DE2401978C2

DE2401978C2 - Temperaturempfindlicher Steuerschalter

Info

Publication number: DE2401978C2
Application number: DE2401978A
Authority: DE
Inventors: Erfinder Wird Nachtraeglich Benannt Der
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Licensing Corp
Priority date: 1973-02-09
Filing date: 1974-01-16
Publication date: 1983-01-27
Also published as: FR2217865A1; SE389236B; IT1005315B; ATA108374A; ES422887A1; DK140416B; CA1042531A; DK140416C; AT332141B; AU6525074A; BE810742A; NL7401775A; BR7400940D0; FR2217865B1; JPS49118478A; GB1451285A; JPS5429279B2; DE2401978A1; US3825778A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Steuerschaltanordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, Eine solche Anordnung ist insbesondere zum Abschalten der Betriebsspannung von Halbleitereinrichtungen bei Überhitzung verwendbar.

Es sind temperaturempfindliche Steuerschalter mit einem in Emitterschaltung arbeitenden Verstärkertransistor bekannt, dessen-Basiselektrode eine Vorspannung von einem Widerstandsspannungsteiler zugeführt ist, der an einer gut stabilisierten Spannung liegt Der Spannungsteiler enthält Widerstände mit gleichen Temperaturkoeffizienten, so daß seine Ausgangsspannung nur wenig von der Temperatur abhängt. Die Basis-Emitterspannung, die dem Transistor zugeführt werden muß, um das Fließen eines erheblichen Kollektorstromes zu ermöglichen, nimmt mit zunehmender Temperatur ab. Bei geeigneter Wahl der Ausgangsspannung des Spannungsteilers kann der Kollektorstrom des Transistors vernachlässigbar klein gehalten werden, solange die Temperatur unter einem vorgegebenen Schwellwert liegt, und man kann gleichzeitig erreichen, daß der Kollektorstrom dann stark ansteigt, wenn die Temperatur des Transistors über den Schwellwert ansteigt Der Transistor bildet häufig zusammen mit der durch seinen Kollektorstrom gesteuerten Schaltungsanordnung einen monolithischen integrierten Schaltkreis. Diese bekannten Steuerschalter lassen sich in Massenproduktion nur sehr schwer mit geringer Exemplarstreuung der Schwellwerttemperatur herstellen, ohne daß" ein Abgleich erforderlich ist Die stabilisierte Spannung für den Spannungsteiler wird meistens durch Z-Dioden erzeugt, deren Durchbruchsspannungen von Einheit zu Einheit in der Praxis erheblich streuen. Auch das Verhältnis der Spannungsteilerwiderstände schwankt von Einheit zu Einheit. Schließlich unterliegt auch die Abhängigkeit des Kollektorstromes des Transistors von der Basis-Emitter-Spannung und von der Temperatur einer erheblichen Exemplarstreuung. In der Praxis streuen die Schwellwerttemperaturen der bekannten Steuerschalter ohne nachträglichen Abgleich um 10° Kelvin und ein Mehrfaches davon. Ein eigener Abgleich der einzelnen Einheiten ist höchst unerwünscht, war jedoch bisher die einzige Alternative zu Kompromissen hinsichtlich einer Anpassung an den weiten Bereich der Schwellwerttemperatur oder für eine Ausscheidung der Einheiten, die nicht in die Toleranzgrenzen fallen.

Aus der DE-OS 22 30 364 ist eine vor allem für integrierte Schaltungen bestimmte Temperaturmeßein-

richtung bekannt, die aus drei parallel zwischen die Pole einer Spannungsquelle geschalteten Strqmzweigen besteht, von denen der erste Zweig die Reihenschaltung aus einer Stromquelle mit einem Transistor, der zweite Zweig die Reihenschaltung aus einem als Diode geschalteten Transistor und einem weiteren Transistor und der dritte Zweig die Reihenschaltung aus zwei Transistoren enthält. Ferner ist eine Hilfsspannungsquelle vorgesehen, die in den dritten Zweig geschaltet oder an die Basiselektroden der Transistoren derart angeschlossen ist, daß sich unterschiedliche Basjs-Emitter-Spannungen ergeben. Infolgedessen ändert sich das Verhältnis des Stromes im dritten Zweig zu dem der anderen Zweige als Funktion der Temperatur. Da aber die Hilfsspannungsquelle durch einen in den dritten Stromzweig geschalteten Widerstand oder vorzugsweise durch einen Widerstands-Spannungsteiler gebildet wird, ergeben sich auch hier Schwierigkeiten der obenerwähnten Art Während bei einem einfachen Reihenwiderstand eine sehr genaue Stromquelle erforderlich ist, kann der bevorzugte Widerstand-Spannungsteiler zwar in integrierten Schaltungen reiaiiv genau und stabil hergestellt werden, doch ist der selbst bei größter Sorgfalt unvermeidbare Fehler für manche Anwendungsfälle zu groß. Ein zusätzlicher Spannungsfehler ergibt sich durch den vom Spannungsteiler zu liefernden Basisstrom für den einen Transistor des dritten Zweiges, der umso größer ist, als sich Widerstände mit den insoweit erwünschten geringen Werten in integrierten Schaltungen nur schwer mit der nötigen Genauigkeit herstellen lassen.

Eine Anordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus »IEEE Journal of Solid-State Circuits«, Sept 1966, S. 8—13, bekannt Die bekannte Anordnung, die innerhalb einer kombinierten integrierten Schaltung einen Differenzverstärker steuern soll, besteht im wesentlichen aus zwei Transistoren, die in Reihe mit einer Z-Diode zwischen die Klemmen einer Betriebsspannungsquelle geschaltet sind und durch einen aus Widerständen bestehenden Vorspannkreis normalerweise im Sättigungszustand gehalten werden, bei Erhitzung jedoch eine sich linear mit der Temperatur ändernde Ausgangsspannung an den einen Eingang des als Vergleichsstufte arbeitenden Differenzverstärkers legen. Der Differenzverstärker, an dessen zweitem Eingang eine Bezugsspannung liegt läßt bei Erreichen einer Temperaturschwelle eine weitere Z-Diode durchbrechen und sperrt dadurch einen Leistungstransistor. Im Emitterkreis des Differenzverstärkers liegt eine Stromquelle, zu der ein Lasttransistor und eine diesen steuernde, wie die Reihenschaltung des Temperaturfühlers zwiwchen die Betriebsspannungsklemmen geschaltete Reihenschaltung aus zwei in Durchlaßrichtung vorgespannten Dioden gehört. Der Temperaturfühler dieser bekannten Schaltung hat selbst keine Schwellenfunktion und bereitet ähnliche Probleme hinsichtlich streuender Eigenschaften in der Massenproduktion, wie sie oben erläutert sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltanordnung anzugeben, die mit geringem Aufwand, jedoch genauer und zuverlässiger als bisher ein Stromsteuersignal bei Erreichen eines Temperaturschwellwertes erzeugt und sich insbesondere mit geringerer Streuung der Ansprechtemperatur auch in großen Stückzahlen leicht herstellen läßt, ohne daß ein nachträglicher Abgleich erforderlich ist.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs I gelöst.

Die Erfindung hat den Vorteil, daß der Temperaturschwellwert nicht von Widerständen abhängig ist, sondern im wesentlichen nur von der Ansah! von ohne besondere Widerstände in Reihe geschalteten HaIbleitergleichrichtern, deren Sperrschichtflächen relativ

einfach mit der erforderlichen Genauigkeit und ohne großen Platzbedarf in einer integrierten Schaltung hergestellt werden können.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der

ίο Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert; es zeigt

F i g. 1 ein teilweise in Blockform gehaltenes Schaltbild eines Ausführungsbeispieles eines temperaiurempfindlichen Steuerschalters gemäß der Erfindung;

F i g. 2 und 3 graphische Darstellungen der Betriebskennlinien des Ausführungsbeispieles gemäß Fig. 1, anhand derer Betrachtungen angestellt werden können, die sich auch auf die anderen Ausfühaiingsbeispiele der Erfindung ausdehnen lassen;

Fig.4 ein Schaltbild eines anderen Ausführungsbeispieles der Erfindung, das eine bevor? igte Ausführungsfonn zum Abschalten von Steuerströmen von einem im B-Betrieb arbeitenden integrierten Tonfrequenzverstärker beim Oberschreiten der zulässigen inneren Verlustleistung darstellt und

F i g. 5 und 6 teilweise in Blockform gehaltene Schaltbilder zweier weiterer Ausführungsbeispiele der Erfindung.
Das in F i g. 1 dargestellte Ausführungsbeispiei enthält eine einen Temperaturfühler 10 bildende Einheit mit Transistoren 11, 12 und 13, die durch die gleiche Folge von in der Halbleitertechnik üblichen Verfahrensschritten, z. B. selektives Ätzen und Diffundieren einer monolithischen Siliciumscheibe in einem integrierten Schaltkreis gebildet sind. Die Betriebstemperaturen der Transistoren 11,12 und 13 sind im wesentlichen gleich, da sie im integrierten Schaltkreis nahe beieinander angeordnet sind. Die Transistoren 11 und 13 sind jeweils so geschaltet, daß sie nur als Halbleher-G!eichri;hterdiode arbeiten: Die Basis- und Kollektorelektorde sind miteinander verbunden und bilden die Anode der Diode, während die Emitterelektrode die Kathode der betreffenden Diode darstellt.

Zwei Klemmen 16 und 17 des Temperaturfühlers 10 sind mit einer Gleichstromquelle 15 verbunden, die eine Reihen-Parallel-Schaltung 14, die die durch den Transistor 11 gebildete Diode in einem ersten Parallelzweig und den Basis-Emitter-Übergang des Transistors 12 sowie die diesem in Reihe geschaltete,

so durch den Transistor 13 gebildete Diode in einem zweiten Parallelzweig enthält, in Flußrichtung beaufschlagt.

Bei niedrigeren Temperaturen des Temperaturfühlers iO fli*ß: ein Teil des von der Gleichstromquelle 15 zugeführten Stromes durch den als Diode geschalteten Transistor 11 und erzeugt an diesem duvfcjrch eine Spannung Vbew- Die Spannung Veeu wird der Reihenschaltung cus den Basis-Emitter-Übergängen der Transistoren 12 und 13 zugeführt, an denen dadurch Spannungen V_Be\i bzw. V_Beu auftreten. Wegen der Reihenschaltung der Kollektor-Emitter-Strecken der Transistoren 12 und 13 sind ihre Kollektorströme im wesentlichen gleich. Die Spannung Vbem i<nd Vnr\) zur Aufrechterhaltung dieser Kollektorströme sind daher im wesentlichen gleich und jede ist im wesentlichen gleich der Hälfte von Vbf.w-

Da der Kollektorstroui eines Transistors exponentiell von seiner Basis-Emitterspannung Vnr abhängt, sind die

K'illektorströme der Transistoren 12 und 13 um Größenordnungen kleiner als der Kollektorstrom des Transistors 11. Der Anteil des von der Gleichstromquelle 15 gelieferten Stromes, der in die Basis des Transistors 12 fließt, ist nicht nur wegen der Stromverstärkung des Transistors 12 klein, er ist auch klein, da der Kollektorstrom des Transistors 12 wegen der niedrigen Basis-Emitterspannung Veeu einen kleinen Wert hat. Bei niedrigen Temperaturen fließt daher nur ein vernachlässigbar kleiner Kollektorstrom /(-über den Transistor 12, eine Klemme 18 und eine stromgesteuerte Schaltvorrichtung 20.

Wenn die Temperatur des Temperaturfühlers 10 erheblich ansteigt, nimmt die Spannung Vbeu, die an dem als Diode geschalteten Transistor 11 durch den im wesentlichen konstanten Strom von der Gleichstromquelle 15 erzeugt wird, ab. Die Abhängigkeit der Spannung V_Br\\ von der Temperatur in Kelvin ist durch die ausgezogene Linie in F i g. 2 dsrges'.eüt.

Mit zunehmender Temperatur nehmen auch sowohl V β; υ als auch Vbem ab und ihre Summe Vbe 12 + Vbem würde schneller abnehmen als Vs/rn. wenn die Kollektorströme der betreffenden Transistoren konstant gehalten werden. Die Abhängigkeit von (Brf\2+ Vbem) von der Temperatur T bei drei verschiedenen Werten des konstanten Kollektorstromes, die im Verhältnis 1:10: 100 stehen, ist in Fig. 2 durch die gestrichelten Linien dargestellt. Der Wert von (Vbeu + Vflfu) wird jedoch zwangsläufig gleich V_Be\\ gehalten, da die betreffenden Stromzweige einander zwischen den Klemmen 16 und 17 parallelgeschaltet sind. Wenn also die Temperatur ansteigt und der Wert von VflfH absinkt und Vbe 12 + Vbem entsprechend langsamer verringert werden als es bei konstant gehaltenen Kollektorströmen der Transistoren 12 und 13 der Fall wäre, können diese Kollektorströme nicht konstant bleiben, sie müssen vielmehr zunehmen. Dies entspricht in dem Diagramm der Fig. 2 einer Verschiebung des Arbeitspunktes längs der ausgezogenen Linie nach rechts von z. B. B\ entsprechend der Temperatur 71 nach Bi bei der Temperatur 7": und nach Bi bei der Temperatur 7j und der Koüektorstrom /, ändert sich dadurch nichtlinear in Abhängigkeit von der Temperatur.

Die beschriebene Arbeitsweise der Schaltungsanordnung läßt sich auch aufgrund der Strom/Spannungs-Kennlinie des Basis-Emitter-Überganges des Transistors 12 erläutern (nicht dargestellt). Bei niedrigeren Temperaturen befindet sich der Arbeitspunkt im Bereich hohen Widerstandes der Kennlinie, in dem der Strom nahezu konstant ist. Wenn die Temperatur zunimmt, verschiebt sich die Kennlinie längs der V _Äf ,,-Achse nach links, d.h. der Knick der Kennlinie wandert zu niedrigeren Werten von Vbeu- Der Arbeitspunkt verschiebt sich mit zunehmender Temperatur ebenfalls zu einer niedrigeren Spannung entsprechend der ausgezogenen Linie in F i g. 2, jedoch nicht so rasch, wie der Spannungswert bei dem die Kennlinie den Knick hat. Als Folge davon verschiebt sich der Arbeitspunkt von; Bereich hohen Widerstandes der Kennlinie des Basis-Emitter-Überganges des Transistors 12 in den Knick der Kennlinie und zum Bereich niedrigen Widerstandes der Kennlinie, in dem die Spannung nahezu konstant ist Die Folge ist ein sehr steiler Anstieg des in den Transistor 12 fließenden Basisstroms bei einer kritischen Temperatur Ts der Schwellwerttemperatur. Die Schwellwerttemperatur Ts nat sich nun für Temperaturfühler gemäß der Erfindung, die in derselben Produktionscharge hergestellt wurden sowie auch für Temperaturfühler verschiedener Produktionschargen als im wesentlichen konstant erwiesen. Die oben beschriebene Betriebsweise entspricht dem Erhöhen der Durchlaßvorspannung am Basis-Emitter-Übergang des Transistors 12 bis zu einem Punkt, bei dem ein erheblicher Basisstrom zu fließen beginnt. Bekanntlich hat eine solche Erhöhung der Flußvorspannung einen exponentiellen Anstieg des Kollektorstromes des betreffenden Transistors zur Folge. Die erhöhte Flußvorspannung, die den Basis-Emitter-Übergängen der Transistoren 12 und 13 durch den als Diode geschalteten Transistor 11 zugeführt wird, bewirkt also einen exponentiellen Anstieg des Kollektorstroms Ic des Transistors 12. wenn die Temperatur des Temperaturfühlers 10 und der in ihr enthaltenen Transistoren II, 12 und 13 über die Schwelltemperatur Ts erwärmt werden.

Der erhöhte Kousktorstro!" /r is? ?»?r »τι rJröQen-Ordnungen größer als der Kollektorstrom Ic bei t;iedrigen Temperaturen, er ist jedoch immer noch klein im Vergleich zu dem von der Gleichstromquelle 15 gelieferten Strom. Der Basisstrom des Transistors 12 ist noch um die Vorwärtsstromverstärkung Λλ-des Transistors 12 in Emitterschaltung kleiner. Der Hauptteil des von der Gleichstromquelle 15 gelieferten Stromes fließt also auch weiterhin durch den als Diode geschalteten Transistr H. ,

Der Kollektorstrom Ic des Transistors 12 ist also vernachlässigbar klein, wenn sich der Temperaturfühler 10 auf niedrigen Temperaturen, wie Raumtemperatur, befindet. Wenn die Temperatur des Temperaturfühlers 10 einen Schwellwert überschreitet, steigt Ic, obwohl er immer noch klein ist, um Größenordnungen an. Die Kennlinien hierfür lassen sich graphisch ermitteln, indem man die Kennlinien der Bauelemente in den beiden Parallelzweigen der Reihen-Parallel-Schaltung in bezug aufeinander aufträgt, wie es in Fig. 2 dargestellt ist.

In Fig. 2 bedeutet, wie erwähnt, die ausgezogene Linie die Spannung V_BEU, also die Basis-Emitter-Offsetspannung des Transistors 11 in Abhängigkeit von der absoluten Temperatur für den Wert des Kollektorstroms, der von der Stromquelle geliefert wird. In F i g. 2 ist ferner in gestrichelten Linien die Summe (V_Bt\2 + Vbeu) der Basis-Emitter-Offsetspannungen der in Reihe geschalteten Basis-Emitter-Übergänge der Transistoren 12 und 13 als Funktion der absoluten Temperatur T für drei Kollektorströme Ic des Transistors 12 aufgetragen, die im Verhältnis I : 10: 100 zueinander stehen.

Beim absoluten Nullpunkt sind die Basis-Emitter-Spannungen V_BE aller drei Transistoren 11, 12 und 13 gleich dem Bandlückenpotential V₈L, das für das Halbleitermaterial spezifisch ist, aus dem die Transistoren bestehen. Die Neigung der VWT-Kennlinie eines Transistors nimmt mit zunehmenden Kollektorstromwerten ab. seine Basis-Emitter-Gleichspannung V_BE steht in logarithmischer Beziehung zu seinem Kollektorstrom. Diese bekannte Beziehung ist die Basis für die VWT-Kennlinien in F i g. 2.

Infolge der Reihen-Parallel-Schaltung der Transistoren 11, 12 und 13 ist die Basis-Emitter-Spannung V_BE des Transistors 11 zwangsläufig immer gleich der Summe der Basis-Emitter-Spannungen der Transistoren 12 und 13. Vbeu muß also immer und für jede Temperatur gleich Vbe\2+Vbe\z sein. Dies bestimmt für jede vorgegebene Temperatur welchen Wert der Kollektor-

strom der Transistoren 12 und 13 haben muß, da die (Vsf u+ Vwu)-Kennlinie für diesen Stromwert (Ic) die ein/ige (V_np\i + Vheu)-Kennlinie ist, die die Vbf.w Kennlinie des Transistors 11 für dessen festen Kollektorstromwert bei der vorgegebenen Temperatur schneidet.

Fig. 3 zeigt qualitativ die Abhängigkeit des Kollektorstro-:s Ic. der Transistoren 12 und 13 >ii Abhängigkeit von der absoluten Temperatur T in Kelvin. Dieses zweidimensional Diagramm ist aus einem dreidimensionalen Diagramm ähnlich dem gemäß Fit;. 2 gewonnen werden, indem die Spannung, indem man sie immer gleich dem Schnittpunktswert setzte, als Veränderliche eliminiert wurde. Wie aus F i g. 3 ersichtlich ist, steigt der Kollektorstrom /cdes Transistors 12 rasch an, wenn die Temperatur einen Schwellwert ^überschreitet.

Die .Schwellwerttemperatur Ts hängt in erster Linie von der Bemessung der Vet-Werte der Transistoren 11, 12 und 13 ab. Das Verhältnis der V_BE-Werte von Transistoren ist einer der am besten definierten 2" Parameter eines integrierten Schaltkreises. Eine Änderung des Gleichstromes von der Gleichstromquelle 15 verursacht nur eine prozentual halb so große Änderung des Kollektorstromes des Transistors 12. Noch wichtiger ist, daß der Temperaturschwellwert Ts durch Schwankungen des von der Gleichstromquelle 15 gelieferten Stromes praktisch nicht beeinflußt wird.

Die in F i g. 3 dargestellte Strom/Temperatur-Kennlinie zeigt, daß die temperaturgesteuerte Schaltvorrichtung 20 so eingerichtet werden kann, daß sie bei einem Stromchwellwert schaltet, der im steilen Teil der Kennlinie liegt. Der Schaltvorgang tritt dann bei allen Temperaturfühlern einer Charge innerhalb eines gut definierten Temperaturbereiches von wenigen Kelvin auf.

Die stromgesteuerte Schaltvorrichtung übt eine Schaltfunktion für ein geschaltetes Gerät 25 aus. Die Schaltvorrichtung 20 kann z. B. die Zufuhr von Betriebsspannungen zu Teilen des Gerätes 25 steuern. Das geschaltete Gerät 25 kann durch eine thermische -to Kopplung 30 mit dem Wärmefühler 10 verbunden sein, so daß dieser dann einen unzulässigen Temperaturanstieg im Gerät 25 wahrnimmt und dann einen solchen Strom durch die stromgesteuerte Schaltvorrichtung 20 fließen läßt, daß diese vom Normalzustand, in dem sie die Zufuhr von Betriebsspannung zum Gerät 25 gestattet, in den Arbeitszustand umschaltet, indem die Betriebsspannung vom Gerät 25 abgeschaltet ist. Die auf diese Weise bewirkte Abschaltung der Betriebsspannung vom Gerät 25 verhindert eine weitere Wärmeentwicklung. Die Thermostatenwirkung kann zum Schutz von Halbleiterbauelementen im Gerät 25 gegen die schädlichen Folgen einer übermäßigen Verlustleistung verwendet werden. Ein integrierter Schaltkreis, der Schaltungselemente der in Fig. t dargestellten Art enthält, die in der beschriebenen Weise verwendet werden, schützt sich selbst gegen Überlastung.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. I ist der vom Transistor 12 gelieferte Kollektorstrom Ic klein; wenn die Stromquelle 15 einen Strom von 1 mA liefert, übersteigt er selbst bei Überschreitung der Schwelliemperatur einen Wert von I μΑ nicht. Dieser Mangel kann dadurch bis zu einem gewissen Grade behoben werden, daß man die effektiven Flächen der Basis-Emitter-Übergänge der beiden Transistoren 12 und 13 in gleicher Weise bezüglich der des Transistors 11 vergrößert. Hierdurch wird der Kollektorstrom des Transistors 12 gegenüber dem Fall, daß die Transistoren 11,12 und 13 gleiche Geometrien haben, um einen Faktor vergrößert, der gleich dem Verhältnis der effektiven Fläche des Basis-Emitter-Überganges des Transistors 12 zu der des Transistors 11 ist. Durch diese Maßnahme wird aber auch der Temperaturschwellwert der Schaltungsanordnung gemäß F i g. I erhöht.

Für viele Anwendungen besteht eine bessere Lösung darin, jedem der beiden Parallelzweige der Reihen-Parallel-Schaltung 14 die gleiche Anzahl von als Diode geschalteten Transistoren hinzuzufügen. Hierdurch wird der Kollektorstrom Ic des Transistors 12 beim Überschreiten des Temperaturschwellwertes erhöht und gleichzeitig der Temperaturschwellwert herabgesetzt. In der folgenden Tabelle sind die sich für diese Lösung ergebenden Werte von Ic aufgeführt, wobei Transistoren mit gleicher Geometrie und ein Strom von 1 · IO-³ Ampere von der Gleichstromquelle 15 vorausgesetzt sind.

Anzahl der Gleichrichter im Stromzweig
A B 200K

Kollektorstrom (A) bei der Temperatur (K)
300K 4O0K

1	2	10-'⁵A	ΙΟ"'	A	0,3	• 10"* A
2	3	0,1 · 10"'	0,1	• 10"*	6·	10"*
3	4	6 · 10"'	1 ·	10"*	17·	ΙΟ"⁶
4	5	70 ■ ΙΟ"⁹	3 ·	ΙΟ"⁶	40·	10"*
5	6	0,3 · 10"'	10·	10"*	90·	10"*

Der Stromzweig A entspricht in F i g. 1 dem linken Parallelstromzweig mit dem Transistor 11; der Stromzweig B in F i g. 1 dem rechten Parallelstromzweig mit den Transistoren 12 und 13.

Die der dritten Zeile der Tabelle entsprechende Konfiguration wird bei einem Wärmefühler 100 verwendet der bei einem in Fig.4 dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung enthalten ist F i g. 4 zeigt das Schaltbild eines integrierten Schaltkreises mit einem Tonfrequenz-Leistungsverstärker 400, der im B-Betrieb arbeitende quasi-komplementäre Endstufen 410 und 420 enthält Wenn die Endstufen 410 und 420 längere Zeit überlastet werden, steigt die Temperatur des den Leistungsverstärker 400 und den Wärmefühler 100 enthaltenden integrierten Schaltkreises an.

Im Falle einer solchen Überlastung wird der den Eingangskreisen der Endstufen 410 und 420 zugeführte Steuerstrom durch den vorliegenden temperaturemp-Rndüchen Steuerschalter mittels des erhöhten Kollektorstromes des Transistors 12 des Wärmefühlers 100

begrenzt. Durch die Begrenzung des Steuerstromes werden die Amplituden der von den Endstufen 410 und 420 an einer Ausgangsklemme T\ abgegebenen Ausgangsströme entsprechend verringert. Dies setzt die Verlustleistung in den Endstufen 410 und 420 herab, die s hauptsächliche Quelle für die im Leistungsverstärker 400 entstehende Wärme darstellen, und hält die Temperatur dro Leistungsverstärkers 400 innerhalb zulässiger Grenzen. Im folgenden wird die Arbeitsweise des Leistungsverstärkers 400 genauer beschrieben, um to zu zeigen, auf welche Weise der Wärmefühler 100 einen Schutz gegen Überlastung bietet.

Dem Leistungsverstärker 400 wird über Klemmen T₂ und Tj eine Betriebsspannung B von einer nicht dargestellten Betriebsspanungsquelle zugeführt. Eine is Klemme T* dient zum Zuführen eines auf die Betriebsspannungsquelle bezogenen Eingangssignals und das dem Eingangssignal entsprechende Ausgangssignal, das ebenfalls auf die Betriebsspannungsquelle bezogen ist. steht an der Klemme T\ zur Verfügung. Von der Klemme Tt gelangt das Eingangssignal zu einem Vorverstärker 430, der den Steuerstrom für die Endstufen 410 und 420 liefert. Der Ruhestrom des Vorverstärkers 430 fließt durch eine Darlington-Schaltung 435 und einen Konstantstrom-Transistor 431. Der die Darlington-Schaltung 435 durchfließende Ruhestrom erzeugt eine Vorspannung, die zu einem wesentlichen Teil die Basis-Emitterspannungen von Transistoren 412, 413 und 421 kompensiert. Hierdurch werden Verzerrungen bei der Stromübernahme zwisehen den Endstufen 410 und 420 vermieden.

Die positiven Halbwellen des Steuersignalstromes erhöhen den Basisstrom des Transistors 412, so daß dieser dann über seine Emitterelektrode einen entsprechend erhöhten Basisstrom an den Ausgangstransistor 413 liefert. Die Transistoren 412 und 413 werden dadurch also in den Zustand höherer Leitfähigkeit ausgesteuert und liefern die positiven Anteile des Ausgangssignalstromes an die Klemme T\. Die negativen Halbwellen des Steuersignalstroms erhöhen den Basisstrom des Transistors 421 und damit dessen Kollektorstrom. Durch di<*.se Erhöhung des Kollektorstroms des Transistors 421 wird der Basisstrom eines Transistors 422 erhöht, so daß dieser entsprechend stärker leitet. Der Transistor 422 liefert einen entsprechend erhöhten Basisstrom an einen Transistor 423, der dann ebenfalls stärker leitet. Durch das stärkere Leiten der Transistoren 421, 422 und 423 werden die negativen Anteile des Ausgangssignalstromes an die Klemme 7i geliefert.

Die Emitterkreise der Transistoren 412 und 422 enthalten Widerstandsspannungsteiler 414 bzw. 424, die Basisruhespannungen für Transistoren 415 bzw. 425 erzeugen, welche diese bis nahe an den stromführenden Bereich vorspannen. Wenn den Basiselektroden der Transistoren 415 und 425 Kollektorströme von den Transistoren 441 bzw. 442 zugeführt werden, werden sie in den leitenden Zustand ausgesteuert und bilden Klemmschaltungen parallel zu den Basis-Emitter-Eingangskreisen der Transistoren 412 bzw. 422, die die eo sonst diesen Eingangskreisen zugeführten Steuerströme ableiten. Dieser Vorgang bewirkt, wie erwähnt, bei genügendem Kollektorstrom Ar vom Transistor 12 eine Beschränkung der von den Endstufen 410 und 420 an die Klemme 7", abgegebenen Ausgangsströme.

Durch einen konstanten Strom von einer temperaturkompensierten Stromquelle 450 wird eine Lawinendiode 451 in den Durchbruchsbereich vorgespannt, so daß an ihr eine im wesentlichen konstante Spannung aufrecht erhalten wird. Die Emitterfolgerwirkung eines Transistors 452, dessen Schaltung aus F i g. 4 ersichtlich ist, hält den Emitter dieses Transistors auf einem im wesentlichen konstanten Potential, das um 1 Vbe bezüglich der an ihm liegenden Spannung versetzt ist, so daß an einem Widerstand 453 ein im wesentlichen konstantes Potential liegt, das einen Strom durch diesen Widerstand zur Klemme 16 des Temperaturfühlers 100 fließen läßt. Dieser Strom beträgt bei Zimmertemperatur etwa 1,4 mA; bei 130°C beträgt er jedoch nur noch etwa 1 mA, da der Widerstandswert des Widerstandes 453 durch die Erwärmung zunimmt.

Dieser Strom fließt auch durch die Emitterelektrode des Transistors 452, dessen Kollektorstrom, vorausgesetzt, daß dieser Transistor eine erhebliche Stromverstärkung hte in Emitterschaltung hat, im wesentlichen gleich dem Emitterstrom ist. Dieser Strom wird einem als Diode geschalteten Transistor 454 zugeführt und erzeugt an dessen Basis-Emitter-Übergang eine Spannung Vbe, die einen Kollektorstrom im wesentlichen gleicher Größe wie der der Klemme 16 zugeführte Strom fließen läßt. Die Spannung Vbe wird einem mit einem Emitterwiderstand 456 verbundenen Transistor 455 zugeführt und bewirkt, daß dieser einen Kollektorstrom liefert, der ein Bruchteil des Kollektorstromes der Transistoren 452 und 454 ist (die Schaltungselemente 454,455 und 456 können als Stromverstärker mit einem Stromverstärkungsfaktor gleich einem Bruchteil von 1 angesehen werden). Der Kollektorkreis des Transistors 455 klemmt die Basiselektrode eines Transistors 443 auf einen Wert nahe der Spannung B+, die an der Klemme T₂ herrscht, und verhindert das Fließen eines Basisstromes durch diesen Transistor, solange der Kollektorstrom Ic des Transistors 12 sehr klein ist. Der Wärmefühler 100 enthält in seinem zweiten Parallelstromzweig Halbleiterübergänge, deren Fläche das Dreifache der Fläche der Halbleiterübergänge im ersten Parallelstromzweig beträgt, so daß bei Zimmertemperatur ein Kollektorstrom Ic von etwa 10 bis 20 μΑ fließt. Dieser Kollektorstrom Ic ist kleiner als der Kollektorstrom, den der Transistor 455 ziehen möchte, so daß der Transistor 455 die Basiselektrode des Transistors 443 weiterhin auf einen Wert nahe bei der Spannung B+ festhalten kann.

Oberhalb eines Temperaturschwellwertes von 162° C steigt der Kollektorstrom des Transistors 12 mit weiter zunehmender Temperatur exponentiell an; er wird dabei größer als der vom Transistor 455 gelieferte Kollektorstrom und bewirkt, daß Basisstrom vom Transistor 443 gezogen wird. Hierdurch wird der Transistor 443 in den leitenden Zustand ausgesteuert. Der resultierende Emitterstrom des Transistors 443, der um den Faktor 1 zuzüglich seines hr_e größer als sein Basis-Emitter-Strom ist, wird von den Basiselektroden der Transistoren 441 und 442 abgezogen, so daß diese Transistoren in den leitenden Zustand ausgesteuert werden. Die Kollektorströme dieser Transistoren werden den Basiselektroden der Transistoren 415 bzw. 425 zugeführt, um diese aufzusieuern. Wie erwähnt, üben die Transistoren 415 und 425 dann :tb leitenden Zustand eine Klemmwirkung aus und verhindern, daß die Transistoren 412 und 422 nennenswerte Basisströme aufnehmen.

Durch Transistoren 444 und 446 in Verbindung mit dem als Diode geschalteten Transistor 454 wird die maximale Auswanderung der Basisspannung des Transistors 443 auf einen Wert im Abstand von 3 Vfevon der

Spannung B+ begrenzt, die an der Klemme Ti liegt. Die Kollektorströme der Transistoren 441 und 442 können daiier durch entsprechende Bemessung .eines Emitterviderstandes 447 auf Werte begrenzt werden, die keine unnötig hohe Verlustleistung in diesem Teil der Schaltungsanordnung ergeben.

Die Spannung VW, die an dem als Diode geschalteten Transistor 113 abfällt, stellt eine geeignete Gleichspannung zur Vorspannung des Basis-Emitter-Überganges des Transistors 431 dar, um dessen Kollektorelektrode einen konstanten Strom ziehen zu lassen.

Der Transistor 443 wird sehr rasch in den stromführenden Zustand ausgesteuert, wenn der Temperaturschwellwert einmal überschritten ist. Man benötigt sehr wenig Basisstrom, um den Transistor 433, und anschließend die Transistoren 441 und 442 in den stromführenden Zustand auszusteuern. Der konstante Kollektorstrom des Transistors 455 ist viel größer als diesel erforderliche Basisstrom. Der Transistor 12 muß daher diesen kleinen Basisstrom bei einem iiöiieicn Kollektorstromwert liefern, um dem Kollektorstrom des Transistors 455 entgegenwirken zu können, und der dem Transistor 443 zugeführte Basisstrom stellt die Differenz zwischen den Kollektorströmen der beiden Transistoren 12 und 455 dar, die um einen erheblichen Faktor größer sind. Die Geschwindigkeit, mit der sich diese kleine Differenz in Abhängigkeit von der Temperatur ändert, ist daher um diesen Faktor größer als die Geschwindigkeit der Zunahme des Kollektorstromes des Transistors 12. Dk Empfindlichkeit der teinperaturabhängigen Steuerung wird dadurch entsprechend erhöht. Der Temperaturschwellwert wird geringfügig nach oben verschoben, jedoch nicht mehr als wenige Grad.

Das in Fig. 5 dargestellte Ausführungsbeispiel der Erfindung enthält einen Temperaturfühler 500, bei dem die Empfindlichkeit der Temperatursteuerung durch verschiedene Maßnahmen erhöht wird, die eine Herabsetzung des Temperaturschwellwertes mit sich bringen. Beim Wärmefühler 500 gemäß F i g. 5 fehlt der im Wärmefühler 100 der Fig.4 enthaltene, als Diode geschaltete Transistor 133. An seine Stelle tritt eine einfache Verbindung und ein als Diode geschalteter Transistor 134 ist in die Basiszuleitung des Transistors 12 geschaltet. Man kann also die als Diode geschalteten Transistoren von der Verbindung zwischen dem Emitter des Transistors 12 und Masse in die Basisleitung dieses Transistor: versetzen. Hierdurch wird der Strompegel in den versetzten, als Diode geschalteten Transistoren herabgesetzt und die Neigung ihrer VWT-Kennlinie erhöht. Der Temperaturschwellwert, bei dem Ic stark anzusteigen beginnt, wird derrrntsprechenc herabgesetzt, die Geschwindigkeit, mit der Ic beim Ansteigen der Temperatur über den Temperaturschwellwert zunimmt, wird jedoch größer.

Fig.6 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einem Wärmefühler 600, an dessen Ausgangsklemme 18 ein relativ großer Ausgangsstrom zur Verfügung

!5 sisht. Der Wärmefühler 600 arbeitet ähnlich wie der in F i g. 4 dargestellte Wärmefühler 100, er benötigt jedoch weniger Fläche auf dem Schaltungsplättchen eines monolithischen integrierten Schaltkreises. Der Transistor 12 ist durch Verbinden von Basis- und Kollektorelektrode a!s Diode geschaltet i:nd ir. der Reihenschaltung mit den als Diode geschalteten Transistoren 131, 132 und 133 an anderer Stelle eingefügt, wie Fig.6 zeigt. Der diese Reihenschaltung durchfließende Strom erzeugt eine charakteristische Spannung V_He entspre-

chend der Stromdichte im Basis-Emitter-Übergang des Transistors 612, dessen Basis-Emitter-Übergang eine um einen gewissen Faktor größere Fläche hat als der des Transistors 612 (dies kann dadurch erreicht werden, daß man mehrere Transistoren der gleichen Geometrie wie der Transistor 12 unter Bildung des Transistors 612 parallel schaltet). Der Kollektorstrom des Transistors 612 ist daher um diesen Faktor größer als der des Transistors 12.

Die Schaltungselemente 11,13, 111, 112,113,131,132, 133 uns 134 sind vorzugsweise als Diode geschaltete Transistoren, die zugleich durch die gleiche Folge vor, Verfahrensschritten gebildet worden sind. Hierdurch wird praktisch jeder Einfluß der Temperaturabhängigkeit, der Sättigungsströme dieser Bauelemente auf den Temperaturschwellwert au-geschaltet. Selbstverständlich lassen sich mit zufriedenstellenden Ergebnissen auch andere Richtleiter oder gleichrichtende Schaltungselemente an ihrer Stelle verwenden.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

24 Ol

Patentansprüche;

U Temperaturempfindliche Steuerschaltanordnung mit einer strorogesteuertüp Schaltvorrichtung s und einem Temperaturfühler, der eine Anzahl von Halbleitergleichrichtern enthält, die ohne weitere Zwischenelemente hintereinander und alle für Durchlaß gleichsinnig gepolt in Reihe geschaltet und an eine Primärstromquelle angeschlossen sind und I ο von denen einer durch den Basis-Emitter-Übergang eines Transistors gebildet ist, dessen Kollektor mit der stromgesteuerten Schaltvorrichtung verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperaturfühler (10; 100; 500; 600) eine zusätzliehe Reihenschaltung aus einer Anzahl von ohne Zwischenelemente verbundenen und innerhalb dieser Reihenschaltung für Durchlaß gleichsinnig gepolten Halbleitergleichrichtern (11; 111, 112, il3) enthält, dieiüeiner ist als die Anzahl der Halbleitergleichrichter (12,13; 12,13!—133; 134,12,131,132; 131—133, 612) der den Transistor enthaltenden Reihenschaltung, daß die beiden Reihenschaltungen in Parallelschaltung an die Primärstromquelle (15; 450) angeschlossen sind, welche Halbleitergleichrichter beider Reihenschaltungen in Durchlaßrichtung vorspannt, und daß die an der zusätzlichen Reihenschaltung aufgrund des Primärstromes abfallende Spannung an die den Transistor enthaltende Reihenschaltung angelegt ist
2. Steuerr,?haltanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an den Kollektor des Transistors (12) eine Hilfsstromquelle (454,455,456) angeschlossen ist, die ihm einen Offsetstrom, der einen Bruchteil des von der Priniärstromquelle (450, 452,453) gelieferten Stromes beträgt, zuführt, um bei Temperaturen unterhalb eines Schwellenwertes einem Steuerstrom entgegenzuwirken.
3. Steuerschaltanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Halbleitergleichrichter (z. B. 12,13) der den Transistor enthaltenden Reihenschaltung nur um 1 größer ist als die Anzahl der Halbleitergleichrichter (z. B. 11) der anderen Reihenschaltung.
4. Steuerschaltanordnung nach Anspruch 1,2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß dem Basis-Emitter-Übergang des Transistors (612) ein weiterer Halbleitergleichrichter (12) parallel geschaltet ist.
5. Steuerschaltanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß so zumindest einer der Halbleitergleichrichter aus der Kollektor-Emitter-Strecke eines Transistors besteht, dessen Basiselektrode mit der Kollektorelektrode verbunden ist.
6. Steuerschaltanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärstromquelle eine Gleichspannungsquelle (450, 451), ein Widerstandselement (453) und einen Hilfstransistor (452) enthält, der mit seiner Basiselektrode an die Gleichspannungsquelle angeschlossen, mit seiner Emitterelektrode über das Widerstandselcment galvanisch mit der Parallelschaltung der beiden Reihenschaltungen gekoppelt und an seiner Kollektorelektrode mit Betriebsstrom gespeist ist.
7. Steuerschaltanordnung nach Anspruch 6. dadurch gekennzeichnet, daß mit der Kollektorelek-(rode des Hilfstransistors (452) eine Eingaiigsklemine eines Stromverstärkers (454,455,456) verbunden ist, dessen Ausgangsklemme an die Kollektorelektrode desjenigen Transistors (12) angeschlossen ist, dessen Kollektor mit der stromgesteuerten Schaltvorrichtung verbunden ist,
8, Steuerschaltanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mit der stromgesteuerten Schaltvorrichtung eine Hilfsstromquelle (454, 455, 456) verbunden ist, um dem Steuerstrom in dessen niedrigem Werteaereich entgegenzuwirken,
9. Steuerschaltanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleitergleichrichter und Transistoren des Temperaturfühlers in einem monolithischen integrierten Schaltkreis enthalten sind.