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Temperaturkompensierte Transistorschaltung Die vorliegende Erfindung betrifft eine temperaturkompensierte Transistorschaltung mit. mindestens einem Transistor und für dessen Vorspannung bestimmten Mitteln mit einer Halbleiterdiode, deren Impedanz eine Funktion der Temperatur ist.
Transistoren, die beispielsweise aus Germanium bestehen können, sind temperatur- empfindlich und in elektrischen Einrichtungen im allgemeinen den Änderungen der Umgebungstemperatur sowie unter bestimmten Bedingungen auch einem Temperaturanstieg infolge der im Halbleiter selber erzeugten Wärme unterworfen. Das bedingt, dass gewisse Betriebseigenschaften der Transistoren in wechselndem Umfang Änderungen erleiden. Es sind eine Reihe Rückkopplungs- und Stromstabilisierungseinrichtungen und -verfahren bekannt, die zum Kompensieren der genannten Änderungen dienen. Doch sind diese Einrichtungen und Verfahren in der Praxis nicht wirkungsvoll genug.
Es ist daher das Ziel der vorliegenden Erfindung, eine temperaturkompensierte Transistorschaltung zu schaffen, die in einem weiten Bereich von Temperaturänderungen wirkungsvoll arbeitet.
Die Transistorschaltung nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Diode so angeordnet ist, dass sie vom Strom aus einer konstanten Stromquelle durchflossen wird und der temperaturabhängige Spannungsabfall in Durchlassrichtung an der Diode den Wert der Vorspannung ändert, die an den Transistor in solcher Weise angelegt wird, dass die Wirkung von Temperatur- änderungen auf die Charakteristik des Transistors zumindest angenähert kompensiert wird.
In der beigefügten Zeichnung sind einige Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes veranschaulicht. Es zeigen Fig. 1 eine Schaltung mit einem Paar Transistoren in Gegentakt und mit einem temperaturempfindlichen Vorspannkreis, Fig.2 eine Schaltung mit einem Paar Transistoren in B-Verstärkerschaltung und mit einem temperaturempfindlichen Vorspannkreis, der mit einem der Transistoren thermisch gekoppelt ist, und Fig. 3 das Schaltschema eines weiteren Transistorverstärkers.
In der Zeichnung sind in den verschiedenen Figuren gleiche Überweisungszahlen für gleiche Elemente verwendet.
Fig. 1 umfasst ein Paar Flächentransistoren 10 und 11, im vorliegenden Fall beispielsweise pnp-Transistoren, an die für den Betrieb als Verstärker entsprechend gepolte Vorspannungen angelegt sind.
Der Eingangskreis für das Transistorenpaar 10 und 11 umfässt einen Eingangstransformator 12 mit einer Primärwicklung 13, die zwei Eingangsklemmen 14 aufweist, und
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einer Sekundärwicklung 15, deren Enden an je eine der beiden Basiselektroden 16 und 17 geführt sind. Eine Mittelanzapfung 18 der Sekundärwicklung 15 ist mit der Kathode 19 einer temperaturempfindlichen Impedanz 20 verbunden, die nachfolgend noch genauer beschrieben wird. Der Ausgangskreis der Transistoren 10 und 11 umfasst einen Ausgangstransformator 21 mit einer Ausgangswicklung 22, die zwei Ausgangsklemmen 23 aufweist, und einer Primärwicklung 24, deren Enden mit je einer der beiden Kollektorelektroden 25 und 26 verbunden sind.
Um den verschiedenen Elektroden der Transistoren 10 und 11 eine Vorspannung zu geben, ist eine als Batterie 27 dargestellte Gleichspannungsquelle zwischen eine Mittel- anzapfung 28 der Primärwicklung 24 und einen Punkt mit Bezugspotential, z. B. das Chassis als Erde, angeschlossen. Die Polarität der Spannungsquelle ist so dargestellt, dass sich zwischen den Kollektorelektroden und der Basiselektrode eines jeden der Transistoren 10 und 11, die vom Typ pnp sind, eine Sperrvorspannung ergibt.
Um die Eingangs- und Ausgangskreise zu vervollständigen und eine mit der Temperatur veränderliche Vorspannung zwischen Emitter- und Basiselektrode für einen temperaturstabilen Betrieb der Transistoren 10 und 11 zu erreichen, sind die Emitterelek- troden 30 und 31 an einen gemeinsamen Punkt 32 geführt, der seinerseits an die Verbindungsstelle von zwei Spannungsteiler- widerständen 33 und 34 angeschlossen ist, die in Serie zueinander im Nebenschluss an der Batterie 27 liegen.
Statt dessen könnten die Emitterelektroden direkt mit Erde verbunden werden, doch wird die vorliegende Anordnung benutzt, um eine an dem Widerstand 34 liegende Spannung zu schaffen, die es möglich macht, dass die Emitter-Basis- Vorspannung bei hohen Betriebstemperaturen umgekehrt wird, wie das für einen stabilen Betrieb bei so hohen Temperaturen notwendig ist. Eine temperaturempfindliche Vorrichtung 210, im vorliegenden Fall eine Germa- nium-Flächendiode, liegt in Serie mit einem Strombegrenzungswiderstand 36 und zusammen mit diesem in Nebenschluss zur Batterie 27.
Diese Diode mit niederem Durchlasswiderstand und mit einer Kathode 19 und einer Anode 35 wird von einem konstanten Strom durchflossen und erzeugt dank ihrer temperaturabhängig verlaufenden Impedanz- chara.kteristik eine Vorspannung der Emitter- elektrode zur Basiselektrode. die mit der Temperatur sich so ändert, dass der Betrieb der Transistoren 10 und 11 stabil ist, d. h. so verläuft, dass mit zunehmender Temperatur die normalerweise positive Emitter-Vorspannung abnimmt und umgekehrt bei abnehmender Temperatur zunimmt.
In der dargestellten Anordnung muss die an der Diode 20 bei einer bestimmten Temperatur entwickelte Spannung gleich dem erforderlichen Vorspannungspotential plus dem Wert der an dem Widerstand 3.1 entstandenen Spannung sein. Wenn der Kreis nicht so aufgebaut. ist, da.ss er für denBetrieb bei hohen Temperaturen eine Vorspannung umgekehrter Polarität liefert, d. h., wenn die Emitterelektrode direkt mit Erde verbunden ist, dann muss die an der Diode 20 bei einer bestimmten Temperatur entwickelte Spannung nur gleich dem erforderlichen Vorspannungspotential sein.
Im dargestellten Kreis ist es wichtig, dass der Durchlasswiderstand der Diode '0 niedrig ist, um eine zu hohe Vor;spannung für einen bestimmten Stromfluss durch den Widerstand 36 zu vermeiden. Die Germaniumdiode liegt in Serie mit Basiselektrode und Emitter- elektrode von jedem der beiden Transistoren 10 und 11. Eine temperaturempfindliche Vorrichtung - i@,ie z. B. ein Therinistor - der normalerweise eine verhältnismässig hohe Impedanz für den Stromkreis. in dein er benutzt wird, darstellt, wäre dafür nicht geeignet.
Eine Germaniuindiode, die beim Durchgang eines Stromes von etwa 2 bis 3 Milliampere einen Spannungsabfall in der
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Grössenordnung von 3/1o Volt bewirkt, bietet eine angemessene Kompensation für Änderungen der Temperatur ohne allzuhohen Verlust am Eingangssignal. Die Diode 20 sollte eine Temperaturcharakteristik besitzen, die der Temperaturcharakteristik des zugehörigen Transistors gleich ist.
So wurde gefunden, dass eine Germaniumdiode (siehe Fig. 1) mit geringem Widerstand in der Durchlassrichtung bei Zusammenarbeit mit Germanium-Flächentransistoren eine Temperaturcharakteristik besitzt, die mit der Charakteristik der Transistoren hinreichend übereinstimmte, um einen stabilen Betrieb über einen weiten Temperaturbereich zu sichern.
Es hat sich allerdings gezeigt, dass für den Fall, dass die Diode von den zugehörigen Transistoren räumlich weit getrennt ist und die Transistoren Leistungstransistoren sind, bei denen im Betrieb starke Wärmeentwicklung auftritt, die Kompensation wohl den Änderungen der Umgebungstemperatur gerecht wird, dass aber für Änderungen der Temperatur des Transistors selbst keine entsprechende Kompensation gegeben ist.
In Fig. 2 ist eine Transistorschaltung gezeigt, bei der die temperaturempfindliche Impedanz 20 mit einem der Transistoren 10 und 11 thermisch gekoppelt ist. Wenn deshalb die Temperatur des Transistors, z. B. eines Leistungstransistors, sich durch verhältnismässig starke Wärmeentwicklung ändert, so tritt eine Temperaturkompensation dadurch ein, dass sich die Temperatur der Diode 20 in gleicher Weise ändert wie die Temperatur des Transistors.
Des weiteren ist die in Fig.2 gezeigte Schaltung so ausgebildet, dass sie eine verzerrungsfreie Verstärkung von Signalen grosser Amplitude ergibt, was wenigstens bis ,jetzt durch die in Fig. 1 dargestellte Schaltung nicht verwirklicht werden kann, da es nicht möglich ist, zu bewirken, dass eine einzige temperaturempfindliche Vorrichtung die für ein solches Ergebnis notwendige Charakteristik aufweist. Bei der Schaltung nach Fig. 1 übersteigen die Signalströme der Transistoren 10 und 11 bei grossen Amplituden den statischen Strom, der durch die Flächendiode 20 fliesst. Wenn jedoch ein Strom in der Sperrichtung durch die Diode erzwungen wird, wird ein Beschneiden der Amplituden bewirkt.
Wenn es möglich wäre, die Flächendiode durch eine temperaturempfindliche Vorrichtung zu ersetzen, . die eine symmetrische Charakteristik für beide Stromrichtungen besitzt, deren Wert niedrig und mit der Temperatur in einer Weise veränderlich ist, die im wesentlichen der Temperaturcharakteristik des Transistors entspricht, mit dem die Vorrichtung zusammenarbeiten soll, würde eine Schaltung der in Fig. 1 veranschaulichten Form eine unverzerrte Verstärkung der Signale mit grosser Amplitude bieten. Da jedoch zur Zeit eine Einzelvorrichtung mit solcher Charakteristik nicht bekannt ist, muss zur Erreichung dieses Ziels eine andere Anordnung benutzt werden.
Die in Fig. 2 veranschaulichte Schaltung bietet die Möglichkeit eines Betriebes mit solcher Charakteristik durch die Verwendung von zwei Flächendioden. In dieser Anordnung ist eine zweite Germaniumdiode 38 mit Polung in umgekehrter Richtung wie die Diode 20 direkt zwischen die Mittelanzapfung 18 und die Verbindungsstelle 32 geschaltet.
Durch die Diode 38 erhalten die Signalströme, die sonst den Strom durch das temperaturgesteuerte Element 20 auf zu hohen Wert würden ansteigen lassen, einen Weg geringer Impedanz durch die zweite Diode 38 zwischen den Basiselektroden und den Emitterelek- troden. Die sonst auftretende Verzerrung wird dadurch vermieden.
Fig.3 zeigt einen Weg, auf dem eine Quelle eines im wesentlichen konstanten Stromes ohne die Notwendigkeit der Verwendung zusätzlicher kostspieliger Bauelemente für die Schaltung erhalten werden kann. Die Leistungsverstärkerstufe mit dem Transistorenpaar 10 und 11 in Gegentaktverstärkerschaltung ist weitgehend gleich den Gegentaktverstärkerkreisen der Fig. 1 und 2.
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Doch ist die Schaltung der Fig. 3 nach der Art eines B-Audio-Verstärkers ausgebildet.
Dementsprechend ist die Sekundärwicklung 22 des Ausgangstransformators direkt mit der Spule 40 des Lautsprechers 47 verbunden.
Um ein Eingangssignal zu erreichen, das genügt, um eine B-Ausgangsstufe zu steuern, ist ein Treiberverstärkerkreis mit einem Flächentransistor 41 vorgesehen, der über einen Eingangstransformator 12 die Endstufe speist. Eine Klemme der Primärwicklung 13 ist mit der Kollektorelektrode 42 und die andere Klemme der Primärwicklung 13 mit einem Filterkreis verbunden, der einen Widerstand 43 und einen Kondensator 44 umfasst, um die notwendige Vorspannung für den Transistor 41 zu liefern.
Der Kreis Emitterelektrode-Kollektor- elektrode für den Transistor 41 enthält einen Widerstand 45, der zwischen der Emitter- elektrode 46 und der Kathode 19 der Diode 20 liegt. Es ist in der Transistorentechnik allgemein bekannt, dass der Kreis der Emitter- elektrode einer Transistorvorrichtung zur Aufrechterhaltung eines konstanten Stromes neigt, wenn der Kreis als Element einen Widerstand, wie z. B. Widerstand 45, enthält. Der Strom, der durch die Diode 20 fliesst, wird infolge dieser Transistoreigenschaft im wesentlichen konstant sein.
Ein Vorspannwiderstand 47 ist zwischen der Basiselektrode 48 und dem Filterkreis 43, 44 eingeschaltet, um die erforderliche Spannung an der Basiselektrode 48 für die Sicherstellung des A-Betriebes des Transistorverstärkers zu erzeugen.
Der Eingangskreis für den Transistor 41 umfasst ein Paar Eingangsklemmen 14, von denen eine mit der Basiselektrode 48 über einen Koppelkondensator 49 und die andere mit Erde verbunden ist.
Mit der angegebenen Anordnung ergab sich, dass der Strom durch die Diode 20 an dieser einen Spannungsabfall erzeugt, der grösser ist als derjenige, der für den B-Betrieb der Transistoren 10 und 11 erforderlich ist. Deswegen ist ein Spannungsteiler mit den Widerständen 50 und 51 parallel zur Diode 20 angeordnet. Der Verbindungspunkt zwischen den Spannungsteilerwiderständen 50 und 51 ist mit dem Mittelanzapfungspunkt 18 der Sekundärwicklung 15 verbunden. Auf diese Weise ist am Spannungsteilerwiderstand 51 eine geeignete Spannung geschaffen, um den Kreisen Basiselektrode-Emitterelektrode der Transistoren 10 und 11 als Vorspannung zu dienen.
Wenn der soeben beschriebene Schaltkreis als Audio-Verstärkerkreis in einer transistorbestückten Radio-Empfangsanlage verwendet wird, so kann durch eine weitere Spamiungsteileranordnung eine temperaturabhängige Vorspannung für den zweiten Detektor der Radio-Empfangsanlage vorgesehen werden. Diese Anordnung hilft Verzerrungen vermeiden, die andernfalls infolge der verschiedenen Charakteristiken des zweiten Transistordetektors auftreten würden, wenn dieser Temperaturänderungen unterworfen ist.
Wenn die Diode 20 benutzt wird, um eine Vorspannung für andere Teile der Radio- Empfangsanlage zu schaffen, kann es notwendig werden, eine zweite Diode 52 parallel mit dem Widerstand 51 des Spannungsteilers zu schalten, um zu verhindern, dass die Spannung an der Kathode 19 Null wird. Wenn der erforderliche Strom für die Basiselektroden 16 und 17, wie oben angegeben, gleich oder grösser ist als der statische Anfangsstrom durch die Diode 20, dann tritt ein Aufheben der Ströme durch die Diode 20 derart ein, dass der Strom durch diese gleich Null wird. Dementsprechend besteht dann kein Spannungsabfall an der Diode 20, und die Kathode 19 befindet sich auf Erdpotential.
Wenn aber eine zweite Diode 52 parallel mit dem Widerstand 51 des Spannungsteilers und mit umgekehrter Durchlass-Richtung wie die Diode 20 angeordnet wird, dann fliesst der Überstrom durch die Diode 52 und die Spannung an der Kathode 19 kann auf einem Wert unter Erdpotential gehalten und für zusätzliche Elemente der Radio-Empfangsanlage als Vorspannung benutzt werden,
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Da sich mit der Temperatur die Impedanz der Diode ändert, ist es besonders wichtig, eine Stromquelle mit im wesentlichen konstantem Strom für die Diode vorzusehen. Ist diese mit einer solchen Stromquelle versehen, dann werden die Spannungsänderungen, die an der Diode durch den durchfliessenden Strom erzeugt werden, einzig von den Temperaturänderungen abhängig sein.
Wenn anderseits aber auch die Grösse des Stromes, der durch die Diode fliesst, auch mit der Temperatur sich ändert, dann wird eine vollständige Temperaturkompensation, wie sie andernfalls mit diesem Kreis mit seinen Vorspannungen weitgehend erreicht wurde, nicht erzielt. Deswegen wird die in Fig. 3 angegebene Anordnung zur Erzeugung eines im wesentlichen konstanten Stromflusses durch die Diode 20 vorgezogen. Dabei ist diese Schaltung besonders günstig, da kein zusätzliches Stromkreiselement zu den sonst schon vorhandenen hinzugefügt werden muss, um diese Bedingung zu schaffen.
Es ist vorzuziehen, die temperaturempfindliche Impedanz so zu wählen, dass sie im wesentlichen die gleiche Charakteristik aufweist wie die Halbleitervorrichtungen, z. B. die Transistoren, mit denen sie verwendet wird. Wenn also - zum mindesten gilt das für den jetzigen Stand der Technik- Transistoren aus Germanium benutzt werden, so wird vorzugsweise die temperaturempfindliche Impedanz auch aus Germanium gewählt. Wenn dagegen der Transistor aus Silizium oder einem andern Halbleitermaterial ist, so sollte die temperaturempfindliche Impedanz aus einem ähnlichen und womöglich aus dem gleichen Material sein.