-
Eontinuierlich regeln der Thermostat Die Erfindung betrifft einen
kontinuierlich regelnden Thermostaten mit einer Brücken schaltung, welche einerseits
einen Temperaturfühler und wenigstens einen Widerstand für die Vorgabe eines Tetnperatur-Sollwertes,
andererseits in Serie und in Sperrichtung zur Versorgungsspannung geschaltete -Diodenstrecken
als Brücken zweige und einen mit seiner Basis-Emitterstrecke in die quer zur Versorgungsspannung
liegende Diagonale der Brückenschaltung eingeschalteten ersten Transistor enhält.
-
Ein derartiger Thermostat ist z.B. aus'der deutschen Offenlegungsschrift
1 523 384 bekannt. Wie Fig. 1 zeigt, wird dabei die der emperaturerfassung dienende
Brückenschaltung von einer Versorgungsspannung U über einen Vorwiderstand R5 gespeist.
Die Zweige der Brückenschaltung werden einerseits aus dem Temperaturfühler K, der
ein Kaltleiter ist und dem ohmschen Widerstand Rx, durch den ein Sollwert vorgegeben
wird und andererseits aus den beiden Zenerdioden Z1, Z2 gebildet. Dabei sorgen die
in Sperrichtung zur Versorgungsspannung U eingeschalteten Zenerdioden Z1, Z2 in
Verbindung mit dem Vorwiderstand R5 dafür, daß am Diagonalpunkt 3 und am Anschluß
punkt 4 der Brückenschaltung definierte Spannungen vorliegen. Ferner ist ein Transistor
T1, der die erste Stufe eines Regelverstärkers darstellt 9 mit
seiner
Basis-Emitterstrecke zwischen die Diagonalpunkte 3, 5 der Brücken schaltung eingeschaltet.
DieseI Transistor TI wird damit gemäß der in der Meßdiagonalen der Brücke auftretenden
Spannung, die ein Maß für die Abweichung der Ist-Temperatur von der Soll-Temperatur
ist, angesteuert und steuert seinerseits über seinen Kollektorstrom JE nachfolgende
Verstärkerstufen und damit die Heizung des Thermostaten. Auf diese Weise erhält
man eine feinfühlige Temperaturregelschaltung, wobei jedoch zu berücksichtigen ist,
daß sich der Temperaturgang des Transistors T1 auf das Regelverhalten der gesamten
Schaltungsanordnung auswirkt. Darüber hinaus verbleibt auch eine gewisse Betriebsspannungsabhängigkeit,
da sich die Diagonalspannung der Brückenschaltung selbst bei vollkommen gleichen
Zenerdioden Z1, Z2 bei einer Änderung der Betriebsspannung U infolge des differentiellen
Widerstandes der Zenerdioden ebenfalls verandert.
-
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen Thermostaten der
eingangs genannten Art zu schaffen, dessen Regelverhalten vom Temperaturgang eines
in der Meßbrücke verwendeten Transistors sowie von Betriebsspannungsschwankungen
im wesentlichen unbeeinträchtigt bleibt und der trotzdem unkompliziert im Aufbau
ist.
-
Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß zusätzlich
zum ersten Transistor ein zu diesem komplementärer Transistor mit seiner Basis-Emitterstrecke
in Serie zur Basis-Emitterstrecke des ersten Transistors in die quer zur Versorgungsspannung
liegende Diagonale der Brückenschaltung eingeschaltet ist und daß die Emitterelektrode
des zusätzlichen Transistors einerseits mit der Basiselektrode
des
ersten Transistors andererseits über einen ohmschen Widerstand mit einem Anschluß
der Versorgungsspannung verbunden ist.
-
Durch diese Maßnahmen erhält man einen Thermostaten, bei dem der verbleibende
Temperaturkoeffizient der Regelschaltung auf ein vernachläßigbares Maß reduziert
ist. Da sich die Emitterbasisspannungen der beiden in der Meßdiagonale der Brückenschaltung
liegenden, zueinander komplementären Transistoren voneinander subtrahieren, erreicht
man den weiteren Vorteil, daß die in der Meßdiagonale auftretende Spannung bei entsprechend
hoher Verstärkung des Regelverstärkers fast vollständig verschwindet. Damit wird
zugleich eine Beeinträchtigung des Regelverhaltens durch eine evtl. vorhandene Betriebsspannungsschwankung
vermieden. Ferner ist vorteilhaft, daß der Steuerstrombedarf für den in die Meßdiagonale
der Brückenschaltung eingeschalteten Transistorverstärker durch die Verwendung des
zusätzlichen Transistors gegenüber der bekannten Anordnung wesentlich verringert
ist.
-
Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß zwischen
die Basiselektrode des zusätzlichen Transistors und einen Diagonalpunkt der quer
zur Versorgungsspannung liegenden Diagonale der Brtickenschaltung ein weiterer ohmscher
Widerstand eingeschaltet ist.
-
Wenn man in dieser Art verfährt, erreicht man, daß der resultierende
Innenwiderstand der Brückenschaltung weitgehend vom Abgleichzustand unabhängig ist
Insbesondere bei gegengekoppelten Thermostaten,bei denen eine Wechselspannungsgegenkopplung
über einen Koppelkondensator in die Basis des weiteren Transistors zur Erreichung
der dynamischen Stabilität erfolgt,
ist somit gewährleistet, daß
der beabsichtigte Gegenkopplungsgrad in jedem Falle erhalten bleibt. Damit wird
auf einfache Weise ein vom Abgleichzustand der Brückenschaltung unabhängiges dynamisches
Regelverhalten erzielt.
-
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß
der erste Transistor ein pnp-Transistor und der zusätzliche Transistor ein npn-Transistor
ist und daß die Emitterelektrode des zusätzlichen Transistors über den ohmschen
Widerstand mit dem negativen Pol der Versorgungsspannung verbunden ist.
-
Die Erfindung wird im folgenden anhand von in den Figuren dargestellten
Ausführungsbeispielen näher erläutert.
-
Im einzelnen zeigt Fig. 2 eine Brückenschaltung für einen kontinuierlich
regelnden Thermostat in deren Meßdiagonale als erster Transistor ein pnp-Transistor
und als zusätzlicher Transistor ein npn-Transistor eingeschaltet und Fig. 3 einen
Thermostat, bei dem die in Fig. 2 dargestellte Brückenschaltung verwendet ist.
-
Die in Fig. 2 gezeigte Brückenschaltung enthält einen Kaltleiter als
Temperaturfühler E und einen Widerstand Rx für die Vorgabe eines Temperatursollwertes,
sowie in Serie zueinander und in Sperrichtung zur Yersorgungsspannung U geschaltete
Zenerdioden Z1, Z2, die über einen derart bemessenen Widerstand R5 gespeist werden,
daß am Diagonalpunkt 3 und am Anschlußpunkt 4" der 3 rückenschaltung
konstante
Spannungen orliegen. In die durch die Diagonalpunkte 3, 5 gebildete. Meßdiagonale
der Brückenschaltung ist zusätzlich zum ersten Transistor T1, der ein pnp-Transistor
ist, ein zu diesem komplementärer Transistor T6 mit seiner Basis-Emitterstrecke
in Serie zur Basis-Emitterstrecke des erstgenannten Transistors T1 eingeschaltet.
Die mit der Basiselektrode des ersten Transistors T1 verbundene Emitterelektrode
des zusätzlichen Transistors T6 ist ferner über einen ohmschen Widerstand Ril am
Anschlußpunkt 4 an die stabilisierte Versorgungsspannung der Brückenschaltung gelegt.
Die Kollektorelektrode des zusätzlichen Transistors T6 ist unmittelbar mit dem Pluspol
der Versorgungsspannung U verbunden. Außerdem ist zwischen die Basiselektrode des
zusätzlichen Transistors T6 und den Diagonalpunkt 5 ein weiterer ohmscher Widerstand
RiO eingeschaltet.
-
Mit der in Fig. 2 gezeigten Brücken schaltung erreicht man durch die
Verwendung des zusätzlichen Transistors T6 der als Emitterfolger geschaltet ist,
zunächst gegenüber der in Fig. 1 dargestellten Anordnung eine erhebliche Verringerung
der Abhängigkeit der Uhermostaten temperaur von Betriebsspannungsschwankungen. Eine
derartige. Abhängigkeit tritt bei der Anordnung nach Fig. 1 sogar bei Verwendung
vollkommen gleicher.Zenerdioden Z1, Z2 noch auf, da sich dort die Diagonalspannung
der Brücken schaltung bei einer Änderung der Betriebsspannung wegen des differentiellen
Widerstandes der Zenerdioden Z1, Z2 ändert. Darüber hinaus ergibt sich bei Verwendung
der in Fig.. 2 gezeigten Brückenschaltung der-weitere Vorteil, daß der verbleibende
Temperaturkoeffizient der Regel schaltung infolge der gegenläufigen Gemperaturgänge
der Transistoren T1, T6 wesentlich reduziert wird. Während des-welteren bei
der
Ausführung nach Fig. 1 eine definierte Diagonalspannung von ca. 0,6 V er4Lderlich
ist, damit der Transistor T1 durchgesteuert wird, wird die Diagonale spannung der
Brückenschaltung nach Fig. 2 im wesentlichen vollkommen, also bis auf 0 V ausgeregelt,
da sich die Emitterbasisspannungen der beiden Transistoren T1, T6 voneinander subtrahieren.
Zugleich wird auf diese Weise der schädliche Einfluß des Temperaturganges der Diagonalapannung
der Brücken schaltung auf das Regelverhalten des Thermostaten vermieden. Ferner
ist bei der in Fig. 2 gezeigten Brückenschaltung vorteilhaft, daß wegen der Stromverstärkung
des zusätzlichen Transistors T6 nur ein äußerst geringer Steuerstrom fUr die in
der Meßdiagonale liegenden verstärkenden Elemente erforderlich ist. Durch den weiteren,
der Basiselektrode des zusätzlichen Transistors T6 vorgeschalteten Widerstand R10,
dessen Widerstandswert beispielsweise 30 kS1beträgt, erreicht man darüber hinaus,
daß der resultierende Innenwiderstnd der Brücken schaltung vom Abgleichzustand weitgehend
unabhängig ist.
-
Fig. 3 zeigt einen Thermostaten, bei dem die in Fig. 2 dargestellte
Brückenschaltung verwendet ist. Außerdem enthält dieser Thermostat einen mit den
Transistoren 2, T3, T4, T5 aufgebauten Regelverstärker. Die aus den Transistoren
Tl, T6 gebildete Eingangsstufe des Verstärkers steuert über einen Vorwiderstand
R4 einen zweiten Transistor T2, der mit einem als Heizwiderstand dienenden Endstufentransistor
T3 in Darlingtonschaltung aufgebaut ist. Dabei ist zwischen die Emitterelektrode
des Endstufentransistors T3 und den Anschluß 2 der Versorgungsspannung U ein ohmscher
Gegenkopplungswiderstand R1 eingefügt.
-
Die Gehäuse der Transistoren T2, T3 sind ferner mit gutem Wäreekontakt
in eine metallische Platz 6 eingesetzt,
die beispielsweise einen
Teil des Thermostaten 4 gehäuses bildet und die mit dem als Temperaturfühler dienenden
Kaltleiter K thermisch kontaktiert ist.
-
Die Emitterelektrode des zweiten Transistors T2 ist einerseits über
einen ohmschen Widerstand R mit der-Emitterelektrode des Endstufentransistors andererseits
über einen ohmschen Nebenschlußwiderstand R mit seiner Basiselektrode verbunden.
Der Nebenschlußwiderstand R ist so bemessen, daß der über ihn fließende Strom groß
gegenüber dem Basisstrom des zweiten Transistors T2 ist. Die Brückenschaltung wird
derart betrieben, daß der erste Transistor T1 und der zusätzliche Transistor T6
bei Vorliegen des Temperatursollwertes noch fast vollständig ausgesteuert bleiben.
Der Kollektorstrom des ersten Transistors T1 sinkt somit bei Erreichen des Temperatursollwertes
nur geringfügig, wobei der Spannungsabfall am Nebenschlußwiderstand R die Schwellenspannung
der Basisemitterdiode des zweiten Transistors T2 unterschreitet. Damit wird der
zweite Transistor T2 gesperrt.
-
Hierdurch erhält man mit einer geringen Anzahl von Transistoren eine
hohe Gesamtverstärkung und damit große -Regelgenauigkeit.
-
Ferner is-t zwischen die Emitterelektrode des Endstufentransistors
T3 und den Anschluß 2 der Versorgungsspannung U ein ohmscher Widerstand R1 eingefügt,
der parallel zur Basis-Emitterstrecke eines weiteren Transistors T4 liegt, dessen
Basiselektrode mit der Emitterelektrode des Endstufentransistors T3 verbunden ist.
-
Die Eollektorelektrode des weiteren Transistors T4 ist zur Basiselektrode
des dem Endstufentransistor T3 in Darlingtonschaltung vorgeschalteten- Transistors
T2 geführt.
-
Durch diese Maßnahmen erreicht man, daß Streuungen des Einschaltstromes,
die auf unvermeidbaren exemplarischen Streuungen der Eigenschaften der verwendeten
Transistoren beruhen, weitgehend vermieden werden.
-
Hierzu wird am Widerstand RI ein dem Heizstrom proportionaler Spannungsabfall
gewonnen, mit dem der weitere Transistor T4 gesteuert wird. Beim Überschreiten der
Schwellenspannung der Basis-Emitterdiode des weiteren Transistors T4 wird dieser
leitend, wodurch die Spannung an der Basis des Transistors T2 sinkt und der über
den Endstufentransistor T3 fließende Heizstrom begrenzt wird. Eine zusätzliche Begrenzung
des Einschaltstromes des Thermostaten wird durch den Vorwiderstand R4 bewirkt.
-
Zur Erzielung absoluter Stabilität und fast aperiodischen Einschwingverhaltens
bei unverändert hoher statischer Regelsteilheit ist ein dritter in Basisschaltung
betriebener Transistor T5 vorgesehen, dessen Basiselektrode an eine Referenzspannungsquelle
angeschaltet ist, dessen Kollektorelektrode einerseits über einen hochohmigen Widerstand
R9 mit der positiven Klemme 1 der Versorgungsspannung U andererseits über einen
Kondensator C3 mit der Basiselektrode des zusätzlichen Transistors T6 verbunden
ist und dessen Emitterelektrode über einen weiteren ohmschen Widerstand R7 mit der
Emitterelektrode des Endstufentransistors T3 verbunden ist. Die sich aus dem Kapazitätswert
des Kondensators und dem Widerstandswert des hochohmigen Widerstandes ergebende
Zeitkonstante ist bevorzugt so gewählt, daß sie in der Größenordnung von Sekunden
und Minuten liegt. Die auf diese Weise erhaltene Wechselspannungsgegenkopplung hat
beispielsweise eine Grenzfrequenz fg von 0,75 io2 Hz und vermindert
damit
die Umlaufverstärkung des Regelkreises bei der kritischen Frequenz, ohne jedoch
die hohe statische Regelsteilheit zu beeinträchtigen. Die hohe Regelsteilheit beruht
einerseits auf der Verstärkung des Regelverstärkers andererseits auf dem hohen Temperaturkoeffizienten
des Kaltleiters E der etwa 25 % pro von beträgt. Die Steilheit der Regelung ist
so hoch, daß eine Temperaturänderung im Thermostateninneren bei einer Änderung der
Umgebungstemperatur von OOC bis 60°C kleiner als 50 Milligrad bleibt. Dies entspricht
einem Regelfaktor von 1200. Dite Referenzspannungsquelle mit der der als Verstärker
arbeitende dritte Transistor T5 angesteuert wird, besteht aus einer an die Klemmen
1, 2 der Versorgungsspannung U angeschlossenen Serienschaltung eines ohmschen Widerstandes
R8 und zweier in Durchlaßrichtung betriebenen Dioden D1, D2, Der Transistor T5 liefert
kollektorseitig einen Strom, der dem Spannungsabfall an R1 und damit dem Heizstrom
umgekehrt proportional ist. Der Kollektorarbeitswiderstand R9 ist sehr hochohmig;
sein Widerstandswert beträgt beispielsweise 2,2 Ihr und legt mit dem Kondensator
CD, dessen Ewaetätswert bei IO"F liegt, zusammen die untere Grenzfrequenz der Gegenkopplung
mit fg = 0,75 . 10 2 Hz fest. Der Gegenkopplungsgrad hängt von der Bemessung des
Emitterwiderstandes R7 ab. Die untere Grenze für den Wert des Widerstandes R7, hier
liegt der größte Gegenkopplungsgrad vor, ist durch den Grenzfall des verschwindenden
Heizstromes an der oberen Grenze des Umgebungstemperaiurbereiches gegeben. Dabei
darf der Transistor 5 noch nicht in Sättigung gehen. Bei einem Kollektorarbeitswiderstand
R9 von 2,2 M n und 24 V Versorgungsspannung U beträgt der Widerstandswert des Widerstandes
R7 etwa 100 kQ. Der Gegenkopplungsgrad hängt außer von den angeführten Größen noch
vom Innenwiderstand der Brückenschaltung ab. Nachdem
aber, wie
bereits beschrieben, der Innenwiderstnd der Brücken schaltung vom Abgleichzustand
weitgehend unabhängig ist, erreicht man den Vorteil, daß damit auch der Gegenkopplungsgrad
vom Abgleichszustand unabhängig ist. Demgegenüber kann bei einer Brücken-Schaltung
nach Fig. 1 der Innenwiderstand der Brücke je nach Abgleichtemperatur um den Faktor
4 schwanken, weswegen auch der Gegenkopplungsgrad des über den Kondensator C3 gegengekoppelten
Regelverstärkers im gleichen Maße verändert würde. Durch die Verwendung einer Brückenschaltung
nach der vorliegenden Erfindung, wie sie beispielsweise in Fig. 2 gezeigt ist, wird
dieser Nachteil vermieden und damit ein vom Abgleichszustand unabhängiges dynamisches
Regelverhalten erzielt. Das Einschwingverhalten des Thermostaten mit einem solchermaßen
gegengekoppelten Regelverstärker ist nahezu speriodisch.
-
Ferner ist ein Kondensator C4 zwischen die Basiselektrode des Transistors
T2 und dem Anschluß 2 der Versorgungsspannung U sowie ein ohmscher Widerstand R12
zwischen die Kollektorelektrode des zusätzlichen Traneistors T6 und den Anschluß
1 der Versorgungsspannung U eingeschaltet, wodurch eine Unterdrückung hochfrequenter
Einstreuungen bzw. Schwingneigungen erreicht wird.
-
3 Patentansprüche 3 Figuren