DE2644597C2 - Temperaturfühler in einer integrierten Halbleiterschaltung - Google Patents
Temperaturfühler in einer integrierten HalbleiterschaltungInfo
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- G01—MEASURING; TESTING
- G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G01K7/00—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements
- G01K7/01—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements using semiconducting elements having PN junctions
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen Temperaturfühler in einer integrierten Halbleiterschaltung, insbesondere
für den Überlastungsschutz, bei dem durch Vcr- Vi
gleich der Spannungsabfälle, die an zwei siromdurchflossenen Zweigen auftreten, bei gefährlicher Temperaturerhöhung
aus der gegenseitigen Änderung der Spannungsabfälle ein Fehlersignal gebildet wird, wobei die
Zweige gebildet werden durch Halblcitcrsireckcn, ins- ->(i
besondere Diodenstrecken, gleicher Art, die mil dem zu
schützenden Teil thermisch eng gekoppelt sind und die durch unterschiedliche Strombclastung unterschiedliche
Temperaturkoeffizienten aufweisen, wobei die von einem erheblich größeren Strom durchflossenen Halb- 5ri
leiterstrecken des einen Siromzweiges Elcktrodcnfliichen aufweisen, die nur einen kleinen Bruchteil der
Elektrodenflächen der im anderen Stromzweig liegenden Halbleiterstrecken betragen, und wobei die Zahl
der Halbleiterstreckcn in dem Zweig mit dem größeren wi
Strom geringer ist als in dem anderen Zweig.
Aus der IIS-I5S J8 25 778 ist ein temperaturempfindlicher
Koiuroll-Schultkrcis der eingangs genannten Art
mit einer aus drei Transistoren aufgebauten Temperatur-Meßeinheit bekannt, von denen zwei durch Verbin· h"i
den ihrer Basis- und Koilcktoranschlüsse als Dioden geschaltet
sind. Einer dieser beiden Transistoren ist mit der Emitier-Basis-Streckc des dritten Transistors in Reihe
geschaltet und bildet einen (zweiten) Zweig einer Parallelschaltung, deren erster Zweig von einem anderen
als Diode geschalteten Transistor gebildet wird. Beide Zweige sind gegebenenfalls durch gleiche Anzahlen
in Reihe geschalteter Dioden bzw. als Dioden geschalteter Transistoren verlängert. Der vom Kollektor des dritten
Transistors gelieferte Strom ist klein gegenüber dem Strom im ersten Zweig und kann durch Verlängern
der Zweige vergrößert werden oder durch Vergrößerung der effektiven Fläche des Basis-Emitter-Halbleiicrübergangs
des dritten Transistors im Verhältnis zu der des anderen Transistors.
Eine solche Schaltung ist von den Fertigungstoleranzcn
der Elektrodenflächen abhängig.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine derartige
Schaltung so auszubilden, daß sich die Einflüsse der Fertigungstoleranzen der Halbleiterstrecken in den
beiden Stromzweigen weitgehend kompensieren derart daß der Temperaturwert für das Einsetzen des Fehlersignals
weitgehend konstant ist.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß nach der Erfindung durch Wahl des Verhältnisses von Länge zu
Breite bzw. durch Aufteilung in Teilflächen der für die spezifische Strombelastung maßgebenden Halbleiterelektrodenflächen
der Einfluß der Abmessungstoleranzcn dieser Flächen auf die unterschiedlichen Temperaturkoeffizienten
ausgeglichen oder wenigstens vermindert wird derart, daß die Schwelle für das Fehlersignal
praktisch nicht vom Sollwert abweicht.
Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung beispielsweise näher erläutert.
An einer Spannungsquelle + U von z. B. 20 V, deren
negativer Pol geerdet ist, liegen zwei Stromzweige, von denen der erste aus einer Reihenschaltung besteht, die
zwei Dioden D\ und Dj mit an Erde liegender Kathode
enthält und weiter einen Widerstand Wi, dessen Anode der Diode 1 abgewandtes Ende am Kollektor eines
Transistors 7Ί liegt, dessen Emitter über einen Widerstand Ri von 300 Ohm an + U liegt. Der zweite Zweig
besteht aus zwei Dioden D5 und D«, deren Kathode an Erde liegt und deren Anode mit dem Emitter eines npn-Transistors
T4 verbunden ist. Dessen Kollektor ist an den Kollektor eines pnp-Trannistors Ti angeschlossen,
dessen Emitter über einen Widerstand R) von 3,6 kOhm
an + U liegt. Die Basen der Transistoren Ti und Ti sind
verbunden und außerdem an den Emitter eines pnp-Transistors T> angeschlossen, dessen Basis am Kollektor
des pnp-Transistors T\ liegt und dessen Kollektor geerdet ist.
An die Verbindung der Kollektoren der Transistoren Ti und T4 ist die Ausgangsklemme A angeschlossen, der
das Fehlersignal entnommen wird. Dieses wird der Basi; eines pnp-Transistors Tj zugeführt, der ein zusätzliche·
mit der Basis verbundenes Kollektorsegment aufweist wodurch engere Grenzen für die Toleranz der Strom
verstärkung erreicht werden. Der freie Kollektor de: Transistors T, ist mit Erde verbunden, und an seinen
Emitter liegt die Basis eines weiteren pnp-Transistors T von gleicher Art, die weiter über einen Widerstand R
mit + U verbunden ist. an der auch der Emitter angc schlossen ist. Der freie Kollektor des Transistors 7;, lieg
an der Basis eines npn-Transislors /.. die über eine Widerstand K4, ebenso wie der Emitter über einen Wi|
dersiand W-,. an Erde angeschlossen ist.
/wei Transistoren 7H und T, in Darlingtonschallun
deren Ansteuerung und Ausgangsbclastung im übrig'.·
nicht ilaigstcllt sind, bilden eine stark belastete Stufi
/. Ii. die Endstufe für die Ansteuerung der Vertikala
lenkung in einem Fernsehempfänger. Der Basis des Transistors Ti wird von einer Stromquelle /j, die mit
einer ggf. höheren Speisespannung + V verbunden ist, ein steuernder Basisstrom zugeführt. Die Kollektoren
der Transistoren T* und Tm liegen ebenfalls an + V; der
Emitter des Transistors 7s liegt in irgendeiner Weise
über eine Belastung ß an Erde. Das Material, auf dem die Transistoren Ti und Tm angebracht sind, ist über eine
thermische Kopplung Ti, die symbolisch durch ein
Rechteck mit gestrichelten Verbindungslinien für d'e
ausgeübte Wirkung dargestellt ist, mit dem Material der Dioden D\ bis D« und des Transistors Ti verbunden.
Die Schaltung arbeitet wie folgt:
Die Elektrodenflächen der Dioden Di und D>
betragen nur 'Λο der Diodenflächen der Dioden Ds und D*
sowie des Transistors Ti. Durch die Dioden D\ und Dj
fließt ein Strom, der durch die in diesem Zweig angebrachten Schaltelemente, insbesondere den Widerstand
:' Ru bedingt ist und der z. B. ein Milliampere betragen
kann. Die Transistoren Ti und Ti bilden zusammen eine
Stromspiegelschaltung. Solange die Temperatur unterhalb des kritischen Wertes ist, liegt die Spannung an der
Basis des Transistors Ti, bei der dieser mit seinen Emitterdioden Dj und Da leitend würde, erheblich über dem
an den Dioden Di und D2 auftretenden Spannungsabfall.
Der Transistor Ti und der Kollektor des Transistors Tj führen keinen Strom. Die Stromspiegelschaltung erzwingt
gleiche Basisspannungen der Transistoren Ti und Ty, es fließt daher ein entpsrechend starker Basis-Emitter-Strom,
der am Widerstand Ri einen entsprechenden Spannungsabfall hervorruft. Der Transistor Tj
dient dazu, den Basisstrom für die Transistoren Ti und
Tj zu liefern, wobei nur ein geringer Stromanteil von dem den Widerstand Ri durchfließenden Strom entnommen
zu werden braucht.
Die Ausgangsklemme A ist stromlos, die Transistoren Ts, Tj, und Tj sind gesperrt. Der Strom Λ steuert unvermindert
die Transistoren Τ« und T*
Wenn nun der Endstufentransistor Tm eine bestimmte
Temperatur erreicht hat, wird die Erwärmung über die thermische Kopplung Th auf die Halbleiterbauelemente
Di bis D4 und Ti übertragen. Deren Elektrodenflächen
sind so gewählt, daß bei der betreffenden Grenztemperatur der Spannungsabfall der Dioden Di und D; bei
dem hindurchfließenden Strom gleich ist der Spannung für das Einsetzen des Stromes durch die drei anderen
Halbleiterbauelemente Dj, D* und T). Dann fließt im
Transistor Ti ein Kollektorstrom und ein etwa entsprechender Emitterstrom auch durch die Dioden ΖΛ und D4.
Durch die Stromspiegelschaltung Ti und T>
wird der Strom, den der Kollektor des Transistors Tj vom Kollektor
des Transistors T4 aufnehmen kann, auf einen festen Bruchteil, z. B. ein Zehntel, als 0,1 Milliampere, des
Stromes durch den ersten Zweig mit den Dioden Di und
Di begrenzt. Wird infolge etwas höherer Erwärmung
der Koüektorstrom des Transistors T4 größer, so fließt
er über die Ausgangsklemme A in die Transistoren T5, Tb und Tj. Die Schaltung ist so ausgelegt, daß durch
Leiten des Transistors T7 der Steuerstrom /1 wenigstens
zu einem Teil übernommen wird derart, daß die Ansteuerung des Endstufentransistors Tm entsprechend reduziert
wird. Die Stromverstärkungsfaktoren des Transistors Ts und Tb sind z. B. je auf den Wert 5 begrenzt
und der des Transistors T; durch den Emitter-Gcgenkopplungswiderstand fo auf einen Wen von 10, insgesamt
also 250. Dadurc-'h wird verhindert, daß infolge zu großer Schleifenvers'iarkung ein Schwingen des über
die thermische Kopp'ung und die Rückregelung gebildeten
Regelkreises auftritt.
Dadurch, daß die Flächen der Dioden D\ und D2 gegenüber den Flächen der zugeordneten Bauelemente
Di, D4 und Ti nur 1Ao betragen, der im Grenzbereich
vorgesehene Strom jedoch lOmal so groß ist, wird eine um den Faktor 100 unterschiedliche spezifische Strombelastung
erreicht Dadurch werden für die Anfangsspannung von niedrigeren Temperaturen zu höheren
Temperaturen unterschiedlich geneigte Kurven erreicht, die infolge der unterschiedlichen Zahl der HaIbleiterelcmente
auch von verschiedenen Anfangswerten ausgehen. Es ergeben sich beträchtliche Unterschiede
im Temperaturkoeffizienten und so ein entsprechend steiler Schnittpunkt zwischen den Kurven der Spannungsabfälle
in Abhängigkeit von der Temperatur. Man kann somit durch geeignete Wahl, wie sie beispielsweise
in der dargestellten Schaltung getroffen wurde, erreichen, daß bei einer bestimmten Temperatur ein Schnittpunkt
der Kurven auftritt, bei dem in dieser Schaltung der Transistor T4 aufgesteuert wird. Der Transistor T4
wirkt also einerseits mit bei der Bildung der betreffenden tcmperaturabhängigcn Anfangsspannung und dient
andererseits als Element, das oberhalb des betreffenden Schnittpunktes ein Ausgangssignal (Fehlersignal) liefert.
Ersichtlich wird so ein im Aufbau einfacher und in der Wirkung zuverlässiger Temperaturfühler erhalten.
Infolge der in einer integrierten Schaltung möglichen Toleranzen kann der Ausgangstrom des Temperaturfühlers
an der Klemme A gegenüber dem Steuerstrom /1 bei gleicher Temperatur ein unterschiedliches Verhältnis
haben, so daß die Temperatur, bei der eine bestimmte Reduzierung des Stromes Λ erreicht wird, einen
gewissen Streuungsbereich aufweist. Diese Streuung kann vermindert werden, wenn zwischen dem Steuer-
J5 strom /| und dem über den Widerstand R\ in die Dioden
Di und Di fließenden Strom eine Proportionalität hergestellt
wird.
Durch Toleranzabweichungen bei der Herstellung können die Elektrodenflächcn in einer integrierten
Schaltung bei unterschiedlichen Exemplaren gewisse Abweichungen zeigen. Diese Abweichungen wirken
sich auf die spezifische Strombelastung der verwendeten Halbleitersirecken (pn-Übergänge) aus und können
zu Abweichungen in der Grenztemperatur führen. Diese Toleranzen der Abmessungen sind in der Regel linear
gleich, d. h. wenn die eine Sollbreite 20 Mikron und die
andere 60 Mikron beträgt, können diese Abmessungen in einem bestimmten Fall auf 21 bzw. 61 Mikron verändert
werden.
Da der prozentuale Einfluß somit abhängig ist von der beireffenden linearen Dimension, kann nach der Erfindung
durch Änderung des Vehältnisses von Länge und Breite bzw. durch Aufteilung in Teilflächen den
einzelnen Elektroden eine unterschiedliche prozentuale Abhängigkeit von solchen Fertigungstoleranzen gegeben
werden derart, daß die prozentuale Flächentoleranz der Halbleiterelemente des einen Zweiges gleich ist der
prozentualen Flächentoleranz der Halbleiterelemente des anderen Zweiges. Dann ist das Fläclienverhältnis
bo unabhängig von diesen Fertigungstoleranzen konstant.
So läßt sich erreichen, daß der Schnittpunkt der zugeordneten Spannungen in beiden Zweigen stets annähernd
bei der gleichen Temperatur liegt und somit alle Temperaturfühler auch bei unterschiedlicher Hetstel-
tr> lung praktisch gleiche Eigenschaften haben.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (2)
- Patentansprüche:!.Temperaturfühler in einer integrierten Halbleiterschaltung, insbesondere für den Überlastungsschutz, bei dem durch Vergleich der Spannungsahfälle, die an zwei stromdurchflossenen Zweigen auftreten, bei gefährlicher Temperaturerhöhung aus der gegenseitigen Änderung der Spannungsabfall* ein Fehlersignal gebildet wird, wobei die Zweige gebildet werden durch Halbleiterstrecken, insbesondere Diodenstrecken, gleicher Art. die mit dem zu schützenden Teil thermisch eng gekoppelt sind und die durch unterschiedliche Strombelastung unterschiedliche Temperaturkoeffizienten aufweisen, wobei die von einem erheblich größeren Strom durchflossenen Halbleiterstrecken (Du D2) des einen Siromzweiges Elektrodenflächen aufweisen, die nur einen kleinen Bruchteil der Elektrodenflächen der im anderen Stromzweig liegenden Halbleiterstrekken (Dj, Da, Tt) betragen, und wobei die Zahl der Halbleiterstrecken in dem Zweig mit dem größeren Strom geringer ist als in dem anderen Zweig, d a durch gekennzeichnet, daß durch Wahl des Verhältnisses von Länge zu Breite bzw. durch Aufteilung in Teilflächen den für die spezifische Strombelastung maßgebenden Halbleiterelektrodenflächen der Einfluß der Abmessungsioleranzen dieser Flächen auf die unterschiedlichen Tempcraturkocffizienten ausgeglichen oder wenigstens vermindert κι wird derart, daß die Schwelle für das Fehlcrsignal praktisch nicht vom Sollwert abweicht.
- 2. Temperaturfühler nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Zweig (Du D4) einen Transistor (Ta) enthält, dessen Basis mit der r> anderen Halbleitcrstreckc (D1, D2) verbunden ist und dessen Kollektor das Fchlcrsignal entnommen wird.
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DE19762644597 DE2644597C2 (de) | 1976-10-02 | 1976-10-02 | Temperaturfühler in einer integrierten Halbleiterschaltung |
Publications (2)
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DE2644597A1 DE2644597A1 (de) | 1978-04-06 |
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ID=5989537
Family Applications (1)
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DE19762644597 Expired DE2644597C2 (de) | 1976-10-02 | 1976-10-02 | Temperaturfühler in einer integrierten Halbleiterschaltung |
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DE223364C (de) * | ||||
US3440883A (en) * | 1966-12-01 | 1969-04-29 | Monsanto Co | Electronic semiconductor thermometer |
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-
1976
- 1976-10-02 DE DE19762644597 patent/DE2644597C2/de not_active Expired
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