Schaltungsanordnung mit mindestens einem Transistor, durch den ein temperaturabhängiger Strom erzeugt wird
Der Einführung von Transistoren sind oft nur durch deren Temperaturabhängigkeit Schranken gesetzt. Die am stärksten temperaturabhängige Grösse ist dabei der Kollektorsättigungsstrom. Er bewirkt zusammen mit den weiteren Elementen einer Schaltung oft unerwünschte Veränderungen der Arbeitspunkte der Transistoren. Zur Stabilisierung des Kollektorstromes werden heute zwei Methoden angewendet.
Die erste ist die Verwendung einer Gleichstrom Gegenkopplung. Sie ist um so wirksamer, je mehr Verlustleistung dafür aufgewendet werden kann.
Die zweite Methode betrifft die Änderung der Vorspannungen, um den Einfluss der Temperaturabhängigkeit der Emitterbasisspannung aufzuheben. Dazu ist eine linear mit der Temperatur abnehmende Spannung erforderlich.
Sie wurde bisher durch den Einbau von Halbleiterwiderständen, Dioden oder der Emitterbasisstrecke eines weiteren Transistors in das Basisnetzwerk in mehr oder weniger guter Näherung hergestellt. Für nichtlineare Schaltungen kann nur diese zweite Methode verwendet werden.
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung, welche einen Transistor enthält, mit Hilfe dessen temperaturabhängiger Strom erzeugt wird. Dieser temperaturabhängige Strom kann z. B. zu Kompensationszwecken nach der oben erwähnten zweiten Methode in einem Transistorverstärker dienen. Da für geringe Temperaturunterschiede schon grosse Spannungsänderungen bewirkt werden, kann eine solche Schaltungsanordnung auch als Temperatur-Mess oder -Regelvorrichtung ausgebildet werden.
In der beiliegenden Zeichnung sind beispielsweise Ausführungsformen der Schaltung nach der Erfindung dargestellt, und zwar zeigt:
Fig. 1 das Prinzipschema einer Schaltung zur Erzeugung eines temperaturabhängigen Stromes,
Fig. 2 Diagramme einiger mit dieser Schaltung erreichbaren Ausgangsspannungen als Funktion der Temperatur,
Fig. 3 das Schaltschema eines temperatur-kompensierten Transistor-Verstärkers,
Fig. 4 das Schaltschema eines temperatur-kompensierten Gleichrichters,
Fig. 5 das Schaltschema eines temperatur-kompensierten Schaltgliedes,
Fig. 6 eine Anordnung zur Messung der Temperatur und
Fig. 7 eine Anordnung zur Regelung von Temperaturen.
Im Prinzipschema von Fig. 1 ist ein Transistor 1 dargestellt mit einem Kollektor 2, einer Basis 3 und einem Emitter 4. Am Transistor ist ferner eine temperaturabhängige Widerstandskombination 5, ein Widerstand 6 und zwei Batterien 7 und 8 angeschaltet.
Die Batterie 7 legt die Vorspannung der Basis 3 gegen Erde 9 fest. Die Batterie 8 liegt zwischen Erde 9 und dem Kollektorwiderstand 6.
Besteht die Widerstandskombination 5 nur aus einem üblichen temperaturabhängigen Halbleiterwiderstand, dann kann deren Widerstand durch die folgende Beziehung dargestellt werden:
EMI1.1
In diesem Falle kann gezeigt werden, dass der Kollektorstrom in der Schaltung von Fig. 1 mit guter Genauigkeit in einem grossen Temperaturbereich eine lineare Funktion der Temperatur wird. Die Steilheit des entstehenden Spannungsverlaufes als Funktion der Temperatur kann z. B. durch die Serieschaltung eines konstanten Widerstandes zum Haibleiterwiderstand geändert werden. Die Lage der Geraden kann durch die Spannung der Batterie 7 eingestellt werden, ohne deren Steilheit stark zu beeinflussen. Drei in dieser Schaltung gemessene Kennlinien der Spannung U2 zwischen dem Kollektor 2 und der Erde 9 in Abhängigkeit von der Temperatur sind in Fig. 2 eingezeichnet.
Die Kurve 10 kann beispielsweise mit folgenden Werten der Schaltelemente erhalten werden: Transistor 1: OC 604 Emitterwiderstand 5: Serieschaltung von 250 9 mit einem Halbleiterwiderstand, der bei 200 C den Wider stand 1000 9 hat Kollektorwiderstand 6: 40 k9 Batterie 7: 1,65 V Batterie 8: 24 V
Die Kurve 11 entspricht einer durch einen weiteren Seriewiderstand vergrösserten Emitterimpedanz 5, während für die Kurve 12 der Seriewiderstand geringer gewählt wurde. Die Spannung der Batterie 7 wurde derart eingestellt, dass die Kollektorspannung in allen drei Fällen bei 209 gleich gross war.
Als temperaturabhängige Grösse kann selbstverständlich auch beispielsweise der Kollektorstrom anstelle der Kollektorspannung verwendet werden.
Weiter ist es möglich, durch kompliziertere Widerstandskombinationen als Emitterimpedanz 5 oder Widerstandskombinationen mit temperaturabhängigen Widerständen, anstelle des Kollektorwiderstandes 6 andere Zusammenhänge zwischen der Kollektorspannung und der Temperatur herzustellen. Anstelle der in der beiliegenden Zeichnung angegebenen pnp Transistoren können auch npn-Transistoren und Halbleiterverstärker mit mehr als drei Anschlüssen verwendet werden.
Eine beispielsweise Schaltung eines temperaturstabilisierten Transistorverstärkers ist in Fig. 3 abgebildet. Darin wird eine temperaturabhängige Spannung mittels der Schaltung von Fig. 1 erzeugt und in die Basis-Kreise der einzelnen Transistoren über die Widerstände 14 und die gemeinsame Speiseleitung 15 eingeführt, die direkt mit dem Kollektor des Transistors 1 verbunden ist. Zur Vermeidung einer unerwünschten gegenseitigen Beeinflussung der einzelnen Stufen ist die Leitung 15 mit Hilfe eines Kondensators 16 wechselstrommässig geerdet. Diese Anordnung erlaubt besonders in Schaltungen mit mehreren Transistoren eine Einsparung an Elementen und an Batterieleistung, da die eine Kompensationsschaltung den Stromverbrauch und Materialaufwand der Stabilisierungsschaltungen aller einzelnen Transistoren ersetzt.
Die in Fig. 1 dargestellte Schaltung eignet sich ganz besonders zur Stabilisierung von nichtlinearen Transistorschaltungen. Fig. 4 zeigt als weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung einen temperaturkompensierten Gleichrichter, der einen als Gleichrichter wirkenden Transistor 17, einen Arbeitswiderstand 18 und eine Kapazität 19 enthält. Der Arbeitspunkt des Transistors 17 wird durch den Spannungsteiler mit den Widerständen 20 und 21 bestimmt. Da der genannte Spannungsteiler vom Kollektor einer Schaltung nach Fig. 1 gespiesen wird, kann die Emitterbasisspannung des Transistors 17 derart geregelt werden, dass der im Widerstand 18 fliessende Kollektorstrom des Transistors 17 für gleiche Signalverhältnisse gleich und temperaturunabhängig bleibt.
In ähnlicher Weise ist die als Schalter wirkende Anordnung von Fig. 5 ausgebildet. Der Transistor 22 schaltet auf Grund einer zwischen den Klemmen 23 und 24 angelegten Steuerspannung die Last 25 ein oder aus, das heisst, der Transistor 22 ist entweder gesättigt und sehr niederohmig in der Emitter-Kollek- torstrecke oder gesperrt und sehr hochohmig. Durch die Anwendung der Schaltung von Fig. 1 zusammen mit einem Spannungsteiler mit den Widerständen 26 und 27 wird das Potential der Klemme 23 der Umgebungstemperatur entsprechend gesteuert. Dadurch ist es möglich, unabhängig von der Temperatur stets mit der gleichen Grösse der Steuerspannung an den Klemmen 23 und 24 den Schalter zu betreiben.
Die Temperaturempfindlichkeit der Schaltung von Fig. 1 kann leicht in die Grössenordnung von 1 V pro o C gebracht werden. Damit eignet sie sich gut für Temperaturmessungen. Als Ableseinstrumente können normale Volt- oder Milliamperemeter verwendet werden, die entweder auf Grund der Kollektorspannung oder des Kollektorstromes eine Temperaturanzeige vermitteln. Da die Messwertübertragung rein elektrisch ist, kann die Ablesung an einem von der Messstelle entfernten Ort erfolgen. Normale Ubermitt- lungsmethoden und auch Registriergeräte lassen sich ohne weiteres verwenden.
Eine beispielsweise Anordnung ist in Fig. 6 dargestellt. Darin wurde die Schaltung von Fig. 1 auf den Messort und den Ableseort derart verteilt, dass der Transistor 1 und die Emitterimpedanz 5 am Messort und die restlichen Schaltelemente am Ableseort aufgestellt sind. Als zusätzliches Element kommt noch beispielsweise ein Voltmeter 28 dazu.
Die Anordnung von Fig. 6 kann durch weitere Elemente zu einem thermischen Regelkreis erweitert werden. Dazu wird beispielsweise nach Fig. 7 eine Regeleinrichtung 29 derart eingebaut, dass sie auf Grund des von der Schaltung nach Fig. 1 gelieferten Signals eine thermische Einheit 30 steuern kann.
Die Einheit 30 kann beispielsweise dazu vorgesehen sein, Wärme oder Kälte zu erzeugen, oder irgendein zu ähnlichen Zwecken dienendes Medium bewegen.
Circuit arrangement with at least one transistor through which a temperature-dependent current is generated
The introduction of transistors is often only limited by their temperature dependence. The most temperature-dependent variable is the collector saturation current. Together with the other elements of a circuit, it often causes undesirable changes in the operating points of the transistors. Two methods are used today to stabilize the collector current.
The first is to use DC negative feedback. It is all the more effective, the more power loss can be expended on it.
The second method involves changing the bias voltages to cancel the influence of the temperature dependence of the emitter base voltage. This requires a voltage that decreases linearly with temperature.
Up to now, it has been produced in a more or less good approximation by installing semiconductor resistors, diodes or the emitter base path of a further transistor in the base network. Only this second method can be used for non-linear circuits.
The invention relates to a circuit arrangement which contains a transistor with the aid of which temperature-dependent current is generated. This temperature-dependent current can, for. B. serve for compensation purposes according to the above-mentioned second method in a transistor amplifier. Since large voltage changes are already brought about for small temperature differences, such a circuit arrangement can also be designed as a temperature measuring or regulating device.
In the accompanying drawing, for example, embodiments of the circuit according to the invention are shown, namely:
1 shows the basic diagram of a circuit for generating a temperature-dependent current,
2 diagrams of some of the output voltages that can be achieved with this circuit as a function of temperature,
3 shows the circuit diagram of a temperature-compensated transistor amplifier,
4 shows the circuit diagram of a temperature-compensated rectifier,
5 shows the circuit diagram of a temperature-compensated switching element,
Fig. 6 shows an arrangement for measuring the temperature and
7 shows an arrangement for regulating temperatures.
In the schematic diagram of FIG. 1, a transistor 1 is shown with a collector 2, a base 3 and an emitter 4. A temperature-dependent resistor combination 5, a resistor 6 and two batteries 7 and 8 are also connected to the transistor.
The battery 7 sets the bias voltage of the base 3 against earth 9. The battery 8 lies between earth 9 and the collector resistor 6.
If the resistor combination 5 consists only of a common temperature-dependent semiconductor resistor, then its resistance can be represented by the following relationship:
EMI1.1
In this case it can be shown that the collector current in the circuit of FIG. 1 becomes a linear function of the temperature with good accuracy over a large temperature range. The steepness of the resulting voltage curve as a function of temperature can e.g. B. can be changed by the series connection of a constant resistor to the semiconductor resistance. The position of the straight line can be adjusted by the voltage of the battery 7 without significantly influencing its steepness. Three characteristic curves, measured in this circuit, of the voltage U2 between the collector 2 and the earth 9 as a function of the temperature are shown in FIG.
The curve 10 can be obtained, for example, with the following values of the switching elements: Transistor 1: OC 604 emitter resistor 5: Series connection of 250 9 with a semiconductor resistor, which at 200 C was the resistance 1000 9 collector resistance 6: 40 k9 battery 7: 1.65 V battery 8: 24 V
The curve 11 corresponds to an emitter impedance 5 increased by a further series resistance, while the series resistance was selected to be lower for the curve 12. The voltage of the battery 7 was set in such a way that the collector voltage at 209 was the same in all three cases.
The collector current, for example, can of course also be used instead of the collector voltage as a temperature-dependent variable.
It is also possible, instead of the collector resistor 6, to produce other relationships between the collector voltage and the temperature by using more complicated resistor combinations than emitter impedance 5 or resistor combinations with temperature-dependent resistors. Instead of the pnp transistors indicated in the accompanying drawing, npn transistors and semiconductor amplifiers with more than three connections can also be used.
An example circuit of a temperature-stabilized transistor amplifier is shown in FIG. A temperature-dependent voltage is generated therein by means of the circuit of FIG. 1 and introduced into the base circles of the individual transistors via the resistors 14 and the common feed line 15, which is connected directly to the collector of the transistor 1. In order to avoid an undesired mutual influencing of the individual stages, the line 15 is earthed with the aid of a capacitor 16 in terms of alternating current. This arrangement allows savings in terms of elements and battery power, particularly in circuits with a plurality of transistors, since the one compensation circuit replaces the power consumption and material costs of the stabilization circuits of all individual transistors.
The circuit shown in FIG. 1 is particularly suitable for stabilizing non-linear transistor circuits. As a further exemplary embodiment of the invention, FIG. 4 shows a temperature-compensated rectifier which contains a transistor 17 acting as a rectifier, a load resistor 18 and a capacitor 19. The operating point of the transistor 17 is determined by the voltage divider with the resistors 20 and 21. Since the mentioned voltage divider is fed by the collector of a circuit according to FIG. 1, the emitter base voltage of transistor 17 can be regulated in such a way that the collector current of transistor 17 flowing in resistor 18 remains the same and independent of temperature for the same signal ratios.
The arrangement of FIG. 5 acting as a switch is designed in a similar manner. The transistor 22 switches the load 25 on or off based on a control voltage applied between the terminals 23 and 24, that is, the transistor 22 is either saturated and very low-resistance in the emitter-collector path or blocked and very high-resistance. By using the circuit of Fig. 1 together with a voltage divider with resistors 26 and 27, the potential of terminal 23 is controlled according to the ambient temperature. This makes it possible to always operate the switch with the same control voltage at terminals 23 and 24, regardless of the temperature.
The temperature sensitivity of the circuit of FIG. 1 can easily be brought into the order of magnitude of 1 V per oC. This makes it ideal for temperature measurements. Normal voltmeters or milliammeters can be used as reading instruments, which provide a temperature display either based on the collector voltage or the collector current. Since the measured value transmission is purely electrical, the reading can be made at a location remote from the measuring point. Normal transmission methods and also recording devices can easily be used.
An example of an arrangement is shown in FIG. The circuit of FIG. 1 has been distributed to the measuring location and the reading location in such a way that the transistor 1 and the emitter impedance 5 are set up at the measuring location and the remaining switching elements are set up at the reading location. A voltmeter 28, for example, is added as an additional element.
The arrangement of FIG. 6 can be expanded to form a thermal control circuit by further elements. For this purpose, for example according to FIG. 7, a control device 29 is installed in such a way that it can control a thermal unit 30 on the basis of the signal supplied by the circuit according to FIG.
The unit 30 can be provided, for example, to generate heat or cold, or to move any medium serving for similar purposes.