DE1112141B

DE1112141B - Circuit arrangement to compensate for the temperature dependence of the reverse voltage of Zener diodes

Info

Publication number: DE1112141B
Application number: DES65947A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Gerhard Klause; Dietmar Wolff
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1959-11-24
Filing date: 1959-11-24
Publication date: 1961-08-03

Description

Schaltungsanordnung zur Kompensierung der Temperaturabhängigkeit der Sperrspannung von Zenerdioden Zur Erzeugung hochkonstanter Vergleichsspannungen dienen auch heute noch Batterien, da die üblichen Glimmstreckenstabilisatoren zwar eine gute Temperaturkonstanz aufweisen, aber wegen der Inkonstanz der Ausgangsspannung infolge von Sprüngen in der Glimmentladung und wegen ihres relativ hohen Rauschpegels für diesen Zweck nicht geeignet sind. Auch spannungsabhängige Widerstände sind zur Erzeugung hochkonstanter Spannungen ungeeignet, zumal sie in einfachen Schaltungen entweder nur Schwankungen der Eingangsspannung oder nur Schwankungen der Belastung ausgleichen. Mit der Zenerdiode ist dagegen ein Schaltelement gegeben, das einen geringen Rauschpegel besitzt und auch in einfachsten Schaltungen sowohl Schwankungen der Eingangsspannung als auch Schwankungen der Belastung ausgleicht. Der Verwendung von Zenerdioden zur Erzeugung hochkonstanter Vergleichsspannungen stand jedoch bisher die Eigenschaft der Zenerdioden entgegen, daß ihre Sperrspannung (Zenerspannung) einen relativ hohen Temperaturbeiwert besitzt, der noch dazu abhängig von dem durch die Zenerdiode fließenden Strom ist. Dieser Temperaturbeiwert ist bei kleinen Spannungen bis etwa 6 Volt negativ, darüber positiv.Circuit arrangement to compensate for the temperature dependence of the Reverse voltage of Zener diodes For generating highly constant comparison voltages Batteries are still used today, as the usual glow path stabilizers have good temperature constancy, but because of the inconsistency of the output voltage as a result of cracks in the glow discharge and because of their relatively high noise level are not suitable for this purpose. Voltage-dependent resistances are also used Generation of highly constant voltages unsuitable, especially since they are used in simple circuits either only fluctuations in the input voltage or only fluctuations in the load balance. With the Zener diode, on the other hand, there is a switching element, the one has a low noise level and fluctuations even in the simplest of circuits the input voltage as well as fluctuations in the load. Of use of Zener diodes for generating highly constant equivalent voltages, however, has been available up to now the property of Zener diodes that their reverse voltage (Zener voltage) has a relatively high temperature coefficient, which also depends on the the zener diode is current flowing. This temperature coefficient is for small stresses negative up to about 6 volts, positive above that.

Es ist bereits eine Stabilisatorschaltung bekanntgeworden, die mit Zenerdioden arbeitet, deren Temperaturbeiwert durch Schaltelemente kompensiert wird, deren Widerstand im gleichen Sinne temperaturabhängig ist. Als derartige Schaltelemente finden dabei ohmsche Widerstände Verwendung. Diese bekannte Stabilisatorschaltung besitzt den Nachteil, daß auch bei einstufiger Ausführung der Kompensationsschaltung außer der Diode eine Vielzahl von Schaltelementen erforderlich ist, die gerade bei der in modernen Bauteilen erwünschten Kleinheit der Abmessungen in vielen Fällen sehr störend ist.There is already a stabilizer circuit known that with Zener diodes work, the temperature coefficient of which is compensated by switching elements, whose resistance is temperature-dependent in the same sense. As such switching elements ohmic resistors are used. This known stabilizer circuit has the disadvantage that even with a single-stage design of the compensation circuit In addition to the diode, a large number of switching elements are required, which are currently at the smallness of the dimensions desired in modern components in many cases is very annoying.

Zur Kompensierung des Temperaturganges von Zenerdioden ist eine Anordnung bekanntgeworden, bei der mehrere Dioden mit entgegengesetztem Temperaturbeiwert in Reihe geschaltet sind.An arrangement is provided to compensate for the temperature response of Zener diodes became known in which several diodes with opposite temperature coefficients are connected in series.

Diese aus Schaltelementen mit richtungsabhängigem Widerstand aufgebaute Anordnung besitzt eine Reihe von Nachteilen, unter anderem den, daß zum Erzielen einer guten Kompensierung der Temperaturabhängigkeit in Reihe mit einer beispielsweise in Sperrichtung betriebenen Zenerdiode mehrere in Durchlaßrichtung betriebene Dioden angeordnet sein müssen, da der Temperaturbeiwert von in Durchlaßrichtung betriebenen Zenerdioden in Abhängigkeit von der Durchschlagspannung der Diode praktisch konstant ist, während der Temperaturbeiwert von in Sperrrichtung betriebenen Dioden mit der Spannung stark ansteigt. Damit ist auch. diese bekannte Schaltungsanordnung sehr aufwenig. Weiterhin wird die Verwendung einer derartigen Schaltung dadurch eingeschränkt, daß Dioden mit negativem Temperaturkoeffizienten einen relativgroßen Wechselstromwiderstand aufweisen, wodurch sich eine erhebliche Widerstandsvergrößerung der zur Temperaturkompensation in Reihe geschalteten Dioden ergibt. Dies führt zu einer Verminderung der Stabilisierfähigkeit.This built up from switching elements with directional resistance Arrangement has a number of disadvantages, including that of achieving a good compensation of the temperature dependency in series with one for example reverse-biased zener diode multiple forward biased diodes must be arranged because the temperature coefficient of operated in the forward direction Zener diodes practically constant as a function of the breakdown voltage of the diode is, while the temperature coefficient of reverse-biased diodes with the Voltage increases sharply. So is that too. this known circuit arrangement very much costly. Furthermore, the use of such a circuit is restricted by that diodes with a negative temperature coefficient have a relatively large AC resistance have, which results in a considerable increase in resistance for temperature compensation series-connected diodes results. This leads to a reduction in the ability to stabilize.

Die Erfindung beschäftigt sich mit der Aufgabe, eine Schaltungsanordnung zur Kompensierung der Temperaturabhängigkeit (des Temperaturbeiwertes) der Sperrspannung von Zenerdioden unter Verwendung von Schaltelementen, deren Widerstände im entgegengesetzten Sinne temperaturabhängig sind, zu schaffen. Dabei werden die Nachteile der bekannten Schaltungsanordnungen dadurch vermieden, daß erfindungsgemäß in Reihe mit oder parallel zu der Zenerdiode ein richtungsunabhängiger Widerstand mit einem dem Temperaturbeiwert der Spannung der Zenerdiode entgegengesetzten Temperaturbeiwert angeordnet ist.The invention is concerned with the object of a circuit arrangement to compensate for the temperature dependency (the temperature coefficient) of the reverse voltage of zener diodes using switching elements whose resistances are in the opposite Senses are temperature dependent. The disadvantages of the known Circuit arrangements avoided according to the invention in series with or in parallel to the Zener diode a non-directional resistor with a temperature coefficient the voltage of the Zener diode is arranged opposite the temperature coefficient.

Durch die Verwendung von richtungsunabhängigen Widerständen bietet die neue Schaltungsanordnung gegenüber der bekannten, mit weiteren Zenerdioden, also richtungsabhängigen Schaltelementen, arbeitenden Anordnung den Vorteil, daß der Temperaturbeiwert des Widerstandes ohne großen Aufwand und leicht dem Verlauf des Temperaturbeiwertes der Diode angepaßt werden kann. In den Figuren sind vier Schaltungsbeispiele gemäß der Erfindung dargestellt. In ihnen bedeutet Ui die bereits vorstabilisierte Eingangsspannung und Uz die hochkonstante Ausgangsspannung. Die Anwendung dererfindungsgemäßenKompensationsschaltung rechtfertigt sich verständlicherweise nur im Falle einer so konstanten Ausgangsspannung, daß der Temperatureinfluß überhaupt eine Rolle spielt. Aus diesem Grunde ist die Eingangsspannung U1 bereits gut vorstabilisiert, so daß die die Zenerdiode enthaltende Stabilisationsschaltung den Abschluß einer mehr oder minder großen Kette von Spanmngskonstanthaltern, z. B. Zenerdioden höherer Spannung oder Glimmstreckenstabilisatoren, bildet.Thanks to the use of non-directional resistors the new circuit arrangement compared to the known, with further Zener diodes, So direction-dependent switching elements, working arrangement has the advantage that the temperature coefficient of the resistance without great effort and easily the course the temperature coefficient of the diode can be adjusted. In the figures four circuit examples are shown according to the invention. In them means Ui the pre-stabilized input voltage and Uz the highly constant output voltage. The use of the compensation circuit according to the invention is understandably justified only in the case of such a constant output voltage that the temperature influence at all plays a role. For this reason, the input voltage U1 is already well pre-stabilized, so that the stabilization circuit containing the zener diode completes a more or less large chain of tension stabilizers, e.g. B. Zener diodes higher Voltage or glow path stabilizers.

In der Fig. 1 ist die Erfindung in ihrer einfachsten Ausführung dargestellt. In Reihe mit der Zenerdiode Z liegt ein vorzugsweise ohmscher Widerstand RT 1 mit einem Temperaturbeiwert, der dem Temperaturbeiwert der Spannung der Zenerdiode entgegengesetzt ist. Aus diesem Grunde wird der Gesamtwiderstand der geschilderten Reihenschaltung auch bei Veränderung des Widerstandes der Zenerdiode Z infolge von Temperaturschwankungen in einem bei dieser einfachen Schaltung allerdings begrenzten Temperaturbereich konstant gehalten, denn die Änderung der Zenerspannung wird durch eine entgegengesetzt gerichtete, etwa gleich große Änderung der Spannung am Widerstand R7-, kompensiert. Um eine bessere Kompensation der Änderung der Spannung am Widerstand RT 1 mit Temperaturbeiwert zu erreichen, ist es zweckmäßig, den durch die Zenerdiode fließenden Strom (Zenerstrom) auf einen bestimmten Wert einzustellen. Diese Stromeinstellung erfolgt an dem Arbeitswiderstand R der Stabilisationsschaltung, der zu diesem Zweck einstellbar oder abgleichbar ausgeführt ist.In Fig. 1 the invention is shown in its simplest embodiment. In series with the Zener diode Z is a preferably ohmic resistor RT 1 a temperature coefficient that opposes the temperature coefficient of the voltage of the zener diode is. For this reason, the total resistance of the series circuit described even if the resistance of the Zener diode Z changes as a result of temperature fluctuations in a limited temperature range with this simple circuit kept constant, because the change in Zener voltage is opposed by a directional, roughly equal change in the voltage across resistor R7-, compensated. To better compensate for the change in the voltage across the resistor RT 1 with the temperature coefficient to achieve, it is advisable to use the current flowing through the Zener diode (Zener current) set to a certain value. This current setting is made on the working resistor R of the stabilization circuit, which can be set or adjusted for this purpose is executed.

Es ist einzusehen, daß der Widerstand RT, mit Temperaturgang auch parallel zu der Zenerdiode liegen kann, so daß bei Temperaturschwankungen der Strom durch diese Parallelschaltung und damit der Spannungsabfall am Arbeitswiderstand R konstant bleiben.It can be seen that the resistance RT, with temperature response, too can be parallel to the Zener diode, so that in the event of temperature fluctuations, the current due to this parallel connection and thus the voltage drop across the load resistor R remain constant.

Für den Fall, daß die Zenerdiode einen Temperaturbeiwert besitzt, der in Abhängigkeit vom Strom je nach dessen Größe positiv oder negativ ist, d. h. bei einem bestimmten Wert des Zenerstromes durch Null geht, genügt es, diesen Stromwert mittels des Arbeitswiderstandes R einzustellen. Man erhält in diesem Falle auch ohne Verwendung eines Widerstandes RT 1 mit Temperaturbeiwert eine hochkonstante Ausgangsspannung.In the event that the Zener diode has a temperature coefficient, which is positive or negative depending on the current depending on its size, d. H. at a certain value of the Zener current goes through zero, it is sufficient to use this Set the current value by means of the working resistor R. In this case one obtains a highly constant one even without using a resistor RT 1 with a temperature coefficient Output voltage.

In Fig. 2 wird eine Schaltung dargestellt, die eine umfassendere Kompensation des Temperaturbeiwertes der Zenerspannung bewirkt. Parallel zu dem in der Zeichnung in Reihe mit der Zenerdiode geschalteten Widerstand RT 1 liegt ein normaler ohmscher Widerstand R1, z. B. ein Schicht- oder Drahtwiderstand, der eine Veränderung der Kennlinie des Widerstandes RT I mit Temperaturbeiwert und damit eine verfeinerte Einstellmöglichkeit für die Kompensation bewirkt. In Fig. 6 sind die Temperaturkennlinien der Zenerspannung U., der Spannung an dem Widerstand RT 1 mit Temperaturbeiwert und der Ausgangsspannung U2 dargestellt. Wie aus dem zweiten Diagramm hervorgeht, läßt sich die Temperaturabhängigkeit des Widerstandes RT 1 in weiten Grenzen durch Verändern des den Parameter darstellenden Widerstandes R1 variieren, so daß sich bei geeigneter Wahl dieses Widerstandes in dem Temperaturschaubild für die Ausgangsspannung U2 (drittes Diagramm der Fig. 6) in einem relativ großen Temperaturbereich eine horizontale Gerade ergibt. Vergleicht man damit das dritte Diagramm der Fig. 5, in dem die Temperaturkennlinie der Ausgangsspannung U_, für die in Fig. 1 dargestellte einfache Schaltung skizziert ist, so sieht man, daß eine wesentliche Verbesserung durch die Einfügung des ohmschen Widerstandes R1 erzielt wurde. Während durch die Schaltung gemäß Fig. 2 praktisch eine konstante Ausgangsspannung in Abhängigkeit von der Temperatur erzielt wird, ergibt sich bei Wahl der Schaltung gemäß Fig. 1 eine gekrümmte Kurve, die bei einer bestimmten Temperatur, dem Abgleichpunkt, eine horizontale Tangente hat. Der ohmsche Widerstand R1 kann, wie einzusehen ist, auch in Reihe mit dem Widerstand RT 1 mit Temperaturbeiwert liegen. Ferner ist die in Fig. 2 dargestellte Parallel- bzw. Reihenschaltung von ohmschen Widerständen und Widerständen mit Temperaturbeiwert auch auf den Fall anwendbar, daß Zenerdiode Z und Kompensationsglied RT 1 parallel liegen. Auch bei dieser und den folgenden Schaltungen empfiehlt es sich, den Strom mit Hilfe des Arbeitswiderstandes R einzustellen.In Fig. 2 a circuit is shown, which a more extensive compensation the temperature coefficient of the Zener stress. Parallel to that in the drawing In series with the Zener diode connected resistor RT 1 is a normal ohmic one Resistor R1, e.g. B. a sheet or wire resistor that changes the Characteristic curve of the resistance RT I with temperature coefficient and thus a refined one Adjustment possibility for the compensation causes. In Fig. 6 are the temperature characteristics the Zener voltage U., the voltage across the resistor RT 1 with the temperature coefficient and the output voltage U2. As can be seen from the second diagram, the temperature dependence of the resistor RT 1 can be determined within wide limits Changing the resistance R1 representing the parameter vary, so that with a suitable choice of this resistance in the temperature diagram for the output voltage U2 (third diagram of FIG. 6) in a relatively large temperature range horizontal straight line results. If one compares this with the third diagram of FIG. 5, in which the temperature characteristic curve of the output voltage U_, for the one shown in FIG simple circuit is sketched, it can be seen that a substantial improvement was achieved by inserting the ohmic resistor R1. While through the Circuit according to FIG. 2 practically a constant output voltage as a function is achieved by the temperature, results when the circuit according to FIG. 1 is selected a curved curve, which at a certain temperature, the adjustment point, a has horizontal tangent. As can be seen, the ohmic resistance R1 can also are in series with the resistance RT 1 with temperature coefficient. Furthermore, the in Fig. 2 shown parallel or series connection of ohmic resistors and Resistors with temperature coefficient can also be used in the event that Zener diode Z and compensation element RT 1 are parallel. Also with this and the following circuits it is recommended to adjust the current with the help of the working resistor R.

Bei der Schaltung gemäß Fig. 3 braucht, insbesondere bei Verwendung eines spannungsabhängigen Widerstandes, der Eingangsstrom IR nicht absolut konstant zu sein. Bei dieser Schaltung liegt der Widerstand RT 1 mit Temperaturbeiwert, dem gegebenenfalls wieder ein gewöhnlicher ohmscher Widerstand R 1 zur Kennlinienregelung parallel geschaltet ist, in Reihe mit der Zenerdiode Z. Zur Kompensation etwa noch vorhandener Spannungsschwankungen an dieser Reihenschaltung ist parallel zu ihr ein zweiter Widerstand RT 2 mit Temperaturbeiwert vorgesehen, so daß eine äußerst konstante Ausgangsspannung U" auch bei nicht vollkommen konstantem Eingangsstrom IR erzielt wird. Der durch die Stabilisationsschaltung fließende Strom wird durch diese Schaltungsanordnung konstant gehalten, da jeder Zunahme des Stromes durch den Diodenzweig eine entsprechende Verringerung des Stromes durch den den zweiten Widerstand mit Temperaturbeiwert enthaltenden Zweig entspricht.In the circuit according to FIG. 3, especially when used a voltage-dependent resistor, the input current IR is not absolutely constant to be. In this circuit, the resistance RT 1 is with the temperature coefficient, the possibly again an ordinary ohmic resistor R 1 for regulating the characteristic is connected in parallel, in series with the Zener diode Z. For compensation about still Any voltage fluctuations present on this series connection is parallel to it a second resistor RT 2 is provided with a temperature coefficient, so that an extremely constant output voltage U "even if the input current is not completely constant IR is achieved. The current flowing through the stabilization circuit is through this circuit arrangement kept constant as the current through each increase the diode branch a corresponding reduction in the current through the second Resistance with branch containing temperature coefficient corresponds.

In der in der Fig. 4 dargestellten Schaltung ist in schon beschriebener Weise auch diesem zweiten Widerstand mit Temperaturbeiwert als Kennlinienparameter ein einstellbarer ohmscher Widerstand R,, vorgeschaltet. Diese Schaltungsanordnung gestattet es, bei Verwendung eines spannungsabhängigen Widerstandes einen wenn auch geringen Strom zu entnehmen. Sie ist daher besonders geeignet als Vergleichsspannungsquellebei Transistorregelschaltungen.In the circuit shown in FIG. 4 is already described Appropriate this second resistor with temperature coefficient as a characteristic parameter an adjustable ohmic resistor R ,, connected upstream. This circuit arrangement allows you to use a voltage-dependent resistor an albeit low current to be taken. It is therefore particularly suitable as a reference voltage source Transistor control circuits.

Mit der einfachen erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung, für die in den Figuren einige von mehreren möglichen Variationen angegeben sind, wird ein großer technischer Fortschritt insofern erzielt, als sie es ermöglicht, Zenerdioden mit ihren eingangs geschilderten günstigen Eigenschaften in Schaltungen zur Erzeugung hochkonstanter Vergleichsspannungen zu verwenden.With the simple circuit arrangement according to the invention, for the in the figures are given some of several possible variations, becomes a large one Technical progress achieved in that it enables Zener diodes with their favorable properties described at the beginning in circuits for generation to use highly constant equivalent voltages.

Claims

CLAIMS: 1. A circuit arrangement for compensating the temperature dependency (the Temperaturbeiwertes) of the blocking voltage of Zener diodes using switching elements whose resistances are dependent on the temperature in the opposite sense, characterized in that in series with or parallel to the Zener diode (Z) is a direction-independent resistor (RT ) is arranged with a temperature coefficient opposite to the temperature coefficient of the voltage of the Zener diode.

2. Circuit arrangement according to claim 1, characterized in that the resistor (RT 1) with a temperature coefficient an ohmic resistor is used, which in the case of a Zener diode (Z) has a positive Temperature coefficient has a negative temperature coefficient, and vice versa.

3. Circuit arrangement according to claim 1 or 2, characterized in that to achieve a more comprehensive Compensation changes the characteristic curve of the resistance (RT 1) with the temperature coefficient by placing an ordinary ohmic resistor in parallel with or in series with it (R1) e.g. B. a sheet or wire resistor is located.

4. Circuit arrangement according to one of the preceding claims for the case that the resistor (RT 1) with temperature coefficient in series with the Zener diode (Z), characterized in that in parallel with the Series connection of Zener diode (Z) and resistor (RT 1) with temperature coefficient on Second resistor (RT,) with temperature coefficient to compensate for the remaining temperature dependency the series connection is arranged.

5. Circuit arrangement according to claim 4, characterized characterized in that to keep the total current constant in series with the second Resistance (RT 2) with temperature coefficient an ordinary ohmic resistance (R.), z. B. a sheet or wire resistor to change the characteristic of the second Resistance (RT,) with temperature coefficient.

6. Circuit arrangement according to claim 4 or 5. characterized in that the second resistor (RT 2) with temperature coefficient a voltage-dependent resistor is used.

7. Stabilization circuit below Use of a circuit arrangement according to one of the preceding claims in between the supply voltage source and the diode circuit or the consumer there is a working resistance, characterized in that the working resistance (R) is adjustable or adjustable. B.

Circuit according to Claim 7, characterized characterized in that the output voltage serves as a highly constant reference voltage.

9. Use of a circuit arrangement according to one of the preceding claims in Circuits that require a low current consumption, for example in transistor control circuits. References considered: U.S. Patent No. 2,876,642; Electronic Industries, February 1959, p. 82; Radio Mentor, 1959, pp. 164/165.