DE2925947C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung mit einem Leistungstransistor zur Beheizung eines tempera­ turempfindlichen Elementes, das eine funktionsnotwendi­ ge Mindesttemperatur nicht unterschreiten darf und das mit dem Leistungstransistor in thermischem Kontakt steht, bei der dem Leistungstransistor in Abhängigkeit vom Ausgangssignal eines Temperatursensors zur Erfas­ sung der Temperatur des Elements bei Unterschreitung der Mindesttemperatur einschaltbar ist.

Eine derartige Schaltungsanordnung ist beispielsweise bei im Handel befindlichen Magnetkartenlesern oder Ton­ bandgeräten bekannt, die im Freien benutzbar bzw. auf­ stellbar sind. In diesem Fall stellen die Magnetköpfe ein temperaturempfindliches Element dar, bei dem eine Mindesttemperatur von 0°C nicht unterschritten werden darf, da bei tieferen Temperaturen eine Eisschicht auf den Magnetköpfen entstehen kann. Diese Eisschicht bildet eine Distanzschicht und beeinträchtigt das Lesen der magnetischen Information. Um in diesem Fall das Unterschreiten der funktions­ notwendigen Mindesttemperatur von 0° auszuschließen, sind Lei­ stungstransistoren vorgesehen, die in unmittelbarem thermischen Kontakt mit den Magnetköpfen stehen. Darüber hinaus ist ein Temperatursensor an den Magnetköpfen vorgesehen, dessen Aus­ gangssignal überwacht wird, so daß bei Unterschreiten der funktionsnotwendigen Mindesttemperatur der Leistungstransistor zum Beheizen der Magnetköpfe eingeschaltet werden kann. Diese bekannte Schaltungsanordnung ist verhältnismäßig aufwendig, da ein separater Temperatursensor in gutem thermischen Kontakt unmittelbar an den Magnetköpfen anzubringen ist und da - weil die Stromversorgung und Ansteuerelektronik für den Leistungs­ transistor kaum in der Nähe der Magnetköpfe unterbringbar ist - eine zusätzliche Ansteuerelektronik unumgänglich ist.

Eine weitere Schaltungsanordnung dieser Art ist aus der CH-PS 3 52 854 bekannt. Bei dieser Thermostatanordnung sind für die Temperaturregelung zwei Transistoren vorgesehen, von denen der eine als Temperaturfühler und Verstärker dient und der andere als steuerbares Heizelement. Der Nachteil dieser Schal­ tungsanordnung besteht vor allem darin, daß sich die beiden Transistoren vor allem dann, wenn sie aus Raumgründen eng be­ nachbart angeordnet werden müssen, unmittelbar gegenseitig ther­ misch beeinflussen, so daß die gewünschte Temperatur nur in einem verhältnismäßig großen Toleranzbereich konstant geregelt werden kann. Außerdem müssen zwei Transistoren an dem zu regeln­ den Gegenstand oder in dem zu regelnden Raum untergebracht werden. Dies ist dann unmöglich, wenn der zur Verfügung stehen­ de Raum oder die Oberfläche des zu regelnden Gegenstandes eine Unterbringung der beiden Transistoren nicht erlaubt.

Ein weiterer Thermostat mit Halbleiterbauelementen ist aus der US-PS 30 79 484 bekannt. Bei diesem wird die Temperaturabhän­ gigkeit eines Vierschicht-Halbleiters oder auch eines speziellen Dreischicht-Halbleiters ausgenutzt. Der Halbleiter kann dabei sowohl als Temperaturfühler wie auch als Heizelement arbeiten. Dies setzt aber voraus, daß es zwei von der Temperatur abhän­ gige stabile Zustände, nämlich einen mit hoher Impedanz und den anderen mit niedriger Impedanz aufweist. Zwar kommt man bei dieser Anordnung mit einem einzigen Halbleiter aus, dieser muß jedoch in spezieller Weise, nämlich als Vierschicht- bzw. als Dreischicht-Halbleiter, ausgebildet sein. Diese speziellen Halbleiter sind verhältnismäßig kostspielige Bauelemente.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsan­ ordnung der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß auf einen separaten Temperatursensor verzichtet werden kann.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß als Tem­ peratursensor der Leistungstransistor und als Ausgangssignal dessen Basis-Emitter-Spannung in einer nahezu stromlosen Meß­ phase dient und daß der Leistungstransistor nach Unterschreiten der Mindesttemperatur im Intervallbetrieb ansteuerbar ist, wo­ bei Heizphasen und Meßphasen aufeinanderfolgen.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß die elek­ trischen Eigenschaften eines Transistors als einem Halbleiterbauelement selbst stark temperaturabhängig sind. Die Nutzung dieser Temperaturabhängigkeit gestat­ tet den Einsatz des Leistungstransistors in einer Doppel­ funktion; einerseits als Heizelement, anderers als Temperatursensor. Die Nutzung des Leistungstransistors für diese beiden Funktionen erfolgt zeitlich gestaffelt. Während einer Meßphase wird ein nur sehr kleiner Basis­ strom reproduzierbar dem Transistor aufgeschaltet und die sich dabei einstellende Basis-Emitter-Spannung als Maß für den Istwert der Temperatur des temperaturemp­ findlichen Elementes erfaßt, wobei - sofern die Mindest­ temperatur unterschritten ist - sich eine Heizphase durch Einschalten des Leistungstransistors anschließt. Meßphasen und Heizphasen folgen solange aufeinander, bis die Mindesttemperatur des temperaturempfindlichen Ele­ mentes überschritten ist. Hierauf erfolgt eine Pause in der Ansteuerung des Leistungstransistors, bis eine er­ neute Unterschreitung der Mindesttemperatur registriert wird, worauf ein erneuter Zyklus aus Heiz- und Meß­ phasen eingeleitet wird. Damit wird ein separater Tempe­ ratursensor überflüssig, wodurch eine erhöhte Raumöko­ nomie der Schaltungsanordnung sowie ein geringerer Fer­ tigungsaufwand erreichbar ist.

Eine bevorzugte Ausführungsform besteht darin, daß ein Komparator vorgesehen ist, dessen einer Vergleichsein­ gang mit einer einstellbaren Sollwertspannung und dessen anderer Vergleichseingang mit der Basis-Emitter-Span­ nung des Leistungstransistors als Istwertspannung be­ aufschlagt ist, daß der Ausgang des Komparators mit dem Freigabeeingang eines astabilen Multivibrators zur Vor­ gabe der Heiz- und der Meßphasen verbunden ist, dessen Ausgang über einen Begrenzungswiderstand an die Basis des Leistungstransistors angeschlossen ist, wobei die Basis über einen weiteren Widerstand an dem einen Pol der Speisespannung liegt. Damit kann die erfindungs­ gemäße Schaltungsanordnung mit nur wenigen handelsübli­ chen Bauelementen erstellt werden. Die Dauer der Heiz- und der Meßphasen ist hierbei durch das Tastverhältnis des astabilen Multivibrators vorgegeben.

Es ist günstig, das Tastverhältnis des astabilen Multi­ vibrators so zu wählen, daß die Heizphasen erheblich länger als die Meßphasen sind. Damit läßt sich eine schnelle Aufheizung des temperaturempfindlichen Elemen­ tes nach Unterschreiten der Mindesttemperatur erreichen. Eine untere Grenze für die Heizphasen liegt in der thermischen Trägheit der aus temperaturempfindlichem Element und Leistungstransistor bestehenden Anordnung.

Als Komparator kann ein Operationsverstärker eingesetzt sein, da diese kostengünstig und mit hoher Zuverlässig­ keit verfügbar sind.

Es ist vorteilhaft, wenn die einstellbare Sollwertspan­ nung über den Abgriff eines veränderbaren Spannungs­ teilers entnommen ist, der zwischen den Polen der Speise­ spannung liegt. Damit kann in einfacher Weise eine vor­ gebbare Sollwertspannung abgeleitet werden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand der Fig. 1 und 2 näher erläutert. Hierbei zeigt

Fig. 1 die Abhängigkeit der Basis-Emitter-Spannung eines Transistors als Funktion der Temperatur und

Fig. 2 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels der Schaltungsanordnung.

Die in Fig. 1 schematisch dargestellte Abhängigkeit der Basis-Emitter-Spannung eines Transistors als Funktion der Temperatur zeigt, daß die Basis-Emitter-Spannung U _BE mit steigender Temperatur abnimmt. Die hierbei auftre­ tende Steigung liegt ungefähr bei -2,3 Millivolt/Grad K. Der Basisstrom i _B stellt hierbei einen Parameter dar und ist - wie eingangs erläutert - für die Meßphase auf einen sehr niedrigen, reproduzierbaren Wert beschränkt. Damit ist ersichtlich, daß die Basis-Emitter-Spannung des Leistungstransistors T 1 als temperaturproportiona­ les Ausgangssignal nutzbar ist.

Bei dem anhand eines Blockschaltbildes in Fig. 2 dar­ gestellten Ausführungsbeispiel ist der Leistungstransistor mit dem Bezugszeichen T 1 belegt. Dieser Leistungstransistor T 1 befindet sich im Einsatz­ fall in unmittelbarem thermischen Kontakt mit dem tempe­ raturempfindlichen Element, wobei beide beispielsweise durch Verkitten mit einer Wärmeleitpaste verbunden sein können. Die Schaltstrecke CE des Leistungstransistors T 1 ist mit beiden Polen der Speisespannung U _P und 0 verbunden. Der Basisanschluß des Leistungstransistors T 1 ist mit dem als Vergleichseingang 2 dienenden invertie­ renden Eingang des als Komparator K eingesetzten Opera­ tionsverstärkers verbunden. Die somit am Vergleichsein­ gang 2 anstehende Basis-Emitter-Spannung U _BE stellt bei einem niedrigen, reproduzierbaren Basisstrom i _B die temperaturproportionale Istwertspannung U _ist dar. Den zweiten Vergleichseingang bildet der nichtinvertierende Eingang des als Komparator K eingesetzten Operations­ verstärkers. Die hier anstehende Sollwertspannung U _soll ist dem Abgriff eines aus den Widerständen R 3 und R 4 bestehenden, zwischen den Polen U _p und 0 der Speisespan­ nung liegenden Spannungsteiler entnommen. Die Sollwert­ spannung U _soll ist über den veränderbaren Widerstand R 4 einstellbar. Das Ausgangssignal des Komparators K steht am Freigabeeingang R eines astabilen Multivibra­ tors M an, dessen Tastverhältnis durch die eingezeich­ neten Zeitspannen t ₁ und t ₂ gegeben ist. Die Zeitspanne t ₂ ist hierbei erheblich kleiner als die Zeitspanne t ₁. Die Zeitspannen t ₂ und t ₁ können beispielsweise bei praktischen Ausführungsformen etwa die Werte 10 ms und 1000 ms annehmen. Das Ausgangssignal des astabilen Multivibrators M steht über einen Widerstand R 2 zur Basisstrombegrenzung am Basisanschluß B des Leistungs­ transistors T 1 an. Darüber hinaus ist der Basisanschluß B des Leistungstransistors T 1 über einen weiteren Widerstand R 1 mit dem positiven Pol der Speisespannung U _p verbunden. Durch diesen Widerstand R 1 wird ein re­ produzierbarer, kleiner Basisstrom i _B für die Meßphase vorgegeben.

Zur Erläuterung der Wirkungsweise der Schaltungsanordnung sei angenommen, daß zunächst die Temperatur des temperaturempfindlichen Elementes und damit auch des Leistungstransistors T 1 den Wert T _a auf­ weist, der über der funktionsnotwendigen Mindesttempe­ ratur liegt (Fig. 1). Damit ist die Istwertspannung U _ist = U _BEa kleiner als die durch den Spannungsteiler R 3, R 4 vorgegebene Sollwertspannung U _soll , so daß das Ausgangssignal des Komparators K einen den astabilen Multivibrator M blockierenden Wert aufweist. Damit wird der Leistungstransistor T 1 nicht angesteuert. Über seine Basis fließt nur ein sehr kleiner, durch den Widerstand R 1 vorgegebener Basisstrom i _B , zur Erzeugung der für die Temperaturmessung notwendigen Basis-Emitter-Spannung U _BE .

Sinkt nun die Temperatur des temperaturempfindlichen Elementes und damit den Leistungstransistor T 1 ab, steigt die Basis-Emitter-SpannungU _BE bis schließlich bei einem Temperaturwert T _b ein Wert der Basis-Emitter- Spannung von U _BEb erreicht ist, der dem durch den Span­ nungsteiler R 3, R 4 eingestellten Wert der Sollwert­ spannung U _soll und damit der funktionsnotwendigen Mindesttemperatur entsprechen möge. Damit ändert sich das Ausgangssignal des Komparators K, wodurch der astabi­ le Multivibrator M freigegeben wird. In jeder Zeitspanne t ₁ wird nun der Leistungstransistor T 1 durch das Aus­ gangssignal des astabilen Multivibrators M voll durchge­ steuert, so daß sich der Leistungstransistor T 1 aufheizt und damit das temperaturempfindliche Element erwärmt. Am Ende dieser Heizphase fällt das Ausgangssignal des astabilen Multivibrators M für eine Zeitspanne t ₂ ab, so daß eine Heizpause und eine Meßphase eintritt, in der lediglich ein sehr kleiner, durch den Widerstand R 1 vor­ gegebener Basisstrom i _B fließt, in der am Basisanschluß B die temperaturproportionale Basis-Emitter-Spannung zur Verfügung steht. Diese Folge von Heizphasen und Meßphasen wird nun durch den astabilen Multivibrator M solange vor­ gegeben, bis in einer Meßphase ein derartiger Wert der Basis-Emitter-Spannung U _BE auftritt, der unter der Soll­ wertspannung U _soll liegt. Von diesem Zeitpunkt an ändert der Komparator K sein Ausgangssignal, so daß der astabi­ le Multivibrator M wiederum blockiert ist und eine Pause in der Ansteuerung des Leistungstransistors T 1 eintritt, bis erneut die Sollwertspannung U _soll überschritten ist.

Eine Abschaltung des astabilen Multivibrators M durch einen Signalwechsel am Komparator K tritt während einer Heizphase nicht auf, da durch den großen Basisstrom während dieser Heizphasen die Basis-Emitter-Spannung U _BE größer ist als während der Meßphasen, so daß eine niedri­ gere Temperatur vorgetäuscht wird.

Die beschriebene Schaltungsanordnung stellt somit einen einfachen Temperaturregler dar, der das Unterschrei­ ten der Mindesttemperatur für ein temperaturempfindli­ ches Element ausschließt und der - wenn die Umgebungs­ temperatur des temperaturempfindlichen Elementes niedriger liegt als die Mindesttemperatur - durch eine Abfolge von Heiz- und wegen der niedrigeren Umgebungstemperatur Ab­ kühlperioden eine annähernde Temperaturkonstanz des temperaturempfindlichen Elements gewährleistet.

Claims (5)

1. Schaltungsanordnung mit einem Leistungstransistor zur Beheizung eines temperaturempfindlichen Elementes, das eine funktionsnotwendige Mindesttemperatur nicht unter­ schreiten darf, und das mit dem Leistungstransistor in thermischem Kontakt steht, bei der der Leistungstransi­ stor in Abhängigkeit vom Ausgangssignal eines Temperatur­ sensors zur Erfassung der Temperatur des Elements bei Unterschreitung der Mindesttemperatur einschaltbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß als Temperatursensor der Leistungstransistor (T 1) und als Ausgangssignal dessen Basis-Emitter-Spannung (U _BE ) in einer nahezu stromlosen Meßphase (t ₂) dient und daß der Leistungstransistor (T 1) nach Unterschreiten der Mindest­ temperatur im Intervallbetrieb ansteuerbar ist, wobei Heizphasen (t ₁) und Meßphasen (t ₂) aufeinanderfolgen.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Komparator (K) vorgesehen ist, dessen einer Vergleichseingang (1) mit einer einstellbaren Sollwertspannung (U _soll ) und dessen anderer Vergleichseingang (2) mit der Basis-Emitter- Spannung (U _BE ) des Leistungstransistors (T 1) als Ist- wertspannung (U _ist ) beaufschlagt ist, daß der Ausgang des Komparators (K) mit dem Freigabeeingang (R) eines astabilen Multivibrators (M) zur Vorgabe der Heiz- (t ₁) und der Meßphasen (t ₂) verbunden ist, dessen Ausgang über einen Begrenzungswiderstand (R 2) an die Basis (B) des Leistungstransistors (T 1) angeschlossen ist, wobei die Basis (B) über einen weiteren Widerstand (R 1) an dem einen Pol (U _p ) der Speisepannung liegt.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Tastverhältnis des astabilen Multivibrators (M) so gewählt ist, daß die Heizphasen (t ₁) erheblich länger als die Meßphasen(t ₂) sind.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2 oder 3, da­ durch gekennzeichnet, daß als Komparator (K) ein Operationsverstärker dient.

5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die einstellbare Sollwertspannung (U _soll ) über den Abgriff eines veränderbaren Spannungsteilers (R 3, R 4) entnommen ist, der zwischen den Polen (U _p -0) der Speisespannung liegt.