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Schaltungsanordnung zur stetigen Temperaturregelung Die Erfindung
betrifft eine Schaltungsanordnung zur stetigen Temperaturregelung, welche eine Widerstandsbrücke
mit einem temperaturabhängigen Widerstand als Temperaturfühler und einen Transistorverstärker
aufweist, in dessen Ausgangskreis ein Heizwiderstand liegt.
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Eine derartige Schaltungsanordnung, auch Thermostat genannt, ist aus
der deutschen Offenlegungsschrift 1 957 150 bekannt.
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Zur Erzielung einer von Schwankungen der Umgebungstemperatur praktisch
unabhängigen Verstärkung des Transistorverstärkers sind bei diesem Thermostaten
die Transistoren der ersten beiden Stufen des Verstärkers mit dem Heizmantel des
Thermostaten in guten Wärmekontakt gebracht. Damit sind diejenigen Transistoren,
die den größten Anteil an der Gesamtverstärkung des Verstärkers haben, undefinierbaren
SchwantKtIngen der Umgebungstemperatur entzogen und auf konstante Temperatur geregelt.
Dieser Weg zur Erhöhung der Zuverlässigkeit eines Thermostaten kann jedoch in einer
Reihe von Anwendungsfällen nicht eingeschlagen werden. Zum einen erfordert die thermische
Kontaktierung der Transirt;oren mit dem Heizmantel des Thermostaten zusätzlichen
Konstruktionselemente und damit größeren Raumbedarf. Dies steht einer Miniaturisierung
des Thermostaten im Wege. Zum anderen wird durch die Temperaturregelung für die.Transistoren
zusätzliche Heizleistung benötigt. Dies kann nicht nur im Hinblick auf 'die Stromversorgung
des Thermostaten sondern auch hinsichtlich der Ableitung der durch den Thermostaten
erzeugten Wärme zu Problemen führen.
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Der Erfindung nun die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zur
stetigen Temperaturregelung zu schaffen, die eine Widerstandsbrücke, einen Transistorverstärker
und einen im Ausgaügskreis des Transistorverstärkers liegenden Heizwiderstand aufweist,
die einfach und raumsparend im Aufbau ist und nur geringer Heizleistung bedarf.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der Transistorverstärker
aus einem in integrierter Technik erstellten Operationsverstärker, welcher mit seinen
beiden Differenzeingängen in den Nullzweig der WiderstandsbrUcke eingeschaltet ist
und einem in Emitterschaltung betriebenen, dem Operationsverstärker nachgeschalteten
Transistor besteht, daß der Heizwiderstand an die gollektorelektrode des Transistors
angeschaltet ist und parallel zum Heizwiderstand ein Spannungsteiler angeordnet
ist, daß ein Teilwiderstand des Spannungsteilers zugleich in einem Zweig der Widerstandsbrücke
eingeschaltet ist und daß die Widerstandswerte der in den einzelnen Brückeneweigen
liegenden Widerstände so gewählt sind, daß sie bei Nenntemperatur gleich groß sind.
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Durch die Verwendung eines Operatbnsverstärkers in Verbindung mit
einer Widerstandsbrücke, deren Widerstände bei Nenntemperatur gleich groß sind,
erhält man eine hochempfindliche Temperaturregelschaltung. Als temperaturabhängiger
Widerstand findet in der Widerstandsbrücke ein Heißleiter oder eine Kaltleiter Verwendung.
Insgesamt ergibt sich eine Regel schaltung die räumlich klein ist, sie weist insbesondere
eine sehr geringe Bauhöhe auf, und die zugleich stabil gegen Änderungen der Versorgungsspannung
und der Umgebungstemperatur ist. Infolge der geringen Bauhöhe ist die Temperaturregelschaltung
auch auf Baugruppenträgern verwendbar, für die-, bedingt durch die Einschubtechnik,
nur geringe Bauhöhen erlaubt sind.
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Infolge der ohne Gegenkopplung sehr großen Verstärkung hängt die Regelverstärkung
nur von der Dimensionierung des Spannungsteilers im Gegenkopplungsweg ab, d.h. Beerlaufverstärkungs-Streuungen
der Operationsverstärker und Stromverstärkungæstreuungen der Transistoren haben
keinen Einfluß auf die Regelschaltung.
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Die Schaltungsanordnung findet bevorzugt für Schwingquarze Verwendung
deren Schwingfrequenzen im Frequenzbereich von 4 Mliz bis 150 11hz liegen. Durch
die Schaltungsanordnung wird der Schwingquarz so weit temperaturstabilisiert, daß
sich im Arbeitstemperaturbereich von 100 bis + 65QC eine Frequenzstabilität af/f
ergibt, die besser als 3 . 10-7 -7 ist.
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Der kompakte Aufbau der Schaltungsanordnung zur Temperaturregelung
wird ferner dadurch begünstigt, daß alle Bauteile einschließlich eines über das
Schwingquarzgehäuse geschobenen Kupfer- Heizantels, welcher vom Heizwiderstand beheizt
wird, auf einer Leiterplatte angeordnet sind. Da über den Heizmantel lediglich das
Schwingquarzgehäuse mit dem Schwing quarz und damit ein Minimum an Raum beheizt
wird, tritt nur eine äußerst geringe Warmeableitung auf. Damit ist nur wenig Heizleistung
erforderlich, wobei trotzdem gewährleistet ist, daß sich der Thermostat in kurzer
Zeit auf Nennteuperatur aufheizt. Eine weitere Verringerung der Wärmeableitung kann
beispielsweise durch eine Isolation des vom Heizwiderstand beheizten Raumes erreicht
werden.
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Bei der Schaltungsanordnung nach der Erfindung wird die Umgebungstemperatur
der verstärkenden Elemente nicht mitgeregelt, wodurch Heizleistung eingespart wird.
Trotzdem bleibt aber auch die Verstärkung des Transistorverstärkers unabhängig von
Schwankungen der Umgebungstemperatur, obwohl dieser diesen Schwankangen bis zu einem
gewissen Grade
ausgesetzt ist, da der Opertionsverstärkers der den
wesentlichen Beitrag zur Gesamtverstärkung liefert, fur sich bereits hinreichend
stabil gegen Änderungen der Umgebungstemperatur oder auch der Versorgungaspannung
ist.
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Eine Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß der Teilwiderstand
des Spannungsteilers, der in die Widerstandsbrücke eingeschaltet ist, niederohmig
gegenüber einen mit ihm im selben Brücken zweig in Serie liegenden Brückenwiderstand
ist.
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Da die Leerlaufverstärkung des aus dem Operationeverstärker und der
nachgeschalteten Transistorstufe bestehenden Reglers sehr hoch ist, läßt sich bereits
durch den niederohmigen Teilwiderstand des Spannungsteilers ein hoher Gegenkopplungsfaktor
erzielen. Man erreicht damit, daß der Einfluß von Verstärkungsstreuungen des Operationsverstärkers
und des Transistors auf die Gesamtverstärkung vernachlässigbar ist. Da zudem der
in der Widerstandsbrücke eingeschaltete Teilwiderstand im Vergleich zu dem mit ihm
in Reihe liegenden Brückenwiderstand niederohmig ist, wird bei einer Veränderung
des Gegenkopplungsfaktors und damit der Verstärkung des Reglers die vorher eingestellte
Innentemperatur des Thermostaten praktisch nicht verändert.
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Sine weitere Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß eine Zenerdiode
mit ihrer Kathode an den Ausgang des Operationsverstärkers angeschaltet ist und
mit ihrer Anode entweder unmittelbar oder unter Zwischenschaltung eines ohmschen
Widerstandes mit der Basis des Transistors verbunden ist.
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Die Zenerspannung der Zenerdiode ist beispielsweise so gewählt, daß
sie etwa bei der Hälfte der Betriebsspannung
der Schaltungsanordnung
liegt. Durch die Zenerdiode wird verhindert, daß der dem Operationsverstärker nachgeschaltete
Transistor ständig durchgesteuert ist. Der darüber hinaus zwischen die Zenerdiode
und die Basis des Transistors einschaltbare Widerstand bewirkt eine Begrenzung des
Ausgangsstromes des Operationsverstärkers.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in der Zeichnung dargeatellten
Ausführungsbeispiels näher erläuterte Die in der Figur gezeigte Schaltungsanordnung
zur konti nuierlichen Temperaturregelung wird von der Betriebsspannung UB gespeist
und weist als Temperaturfühler einen temperaturabhängigen Widerstand in Form eines
Hißleiters Thl auf, der thermisch gut mit dem Heizmantel kontaktiert- ist..
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Die thermische Kopplung ist hierbei durch die gestrichelte Linie 1
angedeutet. Das temperaturabhängige Ausgangs signal der aus den Widerstanden R1y
P915, R6, R7, R8 und dem Heißleiter Th1 gebildeten Brücke steuert die Differenzeingänge
2, 3 des Operationsverstärkers V1, der mit interner Frequenzkompensation versehen
ist Zur Optimierung von Offset-Spannung und thermischer Drift des Operationeverstärkers
V1 ist die Brücke so dimensioniert, daß die Brückenglieder Ri und R6, R7 und R8
9 Yh1 sowie R5 bei Nenntemperatur des Thermostaten etwa gleiche Widerstandswerte
haben. Die Diode D1 schützt den Operationsverstärker V1, der an seinen Anschlüssen
4, 7 mit der Betriebsspannung UB versorgt wird, vor Zerstörung in balge auch nur
kurzzeitig Falschpolung der Thermostatenanschlüsse. Das Ausgangssignal des integrierten
Verstärkers V1, das an dessen Anschluß 6 zur Verfugung steht, steuert über die Zenerdiode
Z1 und den Widerstand R4 den Transistor T1, in dessen Sollektorkreis der Heizwiderstand
RH liegt. Der Widerstand R4 begrenzt den Ausgangsstrom des Operationsverstärkers
V1.
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Ohne die Zenerdiode Z1 ware der Transistor TI ständig
durchgesteuert.
Für optimalen Betrieb des Verstärkers V1 wird die Zenerspannung der Zenerdiode Z1
so gewählt, daß die mittlere Ausgangsspannung des Verstärkers V1 am Anschluß 6,
bezogen auf einen der mit + bzw. - gekennzeichneten Anschlüsse der Betriebsspannung
UB etwa gleich der Hälfte der Betriebsspannung UB, also UB/2 ist. Aus dem aus den
Widerständen Ri und R2 gebildeten Spannungsteiler, der parallel zum Heizwiderstand
RH geschaltet ist, wird die.Gegenkopplungsspannung abgegriffen. Dabei ist der Widerstand
R1 niederohmig gegenüber dem Widerstand R6 bemessen. Der Gegenkopplungsfaktor k
der Regelschaltung beträgt etwa 500, d.h., daß der Einfluß von Verstärkungsstreuungen
des Verstärkers V1 und des Transitors TI auf die GUsamtverstärRung der Schaltungsanordnung
vernachläßigbar sind. Da die Widerstandstoleranzen der Brückenglieder R5 und R6
+ 5 % und die des Heißleiters Th1 sogar + 20 % betragen, muß zum Einstellen der
Thermwtattemperatur ein Toleranzausgleich mit Hilfe des aus den Widerständen R7
und R8 gebildeten Brückerigliedes erfolgen. Die Leistung, die die Schaltungsanordnung
bei bereits gesperrtem Transistor T1 noch aufnimmt, ist so gering, daß sie den Thermostat
nur um etwa 20C aufheizt, d.h. die obere Grenze des Arbeitstemperaturbereichs liegt
dicht unterhalb der Innentemperatur.
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Um mit möglichst geringer Heizleistung auszukommen, muß die beheizte
Fläche, und damit die Wärmeableitung,klein gehalten werden. Die kleinste Heizfläche
erhält man, wenn direkt auf den Quarzhalter eine Heizwicklung avkebracht wird. DieseS
Verfahren hätte jedoch unter anderem den Nachteil des nur noch bedingt möglichen
Quarz- und damit Frequenzwechsels. Aus diesem Grunde wird beim beschriebenen Thermostaten
ein dünner Kupfer-Heizmantel verwendet, der die Kappe des Scbwingquarzes eng umschließt.
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Der Heizwiderstand RH ist beispielsweise ein Drahtwiderstand, wobei
der Widerstandsdraht auf den Kupfer-Heizmantel aufgewickelt
ist.
Man erreicht auf diese Weise eine äußerst geringe Wärmeableitung von nur ca. 12
mwloa. Durch die Anbringung des Heizwiderstandes RH auf dem Kupfer-Heizmantel, der
in Wärmekontakt mit dem Schwingquarzgehäuse steht, wird der Schwingquarz selbst
zum Bestandteil des Regelkreises, d.h. der Thermostat erfüllt die gewünschte Regelaufgabe
nur, wenn das in der Temperatur zu stabilisierende Bauteil in den Querzhalter eingebaut
ist. Die mit dem beschriebenen Thermostaten erreichbaren Innentemperaturänderungen
im Arbeitstemperaturbereich betragen nur + 0,5°C bezogen auf die Mitte des Arbeitstemperaturbereichs.
Da die Änderung der Brückenausgangsspannung bei Schwankungen der Betriebsspannung
infolge der Wahl von bei Nenntemperatur gleich großen Brückenwiderständen sehr gering
ist, ist eine Spannungsstabilisierung der Widerstandsbrücke überflüssig. Betriebsspannungsänderungen
von hUB/UB - + 5 % verursachen lediglich eine Innentemperaturänderung von 0,05°C.
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3 Patentansprüche 1 Figur