DE2440947A1 - Referenzelement fuer eine regelschaltung - Google Patents

Description

• Referenzelement für eine Regelschaltung Die Erfindung betrifft ein gegen Temperaturschwankungen stabilisiertes Referenzelement für eine Regelschaltung.
• Regelschaltungen, die beispielsweise zur Erzeugung einer konstanten Spannung eingesetzt werden, beinhalten im allgemeinen ein regelndes Element und eine Vergleichssture, die ein Steuersignal für das regelnde Element abgibt. In der Vergleichsstufe wird das Ausgangssignal der Regelschaltung mit dem Signal eines Referenzelementes verglichen und aus der Differenz der bei-den Signale das Steuersignal gewonnen. Das Steuersignal bewirkt über das regelnde Element eine Veränderung der Ausgangssignale in Richtung des Sollwertes. Die erreichbare Stabilität des Ausgangssignals hängt entscheidend von der Stabilität des Referenzsignals ab. Wird eine solche Regelschaltung größeren Temperaturschwankungen ausgesetzt, ist es erforderlich, das Referenzelement gegen Temperaturschwankungen zu stabilisieren.
• Derartige Referenzelemente sind bekannt. In ihnen wird das Temperaturverhalten, das durch Halbleiterelemente, z.B. eine Zenerdiode, entsteht, durch ein möglichst gleiches Temperaturverhalten eines anderen Halbleiterelementes ausgeglichen. Es ist jedoch im allgemeinen mühsam, ein für die Kompensation geeignetes Halbleiterelement zu finden, das die passenden Kennwerte besitzt, da Halbleiterelemente immer relativ großen Fertigungsstreuungen unterworfen sind. Um eine gute Temperaturstabilität eines solchen Referenzelementes zu erreichen, muß ein sehr aufwendiges Ausleseverfahren durchgeführt werden, das ein Referenzelement dieser Art sehr verteuert.
• Der Erfindung liegt demzufolge die Aufgabe zugrunde, ein Referenzelement für eine Regelschaltung zu entwickeln, das den genannten Nachteil nicht aufweist.
• Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Referenzelement nach dem Kennzeichen des Patentanspruchs 1 gelöst.
• Im Gegensatz zu den bekannten Referenzelementen wird bei dem erfindungsgemäßen Referenzelement zur Kompensation des Temperaturgangs der Zener-Diode nicht der feste Temperaturgang eines diskreten Halbleiterelements, sondern ein mit der Erfindung verwendeten Beschaltung des Transistors einstellbarer Temperaturgang.
• Daraus ergibt sich der weitere Vorteil, daß mit dem erfindungsgemäßen Referenzelement auch der Temperaturgang der übrigen Bauelemente der Regelschaltung ausgeglichen werden kann.
• Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist in dem Anspruch 2 beschrieben, mit der der Abgleich der Widerstände besonders genau und einfach durchführbar ist.
• Ein weiterer Vorteil ergibt sich dadurch, daß das Referenzelement als Dickschichtschaltung ausgeführt ist, da der Abgleich von Dickschiohtwiderständen bekanntlich sehr genau durchführbar ist und eine Raumersparnis gegenüber einem konventionellen Aufbau erzielt wird.
• Eine besonders enge Kopplung von Zener-Diode und Transistor bezüglich der Umgebungstemperatur wird erreicht, wenn beide auf einen gemeinsamen Halbleiter-Chip verwirklicht sind.
• Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Referenzelements ist in der Zeichnung als Teil einer schematisch gezeichneten Regelschaltung dargestellt und wird im folgenden näher erläutert.
• An den Eingangsklemmen 1, 2 der Regelschåltung liegt die zu stabilisierende Eingangsspannung UE, die bekanntlich immer um einen gewissen Betrag größer als die stabilisierte Ausgangsspannung UA sein muß. Die negative Eingangsklemme 2 ist mit Masse verbunden. An die positive Eingangsklemme 1 ist eine Regelstrecke 3 angeschlossen, deren Ausgang mit einer positiven Ausgangsklemme 4 verbunden ist. Zwischen der Ausgangsklemme 4 und einer mit Masse verbundenen Ausgangsklemme 5 ist die stabilisierte Ausgangsspannung UA abnehmbar. Der Ausgang der Regelstufe 3 ist einerseits über einen Spannungsteiler Rp, R9 mit Masse, andererseits über einen Widerstand R1 mit einem erfindungsgemäßen Referenzelement 6 verbunden. Der Abgriff des Spannungsteilers R Rp, R liegt an einem ersten Eingang eines p 9 Differenzverstärkers 7, auf dessen zweiten Eingang das Referenzsignal des Referenzelementes 6 gegeben wird. Das Referenzelement 6 besteht aus einem Transistor T1, dessen Emitter an den Widerstand R1 angeschlossen ist. Der Kollektor des Transistors T1 liegt über eine Zener-Diode Zl an Masse. Parallel zur Emitter-Kollektor-Strecke des Transistors T1 liegt ein Spannungsteiler R2, R3, R3' aus der Serienschaltung eines Widerstandes R2 und einer Parallelschaltung zweier Widerstände R3, R»'.
• Der Verbindungspunkt des Widerstandes R2 und der Parallelschaltung der Widerstände R R3' ist mit der Basis des Transistors T1 verbunden. Am Emitter des Transistors T1 liegt das Referenzsignal, das auf den zweiten Eingang des Differenzverstärkers 7 geleitet wird. Der Ausgang des Differenzverstärkers 7 ist mit einem Regelspannungseingang der Regelatrecke 5 verbunden.
• Die Wirkungsweise des Referenzelementes 6 beruht auf dem Prinzip, den Temperaturgang eines Halbleiterelementes - hier der Zener-Diode Z1 - durch den Temperaturgang eines anderen Halbleiterelementes auszugleichen. Entgegen dem beschriebenen Stand der Technik wird hierzu jedoch nicht der feste Temperaturgang eines diskreten Halbleiterelementes verwendet, sondern ein mit der erfindungsgemäßen Anordnung einstellbarer Temperaturgang.
• Die Zener-Diode Z1 hat einen positiven Temperaturkoeffizienten.
• Mit Hilfe des vorzugsweise auf dem gleichen Kühlkörper oder Halbleiter-Chip angeordneten Transistors T1 und dem Spannungsteiler R2, R5, R5, in der beschriebenen Anordnung läßt sich ein beliebiger negativer Temperaturkoeffizient einstellen, so daß hier praktisch das Temperaturverhalten einer einstellbaren Zener-Diode simuliert wird.
• Der Temperaturkoeffizient KBE der Basis-Emitter-Strecke beträgt bei Silizium-Transistoren ungefähr - 1,5 mV/OC, Unter Vernachlässigung des sehr geringen Basisstromes gilt, daß sich der Tcmperaturkoeffizient KCE der Kollektor-Emitter-Strecke zum Temperaturkoeffizienten KCE der Basis-Emitter-Strecke wie die Kollektor-Emitter-Spannung UCE zur Basis -Emitter-Spannung UBE verhält.
• i UCE KBE UBE In der angegebenen Schaltung gilt aber - wieder unter Vernachlässigung des Basisstroms -UCE = R2 + R3 # R3' UBE R2 Somit ergibt sich für KCE KCE =KBE + R) 1{ R)' R2 Durch eine geeignete Dimensionierung der Widerstände läßt sich mit der angegebenen Durchschaltung des Transistors T, jeder negative Temperaturkoeffizient >|KBE|herstellen.
• Der zweite Teil des Spannungsteilers R2> R3, R5T ist als Parallelschaltung der Widerstände RD, R3' ausgeführt, um einen feinen Abgleich zu ermöglichen. Vorzugsweise ist einer der Widerstände R3, R3' gegenüber dem anderen ungefähr um den Faktor größer. Dadurch läßt sich der ungefähre notwendige Wert mit dem kleineren Widerstand einstellen, während der größere zur geringfügigen Variation des kleineren Widerstandswertes dient.
• Ein Potentiometer ist wegen seiner geringen Temperaturstabilität an dieser Stelle nicht einsetzbar.
• Eine Abschätzung des ungefähr notwendigen Werts von R5 II R5' läßt sich mit Hilfe einer Messung der Zenerspannung der Zener-Diode erreichen, da ein Zusammenhang zwischen Zenerspannung und Temperaturkoeffizient einer Zener-Diode besteht.
• Durch experimentelles Ermitteln der geeigneten Werte der Widerstände R2, R5 und R3' lassen sich zusätzlich die Temperaturgänge der anderen in der Regelschaltung enthaltenen Bauelemente herauskompens ieren.
• Mit dem Widerstand R1 ist die Höhe der Ausgangsspannung des Referenzelementes einstellbar, die mit einem Teil der Spannung am Ausgang der Regelstufe 3 verglichen wird.
• Die Kompensation der Temperaturgänge aller Bauelemente der Regelschaltung führt zu hochstabilen Ausgangsspannungen UA, deren Stabilität üblicherweise nicht einmal für die Referenzelemente erreicht werden.

Claims (4)

Patentansprüche

1. Gegen Temperaturschwankungen stabilisiertes Referenzelement für eine Regelschaltung, gekennzeichnet durch die Reihenschaltung einer Zener-Diode (Zl) mit der Emitter-Kollektor-Strecke eines Transistors (T1), dessen Basis mit dem Verbindungspunkt der Widerstände eines Spannungsteilers (R2> R5> Rad'), dessen Enden an den Emitter einerseits und an dem Kollektor des Transistors (T1) andererseits angeschlossen sind, verbunden sind.

2. Referenzelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsteiler aus einem Widerstand (R2) einerseits und der Parallelschaltung zweier Widerstände (RD, 5 ') andererseits aufgebaut ist, von denen der eine wesentlich größer als der andere ist.

5. Referenzelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß es als eine Dickschichtschaltung ausgeführt ist.

4. Referenzelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zener-Diode (Zl) und der Transistor (T1) auf einem gemeinsamen Halbleiter-Chip verwirklicht sind.

Leerseite