-
Konstantstromquelle -Die Erfindung betrifft eine Konstantstromquelle,
vorzugsweise in integrierter Schaltkreisausführung.
-
Konstantstromquellen haben eine vielseitige Verwendung und dienen
häufig dem Zweck, einen konstanten Strom durch einen Lastwiderstand aufrechtzuerhalten,
wenn sich z.B. die angelegte Spannung bzw. der Widerstandswert ändern. Derartige
Konstantstromquellen werden z.B. für Operationsverstärker benötigt. Eine bekannte
Konstantstromquelle besteht aus einem Widerstand in Serie zu dem Lastwiderstand
und der konstanten opannungsquelle. Dieser Widerstand ist verhältnismässig hoch
verglichen mit den zu erwartenden Änderungen des Lastwiderstandes. Somit ergibt
sich eine verhältnismässig geringe Geiamtänderung des ',liders-tandswert;es für
den sich ändernden Lastwiderstand in Serie zu dem hohen :liderstandswert. Da die
angelegte Spannung konstant oder nahezu konstant ist1 ergibt sich auch
auch
ein konstanter Strom durch den Lastwiderstand, obwohl sich der Lastwiderstand selbst
verhältnismässig stark ändert. Es sind auch andere Konstantstromqhellen bekannt,
die Transistoren und Widerstände verwenden. Derartige Schaltungen sind jedoch sehr
schwer auf einem Halbleiterplättchen unterzubringen, da sie eine Vielzahl von Widerständen
mit hohen Widerstandswerten benötigen.
-
Dies bereitet Schwierigkeiten, da auf einem Halbleiterplättchen der
für Widerstände benötigte Oberflächenbereich verhältnismässig gross ist und somit
sehr grosse Widerstandswerte kaum zu verwirklichen sind.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Konstantstromquelle
zu schaffen, die in integrierter Schaltkreistechnik ausführbar ist und nur Transistoren
und Dioden sowie im wesentlichen nur einen einzigen Widerstand auf dem Halbleiterplättchen
benötigt. Diese Konstantstromquelle soll derart aufgebaut sein, dass sie nur einen
sehr kleinen Oberflächenbereich auf einem Halbleiterplättchen ausfüllt und somit
zusammen nit weiteren Stufen auf einem Halbleiterplättchen untergebracht werden
kann.
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass der Stromfluss
auf zwei Strompfaden erfolgt, wobei das Verhältnis des Stromes über den ersten Strompfad
zum Strom über den zweiten Strompfad grösser als eins ist, dass der eine Strompfad
über die Kollektor-Emitterstrecke eines Transistors und der zweite Strompfad über
eine zu einem Widerstand in Serie geschaltete Diode verläuft, dass die Basis des
Transistors mit einem Schaltkreispunkt des zweiten Strompfads verbunden ist, und
dass Einrichtungen vorhanden sind, um die beiden Strompfade parallel zu schalten,
so dass beim Anlegen der Versorgungsspannung an die parallel geschalteten Strompfade
ein konstanter Strom in jedem der Strom pfade und über einen Lastwiderstand fliesst,
der in Serie zu den parallel geschalteten Strompfaden liegt.
-
Weitere
Weitere Merkmale und vorteile der Erfindung
sind Gegenstand von Unteransprüchen.
-
Die Erfindung ist besonders vorteilhaft beim einer Schaltung für eine
Honstantstromquelle verwirklicht, die zwei parallellaufende Strompfade nfasst. Dabei
liegt eine oder eine Vielzahl parallel geschalteter Dioden in Serie zu der Hauptelektrode
eines Transistors in dem ersten Strompfad und ein Transistor in Serie zu einer Diode
und zu einem kleinen Einstellwiderstand im zweiten Strompfad. Die Basis des Transistors
im zweiten Strompfad ist mit der Kathode der Diode im ersten Strompfad erbunden,
wogegen die Anode der Diode im zweiten Stromes mit der Basis des Transistors im
ersten Strompfad verbunden ist. Jenn ein Strom über den ersten Strompfad fliesst
und grösser ist als der Strom im zweiten Strompfad-, dann fliesst über beide Strompfade
ein paralleler Strom, wobei die Summe derselben nahezu konstant und der Betrag durch
den Einstellwiderstand einstellbar ist. Um einen konstanten Stromfluss zu bewirken,
ist ein weiterer Transistor in jedem der beiden Strompfade vorgesehen, wobei die
Basis dieses weiteren Transistors Jeweils mit einem Schaltkreispunkt des anderen
Strompfades verbunden ist. Daraus ergibt sich eine Konstantstromquelle. mit sehr
hoher Konstanz, die auf einem integrierten Schaltkreisplattchen unter Benötigung
eines sehr geringen Flächenbedarfes herstellbar ist.
-
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung gehen aus der nachfolgenden
Beschreibung eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Ansprüchen und der
aus einer Figur bestehenden Zeichnung hervor die eine Konstantstromquelle darstellt.
-
Gemäss der Zeichnung ist die gesamte Konstantstromquelle einschliesslich
eines Teils der Startschaltung auf einem integrierten Halbleiterplättchen dargestellt,
das durch die gestrichelten Linien 10 angedeutet ist. Eine Spannungsquelle 12 ist
ist
einerseits an die Klemme 1 und andererseits über einen Lastwiderstand 20 an die
Klemme 14 der Konstantstromquelle 16 angeschlossen. Der Lastwiderstand 20 kann bezüglich
seines Widerstandawertes veränderlich sein. Obwohl die Spannung der Spannungs quelle
12 oder der Widerstand sowohl des Lastwiderstandes 20 als auch eines weiteren T,iderstandes
48 veränderlich sein können, ist der durch den Lastwiderstand 20 und d-en Jiderstand
4Q fliessende Strom, wie er durch die Fonstantstromquelle 16 bestimmt wird, im wesentlichen
konstant. Auf dem Halbleiterplättchen 10 ist eine Mehrzahl von PNP-Transistoren,
im vorliegenden halle drei Transistoren 22, 24 und 26, vorgesehen, deren Emitter
mit der Klemme 14 verbunden sind. Die Basen der Transistoren 22, 24 und 26 sind
zusammengeschaltet und an den Kollektor der Transistoren 22 und 24 angeschlossen.
-
Dadurch werden die Transistoren 22 und 24 als Dioden geschaltet, von
denen die Emitter die Anodenseite darstellen. Die Kathoden der Dioden 22 und 24,
d. h. die mit den Kollektoren kurzgeschlossenen Basen, sind an den Emitter eines
weiteren PIi ransistors 2 angeschlossen, dessen Basis mit dem Kollektor des Transistors
26 in Verbindung steht. Der Kollektor des Transistors 28 liegt am Kollektor eines
IEPN-Transistors 30, dessen Emitter mit der Ausgangsklemme 14 in Verbindung steht.
-
Die Konstantstromquelle 16 umfasst ferner einen NPN-Transistor 32,
dessen Kollektor mit dem Kollektor des Transistors 26, dessen Basis mit dem Kollektor
des Transistors 2 und dessen Emitter mit dem Kollektor eines NPN-Transistors 34
verbunden sind. Die Basis und der Kollektor des Transistors 34 sind kurzgeschlossen,
so dass dieser ebenfalls als Diode wirksam ist, wobei die kurzgeschlossene Kollektorbasisstrecke
als Anode wirkt. Diese Anode der Diode 34 ist mit der Basis des Transistors 30 verbunden,
wogegen die Kathode der Diode 34 über einen Widerstand 36 bestimmter Grösse mit
der Ausgangsklemme 18 in Verbindung steht. Der Widerstand 36 ist als veränderbarer
änderbarer
Widerstand dargestellt, obwohl er auf dem Halbleiterplättchen ausgebildet ist und
daher eine festliegende Grösse hat. Die Veränderbarkeit des Widerstandes ist deshalb
dargestellt, da seine Grösse den Betrag des Stromflusses steuert, der entsprechend
der nachfolgenden Erläuterung von der Konstantstromquelle 16 geliefert wird. Dieser
Widerstand 36 besitzt einen genügend kleinen Widerstandswert, so dass er auf dem
Halbleiterplättchen ausgeführt werden kann, ohne einen übermässig grossen Flächenanteil
zu benötigen.
-
Die Konstantstromquelle 16 benötigt eine Startschaltung 40, die einen
Widerstand 42 umfasst, der einerseits mit der Spannungsquelle 12 und andererseits
mit der Anode einer Diode 43 verbunden ist. Diese Anode 43 liegt in Serie zu einer
Anode 44 an der Klemme 13. Mit der Anodenseite der Diode 43 ist ferner die Anodenseite
einer Diode 45 verbunden, deren Kathodenseite an der Basis des Transistors 32 liegt.
Wie aus der Darstellung hervorgeht, ist der Widerstand 42, der in einer Mega-Ohm-Grössenordnung
liegen kann, nicht auf dem Halbleiterplättchen angeordnet, da aufgrund seines hohen
Widerstandswertes ein zu grosser Flächenbereich benötigt würde.
-
enn die Spannungsquelle 12 und die Lastwiderstände 20 und 492 an die
Konstantstromquelle 16 angeschlossen werden, fliesst ohne die Startschaltung 40
kein Strom. Dies ergibt sich aufgrund der Tatsache, dass für die Transistoren 26
und 30 kein Basisstromanschluss vorhanden ist. Wenn an die Startschaltung 40 eine
Spannung angelegt wird, fliesst ein Strom über den Widerstand 42 und die beiden
Dioden 43 und 44. Da aufgrund des Schaltungsaufbaus die Startschaltung 40 immer
parallel zur Spannungsquelle liegt, fliesst auch über diesen Zweig kontinuierlich
ein Strom. Um diesen Strom verhältnismässig niedrig zu halten, ist der tiiderstandswert
des Widerstandes 42 verhältnismässig hoch. Am Verbindungspunkt der Anoden der beiden
Dioden 43 und 45 ergibt sich bei der nicht stromführenden Konstantstromuelle
EonsUantstronquelle
16 ein Spannungswert, der sich entsprechend dem Spannungs abfall an den beiden Diodenstrecken
der Dioden 43 und 44 einstellt, und um den entsprechenden Wert über dem ST)an nungswert
der Anschlussklemme 18 liegt. Aufgrund dieser Tatsache fliesst ein Strom über die
Diode 45 und die Basis-Emitterstrecke des Transistors 32 sowie die Diode 34, welche
die Schaltung in Betrieb setzt. Die Spannung an der Diode 45 entspricht einem Diodenspannungsabfall,
d. h. der Differenz zwischen dem Spannungsabfall an den Dioden 43 und 44 sowie dem
Spannungsabfall an der Basis-Einitterstrecke des Transistors 32 plus dem Spannungsabfall
an der Diode 34, wodurch der Strom durch die Diode 45 verringert wird, nachdem der
Transistor 32 und die Diode 34 leitend sind. Der leitende Transistor 32 bewirkt
einen Basisstromweg für den Transistor 26 über den Transistor 28, wodurch der Transistor
26 leitend wird. Der Transistor 28 ist leitend aufgrund des Basisstroms, der über
den Transistor 32 zufliesst. Der Transistor 30 wird eingeschaltet aufgrund des Basisstroms
über die Diode 34, die ursprünglich von der Startschaltung 40 eingeschaltet wurde.
Der leitende Transistor 30 liefert einen Kollektorstrom für den Transistor 23, womit
die zwei Hau?tstromwege geschlossen sind.
-
Jenen die Konstantstromquelle eingeschaltet ist, ergibt sich die Uirkungsweise
aus nachfolgender Erläuterung. Bekanntlich lässt sich der Kollektorstrom durch einen
Transistor durch die nachfolgende Gleichung beschreiben:
wobei e, all, al2, q und k Konstanten sind, / der Spannungsabfall zwischen der Basis
und dem Emitter eines Transistors, T die absolute Temperatur, und VOB die Spannung
an der Basis-Kollektorstrecke des Transistors. In dieser Gleichung ist der zweite
Ausdruck verhältnismässig klein im Vergleich zum ersten Ausdruck
ausdruck
und wird konstant, wenn der Spannungsabfall VOB konstant ist. Es soll zunächst davon
ausgegangen werden, dass der zweite Teil der Gleichung vernachlässigt werden kann.
Die Dioden 22, 24 und 34 werden aus Transistoren durch Kurzschliessen ihrer Basis-Kollektorstrecke
hergestellt, so dass diese Formel auch für die Dioden 22 und 24 gilt. Da die Transistoren
und Dioden von derselben Art sind, können sie nahezu gleichförmig ausgeführt werden,
wodurch die Konstanten all und a12 einander gleich sind. Unter Verwendung von /1
für den Transistor 30 und 62 für die Diode 34 ist das Verhältnis des durch den Transistor
30 und die Diode 34 fliessenden Stromes gleich der nachfolgenden Gleichung:
Entsprechend dem Kirchoff'schen Gesetz ist der Spannungsabfall in der Schleife aus
der Basis-Emitterstrecke des Transistors 30, dem Widerstand 38 und der Emitter-Basisstrecke
des ilnransistors 34 gleich Null, wobei l - 2 = RI2 ist und R der Widerstandswert
des ~liderstandes 36 darstellt. Durch Substitution der Gleichung (2) ergibt sich
folgende Gleichung:
Vernachlässigt man zunächst die Transistoren 23 und 32 und nimmt man an, dass die
Kathoden der Dioden 22 und 24 direkt mit dem Kollektor des Transistors 30 verbunden
und der Kollektor des Transistors 26 direkt mit der Anode der Diode 34 verbunden
sind, ergibt sich, dass I1, welches der Strom durch die Dioden 22 und 24 ist, und
da die Transistoren 22, 24 und 26 nahezu identisch sind, gleich dem zweifachen Wert
des Stromes I2 ist, der nur von einem Transistor, und zwar dem Transistor
Transistor
26, geliefert wird.
-
iJenn man diese Voraussetzungen in die Gleichung (3) einsetzt, erhält
man:
die umgeschrieben lautet: rn ffT kT = ln 2, oder 12 = ln 2, und II + I2 = 3kT ln
2 (5) qR Bei einer konstanten Temperatur ist T sowie k und q konstant, so dass sich
der Strom I1 und der Strom Ig getrennt sowie der der Lastlzugeführte Strom, der
gleich 11 + 12 ist, nur von R abhängt. Die Basisströme der Transistoren 30 und 34
können vernachlässigt werden, da Transistoren mit einem hohen-Wert Verwendung finden,
und da derartige Transistoren einen niederen Basisstrom führen. Für einen verwertbaren
Ausgangsstrom ergibt sich ein Widerstand R, der niedrig genug ist, und bei etwa
15kOhm liegt, um auf einem Halbleiterplättchen ausgeführt werden zu können.
-
Der Gleichungsbestandteil
der auch als Basismodulationsanteil bezeichnet wird, wurde bei der vorausstehenden
Überlegung vernachlässigt, da man davon ausging, dass der Spannungsabfall an den
verschiedenen Transistoren konstant ist. Bei starken Änderungen der Spannung an
den Transistoren, z.B. bei einer Änderung der Versorgungsspannung, wird dieser Ausdruck
jedoch wichtig. Die Transistoren 28 und
28 und 32 dienen dem Zweck,
den Einfluss dieses Basismodulationsanteils zu verringern, wodurch die veränderliche
Spannungsqllelle 12 der Last 20 einen konstanten Strom aufgrund der Konstantstromquelle
16 zuführt. Die Basis-Emitterstrecke des Transistors 32 liegt parallel zur Kollektor-Basisstrecke
des Transistors 30, wodurch sich die Spannung an der Basis-Eollelttorstrec're des
lInansistors 30 nicht ändern kann, da die Spannung an der Basis-mitters trecke eines
Transistors nahezu konstant ist. Die parallel zur Basis-Eolle'Ktorstrecke des Transistors
26 liegende Basis-Emitterstrecke des Transistors 28 hat denselben Einfluss auf die
Basismodulation des Transistors 26. Daher wird eine konstante Spannung an die Basis-Eollektorstrecke
der Transistoren 26 und 30 angelegt. Eine Spannungsänderung der Spannungsquelle
12 kann den Strom über diese Basis-Kollektorstrecke nicht beeinflussen, wodurch
der Basismodulationseffekt an den Transistoren 26 und 30 überwunden wird.
-
Die Verbindung der beiden Transistoren 28 und 30 miteinander ist derart,
dass der Basisstrom des Transistors 28 zur Diode 34 und der Basisstrom des Transistors
32 zum Transistor 30 fliesst, wodurch der Basisstrom der Transistoren 28 und 32
den Stromfluss durch die Transistoren 30 und 34 nicht wesentlich beeinflusst.
-
Die beiden als Diode geschalteten Transistoren 22 und 24 liegen parallel
zueinander und verursachen einen unterschiedlichen Stromfluss durch den Transistor
30 im Vergleich zur Diode 34, d.h. das Verhältnis dieser Ströme ist im wesentlichen
2:1. Dieses Verhältnis muss jedoch nicht 2:1 sein, sondern es genügt, wenn es grösser
als 1 ist. Dies ergibt sich aus der Gleichung (5), wo der lbogarithmus dieses Verhältnisses
auftritt,und aus der Tatsache, dass der Logarithmus aus 1 = 0 ist. Wenn der Strom
I1 kleiner als der Strom I2 wäre, würde in der Gleichung (4) der Logarithmus aus
einem Bruchteil auftreten. Da jedoch der natürliche Logarithmus eines Bruchteils
zu
zu einer negativen Zahl führt, würde in diesem Fall die Schaltung
nicht arbeiten.
-
Der Strom I1, der wie bemerkt grösser sein muss als der Strom 12,
kann auch von einem Transistor und nicht von den beiden parallel und als Diode geschalteten
Transistoren 22 und 24 geliefert werden, jedoch muss der Emitter genügend gross
sein, um den gewünschten Strom zuzulassen. Da der Emitter durch die Diodenschaltung
eines Transistors bereichsmässig vergrössert wird, wird auch der durch die Diode
fliessende Strom grösser.
-
Der in der Schaltung vorgesehene NPT-Transistor 46 ist mit seiner
Basis an die Basis des Transistors 50 angeschlossen und liegt mit seinem Emitter
an der Klemme 18, 5 während der Kollektor über den Lastwiderstand 43, der als vlXänderlicher
Widerstand ausgeführt sein kann, an die Klemme/angeschlossen ist. Wenn die Bereiche
für die Transistoren 30 und 46 gleich und ihre-Werte gross sind, ergibt sich aufgrund
des niederen Basisstromes ein konstanter Strom durch den Transistor 30, so dass
der Transistor 46 als konstante Stromquelle wirkt und damit der Strom durch den
Lastwiderstand 48 konstant ist. Obwohl der Transistor 46 und der Lastwiderstand
48 ausserhalb des Halbleiterplättchens 10 dargestellt sind, ist es selbstverständlich,
dass beide Komponenten auch auf dem Halbleiter -plättchen untergebracht werden können.
Es kann auch wünschenswert sein, den Lastwiderstand 43 und den Transistor 46 oder
den Lastwiderstand 20 wegzulassen.
-
Der Einfluss einer Temperaturänderung auf die Konstanz des Stromes
wird in der beschriebenen Konstantstromquelle wesentlich verringert, da nur gegenüber
bekannten Schaltungen ein einziger Widerstand Verwendung findet. Dieser Einfluss
ergibt sich aus der Tatsache, dass jeder Widerstand einzeln durch seine ihm eigene
Temperaturabhängigkeit zu der Temperaturabhängigkeit einer Schaltung beiträgt.
-
Auch
Auch bei einer Schaltung für die Konstantstromquelle,
die bezüglich der Darstellung umgekehrt an die Spannungsquelle angeschlossen ist,
ergeben sich bei entsprechender Änderung der entsprechenden Komponenten die gleichen
Verhältnisse.
-
Patentansprüehe