DE2401978A1

DE2401978A1 - Temperaturempfindlicher steuerschalter

Info

Publication number: DE2401978A1
Application number: DE2401978A
Authority: DE
Inventors: Adel Abdel Aziz Ahmed
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Licensing Corp
Priority date: 1973-02-09
Filing date: 1974-01-16
Publication date: 1974-09-05
Also published as: NL7401775A; JPS5429279B2; GB1451285A; DE2401978C2; FR2217865B1; BE810742A; SE389236B; DK140416B; ES422887A1; BR7400940D0; ATA108374A; US3825778A; CA1042531A; DK140416C; FR2217865A1; IT1005315B; AU6525074A; JPS49118478A; AT332141B

Description

7651-73 Dr.ν.Β/Ε
RCA 66,259
US-Ser.No.331,234
Filed: February 9, 1973

RCA Corporation

New York S.Y. ( V.St.A.)

Temperaturempfindlicher Steuerschalter

Die vorliegende Erfindung betrifft einen temperaturempfindlichen Steuerschalter mit einer stromgesteuerten Schaltvorrichtung und einem Temperaturfühler.

Insbesondere betrifft die Erfindung einen temperaturempfindlichen Steuerschalter, der Halbleitergleichrichter zur Wahrnehmung eines Temperaturanstieges enthält und in Verbindung mit lialbleiterelektrodeneinrichtungen oder halbleiterbestückten Geräten zur Abschaltung der Betriebsspannung verwendet v/erden kann, wenn Übertemperaturen auftreten .

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ts sind temperaturerapfindliche Steuerschalter rait einem in Emitterschaltung arbeitenden Verstärkertransistor bekannt, dessen Basiselektrode eine Vorspannung von einem Widerstandsspannungsteiler zugeführt ist, der an einer gut stabilisierten Spannung liegt. Der .Spannungsteiler enthält Widerstände mit gleichen Temperaturkoeffizienten, so daß seine Ausgangsspannung nur v/enig von der Temperatur abhängt. Die Basis-Emitterspannung, die dem Transistor zugeführt werden muß/ um das Fließen eines erheblichen Kollektorstromes zu ermöglichen, nimmt mit zunehmender Temperatur ab. Bei geeigneter Wahl der Ausgangsspannung des Spannungsteilers kann der Kollektorstrom des Transistors vernachlässigbar klein gehalten werden, solange die Temperatur unter einem vorgegebenen Schwellwert liegt und man kann gleichzeitig erreichen, daß der Kollektorstrom dann stark ansteigt, wenn die Temperatur des Transistors über den Schwellwert ansteigt. Der Transistor bildet häufig zusammen mit der durch seinen Kollektorstrom gesteuerten Schaltungsanordnung einen monolithischen integrierten Schaltkreis.

Die oben erwähnten, bekannten Steuerschalter lassen sich in Massenproduktion nur sehr schwer mit geringer Exemplarsteuung der Schwellwerttemperatur herstellen, ohne daß ein Abgleich erforderlich ist. Die stabilisierte Spannung für den Spannungsteiler wird meistens durch eine Zener- oder Lawinendiode erzeugt, deren Durchbruchsspannungen von Einheit zu Einheit in der Praxis erheblich streuen. Auch das Verhältnis der Spannungsteilerwiderstände schwankt von Einheit zu Einheit. Schließlich unterliegt auch die Abhängigkeit des Kollektorstrcmes des Transistors von der Basis-Emitter-Spannung und von der Temperatur einer erheblichen Exemplarstreuung.

In der Praxis streuen die Schwellwerttemperaturen der bekannten Steuerschalter ohne nachträglichen Abgleich

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um 10 Kelvin und ein Mehrfaches davon. Ein eigener Abgleich der einzelnen Einheiten ist höchst unerwünscht, er stellte jedoch bisher die einzige Alternative zu Kompromissen in den anderen Schaltungen hinsichtlich einer Anpassung an den weiten bereich der Schwellwerttemperatur oder für eine Ausscheidung der Einheiten, die nicht in die Toleranzgrenzen fallen, dar.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen temperaturempfindlichen Steuerschalter zu schaffen, der sich mit geringer Streuung der Ansprechtemperatur auch in großen Stückzahlen leicht herstellen läßt, ohne daß ein nachträglicher Abgleich erforderlich wäre.

Diese Aufgabe wird durch einen stromempfindlichen Steuerschalter der eingangs genannten Art gelöst, der gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet ist, daß der Temperaturfühler eine Anzahl von ersten Halbleitergleichrichtern in einer ersten Reihenschaltung, sowie eine Anzahl, die größer ist als die der ersten Gleichrichter, von zweiten Halbleitergleichrichtern in einer zweiten Reihenschaltung enthält; daß eine Priiaärstromquelle, die die Gleichrichter der beiden Reihenschaltungen in Flußrichtung vorspannt, mit einer Parallelschaltung der beiden Reihenschaltungen verbunden ist, wobei das an der ersten Reihenschaltung infolge des sie durchfließenden Teiles des Primärstromes entstehende Potential der zweiten Reihenschaltung zugeführt ist; und daß der Temperaturfühler weiterhin einen Transistor enthält, dessen Basis-Emitter-übergang zu den zweiten Halbleitergleichrichtern gehört und dessen Kollektorelektrode mit der stromgesteuerten Schaltvorrichtung verbunden ist.

Ein Ausführungsbeispiel eines temperaturempfindlichen Steuerschalters gemäß der Erfindung enthält eine Kom-

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bination aus einer ersten ähaltungsanordnung, einer zweiten Schaltungsanordnung un· d einer einen Strom liefernden Einrichtung. Die erste Schaltungsanordnung kann einen im wesentlichen konstanten Strom empfangen und hat eine Spannungs/Temperatur-Kennlinie, bei der die Spannung mit der Temperatur abnimmt. Die zweite Schaltungsanordnung spricht auf die Spannung der ersten Schaltungsanordnung an. Die zweite Schaltungsanordnung enthält eine Einrichtung, die dieselbe Spannungs/Temperatur-Charakteristik hat wie die erste Schaltungsanordnung, wenn sie mit dem gleichen Strom betrieben wird. Die zweite Schaltungsanordnung erhält jedoch einen kleineren Strom als die erste Schaltungsanordnung und sie hat bei diesem kleineren Strom eine Spannungs/Temperatur-Charakteristik, bei der die Spannung mit der Temperatur schneller absinkt als bei der Charakteristik der ersten Schaltungsanordnung. Die stromliefernde Vorrichtung ist mit der zweiten Schaltungsanordnung verbunden und liefert mindestens einen Teil ihres Stromes an die zweite Schaltungsanordnung in Abhängigkeit von den Erfordernissen der zweiten Schaltungsanordnung, während die Temperatur der ersten und zweiten Schaltungsanordnung zusammen ansteigen.

Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine Serien-Parallel-Kombination von Halbleitergleichrichtern verwendet, denen ein diese in Flußrichtung beaufschlagender Strom zugeführt wird. Ein erster Parallelzweig der Kombination, der eine größere Anzahl von Halbleitergleichrichtern als ein zweiter Parallelzweig umfaßt, enthält als einen der in ihm in Reihe geschalteten Gleichrichter den Basis-Emitter-Übergang eines Transistors. Wenn die Temperatur der Serien-Parallel-Kombination über einen Schwellwert ansteigt, zeigt der Kollektorstrorn des Transistors eine ausgeprägte, erhebliche Zunahme. Durch die Erhöhung des Kollektorstromes wird eine stromgesteuerte Schaltvorrichtung zum Ansprechen gebracht.

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Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert; es zeigen:

Fig. 1 ein teilweise in Blockform gehaltenes

Shaltbild eines Ausführungsbeispieles eines temperaturempfindlichen Steuerschalters gemäß der Erfindung;

Fig. 2 und 3 graphische Darstellungen der Betriebskennlinien des Ausführungsbeispieles gemäß Fig. 1, anhand derer Betrachtungen angestellt werden können, die sich auch auf die anderen Ausführungsbeispiele der Erfindung ausdehnen lassen;

Fig. 4 ein Schaltbild eines anderen Ausführungsbeispieles der Erfindung, das eine bevorzugte Ausfuhrungsform zum Abschalten von Steuerströmen von einem im B-Betrieb arbeitenden integrierten Tonfrequenzverstärker beim überschreiten der zulässigen inneren Verlustleistung üar,steilt, und

Fig. 5 und 6 teilweise in Blockform gehaltene Schaltbilder zweier weiterer Ausführungsbeispiele der Erfindung .

Das in Fig. 1 dargestellte Ausführungsbeispiel enthält eine einen Temperaturfühler 10 bildende Einheit mit Transistoren 11, 12 und 13, die durch die gleiche Folge von in der Halbleitertechnik üblichen Verfahrensschritten, z.B. selektives Ätzen und Diffundieren einer monolithischen SiIiciumscheibe in einem integrierten Schaltkreis gebildet sind. Die Betriebstemperaturen der Transistoren 11, 12 und 13 sind im wesentlichen gleich, da sie im integrierten Schaltkreis nahe beieinander angeordnet sind. Die Transistoren 11 und 13 sind jeweils so geschaltet, daß sie nur als Halbleiter-Gleichrichterdiode arbeiten: Die Basis- und Kollektorelektrode sind

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miteinander verbunden und bilden die Anode der Diode, während die Emitterelektrode die Kathode der betreffenden Diode darstellt.

Zwei Klemmen 16 und 17 des Temperaturfühlers 10 siad mit einer Gleichstromquelle 15 verbunden, die eine Reihen-Parallel-Schaltung 14, die die durch den Transistor 11 gebildete Diode in einem ersten Parallelzweig und den Bas is-Emitter-Übergang des Transistors 12 sowie die diesem in Reihe geschaltete, durch den Transistor 13 gebildete Diode in einem zweiten Parallelzweig enthält, in Flußrichtung beaufschlagt.

bei niedrigeren Temperaturen des Temperaturfühlers 10 fließt ein Teil des von der Gleichstromquelle 15 zugeführten Stromes durch den als Diode geschalteten Transistor 11 und erzeugt an diesem dadurch eine Spannung V-.... Die Spannung ν"_βΤ?^ wird der Reihenschaltung aus den Basis-Emitter-Übergängen der Transistoren 12 und 13 zugeführt, an denen dadurch Spannungen bzw. V-J₃ auftreten. Wegen der Reihenschaltung der Kol

lektor-Emitter-Strecken der Transistoren 12 und 13 sind ihre Kollektorströme im wesentlichen gleich. Die Spannungen ^v _BE-j2 und V.,„. _ zur Aufrechterhaltung dieser Kollektors tröme sind daher im wesentlichen gleich und jede ist im wesentlichen gleich der Hälfte von ^ν _ΒΕ1-ι·

Da der Kollektorstrom eines Transistors exponentiell von seiner Basis-Emitterspannung V abhängt, sind die Kollektorströme der Transistoren 12 und 13 um Größenordnungen kleiner als der Kollektorstrom des Transistors 11. Der Anteil des von der Gleichstromquelle 15 gelieferten S-^tromes, der in die Basis des Transistors 12 fließt, ist nicht nur wegen der Stromverstärkung des Transistors 12 klein, er ist auch klein, da der Kollektorstrom des Transistors 12 wegen der niedrigen Basis-Emitterspannung V_ßE12 einen kleinen Wert hat. Bei niedrigen Temperaturen fließt daher nur ein vernachlässigbar kleiner

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Kollektorstrom I über den Transistor 12, eine Klemme 18 und eine stromgesteuerte Schaltvorrichtung 20.

Wenn die Temperatur des Temperaturfühlers 10 erheblich ansteigt, nimmt die Spannung ^vd_E-i-i/ die an dem als Diode geschalteten Transistor 11 durch den im wesentlichen konstanten Strom von der Gleichstromquelle 15 erzeugt wird, ab. Die Abhängigkeit der Spannung V_ßEi1 von der Temperatur in Kelvin ist durch die ausgezogene Linie in Fig. 2 dargestellt.

Mit zunehmender Temperatur nehmen auch sowohl V ■.,, als auch V_ßEi3 ab und ihre Summe ^v _bei2^+vbe13 ^würde schneller abnehmen als V_BEi1r wenn die Kollektorströme der betreffenden Transistoren konstant gehalten werden. Die Abhängigkeit von (V_BE12+V ₁₃) von der Temperatur T bei drei verschiedenen Werten des konstanten Kollektorstromes, die im Verhältnis 1:10:103 stehen, ist in Fig. 2 durch die gestrichelten Linien dargestellt. Der Wert von (V_n^₁-+V_n^₁_) wird jedoch zwangsläufig gleich ^v _BE-|-i gehalten, da die betreffenden Stromzweige einander zwischen den Klemmen 16 und 17 parallelgeschaltet sind. Wenn also die Temperatur ansteigt und der Wert von V-. ₁ absinkt und ν_πτη1 „+V^.-. _o entsprechend langsamer verringert wer-

DiU I ί Ulli ι J

den als es bei konstant gehaltenen Kollektorströmen der Transistoren 12 und 13 der Fall wäre, können diese Kollektorströme nicht konstant bleiben, sie müssen vielmehr zunehmen. Dies entspricht in dem Diagramm der Fig. 2 einer Verschiebung des Arbeitspunktes längs der ausgezogenen Linie nach rechts von z.B. B₁ entsprechend der Temperatur T.. nach B„ bei der Temperatur T₂ und nach B-, bei der Temperatur T₃ und der Kollektorstrom I_c ändert sich dadurch nichtlinear in Abhängigkeit von der Temperatur.

Die beschriebene Arbeitsweise der Schaltungsanordnung läßt sich auch aufgrund der Strom/Spannungs-Kennlinie des Basis-Emitter-Überganges des Transistors 12 erläutern (

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nicht dargestellt). ßei niedrigeren Temperaturen befindet sich der Arbeitspunkt im Bereich hohen Widerstandes der Kennlinie, in dem der Strom nahezu konstant ist. Wenn die Temperatur zunimmt, verschiebt sich die Kennlinie längs der ν_π__,., -Achse nach links, d.h. der Knick der Kennlinie wandert zu niedrigeren werten von V .„. Der Arbeitspunkt verschiebt sich mit zunehmender Temperatur ebenfalls zu einer niedrigeren Spannung entsprechend der ausgezogenen Linie in Fig. 2, jedoch nicht so rasch, wie der Epannungswert, bei dem die Kennlinie den Knick hat. Als Folge davon verschiebt sich der Arbeitspunkt vom Bereich hohen Widerstandes der Kennlinie des Basis-Emitter-Überganges des Transistors 12 in den Knick der Kennlinie und zum Bereich niedrigen "Widerstandes der Kennlinie, indem die Spannung nahezu konstant ist. Die Folge ist ein sehr steiler Anstieg des in den Transistor 12 fließenden Basisstroms bei einer kritischen Temperatur T_c der Sclwellwerttemperatur. Die Schwellwerttemperatur T_c hat sich nun für Temperaturfühler gemäß der Erfindung, die in derselben Produktionscharge hergestellt wurden sowie auch für Temperaturfühler verschiedener Produktionschargen als im wesentlichen konstant erwiesen.

Die oben beschriebene Betriebsweise entspricht dem Erhöhen der Flußvorspannung am Basis-Emitter-Übergang des Transistors 12 bis zu einem Punkt, bei dem ein erheblicher Basisstrom zu fließen beginnt. Bekanntlich hat eine solche Erhöhung der Flußvorspannung einen exponentiellen Anstieg des Kollektorstromes des betreffenden Transistors zur Folge. Die erhöhte Flußvorspannung, die den Basis-Emitter-Übergängen der Transistoren 12 und 13 durch den als Diode geschalteten Tran-SEtor 11 zugeführt wird, bewirkt also einen exponentiellen Anstieg des Kollektorstroms l_c des Transistors 12, wenn die Temperatur des Temperaturfühlers IO und der in ihr enthaltenen Transistoren 11, 12 und 13 über die Schwelltemperatur T_c erwärmt werden.

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— Ο —

Der erhöhte Kollektorstrom I_r ist zwar um Größenordnungen größer als'der Kollektorstrom I^ bei niedrigen Temperaturen, er ist jedoch immer noch klein im Vergleich zu dem von der Gleichstromquelle 15 gelieferten Strom. Der Basistrom des Transistors 12 ist noch um die Vorwärtsstromverstärkung h_f des Transistors 12 in Emitterschaltung kleiner. Der Hauptteil des von der Gleichstromquelle 15 gelieferten Stromes fließt also auch weiterhin durch den als Diode geschalteten Transistor 11.

Der Kollektorstrom I_ des Transistors 12 ist also vernachlässigbar klein, wenn sich der Temperaturfühler 10 auf niedrigen Temperaturen, wie Raumtemperatur, befindet. Wenn die Temperatur des Temperaturfühlers 10 einen Schwellwert überschreitet, steigt I_c, obwohl er immer noch klein ist, um Größenordnungen an. Die Kennlinien hierfür lassen sich graphisch ermitteln, indem man die Kennlinien der Bauelemente in den beiden Parallelzweigen der Reihen-Parallel-S chaltung in bezug aufeinander aufträgt, wie es in Fig. 2 dargestellt ist.

In Fig. 2 bedeutet, wie erwähnt, die ausgezogene Linie die Spannung V_n^., _Λ , also die Basis-Emitter-Of f setspannung des Transistors 11 in Abhängigkeit von der absoluten Temperatur für den Wert des Kollektorstroms, der von der Stromquelle geliefert wird. In Fig. 2 ist ferner in gestrichelten Linien die Summe (^V _BE-|2^+VBE13^ ^^{er Bas}i^s~^Em;"-^tter~Offsetspannungen der in Reihe geschalteten Basis-Emitter-Übergänge der Transistoren 12 und 13 als Funktion der absoluten Temperatur T für drei Kollektorströme I„ des Transistors 12 aufge tragen, die im Verhältnis 1:10:100 zueinander stehen.

Beim absoluten Nullpunkt sind die Basis-Emitter-Spannungen V_ßE aller drei Transistoren 11, 12 und 13 gleich

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-lO-deia Bandlückenpotential V_nT , das für das Halbleitermaterial

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spezifisch ist, aus dem die Transistoren bestehen. Die Neigung der V_,„ /T-Kennlinie eines Transistors nimmt mit ZUnehmenden Kollektorstromwerten ab, seine Basis-Emitter-Gleichspannung V_RF steht in logarithmischer Beziehung zu seinem Kollektorstrom. Diese bekannte Beziehung ist die Basis für die V/T-Kennlinien in Fig. 2.

Infolge der Reihen-Parallel-Schaltung der Transistoren 11, 12 und 13 ist die Basis-Emitter-Spannung V„_ des Transistors 11 zwangsläufig immer gleich der Summe der Basis-Emitter-Spannungen der Transistoren 12 und 13. V_n^₁₁ muß also immer und für jede Temperatur gleich ^vbeio^+vbe13 ^se^ⁿ· Dies bestimmt für jede vorgegebene Temperatur welchen Viert der Kollektorstrom der Transistoren 12 und 13 haben muß, da die (V₀.^.,-+V_n,.,., _o)-Kennlinie für diesen Stromwert (1„) die einzige (V,.^.. -+V₁₅^₁ _) -Kennlinie ist, die die V₀₇₃₁₁ _Λ -Kennlinie

xJJj I Δ JbJi- I J η tu I I

des Transistors 11 für dessen festen Kollektorstromwert bei der vorgegebenen Tenperatur schneidet.

Fig. 3 zeigt qualitativ die Abhängigkeit des Kollektorstroms I_c der Transistoren 12 und 13 in Abhängigkeit von der absoluten Temperatur T in Kelvin. Dieses zweidimensionale Diagramm ist aus einem dreidimensionalen Diagramm ähnlich dem gemäß Fig. 2 gewonnen worden, indem die Spannung, indem man sie immer gleich dem Schnittpunktswert setzte, als Veränderliche eliminiert wurde. Wie aus Fig. 3 ersichtlich ist, steigt der Kollektorstrom I-, des Transistors 12 rasch an, wenn dia Temperatur einen Schwellwert T_n überschreitet.

Die Schwellwerttemperatur T„ hängt in erster Linie von der Bemessung der V -Werte der Transistoren 11, 12 und 13 ab. Das Verhältnis der V₀ -Werte von Transistoren ist einer der am besten definierten Parameter eines integrierten

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Schaltkreises. Eine Änderung des Gleichstromes von der Gleichstromquelle 15 verursacht nur eine prozentual halb so große Änderung des Kollektorstromes des Transistors 12. Noch V7ichtiger is.t, daß der Temperatur schwel lv/ert T„ durch Schwankungen des von der Gleichstromquelle 15 gelieferten Stromes praktisch nicht beeinflußt wird.

Die in Fig. 3 dargestellte Strom/Temperatur-Kennlinie zeigt, daß die ternperaturgesteuerte Schaltvorrichtung 20 so eingerichtet werden kann, daß sie bei einem Stromschwellwert schaltet, der im steilen Teil der Kennlinie liegt. Der Schaltvorgang tritt dann bei allen Temperaturfühlern einer Charge innerhalb eines gut definierten Temperaturbereiches von wenigen Kelvin auf.

Die stromgesteuerte Schaltvorrichtung übt eine Schaltfunktion für ein geschaltetes Gerät 25 aus. Die Schaltvorrichtung 20 kann z.B. die Zufuhr von Betriebsspannungen zu teilen des Gerätes 25 steuern. Das gesteuerte Gerät 25 kann durch eine thermische Kopplung 30 mit dem Wärmefühler 10 verbunden sein, so daß dieser dann einen unzulässigen Temperaturanstieg im Gerät 25 wahrnimmt und dann einen solchen Strom durch die stromgesteuerte Schaltvorrichtung 20 fließen läßt, daß diese vom Normalzustand, in dem sie die Zufuhr von Betriebsspannung zum Gerät 25 gestattet, in den Arbeitszustand umschaltet, indem die Betriebsspannung vom Gerät 25 abgeschaltet ist. Die auf diese Weise bewirkte Abschaltung der Betriebsspannung vom Gerät 25 verhindert eine weitere Wärmeentwicklung.Die Thermostatenwirkung kann zum Schutz von Halbleiterbauelementen im Gerät 25 gegen die schädlichen Folgen einer übermäßigen Verlustleistung verwendet werden. Ein integrierter Schaltkreis, der Schaltungselemente der in Fig. 1 dargestellten Art enthält, die in der beschriebenen Weise verwendet werden, schützt sich selbst

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gegen Überlastung.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 ist der vom Transistor 12 gelieferte Kollektorstrom I klein; wenn die Stromquelle 15 einen Strom von 1 mA liefert, übersteigt er selbst bei Überschreitung der Schwelltemperatur einen Wert von 1 μΑ nicht. Dieser Mangel kann dadurch bis zu einem gewissen Grade behoben werden, daß man die effektiven Flächen der Basis-Emitter-Übergänge der beiden Transistoren 12 und 13 in gleicher Weise bezüglich der des Transistors 11 vergrößert. Hierdurch wird der Kollektorstrom des Transistors 12 gegenüber dem Fall, daß die Transistoren 11, 12 und 13 gleiche Geometrien haben, um einen Faktor vergrößert, der gleich dem Verhältnis der effektiven Fläche des Basis-Emitter-Überganges des Transistors 12 zu der des Transistors 11 ist. Durch diese Maßnahme wird aber auch der Teraperaturschwellwert der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 1 erhöht.

Für viele Anwendungen besteht eine bessere Lösung darin, jedem der beiden Parallelzweige der Reihen-Parallel-Schaltung 14 die gleiche Anzahl von als Diode geschalteten Transistoren hinzuzufügen. Hierdurch wird der Kollektorstrom I_, des Transistors 12 beim überschreiten des Temperaturschwellwertes erhöht und gleichzeitig der Temperaturschwellwert herabgesetzt. In der folgenden Tabelle sind die sich für diese Lösung ergebenden Werte von I aufgeführt, wobei Transistoren

-3 mit gleicher Geometrie und ein Strom von 1 · 10 Ampere von der Gleichstromquelle 15 vorausgesetzt sind.

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-13-Änzahl der Gleichrichter Kollektorstrom (A) bei

im Stromzweig	B	0,1	200 K	der	Temperatur	0,3	(K)
A ,	2	6	10"¹⁵A	300	K	6	400 K
1	3	70	— Q • 10	10	"⁹A	17	• 1O"⁶A
2	4	0,3	• io"⁹	0,1 *	10"⁶	40	• ίο"⁶
3	5		• io"⁹	1 ·	ΙΟ"⁶	90	• io"⁶
4 ,	6	• io~⁶	3 ·	10"⁶	• io~⁶
5		10 ·	10~⁶	• io"⁶

Der Stromzweig A entspricht in Fig. 1 dem linken Parallelstromzweig mit dem Transistor 11; der Stromzweig B in Fug. 1 dem rechten Parallelstromzweig mit den Transistoren 12 und 13.

Die der dritten Zeile der Tabelle entsprechende Konfiguration wird bei einem Wärmefühler 100 verwendet, der bei einem in Fig. 4 dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung enthalten ist. Fig. 4 zeigt das Schaltbild eines integrierten Schaltkreises mit einem Tonfrequenz-Leistungsverstärker 400, der im B-Betrieb arbeitende quasi-komplementäre Endstufen 410 und 420 enthält. Wenn die Endstufen 410 und 420 längere Zeit überlastet v/erden, steigt die Temperatur des den Leistungsverstärker 400 und den Wärmefühler 100 enthaltenden integrierten Schaltkreises an.

Im Falle einer solchen überlastung wird der den Eingangskreisen der Endstufen 410 und 420 zugeführte Steuerstrom durch den vorliegenden temperaturempfindlichen Steuerschalter mittels des erhöhten Kollektorstromes des Transistors 12 des Wärmefühlers 100 begrenzt. Durch die Begrenzung des Steuerstromes werden die Amplituden der von den Endstufen 410 und 420 an eine Ausgangsklemme T^ abge-

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gebenen Ausgangsströme entsprechend verringert. Dies setzt die Verlustleistung in den Endstufen 410 und 420 herab, die die hauptsächliche Quelle für die im Leistungsverstärker entstehende Wärme darstellen, und hält die Temperatur des Leistungsverstärkers 400 innerhalb zulässiger Grenzen. Im folgenden wird die Arbeitsweise des LeistungsVerstärkers genauer beschrieben, um zu zeigen, auf welche Weise der Wärmefühler 100 einen Schutz gegen überlastung bietet.

Dem Leistungsverstärker 400 wird über Klemmen T~ und T^ eine Betriebsspannung B von einer nicht dargestellten 3etriebsSpannungsquelle zugeführt. Eine Klemme T- dient zum Zuführen eines auf die Betriebsspannungsquelle bezogenen Eingangssignals und das dem Eingangssignal entsprechende Ausgangssignal, das ebenfalls auf die Betriebsspannungsquelle bezogen ist, steht an der Klemme T. zur Verfügung. Von der Klemme T₄ gelangt das Eingangssignal zu einem Vorverstärker

430, der den Steuerstrom für die Endstufen 410 und 420 liefert. Der Ruhestrom des Vorverstärkers 430 fließt durch eine Darlington-Schaltung 435 und einen Konstantstrom-Transistor

431. Der die Darlington-Schaltung 435 durchfließende Ruhestrom erzeugt eine Vorspannung, die zu einem wesentlichen Teil die Basis-Emitterspannungen von Transistoren 412, 413 und 421 kompensiert. Hierdurch werden Verzerrungen bei der Stromübernahme zwischen den Endstufen 410 und 420 vermieden.

Die positiven Halbwellen des Steuersignalstromes erhöhen den Basisstrom des Transistors 412, so daß dieser dann über seine Emitterelektrode einen entsprechend erhöhten Basisstrom an den Ausgangstransistor 413 liefert. Die Transistoren 412 und 413 v/erden dadurch also in den Zustand höherer Leitfähigkeit ausgesteuert und liefern die positiven Anteile des Ausgangssignalstromes an die Klemme T-. Die ne-

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gativen Halbwellen des Steuersignalstroms erhöhen den Basisstrom des Transistors 421 und damit dessen Kollektorstrom. Durch diese Erhöhung des Kollektorstroms des Transistors 421 v/ird der Basisstrom eines Transistors 422 erhöht, so daß dieser entsprechend stärker leitet. Der Transistor 422 liefert einen entsprechend erhöhten Basisstrom an einen Transistor 423, der dann ebenfalls stärker leitet. Durch das stärkere Leiten der Transistoren 421, 422 und 423 werden die negativen Anteile des Ausgangssignalstromes an die Klemme T.. geliefert.

Die Emitterkreise der Transistoren 412 und 422 enthalten Widerstandsspannungsteiler 414 bzw. 424, die Basisruhespannungen für Transistoren 415 bzw. 425 erzeugen, welche diese bis nachher an den stromführenden Bereich vorspannen. Wenn den Basiselektroden der Transistoren 415 und 425 Kollektorströme von den Transistoren 441 bzw. 442 zugeführt werden, werden sie in den leitenden Zustand ausgesteuert und bilden Xlemmschaltungen parallel zu den Basis-Emitter-Eingangskreisen der Transistoren 412 bzw. 422, die die sonst diesen Eingangskreisen zugeführten Steuerströme ableiten. Dieser Vorgang bewirkt, wie erwähnt, bei genügendem Kollektorstrom I vom Transistor 12 eine Beschränkung der von den Endstufen 410 und 420 an die Klemme T.. abgegebenen Äusgangsströme.

Durch einen konstanten Strom von einer temperaturkompensierten Stromquelle 450 wird eine Lawinendiode 451 in den Durchbruchsbereich vorgespannt, so daß an ihr eine im wesentlichen konstante Spannung aufrecht erhalten wird. Die Emitterfolgerwirkung eines Transistors 452, dessen Schaltung aus Fig. 4 ersichtlich ist, hält den Emitter dieses Transistors auf einem im wesentlichen konstanten Potential, das um 1 V"_BE bezüglich der an ihm liegenden Spannung versetzt ist, so daß an einem Widerstand 453 ein im wesentlichen konstantes Potential liegt, das einen Strom durch lesen Widerstand

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zur Klemme 16 des Temperaturfühlers 100 fließen läßt. Dieser Strom beträgt bei Zimmertemperatur etwa 1,4 mA; bei 130 ⁰C beträgt er jedoch nur noch etwa 1 mA, da der Widerstandswert des Widerstandes 453 durch die Erwärmung zunimmt.

Dieser Strom fließt auch durch die Emitterelektrode des Transistors 452, dessen Kollektorstrom, vorausgesetzt da+ dieser Transistor eine erhebliche Stromverstärkung h_f in Emitterschaltung hat, im wesentlichen gleich dem Emitterstrom ist. Dieser Strom wird einem als Diode geschalteten Transistor 454 zugeführt und erzeugt an dessen Basis-Emitterübergang eine Spannung V_„, die einen Kollektorstrom im weis .t

sentlichen gleicher Größe wie der der Klemme 16 zugeführte Strom fließen läßt. Die Spannung V „ wird einem mit einem Emitterwiderstand 456 verbundenen Transistor 455 zugeführt und bewirkt, daß dieser einen Kollektorstrom liefert, der ein Bruchteil des KollektorStromes der Transistoren 452 und 454 ist (die Schaltungselemente 454, 455 und 456 können als Stromverstärker mit einem Stromverstärkungsfaktor gleich einem Bruchteil von 1 angesehen werden). Der Kollektorkreis des Transisfcas 455 klemmt die Basiselektrode eines Transistors 443 auf einen Wert nahe der Spannung B+, die an der Klemme T- herrscht, und verhindert das Fließen eines Basisstromes durch diesen Transistor, solange der Kollektorstrom I_c des Transistors 12 sehr klein ist. Der Wärmefühler 1OO enthält in seinem zweiten Parallelstromzweig Halbleiterübergänge, deren Fläche das Dreifache der Fläche der Halbleiterübergänge im ersten Parallelstromzweig beträgt, so daß bei Zimmertemperatur ein Kollektorstrom I_c von etwa 10 bis 20 μΑ fließt. Dieser Kollektorstrom I_c ist kleiner als der Kollektorstrom, den der Transistor 455 ziehen möchte, so daß der Transistor 455 die Basiselektrode des Transistors 443 weiterhin auf einen Viert nahe bei der Spannung B+ festhalten kann.

Oberhalb eines Temperaturschwellwertes von 162 ⁰C 409836/0713

steigt der Kollektorstrom des Transistors 12 mit weiter zunehmender Temperatur exponentiell an; er wird dabei größer als der vom Transistor 455 gelieferte Kollektorstrom und bewirkt, daß Basisstrom vom Transistor 443 gezogen wird. Hierdurch wird der Transistor 443 in den leitenden Zustand ausgesteuert. Der resultierende Smitterstrom des Transistors 443, der um den Faktor 1 zuzüglich seines h^ größer als sein Basis- Emitter-Strom ist, wird von den Basiselektroden der Transistoren 441 und 442 abgezogen, so daß diese Transistoren in den leitenden Zustand ausgesteuert werden. Die Kollektorströme dieser Transistoren werden den Basiselektroden der Transistoren 415 bzw. 425 zugeführt, um diese aufzusteuern. Wie erwähnt, üben die Transistoren 415 und 425 dann im leitenden Zustand eine Klemmwirkung aus und verhindern daß die Transistoren 412 und 422 nennenswerte Basisströme aufnehmen.

Durch Transistoren 444 und 446 in Verbindung mit dein als Diode geschalteten Transistor 454 wird die maximale Auswanderung der Basisspannung des Transistors 443 auf einen Wert im Abstand von 3 V_,„ von der Spannung B+ begrenzt, die an der Klemme T₃ liegt. Die Kollektorströme der Transistoren 441 und 442 können daher durch entsprechende Bemessung eines Emitterwiderstandes 447 auf Werte begrenzt werden, die keine unnötig höhe Verlustleistung in diesem Teil der Schaltungsanordnung ergeben.

Die Spannung V₀₇,, die an dem als Diode geschalteten Transistor 113 abfällt, stellt eine geeignete Gleichspannung zur Vorspannung des Basis-Emitter-Überganges des Transistors 431 dar, um dessen Kollektorelektrode einen konstanten Strom ziehen zu lassen.

Der Transistor 443 wird sehr rasch in den stromführenden Zustand ausgesteuert, wenn der Temperaturschwell-

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wert einirial überschritten ist. Han benötigt sehr wenig Basisstrom, um den Transistor 443, und anschließend die Transistoren 441 und 442 in den stromführenden Zustand auszusteuern. Der konstante Kollektorstrom des Transistors 455 ist viel größer als dieser erforderliche Basisstrom. Der Transistor 12 muß daher diesen kleinen Basisstrom bei einem höheren Kollektorstroiüwert liefern, um dem Kollektorstrom des Transistors 455 entgegenwirken zu können, und der dem Transistor 443 zugeführte Basisstrom stellt die Differenz zwischen den Kollektorströmen der beiden Transistoren 12 und 455 dar, die um einen erheblichen Faktor größer sind. Die Geschwindigkeit, rait der sich diese kleine Differenz in Abhängigkeit von der Temperatur ändert, ist daher um diesen Faktor größer als die Geschwindigkeit der Zunahme des Kollektorstromes des Transistors 12. Die Empfindlichkeit der temperaturabhängigen Steuerung wird dadurch entsprechend erhöht. Der Temperaturschwellwert wird geringfügig nach oben verschoben, jedoch nicht mehr als wenige Grad.

Das in E'ig. 5 dargestellte Ausführungsbeispiel der Erfindung enthält einen Temperaturfühler 500, bei dem die Empfindlichkeit der Temperatursteuerung durch verschiedene Maßnahmen erhöht wird, die eine Herabsetzung des Temperaturschwellwertes mit sich bringen. Beim Wärmefühler 500 gemäß Fig. 5 fehlt der im Wärmefühler 100 der Fig. 4 enthaltend, als Diode geschaltete Transistor 133. An seine Stelle tritt eine einfache Verbindung und ein als Diode geschalteter Transistor 134 ist in die Basiszuleitung des Transistors 12 geschaltet. Man kann also die als Diode geschalteten Transistoren von der Verbindung zwischen dem Emitter des Transistors 12 und Masse in die Basisleitung dieses Transistors versetzen. Hierdurch wird der Strompegel in den versetzten, als Diode geschalteten Transistoren herabgesetzt und die Neigung ihrer V /T-Kennlinie erhöht. Der Temperaturschwellwert, bei

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dem I stark anzusteigen oeginnt, wird dementsprechend herabgesetzt, die Geschwindigkeit, mit der I„ beim Ansteigen der Temperatur über den Temperaturschwellwert zunimmt, wird jedoch größer.

Fig. 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einem Wärmefühler 600, an dessen Ausgangsklemme 18 ein relativ großer Ausgangsstrom zur Verfügung steht. Der Wärmefühler 6OO arbeitet ähnlich wie der in Fig. 4 dargestellte Wärmefühler 100, er benötigt jedoch weniger Fläche auf dem Schaltungsplättchen eines monolithischen integrierten Schaltkreises. Der Transistor 12 ist durch Verbinden von Basis- und Kollektorelektrode als Diode geschaltet und in der Reihenschaltung mit den als Diode geschalteten Transistoren 131, und 133 an anderer Stelle eingefügt, wie Fig. 6 zeigt. Der diese Reihenschaltung durchfließende Strom erzeugt eine charakteristische Spannung V entsprechend der Stromdichte im Basis-Emitter-Übergang des Transistorspl2, dessen Basis-Emitter-Übergang eine um einen gewissen Faktor größere Fläche hat als der des Transistors 612 (Dies kann dadurch erreicht werden, daß man mehrere Transistoren der gleichen Geometrie wie der Transistor 12 unter Bildung des Transistors 612 parallel schaltet). Der Kollektorstrom des Transistors 612 ist daher um diesen Faktor größer als der des Transistors 12.

Die Schaltungselemente 11, 13, 111, 112, 113, 131, 132, 133 und 134 sind vorzugsweise als Diode geschaltete Transistoren, die zugleich durch die gleiche Folge von Verfahrensschritten gebildet worden sind. Hierdurch wird praktisch jeder Einfluß der Temperaturabhängigkeit der Sättigungsströme dieser Bauelemente auf den Temperaturschwellwert ausgeschaltet. Selbstverständlich lassen sich mit zufriedenstellenden Ergebnissen auch andere Richtleiter oder gleichrichtende Schaltungselemente an ihrer Stelle verwenden.

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Claims

-2Ü~

1. .Ternperaturerapfindlichar steuerschalter mit eiuer stromgesteuerten Schaltvorrichtung und einem Temperaturfühler, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperaturfühler (10, 1OO, 5OO, 600) eine Anzahl von ersten Ralbleitergleichrichtern (11; 111, 112, 113) in einer ersten Reihenschaltung sowie eine Anzahl, die größer ist als die der ersten Gleichrichter, von zweiten Halbleitergleichrichtern (12, 13; 12, 131, 132, 133) in einer zweiten Reihenschaltung enthält; daß eine Priraärstromquelle (15; 450, 451, 452, 453), die die Gleichrichter der beiden Reihenschaltungen in Flußrichtung vorspannt/ rait einer Parallelschaltung (14) der beiden Reihenschaltungen verbunden ist, wobei das an der ersten Reihenschaltung infolge des sie durchfließenden Teiles des Primärstromes entstehende Potential der zweiten Reihenschaltung zugeführt ist; und daß der Temperaturfühler einen Transistor (12, 612 ) enthält, dessen Basis-Emitter-Übergang zu den zweiten Kalbleitergleichrichtern gehört und dessen Kollektorelektrode mit der stromgesteuerten Schaltvorrichtung (20) verbunden ist.

2. Steuerschaltung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Hilfsstromquelle (454, 45 5, 456) zum Erzeugen eines Offsetstromes, der einen Bruchteil des von der Primärstromquelle gelieferten Stromes beträgt und der Kollektorelektrode des Transistors (12) zugeführt ist, um bei Temperaturen unterhalb eines Schwellwertes einem Steuerstrom entgegenzuwirken.

3. Steuerschalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der zweiten Halbleitergleichrichter um nicht mehr als eins großenteils die Anzahl der ersten Halbleitergleichrichter.

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4. Steuerschalter nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß dem Basis-Emitter-Üb ergang des Transistors (612) ein weiterer Halbleita^- gleichrichter (12) parallelgeschaltet ist.

5. Steuerschalter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest einer der Halbleitergleichrichter aus der Kollektor-Emitter-Strecke eines Transistors besteht, dessen Basiselektrode mit der Kollektorelektrode verbunden ist.

6. Steuerschalter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärstromquelle eine Gleichspannungsquelle (450,451), ein Widerstandselement (453) und einen Hilfstransistor (452) enthält, der mit seiner Basiselektrode an die Gleichspannungsquelle angeschlossen, mit seiner Emitterelektrode über das Widerstandselement galvanisch mit der Parallelschaltung gekoppelt und an seiner Kollektorelektrode mit Betriebsstrom gespeist ist.

7. Steuerschalter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Kollektorelektrode des Hilfstransistors (452) eine Eingangsklemme eines Stromverstärkers (454, 455, 456) verbunden ist, dessen Ausgangsklemme an die Kollektorelektrode des ersterwähnten Transistors (12) angeschlossen ist.

8. Steuerschalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mit der stromgesteuerten Schaltvorrichtung eine Hilfsstromquelle (454, 455, 456) verbunden ist, um dem Steuerstrom in dessen niedrigem Wertebereich entgegenzuwirken.

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9. Steuerschalter nach einen der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleitergleichrichter und Transistoren des Temperaturfühlers in einem monolithischen integrierten Schaltkreis enthalten sind.

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