabilization arrangements, in which at Switching measures must be taken when the stabilization temperature is reached, or where the stabilization temperature is even with slight fluctuations in the Heat dissipation is subject to strong changes. The circuit arrangement according to the invention works practically automatically and also very precisely.

Die Aufgabe der Erfindung besteht demnach in einer automatischen Stabilisierung von elektrischen Schaltelementen oder Schaltungsanordnungen auf eine bestimmte Temperatur unter Verwendung eines oder mehrerer Bauelemente(s) als Stabilisator(en) mit temperaturabhängiger Wirkleistungsaufnahme sowie einer die Wirkleistung erzeugenden Einrichtung.The object of the invention is therefore an automatic stabilization of electrical switching elements or circuit arrangements to a certain temperature using one or more component (s) as stabilizer (s) with temperature-dependent Active power consumption and a device generating the active power.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe gelöst durch Verwendung eines Festkörpers (Ferroelektrikum, Ferromagnetikum od. dgl.) als stabilisierendes Bauelement, dessen Wirkleistungsaufnahme bei einer kritischen Temperatur, z. B. der Curietemperatur, steil abfällt, und das derart betrieben ist, daß die Wirkleistungsaufnahme unterhalb der kritischen Temperatur stets größer ist als die Wärmeabfuhr, aber im Bereich der kritischen Temperatur unter die Wärmeabfuhr absinkt. Die Wirkleistungsaufnahme des Festkörpers verhält sich reversibel, d. h., daß bei Verminderung der Temperatur im Bereich der kritischen Temperatur die Wirkleistungsaufnahme auch wieder größer wird.According to the invention, this object is achieved by using a Solid body (ferroelectric, ferromagnetic or the like) as a stabilizing component, its active power consumption at a critical temperature, e.g. B. the Curie temperature, drops steeply, and that is operated in such a way that the active power consumption is below the critical temperature is always greater than the heat dissipation, but in the range the critical temperature drops below the heat dissipation. The active power consumption of the solid behaves reversibly, i. that is, when the temperature is reduced In the area of the critical temperature, the active power consumption also increases again will.

Als stabilisierende Bauelemente kommen z. B. keramische Kondensatoren in Betracht, deren Dielektrikum aus einem Stoff mit ferroelektrischen Eigenschaften, beispielsweise aus Bariumtitanat, besteht. Auch elektrische Spulen mit einem ferromagnetischen, Spinellstruktur aufweisenden Kernkörper können mit der erfindungsgemäßen Bemessung in bezug auf die Wärmeabfuhr verwendet werden. Außer diesen Bauelementen, bei denen die Heizung durch Wechselfelder hervorgerufen wird, können auch andere Bauelemente verwendet werden, die ebenfalls eine im Bereich einer kritischen Temperatur stark abfallende Wirkleistungsaufnahme durch Gleichstromheizung, also auch ohne angelegte Wechselfelder, besitzen. So kann auch ein Leiter, z. B. halbleitende Keramik, mit einer an einem ausgezeichneten Punkt, z. B. einem durch physikalische Prozesse hervorgerufenen Umwandlungspunkt, stark ändernder Wirkleistungsaufnahmecharakteristik, z. B. rascher übergang von einem kleinen zu einem großen Widerstand, denselben Zweck, in diesem Fall auch ohne angelegte Wechselfelder, erfüllen und gemäß der Erfindung betrieben werden. Dieser ausgezeichnete Punkt kann natürlich durch gewisse Streuungen der physikalischen Prozesse auf einen bestimmten, eng begrenzten Bereich ausarten, so daß die Charakteristik nicht unbedingt einen scharf ausgeprägten Knick aufweist.As stabilizing components come z. B. ceramic capacitors into consideration, whose dielectric is made of a material with ferroelectric properties, for example of barium titanate. Electric coils with a ferromagnetic, Core bodies having a spinel structure can with the dimensioning according to the invention can be used in relation to heat dissipation. Except for these components where the heating is caused by alternating fields, other components can also be used are used, which also have a strong temperature range in the range of a critical temperature decreasing active power consumption by direct current heating, i.e. also without applied Alternating fields, own. So can also a conductor, z. B. semiconducting ceramics, with one at a prominent point, e.g. B. one caused by physical processes Conversion point, strongly changing active power consumption characteristics, e.g. B. faster transition from a small to a large resistance, the same purpose in this one Case even without applied alternating fields, meet and operated according to the invention will. This excellent point can of course be caused by certain variations in the physical processes degenerate into a specific, narrowly defined area, like this that the characteristic does not necessarily have a sharp kink.

Bauelemente der genannten Art sind bereits vielfach bekannt. Zu ihnen gehören z. B. die Titanatkondensatoren mit einem keramischen, eine Perowskitstruktur besitzenden Dielektrikum und Spulen mit magnetisierbaren Ferritkernen. Sowohl die Perowskitstruktur besitzenden Titanate als auch das eine Spinellstruktur besitzende Ferrit nehmen bekanntlich bei Erzeugung eines elektrischen bzw. magnetischen Wechselfeldes eine ihrem Verlustwinkel entsprechende Wirkleistung auf. Diese Wirkleistungsaufnahme erzeugt in dem Titanat bzw. Ferrit ein Ansteigen der Temperatur, wenn gemäß der Erfindung durch entsprechende Bemessung des Wechselfeldes und der Wärmeabfuhr von dem Bauelement die von dem Bauelement aufgenommene Wirkleistung unterhalb der zu stabilisierenden Temperatur größer ist als die vom Bauelement abgeführte Wärme. Die Temperatur des Titanats bzw. Ferrits steigt also an, bis die Curietemperatur in dem Titanat bzw. Ferrit erreicht ist. Bei einem weiteren Ansteigen der Temperatur fällt die Wirkleistungsaufnahme des betreffenden Werkstoffs sehr schnell ab. Sorgt man nun gemäß der Erfindung dafür, daß die Wirkleistungsaufnahme durch diesen steilen, sich selbsttätig vollziehenden Abfall kleiner wird als die von dem Bauelement abgeführte Wärmemenge, dann stabilisiert sich die Temperatur des Bauelements selbsttätig und praktisch sehr genau auf diese Temperatur im Bereich des steilen Abfalls der Wirkleistungsaufnahme.Components of the type mentioned are already widely known. To them belong e.g. B. the titanate capacitors with a ceramic, a perovskite structure own dielectric and coils with magnetizable ferrite cores. Both the Titanates with a perovskite structure and that with a spinel structure It is well known that ferrite take place when an electrical or magnetic alternating field is generated an active power corresponding to its loss angle. This active power consumption generates a rise in temperature in the titanate or ferrite, if according to FIG Invention by appropriate dimensioning of the alternating field and the heat dissipation from the component the active power consumed by the component below the to stabilizing temperature is greater than the heat dissipated by the component. The temperature of the titanate or ferrite rises until the Curie temperature reached in the titanate or ferrite is. With a further increase the active power consumption of the material in question drops significantly with the temperature quickly. If one now ensures according to the invention that the active power consumption becomes smaller than that because of this steep, self-acting fall heat dissipated by the component, then the temperature stabilizes of the component automatically and practically very precisely to this temperature in the area the steep drop in active power consumption.

Verwendet man also beispielsweise einen Bariumtitanatkondensator, dann kann man denselben durch eine geeignete Wechselspannung aufheizen. Dieser Aufheizvorgang wird hierbei durch die Hystereseverluste hervorgerufen. Beim überschreiten des Curiepunktes verschwindet die permanente Domänenpolarisation und damit das ferroelektrische Verhalten. Insbesondere verschwinden die bei höheren Wechselspannungen bedeutenden Hystereseverlustleistungen, und als Folge davon setzt der Heizmechanismus aus. Die nun überwiegende Wärmeabfuhr stabilisiert das Bauelement auf eine bestimmte, in den Bereich des steilen Abfalls der Verlustleistung fallende Temperatur.So if you use a barium titanate capacitor, for example, then you can heat it up with a suitable alternating voltage. This heating process is caused by the hysteresis losses. When crossing the Curie point the permanent domain polarization disappears and with it the ferroelectric behavior. In particular, the hysteresis losses, which are significant at higher AC voltages, disappear, and as a result the heating mechanism stops. The now predominant heat dissipation stabilizes the component to a certain level, in the area of the steep drop the temperature falling due to the power dissipation.

Durch die Heizung mit Hilfe eines derartigen Bauelements läßt sich demnach ohne weiteres beispielsweise ein zweites, thermisch empfindlich eingebautes elektrisches Schaltelement, z. B. ein anderer Kondensator oder ein Transistor, auf eine bestimmte Temperatur stabilisieren.By heating with the help of such a component can therefore, without further ado, a second, thermally sensitive built-in, for example electrical switching element, e.g. B. another capacitor or a transistor on stabilize a certain temperature.

Man ist also gemäß der Erfindung in der Lage, derartige stabilisierende Bauelemente, z. B. Bariumtitanatkondensatoren, Ferritspulen od. dgl., in Schaltungsanordnungen, z. B. Rundfunkgeräten, Filtern od. dgl., einzubauen, die sich selbsttätig auf einen ganz bestimmten Wert ihrer Kapazität bzw. Selbstinduktion stabilisieren.So you are according to the invention in a position, such stabilizing Components, e.g. B. barium titanate capacitors, ferrite coils or the like., In circuit arrangements, z. B. radios, filters od stabilize a very specific value of their capacity or self-induction.

Die Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung sind außerordentlich umfangreich. Sie sind überall dort gegeben, wo Temperaturen und/oder elektrische bzw. magnetische Größen konstant gehalten werden sollen.The possible uses of the invention are extremely extensive. They are given wherever temperatures and / or electrical or magnetic Sizes should be kept constant.

Es ist zwar an sich schon bekannt, daß sich Kondensatoren mit einem ferroelektrischen Dielektrikum infolge des stark positiven oder negativen Temperaturkoeffizienten der Dielektrizitätskonstante der Ferroelektriken in der Nähe ihrer Curietemperatur zur thermostatischen Regelung eignen, wenn sie in der Nähe der Curietemperatur ihres Dielektrikums betrieben werden. Die Lehre der vorliegenden Erfindung beruht jedoch auf der Erkenntnis, daß für eine wirksame Eigenstabilisierung nur der nach zunehmender Temperatur abfallende Ast der Wirkleistungsaufnahme geeignet ist. Dies erfordert jedoch eine von den bekannten Verhältnissen bei kleinen Feldstärken abweichende Betriebsweise, die bisher noch nicht bekannt war. Nur auf diesem neuen, den Gegenstand der Erfindung bildenden Weg lassen sich die vorstehend geschilderten Vorteile erzielen.It is already known that capacitors with a ferroelectric dielectric due to the strongly positive or negative temperature coefficient the dielectric constant of ferroelectrics in the vicinity of their Curie temperature suitable for thermostatic control when it is close to the Curie temperature of your Dielectric are operated. However, the teaching of the present invention is based on the knowledge that for an effective self-stabilization only that after increasing Temperature dropping branch of the active power consumption is suitable. This requires but one that deviates from the known conditions at low field strengths Operating mode that was previously unknown. Only on this new one, the object the way forming the invention, the advantages described above can be achieved.

In der Figur sind als Beispiele die Temperaturverläufe der Wärmemengen eines Titanatkondensators angegeben, der erfindungsgemäß die Temperatur stabilisiert. Nach der Figur fällt die Kurve der erzeugten bzw. aufgenommenen Wärmemenge Q"r entsprechend der Wirkleistungsaufnahme oberhalb der Curietemperatur TC steil ab. Die von dem Bauelement an die Umgebung abgegebene Wärmemenge ist durch die Kurve Qav dargestellt. Sie verläuft unterhalb Tstab niedriger als Qauf, d. h., der Kondensator heizt sich auf. Bei Tstav beginnt die abgegebene Wärmemenge größer zu werden als die erzeugte Wärme, d. h., die erzeugte Wärme reicht nicht mehr aus, um die Temperatur weiter zu erhöhen. Auf diese Weise wird die Temperatur des Kondensators und die Temperatur seiner nächsten Umgebung automatisch stabilisiert. Je steiler der Abfall der Kurve Qaur m diesem kritischen Bereich ausgeprägt ist, desto besser wirkt die Stabilisierung.In the figure, the temperature curves of the heat quantities of a titanate capacitor, which according to the invention stabilizes the temperature, are given as examples. According to the figure, the curve of the amount of heat generated or absorbed Q "r drops steeply above the Curie temperature TC in accordance with the active power consumption. The amount of heat given off by the component to the environment is represented by the curve Qav. It runs below Tstab lower than Qauf, ie , the condenser heats up. At Tstav, the amount of heat given off begins to become larger than the heat produced, that is, the heat produced is no longer sufficient to raise the temperature any more next environment automatically stabilized. the steeper the fall of the curve Qaur m this critical area is pronounced, the more effective the stabilizer.

Claims

PATENT CLAIMS: 1. Arrangement for stabilizing electrical switching elements or using electrical circuit arrangements to a certain temperature one or more component (s) as a stabilizer (s) with temperature-dependent Active power consumption as well as a device generating the active power, thereby characterized that for the stabilizing component a solid (ferroelectric, Ferromagnetic od. Like.) Is used, whose active power consumption at a critical temperature (z. B. Curie temperature) drops steeply, and that this component is operated in such a way that the active power consumption is below the critical temperature is always greater than the heat dissipation, but in the range of the critical temperature drops below the heat dissipation.

2. Arrangement according to claim 1, characterized in that that the stabilizing component is a capacitor with a ceramic, a perovskite grid owning dielectric is.

3. Arrangement according to claim 1, characterized in that the stabilizing component is an inductance with a ferrite core. References considered: British Patent Nos. 601109, 710 612; U.S. Patent No. 2,509,758; Australian Patent No. 160,884; W. Jackson, "The Structure, Electrical Prdperties and Applications of the Barium Titanate Class of Ceramic Materials", published as a Voitragsmanuscript on July 11, 1950, p. 11.