DE4312289A1

DE4312289A1 - Verfahren und Schaltungsanordnung zur Temperaturregelung einer Widerstandsheizung

Info

Publication number: DE4312289A1
Application number: DE19934312289
Authority: DE
Inventors: Helmut Dipl Ing Jeschke; Achim Pastoors
Original assignee: REV REGELGERAETE ENTWICKLUNGS
Current assignee: REV REGELGERAETE-ENTWICKLUNGS- & VERTRIEBSGESELLSC
Priority date: 1993-04-15
Filing date: 1993-04-15
Publication date: 1994-10-20

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zur Temperaturregelung einer Widerstandsheizung, zum Beispiel für einen Gassensor.

Verfahren bzw. Schaltungsanordnungen zur Temperaturregelung eines Heizwiderstandes sind in der Praxis bekannt. So ist in der DD-PS 2 52 101 eine Schaltungsanordnung zur Meßwertgewinnung in einem Regelkreis zur Temperaturregelung eines Heizwiderstandes beschrieben. Der von der Temperatur abhängige elektrische Widerstand eines Heizers bildet zusammen mit einem Meßwiderstand einen Brückenzweig einer Leistungswechselstrombrücke, wobei der direkt über dem Meßwiderstand gewonnene Spannungswert über eine Anpaß- und Verstärkerschaltung in den anderen Brückenzweig übertragen wird, in dem keine große Leistung umgesetzt wird.

Bei dieser Lösung ist es von Nachteil, daß zum Einsatz eine Wechselstromspannungsquelle erforderlich ist.

Der Erfindung liegt deshalb das Problem zugrunde, ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zur Temperaturregelung einer Widerstandsheizung zu schaffen, die mit einer Gleichspannungsquelle auskommen. Weiterhin sollen Schwankungen der Umgebungstemperatur und/oder Versorgungsspannungsschwankungen weitestgehend kompensiert werden. Ebenfalls soll die Sensitivität des Sensors gezielt beeinflußt werden.

Erfindungsgemäß wird das Problem dadurch gelöst, daß eine Gleichspannung über einem wertemäßig bekannten ohmschen Widerstand und außerdem die Summenspannung über diesem Widerstand und einem in Reihe geschalteten Heizwiderstand gemessen werden. Durch anschließenden Vergleich eines Teiles dieser Summenspannung mit der Spannung über dem wertemäßig bekannten ohmschen Widerstand in einem Operationsverstärker wird die daraus resultierende Differenzspannung verstärkt und anschließend einem Stelltransistor zugeordnet. Dieser regelt seinerseits so die Spannung über dem Heizwiderstand, daß der elektrische Widerstand des Heizwiderstandes, und damit auch seine Temperatur, konstant sind.

Zur Durchführung des Verfahrens dient die im kennzeichnenden Teil des 2. Patentanspruches beschriebene Schaltungsanordnung.

Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung kann die Arbeitstemperatur des Heizwiderstandes frei gewählt werden und somit die Sensitivität des Gassensors für ein bestimmtes Gas relativ einfach beeinflußt werden.

Die Erfindung wird nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Fig. 2 eine detailliertere erfindungsgemäße Schaltungsanordnung

Bei diesem Ausführungsbeispiel dient die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zur Temperaturregelung der Platinschicht eines Metalloxid-Halbleiter-Gassensors.

Dieser Gassensor reagiert auf die Einwirkung von reduzierenden Gasen. Er wird in Hybridtechnologie gefertigt und besteht aus einem Al₂O₃-Trägersubstrat mit einer strukturierten Platinschicht, auf der sich eine Isolatorzwischenschicht und eine sensitive SnO₂-Halbleiterschicht befinden. Die strukturierte Platin-Schicht dient gleichzeitig als Temperatursensor und als Heizwiderstand R_H.

Der positive Pol +U_B einer Versorgungsgleichspannung ist über eine als Verpolungsschutz dienende Diode D₁ einerseits mit dem positiven Betriebsspannungsanschluß eines Operationsverstärkers N₁ und andererseits mit dem Kollektor eines Stelltransistors T₁ elektrisch verbunden. Der Ausgang des Operationsverstärkers N₁ ist wiederum mit dem Basisanschluß des Stelltransistors T₁ elektrisch leitend verbunden, während der Emitter des Stelltransistors T₁ einerseits mit dem Heizwiderstand R_H, der in diesem Fall, wie bereits weiter oben beschrieben, eine Platinschicht ist, deren Temperatur konstant gehalten wird, elektrisch leitend verbunden ist.

Sein Widerstand folgt der Beziehung:

R_H = R₀ (1+α(T_Heizer-T₀)
mit α = 3,85 × 10^-3 °C^-1

Andererseits ist der Emitter des Stelltransistors T₁ mit einem ersten Widerstand R₁ von 10 kΩ elektrisch verbunden.

Zwischen dem Emitter und dem Widerstand R₁ ist günstigerweise noch ein veränderlicher Widerstand R₄ angeordnet. Mit diesem wird über die Beziehung:

R_H ≈ R₃ (R₁+R₂+R₄)/R₂ - R₃
bei R₁, R₄, R₂ » R_H, R₃

die Spannung über R_H und R₃ so geregelt, daß sich der geforderte Heizwiderstand und somit die Heiztemperatur einstellt. Der andere Anschluß des Heizwiderstandes R_H ist wiederum mit einem zweiten Widerstand R₃ von 15 Ω und dem nichtinvertierenden Anschluß des Operationsverstärkers N₁ elektrisch leitend verbunden.

Der invertierende Anschluß des Operationsverstärkers N₁ ist mit dem ersten Widerstand R₁ und einem weiteren Widerstand R₂ von 9,1 kΩ elektrisch leitend verbunden. Die noch freien Anschlüsse des Widerstandes R₂ und des Widerstandes R₃, sowie der negative Betriebsspannungsanschluß des Operationsverstärkersd N₁ sind mit dem negativen Pol der Versorgungsgleichspannung elektrisch leitend verbunden.

Um das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen, wird der veränderliche Widerstand R₄ so eingestellt, daß der vorgesehene Widerstandswert des Heizwiderstandes R_H, und damit seine gewünschte Arbeitstemperatur erreicht wird.

Durch die Einstellung des veränderlichen Widerstandes R₄ wird die Sensitivität für ein bestimmtes Gas auf einfache Weise beeinflußt.

In diesem Ausführungsbeispiel ist dies ein Bereich zwischen 16,48 Ω und 24,2 Ω, das entspricht einem Temperaturbereich des Heizwiderstandes R_H von 191°C bis 413°C.

Innerhalb dieses Bereiches wird die Spannung über R_H konstant gehalten, so daß sowohl Schwankungen der Betriebsspannung als auch Änderungen der Umgebungstemperatur keinen Einfluß auf die Heiztemperatur ausüben.

Claims

1. Verfahren zur Temperaturregelung einer Widerstandsheizung, dadurch gekennzeichnet, daß eine Gleichspannung über einem wertemäßig bekannten ohmschen Widerstand (R₃) und außerdem die Summenspannung über diesem Widerstand (R₃) und einem in Reihe geschalteten Heizwiderstand (R_H) gemessen werden und durch anschließenden Vergleich eines Teiles dieser Summenspannung mit der Spannung über dem Widerstand (R₃) in einem Operationsverstärker (N₁) die daraus resultierende Differenzspannung verstärkt und anschließend einem Stelltransistor (T₁) zugeordnet wird, der seinerseits die Spannung über dem Heizwiderstand (R_H) so regelt, daß der elektrische Widerstand des Heizwiderstandes (R_H), und damit auch seine Temperatur, konstant sind.

2. Anordnung zur Temperaturregelung einer Widerstandsheizung, dadurch gekennzeichnet, daß der positive Pol (+U_B) einer Versorgungsgleichspannung einerseits mit dem positiven Betriebsspannungsanschluß eines Operationsverstärkers (N₁) und andererseits mit dem Kollektor eines Stelltransistors (T₁) elektrisch verbunden ist, wobei wiederum der Ausgang des Operationsverstärkers (N₁) mit dem Basisanschluß des Stelltransistors (T₁) elektrisch leitend verbunden ist, und daß der Emitter des Stelltransistors (T₁) einerseits mit einem Heizwiderstand (R_H) und andererseits mit einem ersten Widerstand (R₁) elektrisch verbunden ist, wobei der andere Anschluß des Heizwiderstandes (R_H) wiederum mit einem zweiten Widerstand (R₃) und dem nichtinvertierenden Anschluß des Operationsverstärkers (N₁) elektrisch leitend verbunden ist, während der invertierende Anschluß des Operationsverstärkers (N₁) mit dem ersten Widerstand (R₁) und einem weiteren Widerstand (R₂) elektrisch leitend verbunden ist, und daß die noch freien Anschlüsse des Widerstandes (R₂) und des Widerstandes (R₃), sowie der negative Betriebsspannungsanschluß des Operationsverstärkers (N₁) mit dem negativen Pol der Versorgungsgleichspannung elektrisch leitend verbunden sind.