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Schaltung zur Temperaturkompensation eines temperaturabhängigen Blindwiderstandes
Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltung zur Temperaturkompensation eines temperaturabhängigen
Blindwidarstandes mit einem weiteren, in Serie geschalteten Kompensationsblindwiderstandmit
umgekehrtem Vorzeichen und entgegengesetztem Temperaturkoeffizienten (TK-Wert).
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Kapazitäten erfahren bei Temperaturänderung infolge Ausdehnung oder
Zusammenziehung der metallischen Belege und Halterungen eine Änderung ihres Blindwiderstandswertes.
Ähnliche Erscheinungen zeigen sich auch bei Induktivitäten, deren temperaturbedingte
Blindwiderstandsänderung vor allem durch Änderung des Spulendurchmessers bzw. der
Spulenlänge hervorgerufen wird.
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Zum Ausgleich des TK-Wertes von Kondensatoren ist es bekannt, Kondensatoren
mit positivem und negativem TK in Parallel- oder Serienschaltung miteinander zu
verknüpfen. Die für die Kompensation notwendigen Kondensatoren weisen aber fast
immer eine zu grobe Stufung ihrer TK-Werte auf, so daß eine exakte Kompensation
nicht in allen Fällen möglich ist.
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Bei Spulen verwendet man Spulenkörper aus keramischem Werkstoff, auf
denen die Windungen z. B. in Form einer aufgebrannten Metallisierung aufgetragen
sind, damit die Ausdehnung des Spulendurchmessers im wesentlichen nur durch den
Keramikkörper und nicht durch das Metall der Windungen bestimmt ist. So wird z.
B. bei einer bekannten Schwingkreisanordnung, deren Frequenzverhalten nahezu oder
völlig unabhängig von der Temperatur ist, eine Spule verwendet, bei der die durch
Wärmeausdehnungen des Spulenkörpers und Änderungen der Stromverteilung in den Windungen
der Spule bei Temperaturänderungen bedingten Änderungen der Selbstinduktivität der
Spule in ihren Wirkungen auf die Frequenz des Schwingkreises ganz oder teilweise
ausgeglichen werden durch die im entgegengesetzten Sinn zu den Temperaturänderungen
der Spule verlaufenden Änderungen der Eigen- oder Selbstkapazität der Spule. Die
Kompensation dieser beiden entgegengesetzten Wirkungen wird dabei in der Weise erreicht,
daß der Spulenkörper entweder ganz oder teilweise aus keramischem Werkstoff negativen
dielektrischen Temperaturkoeffizienten besteht und/oder mit einer Glasur oder organischen
Überzugsschicht mit negativem dielektrischem Temperaturkoeffizienten versehen ist,
die auch die Spulenwindungen deckt oder umschließt. Die Einhaltung der temperaturunabhängigen
Frequenzkonstanz dieser Schwingkreisanordnung ist demnach nur bei Verwendung einer
derartigen, meist schwierig herzustellenden Spule möglich. Sie setzt außerdem eine
temperaturunabhängige Schwingkreiskapazität voraus. Es ist ferner eine Schwingkreisanordnung
bekannt, bei der der Temperaturgang der beiden Schwingkreiselemente mittels zweier
Kompensationselemente gleichen Charakters ausgeglichen wird. Ist nun wegen der zu
groben Stufung der verwendbaren Kompensationselemente eine ausreichende Temperaturkompensation
nicht durchführbar, so kann an Stelle der zwei Kompensationselemente ein einziges
mit festem Blindwiderstandswert, aber veränderbarem TK-Wert verwendet werden. Dies
bedingt jedoch wegen der schwierigen Herstellung derartiger Kompensationselemente
einen wesentlich höheren Aufwand. Eine Kompensation mittels eines einzigen Kompensationselementes
ist also nur dann möglich, wenn der Temperaturkoeffizient des Kompensationselementes
genau den Wert hat, mit dem die Temperaturkoeffizienten der beiden Schwingelemente
exakt ausgeglichen werden können. Ist das nicht der Fall, dann kann eine Lösung
des Problems nur dadurch erreicht werden, daß das eine Kompensationselement durch
die Parallelschaltung von zwei Kompensationselementen ersetzt wird, wobei eines
einen positiven, das andere einen negativen TK-Wert aufweist. Hier kann im Sinne
einer Interpolation eine feinere Unterteilung erreicht werden, keineswegs aber eine
Einstellung beliebiger TK-Werte.
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Es ist die Aufgabe der Erfindung, die bei den bekannten Kompensationseinrichtungen
auftretenden Nachteile und Schwierigkeiten zu vermeiden und eine Lösung anzugeben,
welche die stufenlose Einstellung beliebiger TK-Werte bei Induktivitäten, Kapazitäten
und Schwingkreisen auf einfache Weise ermöglicht. Gemäß der Erfindung, die sich
auf eine Schaltung der eingangs genannten Art bezieht, wird dies dadurch erreicht,
daß zur stufenlosen Einstellung des gewünschten TK-Wertes die Resonanzfrequenz des
aus
Blindwiderstand und Kompensationsblindwiderstand gebildeten Serienresonenzkreises
derart außerhalb seiner Betriebsfrequenz gewählt wird, daß der aus beiden Blindwiderständen
resultierende Gesamtblindwiderstand den erforderlichen TK-Wert erhält.
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Die Resonanzfrequenz des Serienkreises verschiebt sich dabei in Abhängigkeit
von der Temperatur in dem Sinne, daß der resultierende Blindwiderstand entweder
konstant bleibt oder das dessen Änderung diejenige des parallelgeschalteten Blindwiderstandes
kompensiert. Der große Vorteil dieser Temperaturkompensation liegt vor allem in
der auf einfache Weise erreichbaren stufenlosen Einstellung jedes beliebigen TK-Wertes.
Darüber hinaus braucht das TK-Spektrum der Kondensatoren nicht mehr in der heute
üblichen Breite angeboten zu werden. Auch sind vielfach teure Spulen mit gezieltem
TK-Wert nicht mehr erforderlich.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird eine Induktivität durch
einen kapazitiven Kompensationswiderstand zu einem oberhalb seiner Resonanzfrequenz
betriebenen Serienkreis, eine Käpazität durch einen induktiven Kompensationswiderstand
zu einem unterhalb seiner Resonanz betriebenen Serienkreis ergänzt.
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Bei einer Schaltungsanordnung in Form eines Parallelresonanzkreises
ergeben sich zwei Möglichkeiten zur Temperaturkompensation. Entweder man erweitert
den Spulenzweig des Parallelresonankreises mit einer Kapazität zu einem Serienkreis,
der bei der Betriebsfrequenz oberhalb seiner Resonanzfrequenz arbeitet, oder man
ergänzt den Kapazitätszweig des Parallelresonanzkreises zu einem Serienkreis, der
bei der Betriebsfrequenz unterhalb seiner Resonanzfrequenz arbeitet. Dabei soll
der Serienkreis nach der Erfindung einen TK-Wert erreichen, der den TK-Wert des
zugehörigen Parallelblindwiderstandes im Parallelresonanzkreis ausgleicht.
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Die Erfindung und weitere Einzelheiten werden an Hand von Ausführungsbeispielen
näher erläutert: Die F i g. 1 zeigt die Serienschaltung aus der Induktivität Ls
und dem kapazitiven Kompensationswiderstand Cs. Diese Kapazität Cs ist zur Kompensation
des TK-Wertes einer Spule L (F i g. 2) vorgesehen. Der resultierende Blindwiderstand
aus Lsund CS soll aber weiterhin induktiv und gleich der Größe L sein, wie in der
Ersatzschaltung in F i g. 2 angedeutet. Damit die Reihenschaltung aus Ls und Cs
bei der Betriebsfrequenz
die wirksame Induktivitä.t L hat, muß die Serieninduktivität Ls folgenden Wert haben:
Die Resonanzfrequenz des Serienkreises ist
Zur Bestimmung von Ls und Cs wird zunächst das Verhältnis
bestimmt. Es ist d t = t2 - t, der Temperaturbereich der Kompensation, TKLs
der Temperaturkoeffizient der Induktivität Ls, TKcs der Temperaturkoeffizient der
Kapazität Cs.
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Ein TK-Wert von Null für die Spule L ist dann erreicht, wenn die Größe
des Blindwiderstandes im ganzen Temperaturbereich konstant bleibt. Das bedeutet,
daß der Gesamtblindwiderstand der Serienschaltung (F i g. 1) bei der Temperatur
t1 und bei der Temperatur t2 gleich dem Blindwiderstand der als Ersatzschaltung
betrachteten einzelnen Spule in F i g. 2 ist.
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Bei der Temperatur t1 gilt
bei der Temperatur t2
Setzt man Gleichung (3) in Gleichung (4) ein, d. h., der Blindwiderstand coL soll
bei zwei Temperaturen t1 und t2 jeweils gleich sein, dann ergibt sich
Wenn. man voraussetzt, daß 4t - TKcs << 1 ist, vereinfacht sich
Gleichung (5) zu
Aus den Gleichungen (5 bzw. 5a) ergibt sich die Dimensionierungsvorschrift für den
Serienkreis. Bei vorgegebenem TKLs wählt man den TKcs so, daß sich für
-in positiver Wert > 1 ergibt, d. h., die Betriebsfrequenz muß oberhalb der Resonanzfrequenz
des Serienkreises liegen. Je größer dieser Wert gemacht werden kann, um so mehr
entspricht das frequenzabhängige Verhalten des Serienkreises bei der Betriebsfrequenz
dem der einfachen Spule L mit TK = 0. Mit dem Kehrwert
können unter Verwendung der Gleichungen (1 und 2) die Größen von Ls und Cs bestimmt
werden.
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Diese Art der Temperaturkompensation ist besonders vorteilhaft bei
Breitbandverstärkern anzuwenden. Bei diesen Verstärkern bestehen die Schwingkreise
häufig nur aus einer Induktivität und den parallelliegenden Eingangs- bzw. Ausgangskapazitäten
der aktiven Elemente sowie Schaltkapazitäten. Es ist in diesem Fall nicht möglich,
den Temperaturgang der Induktivität durch Parallelschalten eines Kondensators mit
negativem TK nach dem bekannten Verfahren ohne Bandbreitenverlust zu kompensieren.
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In F i g. 3 ist die Serienschaltung einer Kapazität Cs und eines induktiven
Kompensationswiderstandes Ls dargestellt. Die F i g. 4 stellt die zugehörige Ersatzschaltung
für eine temperaturkompensierte Kapazität C dar. Damit die Reihenschaltung aus Cs
oder Ls bei der Betriebsfrequenz f die wirksame Kapazität C hat,
muß
Cs analog zu Gleichung (1) folgenden Wert haben:'
Für eine vollständige Temperaturkompensation der Kapazität C gilt auch hier analog
zum ersten Ausführungsbeispiel, daß die Größe des Blindwiderstandes der Serienschaltung
aus Cs oder Ls (F i g. 3) im ganzen Temperaturbereich konstant bleibt. Für
die Temperatur t, gilt demnach
bei der Temperatur t2
Aus Gleichung (7) und (8) erhält n sionierungsgleichung
Setzt man wieder voraus, daß dtTKCS < 1 ist, dann vereinfacht sich Gleichung
(9) zu
Diese Gleichung (9) entspricht im Aufbau der Gleichung (5). Bei vorgegebenem TKas
ist bei der Wahl des TKLs darauf zu achten, daß sich für
ein positiver Wert < 1 ergibt. Dies bedeutet, daß der Serienkreis für diese Art
der Temperaturkompensation bei der Betriebsfrequenz f unterhalb seiner Resonanzfrequenz
fr betrieben ist. Die Größe der Serienbauteile Cs und Ls läßt sich aus den Gleichungen
(6) und (2) bestimmen.
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Als Anwendungsfall kommt hier vor allem die Kompensation der Kapazität
in einem RC-Verstärker in Frage.
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Die F i g. 5 zeigt die Schaltungsanordnung für einen temperaturkompensierten
Parallelresonanzkreis. Hier ist der Zweig mit der Spule L (F i g. 6) durch die Serienschaltung
aus Ls und Cs ersetzt. Damit ebenso wie im ersten Ausführungsbeispiel der so gebildete
Serienkreis die wirksame Induktivität L hat, muß
sein (s. Gleichung 1).
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Der TK-Wert der Serieninduktivität Ls wird hier durch den TK-Wert
der Serienkapazität Cs im Gegensatz zum ersten Ausführungsbeispiel, wo ein vollständiger
Ausgleich erreicht wird, nur so weit kompensiert, daß sich für die wirksame Induktivität
L ein Rest-TKL ergibt, dessen Größe so gewählt ist, daß er den TKc der Parallelkapazität
C ausgleicht. Daraus lassen sich bei der Temperatur t, bzw. t, folgende Bedingungen
für den Blindwiderstand der Induktivität L (F i g. 6) und der Serienschaltung
aus Ls und Cs (F i g. 5) ableiten, für t1
Setzt man die Gleichung (10) in Gleichung (11) ein, dann folgt
und nach einigen Zwischenrechnungen
Aus Gleichung (12) ergibt sich folgende Bemessungsvorschrift: Bei als bekannt vorausgesetzten
Werten TKL und TKLs wählt man einen TKcs, der für
zu positiven Werten > 1 führt; d. h., die Betriebsfrequenz des Parallelresosanzkrises
muß oberhalb der Resonanzfrequenz des Serienkreises liegen. Mit dem Kehrwert berechnet
man über Gleichung (1) und (2) die Werte
für Ls und Cs. Gleichung (12) gilt als allgemein gültige Beziehung für die Temperaturkompensation
von elektrischen Schwingungskreisen, Induktivitäten und Kapazitäten. Für TKL
= 0 geht sie über in die Gleichung (5) oder Gleichung (9). Diese beiden Gleichungen
sind nur als Sonderfall der Gleichung (12) zu werten. Für die Temperaturkompensation
von Parallelresonanzkreisen besteht ferner die Möglichkeit, daß statt des Spulenzweiges
der Kondensatorzweig durch eine Induktivität zu einem Serienkreis ergänzt wird (F
i g. 7). Man bekommt für diesen Fall eine Dimensionierungsgleichung analog der Gleichung
(12). Man kompensiert auch hier den TK-Wert der Serienkapazität Cs nur so weit,
daß sich für die wirksame Kapazität C ein Rest-TKC ergibt, dessen Größe so gewählt
ist, daß er den TKL der Parallelinduktivität L ausgleicht.