-
Verfahren und Scheltungsanordnung zum Tempernturmessen Die Erfindung
betrifft ein Verfahren und eine Schaltungsenordnung zum Temperaturmessen. Neben
Quecksilber- und Flüssigkeitathermometern sind rauch Temperatur-Meßanordnungen bekannt,
die auf der Ausdehnung fester Materialien z.B. Metellen beruhen. Die vorliegende
Erfindung benutzt für die Temperaturmessung eine Schaltungsanordnung mit Transistoren,
welche zwei Zustande innerhalb einer bestimmten Zeiteinheit annehmen können.
-
Diese Eigenschaften werden auch bei Multivibratoren ausgenutzt.
-
Durch die abwechselnden Umladevorgänge werden außerdem Schwingungen
erzeugt, deren Frequenz von der Umladezeit der kondensatoren abhängig ist. Da Transistoren
keine Heizleistung benötigen, liegt bei ihnen die Kristalltemperatur in der gleichen
Größenordnung wie die Umgebungstemperatur.
-
Dieser Umstand wird erfindungsgemäß ausgenutzt. In der folgenden Beschreibung
werden soweit wie unbedingt notwendig, die physikalischen Gesetzmäßigkeiten sldgezeigt,
auf denen dRs ertindungsgemäße Verfahren zum Temperaturmessen mittels einer Halbleiterelemente
enthaltenen Schaltungsanordnung beruht. Wahrend des Betriebes wi1 aurch die inneren
Verluste eine bestimmte Wärmemenge im Kristall der Transistoren erzeugt. Bei einer
isolierten und abgedeckten Montage kann diese Wärme gezielt abgeleitet werden, d.h.
also durch Regelung der Wärmeableitung können die inneren Verluste beeinflußt werden.
Für die zulässige Kollektorverlustleistung Wcgilt im Bereich bie zur maximalen Kristalltemperetur
tjmax angenähert die Gleichung tj - tamb Wc= 1) k wo tj die mittlere Kristalltemperatur,
tamb die Umgebungstempe ratur und k der thermische Widerstand ist.
-
Daraus kann man erkennen, daß bedingt durch den Leitermechanismus
in der Transistortechnik das aktive Element temperaturabhängig ist und den Tesper3turbereich,
in welchem die Schaltung erbeiten soll, wesentlich beeinflußt.
-
Es ist aus der Halbleitertechnik auch bekannt, daß bei einem Transistor
sowohl der Sperr- als auch der Durchlaßstrom exponentiell mit der Temperatur sich
ändert,und zwar mit steigender Temperatur zu größeren Werten. Da der thermische
Widerstand (Les Transistors von der Kristalltemperatur und somit auch von der veränderlichen
Umgebungstemperatur abhängt, ist auch die Umschaltungsfolge d.h. die Frequenz von
der Temperatur abhängig.
-
Die Temperatur steuert somit die Frequenz.
-
Hierbei ist zuerst die Verschiebung des Arbeitspunktes in Abhängigkeit
von der Temperatur zu untersuchen. Da sich der Arbeitspunkt des Transistors mit
der Temperatur nndert, muß ß Vorsorge getroffen werden, daß die den Transistor umfassende
Anordnung nicht instabil wird und seine Verlustleistung einen eua dem physikalischen
Aufbau resultierenden Maximalwert nicht übe#-schreitet. Es ist eine Frage der Anforderung,
ob und inwieweit Maßnahmen gegen die sich mit dem Arbeitspunkt ebenfalls ändernden
typischen Eigenschaften der Schaltung wie Verstärkung, Frequenz und Amplitude getroffen
werden oder ob es erforderlich ist, die Verschiebung schaltungstechnisch zu erleichtern.
Die durch die Temperaturerhöhung bedingte Arbeitspunktverschiebung kann nämlich
so groß werden, daß unvermeidlich eine thermische Instabilität eintritt. Dieser
Fall kann durch eine einmalige Erhöhung der Umgebungstemperatur, die danach konstant
gehalten wird, verursacht werden. Dabei wird ein Mechanismus ausgelöst, welcher
die Verlustleistung und damit die Kristelltemperatur fortlaufend bis zur Zerstörung
des Transistors erhöht. Erklärt wird dieser Mechanismus damit, daß die Kristalltemperatur
tj von der Umgebungstemperatur tamb und von der durch die Verlustleistung Wc bedingten
Eigenerwärmung tü abhängt: tj = tamb + tü (Wc) 2)
Um welchen Betrag
auf die Verlustleistung über die Eristalltemperatur mit Hilfe e der Umgebungstemperatur
eingewirkt werden kann, ist eine konstruktive und damit eine typenabhängige Frage.
Deß dem stabilen Zustand ein thermisches Gleichgewicht zwischen im Innern erzeugter
und nach sußen abgeleiteter Wärmemenge zugrunde liegen muß, ist selbstverständlich.
-
Das Maß für die Temperaturerhöhung durch Verlustleistung ist der Wärmewiderstand
k.
-
Der Ausdruck k= tj - tamb (°C/W) Wc ist eine Näherungsgleichung. Dabei
ist zu beachten, daß euch der durch die Steuerleistung verursachte Anteil berücksichtigt
werden muß, da er ebenfalls zur Temperaturerhöhung beiträgt.
-
Bei einem Multivibrator ist das ebenfalls der Fall, da auch hier bei
den jeweils eingestellten Trensistor die Steuerleistung die gleiche Größe wie die
Kollektorleistung erreichen kann.
-
Uber die Gleichung 3) sind bei einem durch die Konstruktion vorgegebenen
k und durch die isrimal @l zugelassene Kristalltemperatur die Größen taub und Wc
verknüpft. Die Verlustleistung muß also bei einem Transistorgerät immer im Zusammenhang
mit der Umgebungstemperatur gesehen werden Außerdem ist aus der Gleichung 3) die
thermisch Beziehung zu entnehmen, die eine Aussege über die Temperaturerhöhung durch
Verluatleistung liefert.
-
Inwieweit sich die Temperaturerhöhung wiederum auf din Verschiebung
des Arbeitspunktes auswirkt, ist ein elektrisches Problem und damit eine schaltungstechnische
Frage.
-
Die Temperaturabhängigkeit der Kollektorverlustleistung Wc kann in
Form einer linearen Gleichung dargestellt werden£ Wc = Wc1+#. #tj 4) wo # die Funktionen
der speziellen Schaltung ist, die beispielsweise Versorgungsapannungen und Stabilisierungsmaßnahmen
umfaßt, und t die Temperaturdifferent (tj-tj1) darstellt.
-
Differenziert man die Gleichungen 3) und 4) so ergibt sich die konstante
Umgebungstemperatur d WcA = 1 d tj k in thermischer beziehung, und dtj = 1 dW c
in elektrischer 3eziehung.
-
Den Zusammenhang zwischen der Kristalltemperatur tj und der Kollektorverlustleistung
Wc veranschaulicht das Diagramm der Figur er beigefügten Zeichnung. In diesem Diagramm
ist die Verlustleistung Wc auf die Abszisse und die Kristslltemperatur tj auf die
Koordinate aufgetragen. Für das ideale Verhalten wurden gestrichelte Linien eingesetzt.
Das tatsächliche thermische Verhalten entspricht der Linie 4 und das elektrische
Verhalten der Linie 5.
-
Erfindungsgemäß soll für die Temperaturbestimmung ein transistorisierter
Schwingkreis, ein Multivibrator eingesetzt werden. Es wurde bereits festgestellt,
daß auch die Frequenz der transistorierten Schwingkreise temperaturabhängig ist.
-
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren soll für die Temperaturbestimmung
ein astabiler Multivibrstor verwendet werden. Die Figur 1 der beigefügten Zeichnung
zeigt einen ast,ebilen Multivibrator.
-
Das Temperaturverhalten des astabilen Multivibrators zeigt die Figur
3. Vergleicht man das Diagramm der Figur 2 mit den der Figur 3, so erkennt man,
daß der Frequenzgang des Multivibrators der ipur 1 mit dem thernischen Verhalten
eines Transistors in wesentlichen übereinstimmt. Daraus folgt, daß ein astebiler
Multivibrator, wie erfindungsgemäß vorgeschlagen, zum Temperaturmessen geeignet
ist. Mit wachsender Temperatur von etwa - 60° C an stiegt die Frequenz nahezu linear
an. Ebenso verhält es sich mit der fallenden Temperatur an etwa - 750 C anO Mit
einem Frequenzmeßgerät kann also eine relativ große Temperaturskala erfaßt werden.
-
ach den obigen Erläuterungen dürfte es mit herkömmlichen Mitteln möglich
sein, ein entsprechendes Temperaturmeßgerät aufzubauen,
wobei sowohl
ein einzelner Transistor als such eir Multivibrator als tempersturempfindliches
Glied benutzt werden kann.
-
Für die Schaltungsanordnung zur Ausführung des erfindungsgemaßen Verfahrens
soll eine maximale Kostensenkung angestrebt werden. Die Figur 4 der beigefügten
Zeichnung zeigt eine derartige Schaltungsanordnung. Diese Schaltungsanordnung zeichnet
sich dadurch aus, daß bei an sich bekannten transistorierten logischen Kreisen mit
mehreren Gliedern ein Glied mit einem Kondensator C überbrück-t wird. An dem mit
der Kondensstorleitung 2 gekoppelten Ausgang können die Meßwerte sbgenommen werden.
-
Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung kann sußer als reine Meßschaltung
such auf dem Gebiet der Regeltechnik verwendet werden, beispielsweise dadurch, daß
das Gerät durch Fremdheizung oder Dimensionierung auf eine bestimmte Temperatur
eingestellt wird.
-
Patentansprüche: