DE2211759B2

DE2211759B2 - Schaltungsanordnung zur stetigen Temperaturregelung

Info

Publication number: DE2211759B2
Application number: DE2211759A
Authority: DE
Inventors: Hans-Joachim 8000 Muenchen Foerster
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1972-03-10
Filing date: 1972-03-10
Publication date: 1974-06-12
Also published as: JPS55763B2; JPS49698A; BE796561A; DE2211759A1; BR7301713D0

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur stetigen Temperaturregelung, welche eine Widurstand^brücke mit einem temperaturabhängigen Widerstand als Temperaturfühler und einen Transistorverstärker aufweist, der mit seinen beiden Eingan_c:sklemmen in den Nullzweig der Widerstandsbrücke eingeschaltet und mit einem in Emitterschaltung betriebenen Transistor verbunden ist. in dessen Kollektorkreis ein Heizwiderstand liegt, wobei ein parallel zum Heizwiderstand angeordneter Spannungsteiler mit einem Teilwiderstand zugleich in ehern Zweig der Widerstandsbrücke eingeschaltet ist.

Eine Schaltungsanordnung der vorgenannten Art ist aus der deutschen Offenlegungsschrift 1 523 384 bekannt, bei welcher die beiden Eingangsklemmen des Transistorverstärkers durch die Basis und den Emitter eines Eingangstransistors dieses Transistorverstärkers realisiert sind.

Weiterhin ist durch die deutsche Offenlegungsschrift 1 957 150 eine Schaltungsanordnung zur stetigen Temperaturregelung mit einer Widerstandsbrücke bekannt und einem ähnlich geschalteten Transistorverstärker, dessen Endtransistor kollcktorseitig über einen Gegenkopplungswiderstand mit dem Kollektor des Eingangstransistors verbunden ist. Hierbei sind zur Erzielung einer von Schwankungen der Umgebungstemperatur praktisch unabhängigen Verstärkung des Transistorverstärkers 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 Schwankungen 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 Transistoren mit dem Heizmantel des Thermostaten zusätzliche 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,

ίο sondern auch hinsichtlich der Ableitung der durch den Thermostaten erzeugten Wärme zu Problemen führen.

Das deutsche Gebrauchsmuster 7 124611 zeigt einen Temperaturregler mit einer Widersiandsbrücke und einem Operationsverstärker, welcher eine Rückkopplung vom Ausgang auf den nicht-invertierenden Eingang aufweist, so daß die Schaltung jeweils bei bestimmten Schwellwerten umkippt und somit als Zweipunktregler wirkt.

Schließlich beinhaltet die deutsche Auslegeschrift 1 245 458 eine integrierte Schaltung auf einem wärmeleitfähigen Trägerplättchen, deren Bauelemente mittels einer auf dem Trägerplättchen befindlichen Regelschaltung auf konstanter Temperatur gehalten werden. Diese Temperaturregelschaltung weist eine Widerstandsbrücke und einen cingangsseitig in der Diagonale liegenden Differenzverstärker auf, welcher als integrierter Halbleiterschaltkreis realisiert ist.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde.

eine hochempfindliche, stetige Temperaturregelschaltung zu schaffen, bei der Verstärkungsstreuungen der verwendeten aktiven Elemente ohne Beeinträchtigung dor durch die Bemessung der Brückenwiderstände festgelegten Innentemperatur vollkommen ausgeglichen werden und die trotzdem einfach und unproblematisch im Aufbau ist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß als Transistorverstärker in an sich bekannter Weise ein in integrierter Technik erstellter Opcrationsverstärker verwendet ist, daß der in die Widerstandsbrücke eingeschaltete Teilwiderstand des Spannungsteilers niederohmig gegenüber einem im selben Brückenzweig in Reihe geschalteten Brückenwiderstand bemessen ist und daß die Widerstandswerte der in den einzelnen ^rkückcnzweigen liegenden Widerstände bei Solltemperatur gleich groß sind.

Durch die Verwendung eines Operationsverstärkers in Verbindung mit einer Widerstandsbrücke, deren Widerstände bei Nenntemperatur gleich groß sind.

erhält man eine hochempfindliche Temperaturregelschiiltung. Als temperaturabhängiger Widerstand findet in der Widerstandsbrücke ein Heißleiter oder ein Kaltleiter Verwendung. Insgesamt ergibt sich eine Regelschaltung, die räumlich klein ist, sie weist insbesondere eine sehr geringe Bauhöhe auf, und die zugleich stabil gegen Änderungen der Versorgungsspannung und der Umgebungstemperaturrcgtlschaltung auch auf Baugruppenträgern verwendbar, für die, bedingt durch die Einschubtechnik, nur geringe Bauhöhen erlaubt sind.

Infolge der ohne Gegenkopplung sehr großen Verstärkung hängt die Regelverstärkung nur von der Dimensionierimg des Spannungsteilers im Gegenkopp-

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lungsweg ab, d, h, Leerlaufverstärkungs-Streuungen der Operationsverstärker und Stromverstärkungsstreuungen der Transistoren haben keinen Einfluß auf die Regelschaltung,

Die Schaltungsanordnung findet bevorzugt für Schwingquarze Verwendung, deren Schwingfrequenzen im Frequenzbereich von 4 MHz bis 150 MHz liegen. Durch die Schaltungsanordnung wird der Schwingquarz so weit temperaturstabiüsiert, daß sich im Arbeitstemperaturbereich von -10⁰C bis + 65° C eine Frequenzstabilität Af/f ergibt, die besser als 3 · lü~⁷ ist.

Der kompakte Aufbau der Schaltungsanordnung zur Temperaturregelung wird ferner dadurch begünstigt, daß alle Bauteile einschließlich eines über das Schwingquarzgehäuse geschobenen Kupfer-Heizmantels, welcher vom Heizwiderstand beheizt wird, auf einer Leiterplatte angeordnet sind. Da über den Heizmantel lediglich das Schwingquarzgehäuse mit dem Schwingquarz und damit ein Minimum an Raum beheizt wird, tritt nur eine äußerst geringe Wärmeableitung auf. Damit ist nur wenig H'.izleistung erforderlich, wobei trotzdem gewährleistet ist, daß sich der Thermostat in kurzer Zeit auf Ncnntemperatur aufheizt. Eine weitere Verringerung der Wärmeableitung kann beispielsweise durch eine Isolation des vom Ileizwiderstand beheizten Raumes erreicht werden.

Bei der Schaltungsanordnung nach der Erfindung wird die Umgebungstemperatur der verstärkenden Elemente nicht mitgeregelt, wodurch Heizleistung eingespart wird. Trotzdem bleib! aber auch die Verstärkung des Transistorverstärkers unabhängig von Schwankungen der Umgebungstemperatur, obwohl dieser diesen Schwankungen bis zu einem gewissen Grade ausgesetzt ist, da der Operationsverstärker, der den wesentlichen Beitrag zur Gesamtverstärkung liefert, ^fur sich bereits hinreichend stabil gegen Änderungen der Umgebungstemperatur oder auch der Versorgungsspannung ist.

Da die Leerlaufverstärkung des aus dem Operationsverstärker 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 Brückcnwiderstanc' nicdcrohmig ist, wird bei einer Veränderung des Gegcnkopplurigsiaktors und damit der Verstärkung des Reglers die vorher eingestellte Innentemperatur des Thermostaten praktisch nicht verändert.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand eines in der Zeichnung dargestellten Alisführungsbeispiels näher erläutert.

Die in der Figur gezeigte Schaltungsanordnung zur kontinuierlichen Temperaturregelung wird von der Betriebsspannung U₁₁ gespeist und weist als Temperaturfühler einen temperaturabhängigen Widerstand in Form eines Heißleiters Th 1 auf, der thermisch gut mit dem Heizniantel kontaktiert ist. Die thermische Kopplung ist hierbei durch die gestrichelte Linie 1 angedeutet. Das temperaturabhängige Ausgangssignal der aus den Widerstünden Al, /?5. Λ6. Rl. /?8 und dem Heißleiter ThI gebildeten Brücke steuert die Differenzeingänge 2, 3 des Operationsverstärkers Vl, der mit interner Frequenzkompensation versehen ist. Zur Optimierung von Offset-Spannung und thermischer Drift des Operationsverstärkers Vl ist die

Brücke so dimensioniert, daß die Brückenglieder Ri und R6, Rl und RS, ThI sowie RS bei Nenntemperatur des Thermostaten etwa gleiche Widerstandswerte haben. Die Diode Dl schützt den Operationsverstärker Vl, der an seinen Anschlüssen 4, 7 mit der Betriebsspannung U_B versorgt wird, vor Zerstörung infolge auch nur kurzzeitiger Falschpolung der Thermostatenanschlüsse. Das Ausgangssignal des integrierten Verstärkers Vl, das an dessen Anschluß 6 zur Verfügung steht, steuert über die Zenerdiode Zl und den

Widerstand A4 den Transistor Tl, in dessen Kollektorkreisder Heizwiderstand R₁₁ liegt. Der Widerstand /?4 begrenzt den Ausgangsstrom des Operationsverstärkers Vl. Ohne die Zenerdiode Zl wäre der Transistor Tl ständig durchgesteuert. Für optimalen Be

trieb des Verstärkers Vl wird die Zenerspannung der Zenerdiode Zl so geweilt, daß die mittlere Ausgangsspannung des Verstärkers Vl am Anschluß 6. bezogen auf einen der mit + bzw. — gekennzeichneten Anschlüsse der Betriebsspannung U₁₁, etwa gleich

der Hälfte der Betriebsspannung U_n. also U_B-, ist. Aus dem aus den Widerständen Rl und Rl gebildeten Spannungsteiler, der parallel zum Heizv-'iderstand R₁₁ geschaltet ist, wird die Gegenkopplungsspannung abgegriffen. Dabei ist der Widerstand Rl niederohmig

gegenüber dem Widerstand R6 bemessen. Der Gegenkopplungsfaktor k der Regelschaltung beträgt etwa 500. d. h., daß der Einfluß von Verstärkungsstreuungen des Verstärkers Vl und des Transistors 71 auf die Gesamtverstärkung der Schaltungsanord-

nung vernachlässigbar sind. Da die Widerstandstoleranzen der Brückenglicder RZ und /?6 ± 57c und die des Heißleiters 77z 1 sogar ± 2'M'r betragen, muß zum Einstellen der I hcrmostatinnentemfieratur ein Toleranzausgleich mit Hilfe des aus den Widerständen Rl

und /?8 gebildeten Brückengliedes erfolgen. Die Leistung, die die Schaltungsanordnung bei bereits gesperrtem Transistor Tl noch aufnimmt, ist so gering, daß sie den Thermostat ΐυτ um etwa 2 C aufheizt, d. h. die obere Grenze des Arbeitstemperaturbereichs liegt dicht unterhalb der Innentemperatur.

Um mit möglichst geringer Heizleistung auszukommen, muß die "beheizte Fläche, und damit die Wärmeableitung, klein gehalten werden. Die kleinste Heizfläche erbalt man, wenn direkt auf den Quarzhalter eine Heizwicklung aufgebracht wird. Dieses Verfahren hätte jcd-xii unter anderem den Nachteil des nur noch beding! möglichen Quarz- und damit Frequenzwechseis. Aus diesem Griindj wird beim beschriebenen Thermostaten ein dünne¹·' Kupfer-Heizmantel verwendet, der die Kappe des Schwingquarzes eng umschließt. Der Heizwiderstand R₁, 'st beispielsweise ein Diahtwidcrstand. wobei der Widerstandsdraht .Mif den Kupfcr-Hcizmanlcl aufgewickelt ist. Man erren. ί auf diese Weise eine äußerst geringe Wärmeableitung von nur etwa 12 mW/" C. Durch Wie Anbringung des Heizwiderstandes R₁, auf dem Kupfer-Hcizmantel. der in Wärmekontakt mit dem Schwingquarzjjchäuse steht, wird der Schwingquarz selbst zum Bestandteil des Regelkreises, d. h. der Thermostat erfüllt die ge-

wünschte Regelaufgabe nur, wenn d;is in der Temperatur zu stabilisierende Bauteil in den Quarzhalter eingebaut ist. Die mit dem beschriebenen Thermostaten erreichbaren Inncntcmpcratiirändcrungen im Ar-

beitstemperaturbereich 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 Rriikkenwiderständen sehr gering ist, ist eine Spannungsstabilisierung der Widerstandsbrücke überflüssig. Betriebsspannungsänderungen von AU_B/U_B — ± 5% verursachen lediglich eine Innentemperaturänderung von 0,05° C.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Schaltungsanordnung zur stetigen Temperaturregelung, welche eine Widerstandsbrücke mit einem ternperaturabhängigen Widerstand als Temperaturfühler und einen Transistorverstärker aufweist, der mit seinen beiden Eingangsklemmen in den Nullzweig der Widerstandsbrücke eingeschaltet und mit einem in Emitterschaltung betriebenen Transistor verbunden ist, in dessen Kollektorkreis ein Heizwiderstand liegt, wobei ein parallel zum Heizwiderstand angeordneter Spannungsteiler mit einem Teilwiderstand zugleich in einem Zweig der Widerstandsbrücke eingeschaltet ist, d a d u r c h gekennzeichnet, daß als Transistorverstärker in an sich bekannter Weise ein in integrierter Technik erstellter Operationsverstärker ( V\) verwendet ist, daß der in die Widerstandsbrücke eingeschaltete Teilwiderstand (Al) des Spannungsteilers niederohmig gegenüber einem im selben Brückenzweig in Reihe geschalteten Brückenwiderstand (R6) bemessen ist und daß die Widerstandswerte der in den einzelnen Brükkenzweigen liegenden Widerstände (RS, R6. Rl. RS) bei Solltemperatur gleich groß sind.