DE2305510B2 - Schaltungsanordnung zur stetigen Temperaturregelung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung lur stetigen Temperaturregelung, welche eine Widerstandsbrücke mit einem temperaturabhängigen 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 Heizwiderstar.d liegt, wobei ein parallel Zum Heizwiderstand angeordneter Spannungsteiler mit einem Teilwiderstand zugleich in einem Zweig der Widerstandsbrücke eingeschaltet ist, als Transistorverstärker ein in integrierter Technik erstellter Opeüationsverstärker verwendet ist, der in die Wider-•tandsbrücke eingeschaltete Teilwiderstand des Spantungsteilers niederohmig gegenüber einem im selben Hrückenzweig in Reihe geschalteten Brückenwider-■tand bemessen ist und die Widerstandswerte der in #en einzelnen Brückenzweigen liegenden Wider-Itände bei Solltemperatur gleich groß sind, nach Hauptpatentanmeldung P 22 11 759.5.

Bei einem derartigen Thermostaten erreicht man in vorteilhafter Weise, durch die Parallelschaltung des Spannungsteilers zum Heizwiderstand, daß die am Heizwiderstand anliegende Spannung dauernd erfaßt und damit eine der augenblicklichen Heizleistung

proportionale Größe auf den Eingang der Schaltungsanordnung zurückgeführt wird. Hierdurch werden bei stetigem Regelverhalten auf einfache Weise die im Normalfalle zu erwartenden Verstärkungsstreuungen des Operationsverstärkers und des nachgeschalteten

ίο Transistors ausgeglichen. Derartige Verstärkungsstreuungen beruhen im allgemeinen darauf, daß aus Gründen einer wirtschaftlichen Fertigung Toleranzen zugelassen werden müssen. Bei Operationsverstärkern kommt dabei noch hinzu, daß ein- und derselbe Verstärkertyp von verschiedenen Herstellern gefertigt wird, weswegen hier mit einem größeren Toleranzbereich gerechnet werden muß. Überschreiten die fertigungsbedingten Toleranzen des Operationsverstärkers bzw. des nachgeschalteten Transistors allerdings ein gewisses Maß, dies gilt insbesondere für Exemplare, deren Verstärkungsgrad oberhalb der zugestandenen Toleranzgrenze liegt, so besteht auch bei einer Schaltungsanordnung des beschriebenen Typs die Gefahr, daß unerwünschte hochfrequente Ein-

a5 Streuungen mitverstärkt werden, wodurch das Regelverhaiten beeinträchtigt wird. Beispielsweise können derartige Einstreuungen von Schwingquarzen oder Schwingschaltungen herrühren, deren Umgebungstemperatur zur Erzielung der gewünschten Frequenz-

konstanz mit der vorliegenden Temperaturregelschaltung überwacht wird.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der bei gleichbleibendem, stabilen Regelverhalten besonders große Toleranzen für die

verwendeten aktiven Bauelemente zugelassen sind.

die trotzdem einfach im Aufbau und unproblematisch in einer industriellen Fertigung herstellbar ist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß in den Nullzweig der Widerstandsbrücke ein erster Kondensator eingeschaltet ist, der in seinem Kapazitätswert derart bemessen ist, daß unerwünschte hochfrequente Einstreuungen in ihrer Amplitude weitgehend abgeschwächt werden, daß ein zweiter Kondensator den Ausgang des Differenzverstärkers mit dessen invertierendem Eingang verbindet und daß der Kapazitätswert des zweiten Kondensators so gewählt ist, daß die bereits abgeschwächten, noch an den Verstärkereingang gelangenden hochfrequenten Ein-Streuungen unverstärkt bleiben.

Durch diese Maßnahmen erreicht man in vorteilhafter Weise, daß die Gesamtverstärkung des Regelkreises für den Frequenzbereich, in dem Einstreuungen zu erwarten sind, kleiner als eins ist. Damit wird ein schädlicher Einfluß auf das Regelverhalten der Schaltungsanordnung vollkommen unterbunden. Insbesondere wird vermieden, daß die vom Heizwiderstand abgegebene Heizleistung durch sie beeinflußt wird. Dies gilt auch dann, wenn bei der vorliegenden Schaltungsanordnung Operationsverstärker Verwendung finden, deren Verstärkungsgrad einen extrem weiten Toleranzbereich aufweist; denn auch in solchen Fällen ist durch die kapazitive Gegenkopplung des jeweiligen Operationsverstärkers gewährleistet, daß dessen Grenzfrequenz stark herabgesetzt wird, und somit keine Verstärkung der hochfrequenten Einstreuungen mehr stattfindet. Somit sind für die verwendeten aktiven Bauteile, insbesondere den

Operationsverstärker, besonders große Toleranzen zugelassen. Hieraus ergibt sich der Vorteil, daß diese Bauteile in einer industriellen Massenfertigung besonders wirtschaftlich herstellbar sind. Dazu kommt noch, daß bei der Fertigung der vorliegenden Schaltungsanordnung beim Operationsverstärker keine spezielle Auswahl getroffen werden muß sondern jeder Verstärker ein- und desselben Typs mit gleichen Erfolg verwendbar ist.

Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß der erste und der zweite Kondensator gleich groß gewählt sind und daß ihr Kapazitätswert jeweils etwa J nF beträgt. Neben einer geringen Baugröße der verwendeten Kondensatoren erreicht man hierdurch bei der Fertigung den Vorteil, daß nur ein einziger Typ von Kondensatoren bereitgestellt werden muß.

Die Schaltungsanordnung nach i!er vorliegenden Erfindung findet z. B. für Schwingquarze Verwendung, deren Schwingfrequenzen im Frequenzbereich von 4 MHz bis 150 MHz liegen. Durch die Schaltungsanordnung wird der Schwingquarz so weit temperaturstabilisiert, daß sich im Arbeitstemperaturbereich von - 10° C bis + 65° Ceine Frequenzstabilität AfIf ergibt, die besser als 3 · 10 ⁷ ist.

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

Die in der Figur gezeigte Schaltungsanordnung zur kontinuierlichen Temperaturregelung dient z. B. der Konstanthaltung der Umgebungstemperatur eines nicht näher dargestellten Schwingquarzes. Sie wird von der Betriebsspannung U₈ gespeist und weist als Temperaturfühler einen temperaturabhängigen Widerstand in Form eines Heißleiters ThI auf, der mit dem Heizmantel des Schwingquarzes thermisch gut kontaktiert ist. Die thermische Kopplung ist hierbei durch die gestrichelte Linie 1 angedeutet. Das temperaturabhängige Ausgangssignal der aus den Widerständen Rl, R5, R6, Rl, Λ8 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 thermische! Drift des Operationsverstärkers Vl ist die Brücke so dimensioniert, daß die Brückenglieder Rl und R6, Rl und /?8, ThI sowie RS bei Nenntemperatur des Thermostaten etwa gleiche Widerstandswerte haben. In den Nullzweig der Widerstandsbrücke ist außerdem ein erster Kondensator Cl eingeschaltet, der in seinem Kapazitätswert derart bemessen ist, daß unerwünschte, hochfrequente Einstreuungen in ihrer Amplitude weitgehend abgeschwächt werden. In einem praktischen Ausführungsbeispiel beträgt sein Kapazitätswert beispielsweise 1 nF. Dieser Kapazitätswert gewährleistet, daß die hochfrequenten Einstreuungen, die z. B. von einem Schwingquarz herrühren, nur noch in ganz geringem Maße an die Differenzeingänge 2, 3 des Operationsverstärkers Vl gelangen können. Ein weiterer Kondensator Cl verbindet den Ausgang 6 des Differenzverstärkers Vl mit dessen invertierendem Eingang 2. Der Kapazitätswert dieses zweiten Kondensators Cl ist dabei so gewählt, daß die bereits abgeschwächten, noch an den Verstärkereingang gelangenden hochfrequenten Einstreuungen nicht weiter verstärkt werden. In dem zitierten Ausführungsbeispiel ist z. B. auch für den zweiten Kondensator Cl ein Kapazitätswert von etwa 1 nF gewählt. Durch die Verwendung der beiden Kondensatoren Cl, C2 erreicht man, daß die Gesamtverstärkung des Regelkreises im Frequenzbereich der hochfrequenten Einstreuungen, auch bei extremen Verstärkungsstreuungen des verwendeten Operationsverstärkers Vl, kleiner als eins ist. Damit ist ausgeschlossen, daß derartige Einstreuungen das Regelverhalten der Schaltungsanordnung im negativen Sinne beeinträchtigen können. Des weiteren ist eine Diode Dl vorgesehen,

ίο die den Operationsverstärker Vl, der an seinen Anschlüssen 4, 7 mit der Betriebsspannung U₈ versorgt wird, vor Zerstörung infolge auch nur kurzzeitiger Falschpolung der Thermostatenanschlüsse schützt. Das Ausgangssignal des integrierten Verstärkers Vl,

is das an dessen Anschluß 6 zur Verfügung steht, steuert über die Zenerdiode Zl und den Widerstand R4 den Transistor Tl, in dessen Kollektorkreis der Heizwiderstand R_H liegt. Der Widerstand A4 begrenzt den Ausgangsstrom des Operationsverstärkers Vl. Ohne

ao die Zehnerdiode Zl wäre der Transistor Tl ständig durchgesteuert. Für optimalen Betrieb des Verstärkers Vl wird die Zenerspannung der Zenerdiode Zl so gewählt, daß die mittlere Ausgangsspannung des Verstärkers Vl am Anschluß 6, bezogen auf einen

as der mit + bzw. — gekennzeichneten Anschlüsse der Betriebsspannung U₈, etwa gleich der Hälfte der Betriebsspannung U₈, also ^u'/₂ ist. Aus dem aus den Widerständen Rl und Rl gebildeten Spanungsteiler, der parallel zum Heizwiderstand R_H geschaltet ist, wird die Gegenkopplungsspannung abgegriffen. Dabei ist der Widerstand Rl niederohmig gegenüber dem Widerstand RS bemessen. Der Gegenkopplungsfaktor k der Regelschaltung beträgt etwa 500, d. h., daß der Einfluß von Verstärkungsstreuungen des Verstärkers Vl und des Transistors Tl auf die Gesamtverstärkung der Schaltungsanordnung vernachlässigbar ist. Da die Widerstandstoleranzen der Brückenglieder RS und /?6 ±5% und die des Heißleiters ThI sogar ± 20% betragen, muß zum Einstellen der Thermostatinnentemperatur 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 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 eine I leizwicklung aufgebracht wird. Dieses Verfahren hätte jedoch unter anderem den Nachteil des nur noch bedingt möglichen Quarz- und damit Frequenzwechseis. Aus diesem Grunde wird beim beschriebenen Thermostat 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 Thermostat erreichbaren Innentemperaturänderungen im Arbeitstemperaturbereich betragen nur ±0,5° C bezogen auf die Mitte des Arbeitstemperaturbereichs. Da die Änderung der Brückenausgangsspannung bei Schwankungen der Betriebsspannung U_B infolge der Wahl von bei Nenntemperatur gleich großen Brükkenwiderständen sehr gering ist, ist eine Spannungsstabilisierung der Widerstandsbrücke überflüssig. Betriebsspannungsänderungen von Δυ_Β/υ_Β=±5Ψο verursachen lediglich eine Innentemperaturänderung von 0,05° C.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zur stetigen Temperaturregelung, welche eine Widerstandsbrücke mit einem temperaturabhängigen 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 Hegt, wobei ein parallel zum Heizwiderstand angeordneter Spannungsteiler mit einem Teilwiderstand zugleich in einem Zweig der Widerstandst ücke eingeschaltet ist, f»Js Transistorverstärker ein in integrierter Technik erstellter Operationsverstärker verwendet ist, der in die Widerstandsbrücke eingeschaltete Teilwiderstand des Spannungsteilers niederohmig gegenüber einem im selben Brückenzweig in Reihe geschalteten Brückenwiderstand bemessen ist und die Widerstandwerte der in den einzelnen Brückenzweigen liegenden Widerstände bei Solltemperatur gleich groß sind, nach der Hauptpatentanmeldung P 2211759.5, dadurch gekennzeichnet, daß in den Nullzweig der Widerstandsbrücke ein erster Kondensator eingeschaltet ist, der in seinem Kapazitätswert derart bemessen ist, daß unerwünschte, hochfrequente Einstreuungen in ihrer Amplitude weitgehend abgeschwächt werden, daß ein zweiter Kondensator den Ausgang des Differenzverstärkers mit dessen invertierendem Eingang verbindet und daß der Kapazitätswert des zweiten Kondensators so gewählt ist, daß die bereits abgeschwächten, noch an den Verstärkereingang gelangenden hochfrequenten Einstreuungen unverstärkt bleiben.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite Kondensator gleich groß gewählt sind und daß ihr Kapazitätswert jeweils etwa 1 nF beträgt.