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Transistorverstärker Die Erfindung betrifft einen Transistorverstärker
mit zumindest zwei gegebenenfalls zu einer Baueinheit konstruktiv zusammengefaßten
Stufen, die galvanisch in der Weise miteinander gekoppelt sind, daß eine Zunahme
des statischen Ausgangsstromes einer Stufe eine Verminderung des statischen Ausgangsstromes
der nachfolgenden Stufen zur Folge hat.
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Die verhältnismäßig hohe und unerwünschte Temperaturabhängigkeit der
Transistoren macht es nötig, bei der Verwendung von Transistoren als Schaltelemente
die Grenzen des Temperaturbereiches, in dem die Schaltung arbeiten soll, grundsätzlich
zu berücksichtigen. Durch Veränderungen der Temperatur wird bei den Transistoren
der Arbeitspunkt verschoben, was unter Umständen so weit gehen kann, daß die ganze
Schaltung thermisch instabil wird, bis sich die Transistoren selbst zerstören (»run
away-effeet«).
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Um den Arbeitspunkt bei einer Veränderung der Kristalltemperatur eines
Transistors zu stabilisieren, ist es bekannt, einen NTC-Widerstand (Heißleiter)
im Basisspannungsteiler vorzusehen. Mit steigender Temperatur sinkt der Wert des
NTC-Widerstandes, so daß die Vorspannung der Basis weniger negativ wird. Damit geht
auch der Kollektorstrom zurück, der infolge der Temperaturerhöhung angestiegen war,
so daß der Temperatureinfluß ausgeglichen wird. Die Voraussetzung für diese erwünschte
Wirkungsweise des NTC-Widerstandes ist natürlich, daß dessen Kennlinie der Temperaturkennlinie
des Transistors entspricht und der Widerstand in unmittelbarer Nähe des Transistors
liegt, damit er auch der gleichen Umgebungstemperatur ausgesetzt ist. Die Kompensation
des Temperatureinflusses auf den Transistor geschieht somit in der Weise, daß zwei
temperaturabhängige Glieder vorgesehen werden, deren Wirkungen sich gegenseitig
aufheben.
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Im Gegensatz zu diesem Stande der Technik geht die Erfindung nicht
von einem einzelnen Transistor aus, dessen Arbeitspunkt gegen Temperatureinflüsse
stabilisiert werden soll, vielmehr bezieht sie sich auf einen Transistorverstärker
mit zumindest zwei gegebenenfalls zu einer Baueinheit konstruktiv zusammengefaßten
Stufen, die galvanisch in der Weise miteinander gekoppelt sind, daß eine Zunahme
des statischen Ausgangsstromes einer Stufe eine Verminderung des statischen Ausgangsstromes
der nachfolgenden Stufen zur Folge hat. Derartige Schaltungen sind in der Verstärkertechnik
in einigen Ausführungsformen üblich. Die gleichstrommäßige Kopplung der Verstärkerstufen
hat den Vorteil, daß praktisch keine untere Grenze der übertragbaren Frequenz gegeben
ist, so daß sich solche Verstärker zur übertragung von Gleichspannungen und Impulsen
eignen. Dazu kommt der geringere Aufwand an Schaltmitteln, was wiederum einen gedrängteren
Aufbau gestattet. Ziel der Erfindung ist es, eine solche Schaltung thermisch zu
stabilisieren. Zu diesem Zwecke sind bei dem Transistorverstärker gemäß der Erfindung
die Transistoren der einzelnen Stufen über wärmeleitende Brücken thermisch miteinander
gekoppelt sowie gegebenenfaHs mit einem Punkt festen Wärinepotentials verbunden.
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Bei dem neuen Verstärker wirkt jede Transistorstufe thermisch in einer
grundsätzlich ähnlichen Weise auf die nachfolgenden Stufen ein, wie es bei dem bekannten
NTC-Widerstand auf den Transistor der Fall ist. Durch die erfindungsgemäße thermische
Kopplung der einzelnen Transistorstufen wird erreicht, daß eine überlastung und
unzulässige Erwärmung (überschreiten der Verlustleistungshyperbel) der Transistoren
sicher vermieden wird. Auf diese Weise kann der Ausgangstransistor gegen Kurzschluß
der Last oder übersteuerung wirkungsvoll geschützt werden. Es ist aber auch möglich,
die Verstärkung in gewissen Grenzen lastabhängig zu machen, denn eine Verringerung
des Lastwiderstandes der letzten Stufe hat beispielsweise eine Erhöhung des Kollektorstromes
und damit der Temperatur zur Folge. Diese Temperaturänderung überträgt sich auf
die anderen Stufen und hat insgesamt eine derartige Verschiebung des Arbeitspunktes
zur Folge, daß die Gesamtverstärkung entsprechend der Laständerung verändert wird.
Um
die Einflüsse der Wärmeilbertragung anpassen zu können, wird der Wärmewiderstand
der Brücken gemäß der Erfindung einstellbar gemacht, beispielsweise durch Wahl verschiedener
Materialien oder durch Veränderung der geometrischen Dimensionen. Zweckmäßig sind
die Brücken aus Stäben, Bändern od. dgl. aus Metall gebildet, deren Enden um den
Mantel des Transistors gelegt bzw. an Teilen des Gehäuses oder am Chassis des Verstärkers
befestigt sind.
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Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind die Stufen
in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht und die wärmeleitenden Brücken durch
direkte wärmeleitende Verbindungen einzelner Kristallzonen untereinander bzw. der
Kristalle und/ oder einzelner Kristallzonen mit einem Punkt festen Wärmepotentials
hergestellt.
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Im besonderen bilden die entsprechend ausgebildeten Zuleitungen zu
den Kristallzonen die erwähnten Brücken bzw. werden Zonen gleichen Potentials an
einen gemeinsamen Punkt festen Wärinepotentials, z. B. an das Gehäuse, angeschlossen.
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Die erfindungsgemäße Anordnung ergibt ein neues Halbleiter-Bauelement,
das praktisch zwei oder mehr Transistorstufen ersetzt und thermisch ohne weitere
Maßnahmen in weiten Grenzen stabil ist.
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Weitere Ausführungsforinen der Erfindung ergeben sich aus der nun
folgenden Beschreibung von Beispielen. In der zugehörigen Zeichnung zeigt Fig.
1 ein Schaltbild und Fig. 2 einen mechanischen Aufbau eines erfindungsgemäßen
Verstärkers, Fig. 3 denselben Verstärker mit erfindungsgemäß ausgebildeten
Wännebrücken und Fig. 4 und 5 je eine erfindungsgemäße Anordnung in stark
schematisierter Darstellung.
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Fig. 1 zeigt zwei über den durch den Arbeitswiderstand
3 und die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors der ersten Stufe gebildeten
Spannungsteiler gekoppelte Transistoren 1 und 2.
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An den Hüllen der Transistoren liegen die mit 4 bezeichneten, schematisch
angedeuteten Enden von Wärmeleitwiderständen 5, 6 und 7, die
symbolisch nach Art von elektrischen Widerständen angedeutet sind. Der Widerstand
6 ermöglicht einen Wärmetransport zwischen den beiden Transistoren, während
die Widerstände 5 und 7 die Wärme von den Transistoren zu den mit
8 und 9 bezeichneten Punkten großer Wärmekapazität, daher relativ
konstanter Temperatur, leiten. Diese Punkte, können z. B. am Chassis oder Gehäuse
des Verstärkers hegen.
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In der Fig. 2 sind mit 10 und 11 zwei Transistoren angedeutet,
die den Transistoren 1 und 2 nach der Fig. 1 entsprechen. Der dort
mit 6 bezeichnete Wärmewiderstand wird von einem metallischen Band
13 gebildet, dessen Enden bei 14 und 15
hülsenartig um den Körper der
Transistoren geschlungen und zweckmäßig festgeklemmt sind, so daß sie Wärme vom
Transistor übernehmen können. Die Widerstände 5 und 7 sind ebenfalls
durch metallische Bänder 16, 17 gebildet, die in gleicher Weise wie das Band
13 mit je einem der beiden Transistoren verbunden sind. Die von den
Transistoren abgewendeten Enden der Bänder 16, 17 sind bei 18 und
19 an das Chassisblech 20 des Verstärkers angeheftet.
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Wie die Fig. 3 zeigt, sind erfmdungsgemäß die Wärmewiderstände
durch die Zuleitungen zu bestimmten Elektroden der Transistoren 1, 2 gebildet,
und zwar durch die Leitungen 5', 7"# die zu den miteinander elektrisch verbundenen
Emittern. führen, bzw. durch die Leitung 6', welche die beiden Emitter verbindet.
Die Wärinewiderstände sind zum besseren Verständnis mit gestrichelten Linien als
Kästchen 5"
bis 7"' eingezeichnet. Wenn man diese Darstellung mit der Schaltung
nach Fig. 1 vergleicht, so findet man sofort, daß wärmetechnisch die gleichen
Verhältnisse vorliegen, obgleich als wärmeleitende Elemente die stromfährenden Leiter
verwendet werden.
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Die in Fig. 3 gezeigte Anordnung, bei der also Elektroden gleichen
Potentials auch wärmetechnisch miteinander verbunden sind, ist die zweckmäßigste
und einfachste, weil sie sich gleichsam innerhalb der Schaltung realisieren läßt.
Selbstverständlich können auch untereinander verschiedene Elektroden, die keine
unmittelbare elektrische Verbindung besitzen, wärmetechnisch miteinander verbunden
sein, wobei dann aber als Wärmekopplung außerhalb der Schaltung befindliche Elemente,
beispielsweise die Stromquelle, wirken müssen.
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Fig. 4 zeigt eine praktische Ausführungsform der Erfindung mit zwei
Flächentransistoren. Ein Gehäuse 9 ist mit einem Sockel 10 versehen.
Zweckmäßig ist das Gehäuse vakuumdicht ausgeführt. Im Innem des Gehäuses befinden
sich zwei Flächentransistoren mit den Basen Bl, B2, den Kollektoren Kl, K2
und den Emittem E" 4. Die dünn gezeichneten Leitungsverbindungen
11 bis 14 entsprechen den normalen Schaltungsverbindungen gemäß Fig.
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und sind aus dem Gehäuse herausgeführt. Die dick gezeichneten Leitungsverbindungen
stellen neben den elektrischen auch die wärmetechnischen Verbindungen dar, und zwar
bildet die Verbindung 15 zwischen den beiden Emittern E" E2 zugleich
die Wärmeverbindung 6' bzw. U, und die Kollektorzuleitungen 12 und
14 stellen die Wärmeverbindungen 5', 7' bzw. 5", 7" dar, die hier
durch einen einzigen Leiter gebildet sind.
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Besteht das Gehäuse 9 aus Metall, so kann es selbst den Punkt
festen Wärmepotentials bilden, und es wird somit der mit entsprechender Wärmeleitfähigkeit
bemessene Leiter 12, 14 unmittelbar an das Gehäuse angeschlossen, welches sodann
natürlich das elektrische Potential der Emitter annimmt. Ist jedoch das Gehäuse
aus Isoliermaterial gefertigt, so ist der Leiter 16 etwa mit dem Apparatechassis
oder sonst einem Körper mit hinreichender Wärinekapazität zu verbinden.
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Verwendet man gezogene Transistoren, so läßt sich die Erfindung etwa
nach Art der Fig. 5 verifizieren. Hier sind wieder das Gehäuse
9 und sein Sockel 10 dargestellt. Im Innem des Gehäuses befindet sich
das Transistorenpaar, wobei sie einen gemeinsamen Emitterblock E"
E, besitzen, an den sich zu beiden Seiten die Basen Bl, B 2 und die Kollektoren
Kl, K.
anschließen. Die Wärmeübertragung zwischen de# beiden Emittem erfolgt
also unmittelbar im Emitterkörper selbst. Dieser bildet also in sich den Widerstand
6 der Fig. 1. Die an die Kollektoren K, und K., angeschlossenen verstärkten
Zuleitungsdrähte 12, 14 repräsentieren dann die Widerstände 5, 7 und sind
wie im vorhergehenden Beispiel mit dem Gehäuse oder einem anderen Punkt festen Wännepotentials
verbunden.
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Zum Abgleich der Wirkung dieser Anordnung kann man nun die Bänder
aus Materialien mit verschiedenen Wärmeleitzahlen anfertigen. Man kann
aber
auch jeden der Widerstände aus mehreren parallelliegenden Bändern fertigen, die
man fallweise zu- oder abschaltet. Ebensogut kann man die Länge der Bänder variieren,
um zum angestrebten Ziel zu gelangen.
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Es versteht sich, daß bei Anordnung mehrerer Verstärkerstufen jede
davon mit der anliegenden in der gleichen Weise verschaltet sein kann; es kann aber
auch die Wärmeleitverbindung unter Auslassung einzelner Stufen durchgeführt werden.