DE1236257B

DE1236257B - Device for electrical temperature control

Info

Publication number: DE1236257B
Application number: DE1964J0025395
Authority: DE
Inventors: Helmut Baur
Original assignee: Joens & Co W H GmbH; WH Joens and Co GmbH
Current assignee: Joens & Co W H GmbH; WH Joens and Co GmbH
Priority date: 1964-03-06
Filing date: 1964-03-06
Publication date: 1967-03-09

Description

Vorrichtung zur elektrischen Temperaturregelung Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur #elektrisehen Temperaturregelung, die insbesondere zur Regelung der Temperatur kleiner Massen geeignet ist.Device for electrical temperature control The invention relates to a device for electronic temperature control, which is used in particular to regulate the temperature of small masses is suitable.

Bei der Verwendung von Halbleiterbauelernenten in Meßschaltungen sind besondere Maßnahmen erforderlich, um die Wirkung des Temperaturganges auszuschalten. Das geschieht meistens dadurch, daß temperaturabhängige Widerstände in geeigneter Weise in die Schaltung eingebaut werden. Das reicht aber oft nicht aus, um den Temperaturgang der Parameter der Halbleiterbauelemente zu kompensieren, da diese Parameter selbst streuen und auch die temperaturabhängigen Kompensationselemente Toleranzen haben. Es ist deshalb versucht worden, diese Schwierigkeiten dadurch zu vermeiden, daß man die temperaturempfindlichen Halbleiterbauelemente auf konstanter Temperatur hält.When using semiconductor components in measuring circuits special measures are required to switch off the effect of the temperature curve. This is usually done by using temperature-dependent resistors in suitable Way to be built into the circuit. But that is often not enough to determine the temperature curve to compensate the parameters of the semiconductor components, as these parameters themselves scatter and the temperature-dependent compensation elements also have tolerances. Attempts have therefore been made to avoid these difficulties in that the temperature-sensitive semiconductor components are kept at a constant temperature holds.

Eine andere Anwendung, bei welcher es darauf ankommt, eine kleine Masse auf einer konstanten Temperatur zu halten, ist die Vergleichsstellen-Stabilisierung beim Messen mit Thermoelementen. Es ist bekannt, zur Temperaturreglung kleiner Massen als Heizelemente Sperrschichthalbleiter (Transistoren) zu verwenden, die von einem temperaturempflndlichen Glied gesteuert sind. Bei bekannten Temperaturreglern dieser Art ist jedoch ein besonderer Temperaturmeßkreis erforderlich, durch dessen Ausgang ein als Heizelement wirkender Transistor gesteuert wird. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Temperaturregler mit Sperrschichthalbleiter-Heizelementen zu vereinfachen und mit einem Mindestaufwand an Bauelementen so auszubilden, daß sowohl mit einer relativ hohen Spannung (gleichgerichtete Netzspannung) als auch mit kleinen Speisespannungen in der Größenanordnung von einigen Volt gearbeitet werden kann. - Die Erfindung besteht,darin, daß als Heizelemente Zenerdioden dienen, die in zwei gegenüberliegenden Zweigen einer Gleichstrombrücke angeordnet sind, in deren anderen Zweigen außerhalb der Regelstrecke angeordnete Belastungswiderstände liegen und in deren Diagonale das temperaturempfindliche, den Stromdurchgang in der Brückendiagonale bestimmende Glied angeordnet ist, und daß die Schaltelemente und die Brückenspeisespannung so bernessen sind, daß die Zenerdioden unterhalb des Temperatursollwertes im Zener-Durchlaßbereich und oberhalb davon im Sperrbereich ihrer Kennlinie betrieben werden.Another application in which it is important to keep a small mass at a constant temperature is the reference junction stabilization when measuring with thermocouples. It is known to use junction semiconductors (transistors), which are controlled by a temperature-sensitive element, as heating elements for regulating the temperature of small masses. In known temperature regulators of this type, however, a special temperature measuring circuit is required, through the output of which a transistor acting as a heating element is controlled. The invention is based on the object of simplifying a temperature controller with junction semiconductor heating elements and designing it with a minimum of components so that both a relatively high voltage (rectified mains voltage) and small supply voltages in the order of magnitude of a few volts can be used. - The invention consists in that Zener diodes are used as heating elements, which are arranged in two opposite branches of a direct current bridge, in the other branches of which there are load resistors arranged outside the controlled system and in the diagonal of which the temperature-sensitive element which determines the passage of current in the bridge diagonal is arranged, and in that the switching elements and the bridge supply voltage are so obsolete that the Zener diodes are operated below the temperature setpoint in the Zener conduction range and above it in the blocking range of their characteristic curve.

Solange die Temperatur der Regelstrecke unterhalb des Sollwertes liegt, fließt in der BrückendiagonaIe kein oder nur ein geringer Strom. Es liegt,dann z. B. jeweils eine Zenerdiode in Reihe mit dem einen Belastungswiderstand an der Speisespannung, und Speisespannung und Belastungswiderstand können so bemessen werden, daß die Zenerdiode leitet. Die Diode bildet dann einen Heizwiderstand, welcher die Regelstrecke auffieizt. Wenn der Sollwert überschritten wird, fließt ein Strom in der Brückendiagonale. Nimmt man der Einfachheit halber einmal an, daß in der Brückendiagonale ein Schalter liegt, der bei überschreiten der Solltemperatur schließt, dann liegt an jederDiode (mit einem dazu parallelenBelastungswiderstand) die halbe Speisespannung an. Die Bemessung ist so, daß die Dioden dann in ihrem Sperrbereich arbeiten und nicht leiten. Sie heizen dann also nicht. Die Belastungswiderstände liegen außerhalb der Regelstärke, und die darin verbrauchte Leistung beeinflußt die Temperatur der Regelstrecke nicht.As long as the temperature of the controlled system is below the setpoint, There is little or no current flowing in the bridge diagram. It lies, then z. B. in each case a Zener diode in series with the one load resistor on the supply voltage, and supply voltage and load resistance can be dimensioned so that the Zener diode directs. The diode then forms a heating resistor which opens up the controlled system. If the setpoint is exceeded, a current flows in the bridge diagonal. For the sake of simplicity, assume that there is a switch in the diagonal of the bridge which closes when the target temperature is exceeded, then is applied to each diode (with a parallel load resistor) half the supply voltage. the It is dimensioned so that the diodes then work in their blocking range and do not conduct. So you do not heat then. The load resistances are outside the standard strength, and the power consumed therein does not affect the temperature of the controlled system.

Diese Anordnung bietet recht erhebliche Vorteile. Man kann mit einer relativ hohen Spannung (gleichgerichtete Netzspannung) arbeiten und trotzdem die Schaltspannung beliebig klein machen, weil der »Schalter«, das temperaturempfindliche Glied, in der Brückendiagonale liegt. Damit wird es möglich, einerseits kleine wenig belastbare »Schalter« zu verwenden, andererseits aber auf einen Transformator zur Transforination der Heizspannung zu verzichten. Die »Schaltung« der Spannung erfolgt in den als Heizelement dienenden Dioden selbst, und durch das in der Brückendiagonale angeordnete temperaturempfIndliche Glied wird dieser Schaltvorgang nur gesteuert. Die erfindungsgemäße Ausbildung macht es möglich, den Regler gegebenenfalls unter Benutzung gedruckter Schaltungen als kleinen Schaltungsbaustein aufzubauen, der einfach an Netzgleichspannung oder eine aus der Netzspannung direkt erzeugte Gleichspannung angeschlossen werden kann. Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, daß die Schaltung bei geeigneter Bemessung unabhängig gegen Schwankungen der Speisespannung ist. Die Differenz der Summe der Zenerspannungen und der Speisespannung kann so gewählt werden, daß bei kleinster Speisespannung die Brückenabgriffspannung (Schaltspannung) 0 ist. Bei max. Speisespannung ist die Schaltspannung dann U/max. - U/min.This arrangement offers quite significant advantages. You can work with a relatively high voltage (rectified mains voltage) and still make the switching voltage as small as you want because the "switch", the temperature-sensitive element, is located in the diagonal of the bridge. This makes it possible, on the one hand, to use small, less resilient "switches", but on the other hand to dispense with a transformer for transforming the heating voltage. The "switching" of the voltage takes place in the diodes, which serve as heating elements, and this switching process is only controlled by the temperature-sensitive element arranged in the diagonal of the bridge. The design according to the invention makes it possible to build the controller, if necessary using printed circuits, as a small circuit component that can be simply connected to a DC voltage or a DC voltage generated directly from the line voltage. Another advantage of the invention is that the circuit is independent of fluctuations in the supply voltage when dimensioned appropriately. The difference between the sum of the Zener voltages and the supply voltage can be selected so that the bridge tap voltage (switching voltage) is 0 for the lowest supply voltage. At the maximum supply voltage, the switching voltage is then U / max. - RPM.

In weiterer Ausbildung der Erfindung sind die Dioden als Heizmittel in verschiedenen gleichartigen Regelstrecken angeordnet, während das temperaturempfindliche Glied auf die Temperatur einer dieser Regelstrecken anspricht. Es wird dann nur die Temperatur der einen Regelstrecke tatsächlich geregelt, während die anderen Regelstrecken, für die ein gleiches Temperaturverhalten zu erwarten ist, als »Satelliten« mitgesteuert werden. Dazu können in einem oder beiden Brückenzweigen mehrere Dioden, die als Heizelernente in verschiedenen Regelstrecken angeordnet sind, in Reihe liegen. Das temperaturempfindliche Glied in der Brückendiagonale kann ein Thermoschalter oder auch ein temperaturempfindlicher Widerstand, z. B. ein NTC-Widerstand, sein.In a further embodiment of the invention, the diodes are used as heating means arranged in different control systems of the same type, while the temperature-sensitive Member responds to the temperature of one of these controlled systems. Then it just becomes the temperature of one controlled system is actually controlled while the other Controlled systems for which the same temperature behavior can be expected as "satellites" be co-controlled. For this purpose, several diodes can be used in one or both branches of the bridge. which are arranged as heating elements in different control systems, lie in series. The temperature-sensitive element in the bridge diagonal can be a thermal switch or a temperature-sensitive resistor, e.g. B. an NTC resistor.

Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und im folgenden beschrieben: F i g. 1 zeigt das Schaltbild eines erfindungsgemäßen Reglers in der Stellung »Heizen«; F i g. 2 zeigt den Regler und den Stromzufluß in der Stellung »Aus«; F i g. 3 zeigt einen erfindungsgemäßen Temperaturregler mit »Satelliten«-Regelstrecken; F i g. 4 zeigt einen erfindungsgemäßen Regler mit einem temperaturempfindlichen Widerstand in der Brückendiagonale.Some exemplary embodiments of the invention are shown in the drawings and described below: FIG. 1 shows the circuit diagram of a controller according to the invention in the "heating"position; F i g. 2 shows the regulator and the power supply in the "off"position; F i g. 3 shows a temperature controller according to the invention with "satellite" control sections; F i g. 4 shows a controller according to the invention with a temperature-sensitive resistor in the bridge diagonal.

In F! g. 1 und 2 besteht der Regler aus einer Brücke, bei welcher zwei Zenerdioden 10 und 11 in zwei einander gegenüberliegenden Brückenzweigen liegen. In den beiden anderen Brückenzweigen liegt je ein Belastungswiderstand 12 bzw. 13. Die Brücke wird von einer Gleichspannung gespeist. In der Brückendiagonale liegt ein Thermoschalter, z. B. ein Kontaktthennometer 14, welcher unterhalb eines Temperatursollwertes öffnet und beim überschreiten des Temperatursollwertes schließt. Die beiden Zenerdioden 10 und 11 und das Kontaktthermometer 14 stehen in Wärmeaustausch mit einer Regelstrecke 15 Creringer Masse, deren Temperatur geregelt werden soll. In F ! G. 1 and 2, the controller consists of a bridge in which two Zener diodes 10 and 11 are located in two opposite bridge branches. A load resistor 12 or 13 is located in each of the other two branches of the bridge. The bridge is fed by a DC voltage. In the diagonal of the bridge there is a thermal switch, e.g. B. a contact tenometer 14, which opens below a temperature setpoint and closes when the temperature setpoint is exceeded. The two Zener diodes 10 and 11 and the contact thermometer 14 are in heat exchange with a control system 15 Creringer mass, the temperature of which is to be controlled.

Die Speisespannung beträgt beispielsweise 280 Volt. Die Zenerspannungen seien 150 Volt. Bei geöffnetem Schalter 14 fällt dann an den Belastungswiderständen jeweils 130 Volt ab. Die Leistungsaufnahmen stehen in dem gleichen Verhältnis, und die von den Zenerdioden aufgenommene Leistung bewirkt eine Aufheizung der Regelstrecke 15. Bei überschreiten des Sollwertes schließt der Schalter 14. Jetzt liegt an jeder Zenerdiode nur noch die halbe Speisespannung, die damit kleiner als die Zenerspannung wird. Die Zenerdioden 10 und 11 sperren, und der Strom fließt nur noch in der in F i g. 2 angedeuteten Weise über Widerstand 13, Schalter 14 und Widerstand 12. Da die Widerstände 12 und 13 nicht im Wärmeaustausch mit der Regelstrecke 15 stehen, wird damit die Aufheizung unterbrochen.The supply voltage is, for example, 280 volts. The zener voltages are said to be 150 volts. When the switch 14 is open, 130 volts are then dropped across the load resistors. The power consumption is in the same ratio, and the power consumed by the Zener diodes causes the controlled system 15 to heat up. When the setpoint is exceeded, the switch 14 closes. The Zener diodes 10 and 11 block, and the current only flows in the area shown in FIG. 2 via resistor 13, switch 14 and resistor 12. Since the resistors 12 and 13 are not in heat exchange with the controlled system 15 , the heating is interrupted.

In F i g. 3 liegen statt der Zenerdioden 10 und 11 in jedem entsprechenden Brückenzweig zwei Zenerdioden 16, 17 bzw. 18, 19 in Reihe. Dabei ist nur die Zenerdiode 16 zusammen mit dem Kontaktthermo#-meter 14 im Wänneaustausch mit einer Regelstrecke 20. Deren Temperatur wird tatsächlich geregelt. Die restlichen drei Zenerdioden 17, 18, 19 sind jede im Wärmeaustausch mit einer gesonderten »Satelliten«-Regelstrecke 21, 22, 23, die der Regelstrecke 20 gleichartig sind und für die ein ähnlicher Temperaturverlauf erwartet werden kann. Die Heizung für diese Regelstrecken wird von dem Regler der ersten Regelstrecke 20 mitgesteuert.In Fig. 3 , instead of the Zener diodes 10 and 11, there are two Zener diodes 16, 17 and 18, 19 in series in each corresponding bridge branch. Only the Zener diode 16 together with the contact thermometer 14 is exchanging heat with a control system 20. Its temperature is actually controlled. The remaining three Zener diodes 17, 18, 19 are each exchanging heat with a separate "satellite" control system 21, 22, 23, which are similar to control system 20 and for which a similar temperature profile can be expected. The heating for these controlled systems is also controlled by the controller of the first controlled system 20.

Der Regler nach F i g. 4 ist ähnlich aufgebaut wie der von F i g. 1 und 2, jedoch ist der Schalter 14 durch einen temperaturempfindlichen Widerstand 24 ersetzt, z. B. einen NTC-Widerstand. Die Schaltung ist so ausgelegt, daß unterhalb des Sollwertes die an den Zenerdioden 10, 11 abfallende Spannung über der Zenerspannung liegt. Bei ansteigender Temperatur steigt der Diagonalstrom, und damit sinkt die Spannung an den Zenerdieden 10, 11 und die Zenerspannung. Die Dioden sperren und nehmen natürlich keine Leistung mehr auf.The controller according to FIG. 4 is constructed similarly to that of FIG. 1 and 2, however, the switch 14 is replaced by a temperature sensitive resistor 24, e.g. B. an NTC resistor. The circuit is designed in such a way that the voltage drop across the Zener diodes 10, 11 is above the Zener voltage below the nominal value. When the temperature rises, the diagonal current rises, and thus the voltage across the zener diodes 10, 11 and the zener voltage decrease. The diodes block and of course no longer consume any power.

Claims

Claims: 1. Device for electrical temperature control of small masses, in which the heating elements are junction semiconductors controlled by a temperature-sensitive element, characterized in that Zener diodes are used as heating elements, which are arranged in two opposite branches of a direct current bridge, in the other branches outside The load resistors arranged in the controlled system lie and in the diagonal of which the temperature-sensitive element determining the passage of current in the bridge diagonal is arranged, and that the switching elements and the bridge supply are dimensioned so that the Zener diodes are below the temperature setpoint in the Zener conduction range and above it in the blocking range of their characteristic curve operate.

2. Apparatus according to claim 1, characterized in that the Zener diodes are arranged as heating elements in different similar control systems and the temperature-sensitive member is responsive to the temperature of one of these control systems. 3. Apparatus according to claim 2, characterized in that several Zener diodes, which are arranged as heating elements in different control systems, are in series in one or both bridge branches. 4. Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that the temperature-sensitive member is a thermal switch. 5. Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that the temperature-sensitive member is a temperature-sensitive resistor. Documents considered: German Auslegeschrift No. 1167 571; Swiss Patent No. 352 854; NTZ, Nachrichtenentechnische Zeitung, 1957, pp. 195 to 199; Electronic Engineering, 1961, pp. 452 and 453.