DE2362567A1

DE2362567A1 - Temperaturstabilisierte elektronische schaltung

Info

Publication number: DE2362567A1
Application number: DE2362567A
Authority: DE
Inventors: Hans Christoph Dipl Phy Goetze; Walter Dipl Ing Schuermann
Original assignee: CRL Electronic Bauelemente GmbH
Current assignee: CRL Electronic Bauelemente GmbH
Priority date: 1973-12-17
Filing date: 1973-12-17
Publication date: 1975-06-19

Description

CRL Electronic 3672 Selb, den 29. November 1973

Bauelemente GmbH ZP-Fi/es

TEMPERATURSTABILISIERTE ELEKTRONISCHE SCHALTUNG

Die Erfindung betrifft eine temperaturstabilisierte elektronische Schaltung bestehend aus auf einem elektrisch isolierenden Trägerkörpier angeordneten passiven und/oder aktiven elektronischen Bauelementen unterschiedlicher Temperaturabhängigkeit, die gemäß der Schaltungsstruktur durch elektrisch gut leitfähige Verbindungsmittel zusammengeschaltet sind.

Um bei derartigen elektronischen Schaltungen, welche in Dickschicht- oder in Dünnschichttechnik ausgeführt werden und zusätzliche diskrete Bauelemente enthalten können, eine Temperaturstabilisierung der elektrischen Schaltungsparameter zu erhalten, ist es bekannt, durch gezielte Wahl der Temperaturkoeffizienten der in der Schaltung enthaltenen passiven und/oder aktiven Bauelemente den Einfluß der Fremd- und der Eigenerwärmung in der Schaltung so klein als möglich zu halten. Dabei wird versucht, die Temperaturkoeffizienten aller B'auelemente der Schaltung so niedrig als möglich zu halten, oder die Temperaturkoeffizienten der Bauelemente in der Schaltung so zu wählen, daß sie in der Zusammenschaltung zu einer möglichst guten Kompensation der Temperaturabhängigkeit der Schaltungsparameter führen.

Beide Stabilisierungsmöglichkeiten werden angewandt und sind zumeist geeignet, elektronische Schaltungen beispiels-

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weise in Hybridtechnik den praktischen Anforderungen entsprechend herzustellen.

Diese bekannten Verfahren werden jedoch unwirtschaftlich, wenn extrem geringe Temperaturabhängigkeiten oder ein sta- , biler Betrieb der Schaltung in einem größeren Temperaturbereich gefordert wird. Der Temperaturkoeffizient der einzelnen Bauelemente müßte in diesem Fall entweder sehr klein gehalten werden, oder sehr genau innerhalb sehr enger Toleranzbereiche bekannt sein, damit eine gezielte Kompensation möglich wird; bzw. die Schaltung muß überhaupt zwangstemperiert werden, um eine konstante Temperatur zu erreichen. Diese letztgenannte Möglichkeit bedingt jedoch zusätzliche Kühloder Heizaggregate und stellt damit einen erhöhten Aufwand dar.

Die bekannten Temperaturstabilisierungen elektronischer Schaltungen sind also nur -mit gesteigertem Aufwand durchführbar, der im Herstellungspreis derartiger Schaltungen zum Ausdruck kommt. Speziell im Fall der Temperaturkompensation tritt eine zusätzliche Schwierigkeit auf. Die Temperaturabhängigkeit der Eigenschaften verschiedener Bauelemente weichen im allgemeinen in einem größeren Temperaturbereich voneinander ab, so daß eine Temperaturkompensation nur in einem verhältnismäßig schmalen Temperaturbereich wirksam werden kann. Diese Schwierigkeiten sind insbesondere bei Halbleiterbauelementen bekannt, weshalb für diese beispielsweise Kaltleiterheizelemente entwickelt wurden, mit denen diese auf einer nahezu

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konstanten Temperatur gehalten werden können. Damit wird das

Problem der Abhängigkeit der Eigenschaften der gekannten,

Bauelemente von Temperaturschwankungen weitgehend reduziert; es werden jedoch nur einzelne Bauelemente temperaturstabilisiert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Stabilisierung elektronischer Schaltungen zu vereinfachen, ohne erhöhte Anforderungen an die Temperaturabhängigkeiten der in der Schaltung enthaltenen aktiven und/oder passiven elektronischen Bauelemente stellen zu müssen und damit preisgünstig in der Massenproduktion herstellbare temperaturstabilisierte elektronische Schaltungen zu erhalten.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß außer der Schaltungsstruktur ein oder mehrere temperaturabhängige Widerstände derart auf der Oberfläche des Trägerkörpers angeordnet sind, daß sie im Betrieb die Elemente der elektronischen Schaltung thermisch beeinflussen.

Dabei kann der isolierende Trägerkörper aus kunstharzimprägnierter Hartpappe oder aus Kunststoff und die temperaturabhängigen Widerstände aus diskreten Bauelementen bestehen, oder der Trägerkörper kann aus Glas oder Ker-amik bestehen, die aktiven elektronischen Bauelemente können diskrete Bauform besitzen und die passiven Bauelemente können diskrete Bauform besitzen und/oder in Dickschicht- und/oder Dünnschichttechnik hergestellt sein und die temperaturabhängigen Wider-

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stände können aus diskreten Bauelementen und/oder in Dickschicht- und/oder Dünnschichttechnik hergestellte.Bauelemente sein.

Als temperaturabhängige Widerstände werden Kaltleiter und/oder Heißleiter verwendet. Die Kaltleiter werden mit einer Konstantspannung, die Heißleiter mit konstantem Strom betrieben.

Vorteilhafterweise kann die Schaltungsstruktur der elektronischen Schaltung auf der einen Hauptfläche und der oder die temperaturabhängigen Widerstände auf der gegenüberliegenden Hauptfläche des Trägerkörpers angeordnet sein.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, temperaturstabilisierte elektronische Schaltungen einfach und preisgünstig herstellen zu können, ohne auf die Temperaturkoeffizienten der in der Schaltung enthaltenen Bauelemente besonderes Augenmerk richten zu müssen und dabei eine Verringerung der Temperaturabhängigkeit in der Größenordnung einer Zehnerpotenz zu erlangen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1 eine räumliche Darstellung einer Hybridschaltung auf einem isolierenden Trägerkörper,

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— fr —

Fig. 2 eine räumliche Darstellung einer elektronischen Schaltung auf einem isolierenden Trägerkörper,

Fig. 3 die Temperaturabhängigkeit des Widerstandswertes eines Kaltleiters und

Fig. 4 die Temperatur einer erfindungsgemäßen elektronischen Schaltung in Abhängigkeit von der Temperatur der ungeregelten Schaltung.

In Fig. 1 ist eine Hybridschaltung dargestellt, wobei auf einen Trägerkörper 1 Leitungszüge 3, Anschlußflächen 9 und zwischen den Leitungszügen 3 Widerstände 4, Kondensatoren 6 in Chipbauform oder in einer anderen Bauform und andere elektronische aktive und/oder passive Bauelemente eingebaut sein können, wobei ein oder mehrere temperaturabhängige Widerstände 2 auf dem Trägerkörper derart angeordnet sind, daß sie im Betrieb die Elemente der Schaltung thermisch beeinflussen. Außerdem sind beispielhaft Widerstands-Abgleichmarken 8, Drahtverbindungen und Anschlußkontakte 7 dargestellt. Die örtliche Anordnung der temperaturabhängigen Widerstände 2 ist in Abhängigkeit vom jeweiligen Anwendungsfall und der Lage der kritischen elektronischen Bauelemente festzulegen. Dabei ist zu beachten, daß sich wegen des Wärmeabflusses über die Anschlußkontakte 7 in deren Umgebung etwas-niedrigere Temperaturen ergeben, als in der Mitte des Trägerkörpers 1.

In Fig. 2 ist eine elektronische Schaltung dargestellt, bei der sich die Schaltungsstruktur mit ihren Anschlußkontakten

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auf der einen Hauptfläche und ein temperaturabhängiger Widerstand 2 auf der gegenüberliegenden Hauptfläche des isolierenden Trägerkörpers 1 angeordnet ist. Dabei ist der temperaturabhängige Widerstand 2 beispielsweise ein Heißleiter der zwischen Kontaktflächen 3 im Siebdruckverfahren aufgebracht wird.

Fig. 3 stellt die Temperaturabhängigkeit des Widerstandswertes eines Kaltleiters schematisch dar, wobei B den Bereich kennzeichnet, in dem der Widerstandswert annähernd exponentiell zunimmt. Mit T„ ist die mittlere Temperatur der elektronischen Schaltung ohne Einfluß der temperaturabhängigen Widerstände

und mit T_D _ die angestrebte Stabilisierungstemperatur, welche R,0

im Bereich B der exponentiellen Widerstandszunahme liegt, schematisch dargestellt.

Fig. 4 zeigt das Stabilisierungsverhalten einer erfindungsgemäßen elektronischen Schaltung. Ändert sich die Temperatur der elektronischen Schaltung durch innere und/oder äußere Einflüsse, so ändert sich die Temperatur der Schaltung unter der Einwirkung der temperaturabhängigen Widerstände in einem wesentlich verkleinerten Verhältnis mit, so daß bei Verwendung äquivalenter elektronischer Bauelemente in gleichen Schaltungen nach der Erfindung die Eigenschaftsänderungen infolge innerer und/oder äußerer Temperatureinflüsse, um die Größenordnung einer Zehnerpotenz geringer sind als bei herkömmlichen Schaltungen.

Zur besseren Verdeutlichung der Wirkungsweise und des erzielten ^;

Effektes gemäß der Erfindung wird ein Ausführungsbeis,p,i,e.l ,konkretisiert.

Eine Hybridschaltung auf einem Trägerkörper aus Aluminiumoxidkeramik der Abmessungen 30mm χ 10mm χ lmm soll auf einer Temperatur T_n _, (siehe Fig. 3) von ca. 86°C gehalten werden. Die

KjU

temperaturabhängigen Widerstände sind Kaltleiter. Innerhalb des 'Bereiches B der exponentiellen Widerstandsänderungen gilt die Beziehung

R (T₀) = A . 10 ^b'^TR κ

wobei die Temperatur T_n der Hybridschaltung bei richtiger

Positionierung der temperaturabhängigen Widerstände durch folgende Beziehung dargestellt werden kann:

T_R = T_q + C. N ^B

wobei N die an den temperaturabhängigen Widerständen liegende Leistung ist, d.h.,

R(T_D) A.1O^W1R κ

U^{2 B}

T=T₊C. (
^{R S}

A.lO^bTR

Die Steigung b der Widerstandsänderung ist vom Material des verwendeten temperaturabhängigen Widerstandes abhängig. Im Aus-

• - 8 -

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führungsbeispiel beträgt b = 0,1 grd im Temperaturbereich

80°C = T₀ = 100⁰C. Die Konstante C liegt bei C .= 40 grd/W,, . κ

der Faktor B=I.

Bei Annahme einer mittleren Temperatur der unstabilisierten Schaltung von 30 C ergibt sich somit der Verlauf der Temperatur der Schaltung T mit der erfindungsgemäßen Stabilisierung in Abhängigkeit von der Temperatur der Schaltung ohne Stabilisierung (T„) .

Wie aus Fig. 4 zu erkennen ist, ändert sich innerhalb des Anwendungs-Temperaturbereiches -15°C = T_c = 85°C die Temperatür der stabilisierten Schaltung um ca. 10 C. Für ein bestimmtes Bauelement der unstabilisierten Schaltung mit dem Temperaturkoeffizienten a ist im Temperaturbereich -15°C = T_ = 85°C eine Änderung Δ E der Eigenschaft E (z.B. Widerstandswert, Kapazitätswert, Referenzspannung udgl.) in der Größenordnung

ΛΕ = E. a. 100

zu erwarten.

Wird die gleiche Schaltung erfindungsgemäß stabilisiert, so ändert sich bei gleichen Bedingungen die Temperatur der Schaltung nur um ca. 10°C (siehe Fig. 4), was einer Änderung Δ, E¹ der Eigenschaft E von

ΔΕ¹ = E. a. 10

entspricht. 5G9825/ÖS80

Im beschriebenen Ausführungsbeispiel wird also bei Verwendung gleicher Bauelemente durch die. erfindungsgemäße Stab.i.li.sier.u.ncj eine in der Größenordnung einer Zehnerpotenz verringerte Ternperaturabhängigkeit im Vergleich, zur unstabilisierten Schaltung erreicht.

Aus der mathematischen Darstellung geht weiter hervor, daß bei Verwendung von Kaltleitern diese an eine konstante Spannungsquelle angeschlossen sein müssen. Bei Verwendung von Heißleitern ist die Steigung b < 0, so daß diese zur Erzielung der gleichen Wirkung an eine Konstantstromquelle angeschlossen sein müssen.

PATENTANSPRÜCHE

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Claims

CRL Electronic 8672 Selb, den 29. November 1973 Bauelemente GmbH ZP-Fi/es -> ο c ο r r <7 £0Ό L00 / ■ 11 " "Mir- PATENTANSPRÜCHE :

1. ilemperaturstabilisierte elektronische Schaltung, bestehend

aus auf einem elektrisch isolierenden Trägerkörper angeordneten passiven und/oder aktiven elektronischen Bauelementen unterschiedlicher Temperaturabhängigkeit, die gemäß der Schaltungsstruktur durch elektrisch gut leitfähige Verbindungsmittel zusammengeschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, daß außer der Schaltungs— struktur ein oder mehrere temperaturabhängige Widerstände derart auf der Oberfläche des Trägerkörpers angeordnet sind, daß sie im Betrieb die Elemente der elektronischen Schaltung thermisch beeinflussen.

2. Elektronische Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der isolierende Trägerkörper aus kunstharzimprägnierter Hartpappe oder Kunststoff besteht und die temperaturabhängigen Widerstände diskrete Bauelemente sind.

3. Elektronische Schaltung nach Anspruch 1,.dadurch gekennzeichnet, daß der isolierende Trägerkörper aus Glas oder Keramik -besteht, die aktiven elektronischen Bauelemente

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diskrete Bauform besitzen und die passiven Bauelemente in diskreter Bauform und/oder in Dickschicht- und/oder Dünnschichttechnik hergestellt sind und die temperaturabhängigen Widerstände aus diskreten Bauelementen bestehen und/oder in Dickschicht- und/oder Dünnschichttechnik hergestellt sind.

4. Elektronische Schaltung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die temperaturabhängigen Widerstände Kaltleiter sind.

5. Elektronische Schaltung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die temperaturabhängigen Widerstände Heißleiter sind.

6. Elektronische Schaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die temperaturabhängigen Widerstände an einer Konstant-Spannungsquelle angeschlossen sind.

7. Elektronische Schaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die temperaturabhängigen Widerstände an einer Konstant-Stromquelle angeschlossen sind.

S. Elektronische Schaltung nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungsstruktur auf der einen Hauptfläche und die temperaturabhängigen Widerstände auf der gegenüberliegenden Hauptfläche des Trägerkörpers angeordnet sind.

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