DE2211759C3 - Schaltungsanordnung zur stetigen Temperaturregelung - Google Patents

Description

Regelschaltung auf konstanter Temperatur gehalten

30 werden. Diese Temperaturregelschaltung weist eine

Widerstandsbrücke und einen eingangsseitig in der

Diagonale liegenden Differenzverstärker auf, welcher als integrierter Halbleiterschaltkreis realisiert ist.

Der Erfindung liegt'nun die Aufgabe zugrunde, 35 eine hochempfindliche, stetige Temperaturregelschaltung zu schaffen, bei der Verstärkungsstreuun-

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung gen der verwendeten aktiven Elemente ohne Beein- *ur stetigen Temperaturregelung, welche eine Wider- trächtigung der durch die Bemessung der Bruckenwistandsbrücke mit einem temperaturabhängigen Wi- derstände festgelegten Innentemperatur vollkommen derstand als Temperaturfühler und einen Transistor- 40 ausgeglichen werden und die trotzdem einfach und verstärker aufweist, der mit seinen beiden Eingangs- unproblematisch im Aufbau ist. klemmen in den Nullzweig der Widerstandsbrücke Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch geeingeschaltet und mit einem in Emitterschaltung be- löst, daß als Transistorverstärker in an sich bekannter triebenen Transistor verbunden ist, in dessen Kollek- Weise ein in integrierter Technik erstellter Operatorkreis ein Heizwiderstand liegt, wobei ein parallel 45 Hörverstärker verwendet ist, daß der in die Widerzum Heizwiderstand angeordneter Spannungsteiler Standsbrücke eingeschaltete Teilwiderstand des Spanmit einem Teilwiderstand zugleich in einem Zweig der nungsteilers niederohmig gegenüber einem im selben Widerstandsbrücke eingeschaltet ist. Brückenzweig in Reihe geschalteten Brückenwider-

Eine Schaltungsanordnung der vorgenannten Art stand bemessen ist und daß die Widerstandswerte der ist aus der deutschen Offenlegungsschrift 1 523 384 50 in den einzelnen Bnickenzweigen liegenden Widerbekannt, bei welcher die beiden Eingangsklemmen stände bei Solltemperatur gleich groß sind, des Transistorverstärkers durch die Basis und den Durch die Verwendung eines Operationsverstär-

Emitter eines Eingangstransistors dieses Transistor kers in Verbindung mit einer Widerstandsbrücke, deverstärkers realisiert sind. ren Widerstände bei Nenntemperatur gleich groß sind,

Weiterhin ist durch die deutsche Offenlegungs- 55 erhält man eine hochempfindliche Temperaturregelschrift 1 957150 eine Schaltungsanordnung zur steti- schaltung. Als temperaturabhängiger Widerstand fingen Temperaturregelung mit einer Widerstands- det in der Widerstandsbrücke ein Heißleiter oder ein brücke bekannt und einem ähnlich geschalteten Kaltleiter Verwendung. Insgesamt ergibt sich eine Transistorverstärker, dessen Endtransistor kollektor- Regelschaltung, die räumlich klein ist, sie weist insbeseitig über einen Gegenkopplungswiderstand mit dem 6« sondere eine sehr geringe Bauhöhe auf, und die zuKollektor des Eingangstransistors verbunden ist. gleich stabil gegen Änderungen der Versorgungs-Hierbei sind zur Erzielung einer von Schwankungen spannung und der Umgebungstemperaturregelschalder Umgebungstemperatur praktisch unabhängigen tung auch auf Baugruppenträgern verwendbar, für Verstärkung des Transistorverstärkers bei diesem die, bedingt durch die Einschubtechnik, nur geringe Thermostaten die Transistoren der ersten beiden Stu- 65 Bauhöhen erlaubt sind.

fen des Verstärkers mit dem Heizmantel des Thermo- Infolge der ohne Gegenkopplung sehr großen Verstaten in guten Wärmekontakt gebracht. Damit sind Stärkung hängt die Regelverstärkung nur von der Didiejenigen Transistoren, die den größten Anteil an der mensionierung des Spannungsteilers im Gegenkopp-

luogsweg ab, d. h. Leeriaufverstärkungs-Streuungen der Operationsverstärker und Stromverstärkungsstieuungen der Transistoren haben keinen Einfluß auf φβ Regelschaltung.

Die Schaltungsanordnung findet bevorzugt für Schwingquarz⁶ Verwendung, deren Schwingfrequenzen ün Frequenzbereich von 4 MHz bis 150 MHz liegen. Durch die Schaltungsanordnung wird der Schwingquarz so weit temperaturstabilisiert, daß sich im Arbeitstemperaturbereich von - 10^r C bis + 65° C <rine Frequenzstabilität Af/f ergibt, die besser als 3 · 10"⁷ ist.

Der kompakte Aufbau der Schaltungsanordnung zur Temperaturregelung wird ferner dadurch begünstigt, daß alle 3auteile 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 <mf. Damit ist nur wenig Heizleistung erforderlich, wobei trotzdem gewährleistet ist, daß sich der Thermostat in kurzer Zeit auf Nenntemperatur aufheizt. Eine weitere Verringerung der Wärmeableitung kann beispielsweise durch eine Isolation des vom Heizwiderstand beheizten Raumes erreicht werden.

Bei der Schaltungsanordnung nach der Erfindung wird die Umgebungstemperatur der verstauenden Elemente nicht mitgeregelt, wodurch Heizleistung eingespart wird. Trotzdem bleibt 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, für sich bereits hinreichend stabil gegen Änderungen der Umgebungstemperatur oder auch der Versorgungsspannung ist.

Da die Leerlaufvenstärkung 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 Brückenwiderstand niederohmig ist, wird bei einer Veränderung des Gegenkopplungsfaktors und damit der Verstärkung des Reglers die vorher eingestellte Innentemperatur des Thermostaten praktisch nicht verändert.

Die Erfindung wird im folgender an Hand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Die in der Figur gezeigte Schaltungsanordnung zur kontinuierlichen Temperaturregelung wird von der Betriebsspannung U_B gespeist und weist als Temperaturfühler einen temperaiturabhängigen Widerstand in Form eines Heißleiters ThI auf, der thermisch gut mit dem Heizmantel kontaktiert ist. Die thermische Kopplung ist hierbei durch die gestrichelte Linie 1 angedeutet. Das temperaturabhängige Ausgangssignal der aus den Widerständen Al, RS, R6, RT, R8 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 Rl und Ä6, /?7 und Ä8, 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„ 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

¹S Widerstand A4 den Transistor Tl, in dessen Kollektorkreis der Heizwiderstand R₁₁ liegt. Der Widerstand R4 begrenzt den Ausgangsstrom des Operationsverstärkers Vl. Ohne die Zenerdiode Zl wäre der Transistor 71 ständig durchgesteuert. Für optimalen Be-

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

«5 der Hälfte der Betriebsspannung l/_fl,also U_{B 2} ist. Aus dem pus den Widerständen Al und R2 gebildeten Spannungsteiler, der parallel zum Heizwiderstand R_H 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, <J h., daß der Einfluß von Verstärkungsstreuungen des Verstärkers Vl und des lransistors 7"I auf die Gesamtverstärkung der Schaltungsanordnung vernachlässigbar sind. Da die Widerstandstoleranzen der Brückenglieder RS und Λ6 ±5% und die des Heißleiters ThI sogar ± 20% betragen, muß zum Einstellen der Thermostatinnentemperatur ein Toleranzausgleich mit Hilfe des aus den Widerständen Rl

und RS gebildeten Brückengliedes erfolgen. Die Leistung, die die Schaltungsanordnung bei bereits gesperrtem Transistor 7Ί noch aufnimmt, ist so gering, daß sie den Thermostat nur 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 erhält man, wenn direkt auf den Quarzhalter

so eine Heizwicklung aufgebracht 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 Schwingquarzes eng umschließt. Der Heizwiderstand R_H ist beispielsweise ein Drahtwiderstand, wobei der Widerstandsdraht auf den Kupfer-Heizmantel aufgewickelt ist. Man erreicht auf diese Weise eine äußerst geringe Wärmeableitung von nur etwa 12 mW/° C. Durch die Anbringung des Heizwiderstandes R_H 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 Quarzhalter eingebaut ist. Die mit dem beschriebenen Thermostaten erreichbaren Innentemperaluränderungen 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 Briik-

kenwiderständen 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 (1)

1. ι ²

   * Gesamtverstärkung des Verstärkers haben, undefi-% Patentansorudr nierbaren Schwankungen der Umgebungstemperatur % fOTuwupiu - entzogen und auf konstante Temperatur geregelt. t SchaJtungsanordnungzur stetigen Temperatur- Dieser Weg zur ^öhmg der Zuverl^igkeit eines T regelung, welche eine Widerstandsbrücke mit ei- 5 Thermostaten kann jedoch in euier Reihe von An-Sm SeraSbTängigln Widerstand als Tem- w*ndungsfällen nicht emgescUagen werden Zum _ei- % peotSer und einen Transistorverstärker nen erfordert <üe thermische Kontaktierung der Tran-, , aufweist,der mit seinen beiden Eingangsklemmen sistorea mit dem Heizmantel des Thermostaten

   in um Nulbweig der Widerstandsbrücke einge- w«⁸*^ *f^^toIS£^^£ ^T- ^¥ '"

   SchaltetundmiteineminEmitterschaltunfibettie- «· ren Raurabedan. Dies steht einer Mimaturmerung

   ί ftenen Transistor verbunden ist, in dessen Kollek- des Thermostat*«! im Wege. Zum anderen _{wird d h}

   * torkreis ein Meizwidersiand liegt, wobei ein die Temperaturregelung,fur die Transistoren zusatzli- ; paraUei zum Heizwiderstand angeordneter Span- ehe Heizleistung benotigt. Dies kann nicht nur im

   mjngsteiler mit einem Teilwideretand zugleich in Hinblick auf die Stromversorgung des Thermostaten, einem Zweigder Widerstandsbrücke eingeschaltet *S. sondern auch hmsichthch der Ableitung der durch den

   ; ist.dadurch gekennzeichnet^aßalsTran- Thermostaten erzeugten Warme zu Problemen fuh-

   t sistorverstürker in an sich bekannter Weise ein in ren. -,_Λ-,_Λί,_Λ

   integrierter Technik erstellter Operationsverstär- Das deutsche Gebrauchsmuster 7 124 611 zeigt ei-

   ker (Vl) verwendet ist, daß der in die Wider- nen Temperaturregler mit einer Widerstandsbrucke Standsbrücke eingeschaltete Teilwiderstand (Al) «· und einem Operationsverstärker, welcher eine Ruckdes Spannungsteilers niederohmig gegenüber ei- kopplung vom Ausgang auf den nicht-invertierenden nem im selben Brückenzweig in Reihe geschalte- Eingang aufweist, so daß die Schaltung jeweils bei beten Brückenwiderstand (Rb) bemessen ist und daß stimmten Schwellwerten umkippt und somit als Zweidie Widerstandswerte der in den einzelnen Brük- punktregier wirkt.

   kenzweigen liegenden Widerstände (RS, Ä6. Ä7, »5 Schließlich beinhaltet die deutsche Auslegeschnft Ä8) bei Solltemperatur gleich groß sind. 1 245458 eine integrierte Schaltung auf einem wär-

   meleitfäiiigen Trägerplättchen, deren Bauelemente

   mittels einer auf dem Trägerplättchen befindlichen