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Schaltung von temperatur-und spannungsabhängigen Widerständen Es gibt
eine Reihe von Sintermaterialien (Oxyd-Keramik oder Silizium-Karbid), deren elektrische
Leitfähigkeit abhängig von bestimmten Einfiußgrößen ist. Solche Einflußgrößen sind
in der Hauptsache die Temperatur und die Spannung.
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Temperaturabhängige Widerstände sind unter der Bezeichnung Heißleiter,
spannungsabhängige Widerstände als Varistoren bekannt. In beiden Fällen erhöht sich
ihr Leitwert bei Erhöhung der Einfiußgröße. Die Beziehungen zwischen Leitwert und
Einflußgröße sind dabei stets expotentiell. In den Diagrammen (Bild 1 a und 1 b)
sind beispielsweise die Strom-Temperatur-Charakteristik eines Heißleiters bei konstanter
Spannung und die Strom-Spannungs-Charakteristik eines Varistors angegeben. Sie lassen
den starken Anstieg des Stromes oberhalb bestimmter Ansprechwerte von Temperatur
und Spannung erkennen. Solche Widerstände werden vorzugsweise als Temperaturfühler
oder zur Kompensation des Temperaturganges anderer Schaltelemente bzw. bei spannungsabhängigen
Widerständen zur Unterdrückungvon Schaltspitzen, Löschung von Schaltfunken, Erhöhung
der Empfindlichkeit von Relais oder zur Spannungsstabilisierung verwendet.
Sie haben jedoch gemeinsame Nachteile, die ihre Anwendungsmöglichkeiten stark
einschränken.
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So ist die Stromspannungsbeziehung gegeben für einen Heißleiter durch
| b |
| Ua-eT |
| (T = abs. Temperatur), |
für einen Varistor durch U=C-i@.
a, b, C und ß sind dabei Form- oder Materialkonstanten,
woraus folgt, daß die Betriebscharakteristik für jeden ausgeführten Widerstand fest
vorgegeben ist. Sie läßt sich während des Betriebes etwa durch Vor- oder Parallelschaltung
von ohmschen Regelwiderständen nur unwesentlich und dann nur im Sinne
einer Annäherung an die ohmsche Abhängigkeit verändern. Eine Veränderung
der Schaltungsdaten macht demnach in den meisten Fällen den Einsatz eines anders
dimensionierten Widerstandes notwendig; eine Tatsache, die den Hersteller zur Bereithaltung
einer Vielzahl von Widerstandstypen zwingt.
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Noch schwerwiegender ist jedoch die bei den zur Zeit ausgeführten
Widerständen noch zu geringe Änderungsgeschwindigkeit des Stromes in Abhängigkeit
von der Einfiußgröße, also von der Temperatur oder der Spannung. Dieser Nachteil
schließt die Verwendung solcher Widerstände in vielen Fällen aus. So ist z. B. der
in mancher Beziehung sicher vorteilhaftere Einsatz eines Heißleiters an Stelle eines
Bimetallschalters nicht möglich, während bei spannungsabhängigen Widerständen man
oftmals gezwungen ist, Zenerdioden zu verwenden, wobei letzteres nur in dem derzeit
beherrschten Zenergebiet (etwa bis 30 V bei Leistungsdioden) möglich ist und ebenfalls
die Bereithaltung einer Vielzahl von Zenerdioden mit verschiedenen Ansprechspannungen
notwendig macht.
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Es sind Schaltungen bekannt, mit denen die Ansprechzeit durch kaskadenartiges
Hintereinanderschalten von Heißleitern beliebig vergrößert werden kann. Bei diesen
Schaltungen wird jedoch die Änderungsgeschwindigkeit des Stromes im Ausgang der
Schaltung nicht gesteigert, weil die Charakteristik des nachgeschalteten Heißleiters
keinen knickartigen Verlauf erhalten kann und stets wesentlich flacher verläuft
als die eines Halbleiters mit knickartiger Charakteristik.
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Die Erfindung betrifft eine Schaltung mit einem von der Temperatur
oder der Eingangsspannung nicht linear abhängigen Ausgangsstrom, bei der in Reihe
mit einem nichtlinearen Widerstand ein ohmscher Widerstand geschaltet ist, dessen
Spannungsabfall den Ausgangsstrom treibt, wobei der Verlauf dieses Stromes von der
Charakteristik eines im Ausgangskreis liegenden Halbleiterelementes bestimmt ist.
Dabei ist die Änderungsgeschwindigkeit des Stromes im Ausgang dieser Schaltung in
bezug auf die Spannung oder Temperatur gegenüber der normalen Charakteristik eines
Heißleiters oder Varistors etwa um das 15fache vergrößert, und die Schaltung bietet
eine einfache Möglichkeit, diese Charakteristik in weiten Grenzen zu verändern.
Dies wird gemäß der Erfindung dadurch erreicht, daß als nichtlinearer Widerstand
ein von der
Umgebungstemperatur abhängiger oder ein spannungsabhängiger
Widerstand dient, und daß im Ausgangskreis ein Halbleiterelement verwendet ist,
dessen Strom-Spannungs-Charakteristik einen knickartigen Verlauf hat, z. B. eine
Zenerdiode oder eine Siliziumdiode.
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In Bild 2 ist ein Schaltungsbeispiel angeführt: Ein temperaturabhängiger
Widerstand 1, der als Fühler am Ort der zu überwachenden Temperatur eingebaut
ist, ist in Reihe mit einem ohmschen Widerstand 2 an eine Gleichspannungsquelle
3 angeschlossen. Der Ausgang des Regelkreises ist an den im allgemeinen veränderbaren
Widerstand 2 geschaltet. Er enthält im Falle des Beispieles eine in Sperrichtung
betriebene Zenerdiode 4, einen veränderbaren ohmschen Widerstand 5 und schließlich
den Ausgangswiderstand 6.
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Mit den in Bild 2 angegebenen Bezeichnungen wird
der Strom durch
den temperaturabhängigen Widerstand 1
Dieser Strom i ist als gestrichelte Linie 11 im Diagramm Bild 3 angegeben.
In gleicher Weise verläuft die am ohmschen Widerstand R1 von 2 abfallende
Spannung d U. Dieser demnach auch temperaturabhängige Spannungsabfall d U ist aber
treibende Spannung im Ausgangskreis dieser Schaltung. Die Wirkung der Zenerdiode
liegt nun darin, daß sie keinen Strom 1a zuläßt, solange der Spannungsabfall d U
kleiner als die Schwellenspannung in Sperrichtung (Zenerspannung) UZ ist.
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Erreicht d U bei steigendem Strom i, also steigender Temperatur den
Wert der Zenerspannung Uz, dann steigt der Strom fa entsprechend der steilen Strom-Spannungs-Charakteristik
einer Zenerdiode im Sperrgebiet sehr rasch an. Der Ausgangsstrom ia ist also, obwohl
mittelbar von der Temperatur bestimmt, in erster Linie von der Strom-Spannungs-Charakteristik
des dem Ausgangswiderstand 6 vorgeschalteten Halbleiters 4 abhängig. Die
Änderungsgeschwindigkeit des Stromes !a ist demnach wesentlich größer als die des
Stromes i im Fühlerkreis. Dies zeigt deutlich die Linie 12 im Diagramm, die
für einen praktischen Schaltungsfall den Strom ia in Abhängigkeit der Temperatur
angibt.
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Eine einfache Möglichkeit, die Temperatur-Strom-Funktion zu variieren,
besteht zunächst in einer Veränderung des Widerstandes R1 von 2. Die Kurven
12,
13 und 14 im Diagramm zeigen den Ausgangsstromia für drei
verschiedene Werte von R1. Die Stromlinien haben sich nahezu parallel verschoben,
d. h. durch die Veränderung des Widerstandes R1 in 2 kann die Ansprechtemperatur
dieser Schaltung_gesteuert werden. Die Erklärung hierfür gibt folgende Uberlegung:
Es ist d U = iRl mit
somit wird
Wird nun R1 kleiner, dann wird bei konstanter Spannung E und konstanter Temperatur
T auch der Spannungsabfall d U kleiner, denn in der oben angegebenen Beziehung wird
ja bei kleiner werdendem R1 der Zähler schneller verringert als der Nenner. Wird
aber d U kleiner, dann wird auch der Strom i. kleiner, was einer Verschiebung der
Kennlinie in Richtung auf höhere Temperaturen gleichkommt.
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Dabei ist der Bereich, innerhalb dessen die An-Sprechtemperatur gesteuert
werden kann, um so größer, je größer die Speisespannung E gegenüber dem Wert der
Schwellspannung des verwendeten Halbleiters gewählt wird. Durch eine Veränderung
des in Reihe zur Diode liegenden Widerstandes R$ von 5 wird hingegen die Steilheit
der Temperatur-Strom-Funktion verändert. Der Widerstand Re vergrößert den wirksamen
differentiellen Widerstand der Zenerdiode, so daß die Steilheit der Charakteristik
um so mehr verringert wird, je größer der Widerstand R$ ist, woraus folgt; daß zur
Erzielung einer großen Stromänderungsgeschwindigkeit der Ausgang möglichst niederohmig
abgeschlossen werden sollte. Im Diagramm 3 zeigen die Linien 12 und 15 den Strom
ia für jeweils den gleichen Wert von R1, jedoch für verschiedene Werte
von
Ra.
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Der Ausgangsstrom einer solchen Schaltung kann
dann als Stellgröße
für eine Temperatur-Knickregelung herangezogen werden. Die Schaltung kann damit
einen BimetalLschalter ersetzen, wobei als besonderer Vorteil angesehen werden muß,
daß hier als Temperaturfühler ein Heißleiter an Stellen (z. B. in Wicklungen von
elektrischen Maschinen) eingebaut werden kann, an denen der Einsatz eines Bimetallschalters
wegen seiner wesentlich größeren außeren Abmessungen nicht möglich wäre. Es kommt
hinzu, daß das eigentliche Schaltelement-im Beispiel eine Zenerdiode 4 -
kontaktlos arbeitet, so daß auch alle Nachteile eines Schalters mit mechanischen
Kontakten entfallen.
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Soll der Strom spannungsabhängig gesteuert werden, dann wird an Stelle
des in Bild 2 angegebenen Heißleiters 1 ein spannungsabhängiger Widerstand 1° eingesetzt.
Es gilt dann das für den Heißleiter Gesagte sinngemäß auch für diese Varistorschaltung.
Die
Varistorschaltung bringt aber noch einige andere wertvolle Anwendungsmöglichkeiten,
die in den Bildern 4 bis 7 dargestellt sind. Das Diagramm Bild 5 zeigt den Ausgangsstrom
ia einer Schaltung nach Bild 4 in Abhängigkeit von der Eingangsspannung E für verschiedene
Werte des ohmschen Widerstandes R1 von 2.
Als Halbleiterelement im Ausgangskreis
ist in diesem Fall wieder eine Zenerdiode 4 in Sperrichtung geschaltet. Für
verschiedene Werte'vtia R1 bei 2 ergeben sich ähnlich wie bei der Heißleiterschaltung
parallel verschobene Strom-Spannungs-Charakteristiken. Gestrichelt sind in das Diagramm
die Kennlinien einer Zenerdiode im Sperrgebiet mit einer Zenerspannung von 5 V und
einer Diode mit der Zenerspannung von 10 V eingetragen. Da der Spannungssprung der
Zenerdiode 1 V beträgt, wären zur Abdeckung des Spannungsbereiches von 5 bis 10
V sechs verschiedene Dioden notwendig. Mit der angegebenen Varistorschaltung wird
ohne die Notwendigkeit, Schaltungsteile austauschen zu müssen, das gleiche allein
durch Veränderung eines ohmschen Widerstandes R1 erreicht. Eine Anpassung an verschiedene
Eingangsspannungen ist so wesentlich einfacher erreicht und auch während des Betriebs
möglich. Der differentielle Widerstand der Gesamtordnung bleibt dabei unverändert,
was bei der einfachen Anschaltung einer Zenerdiode an eine nur aus ohmschen Widerständen
gebildete Spannungsteilerschaltung nicht der Fall ist.
Ein anderes
Ausführungsbeispiel zeigt Bild 6. Es unterscheidet sich von dem in Bild 4 gezeigten
nur durch die an Stelle der bisherigen Zenerdiode hier eingesetzten Si-Flächendiode
4'. Die Strom-Spannungs-Charakteristik dieser Schaltung ist in Bild 7 dargestellt.
Ein Vergleich mit der gestrichelt gezeichneten Charakteristik einer Zenerdiode mit
einer Zenerspannung von 5 V zeigt, daß der differentielle Gesamtwiderstand der Anordnung
nach Bild 4 nur unwesentlich größer ist als der einer Zenerdiode. In einer Vielzahl
von Anwendungsfällen wird demnach ein Ersatz der Zenerdiode durch die angegebene
Varistorschaltung möglich und wegen der geringeren Kosten auch vorteilhaft sein.