DE2437427A1

DE2437427A1 - Konstantstromquelle mit temperaturkompensation

Info

Publication number: DE2437427A1
Application number: DE2437427A
Authority: DE
Inventors: Steven Alan Steckler
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1973-08-03
Filing date: 1974-08-02
Publication date: 1975-02-20
Also published as: AU7185374A; DE2437427B2; SE398928B; NL7410073A; FR2239719B1; SE7409647L; DE2437427C3; US3886435A; JPS5044454A; JPS5310257B2; FR2239719A1; KR790001971B1; GB1472988A; IT1014836B; CA1034200A

Description

7697 - 74- -es/So

RCA 66, 684

.J.S. Serial No: $85,271 9Δ37

■■lied: August 3, 1973

ROA Corporation New York, :. Y., V. St.v.A.

Honstantstromquelle mit Temperaturkompensation'

Die /rfindung bezieht sich auf Konstantstromquellen und "betrifft speziell eine temeraturkompensierte Konstantstromquelle.

Bei der Verwendung integrierter i'ransistorschaltungen auf zahlreichen "ebieten muß berücksichtigt werden, daß viele Betriebsparameter des Transistors wie beispielsweise dessen .'ollektorstrom von der Temperatur abhängen.. Das Problem dieser Temperaturempfindlichkeit der Betriebsparameter wird besonders groß, wenn solche integrierte Schaltungen in "feindlichen" Umgebungen relativ weiten Temperaturschwankungen unterworfen sind oder wenn eine große Anzahl integrierter Schaltungen verhältnismässig dicht beieinander beirieben werden, so daß eine wirksame Kühlung bestimmte Elemente der integrierten Schaltungen verhindert wird. Unter solchen Umständen bilden integrierte ochaltungsanordnungen, de eine Temperaturkompensation zur Erzielung relativ temperaturunabhängiger Kannlinien bewirken, für den Konstrukteur eine große Hilfe.

Gegenstand der vorliegenden "3rfind\mg ist ein Stromregler, der einen im wesentlichen konstanten Strom liefert und eine

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- 2 BAD ORIGINAL

Quelle für eine temperaturabhängige Spannung aufweist, die derjenigen Spannung proportional ist, welche an einem in leitendem Zustand befindlichen PN-^albleiterübergang abfällt. .Oer erfindungsgemäße Stromregler enthält ferner einen parallel su der ternpeatur ab hängigen Spannungsquelle geschalteten ersten ohmschen .iderstand, um einen Strom au ziehen, der gleich ist der am Widerstand abfallenden Spannung geteilt durch seinen Widerstandsv/ert. Parallel zur temperaturabhängigen Spannungsquelle und zum ersten V/iderstand liegt eine Serienschaltung aus einem P -FaIbleiterübergang und einen zweiten ohmschen /iderstand. Die Spannung an dieser Serienschaltung ist daher gleich der Spannung an der temperaturabhängigen Spannungsquelle. Der Strom in der besagten Serienschaltung hat dadurch einen 'Temperaturkoeffizienten, der proportional dem Negativen des Temperaturkoeffizienten des Stroms im ersten Widerstand, daß so der letztgenannte Temperaturkoeffizient über einen wesentlichen Bereich von Betriebstemperaturen im wesentlichen kompensiert wird.

Zu näheren Erläuterung der Erfindung werden nachstehend verschiedene Ausführungsbeispiele anhand von Zeichnungen Geschrieben.

."'igur 1 zeigt teilweise in Blockform und teilweise als Detailschaltbild eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen temperaturkompensierten Stromreglers;

x^r'igur 2 zeigt das Schaltbild einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemässen temperaturkompensieifcen tromregiers;

Figur 3 zeigt das Schaltbild einer dritten Ausführungsform eines erfindungsgemässen temperaturkompensierten Stromreglers.

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BAD OnSGINAL

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In der ersten Ausführungsform nach Figuri ist eine Spannungsquelle 8 vorgesehen, deren gelieferte Spannung gleich ist der Spannung V^-p an einen in Durchlaßrichtung vorgespannten Basis-Emitter-Halbleiterübergang. Die positive Klemme der Spannungsquelle 8 ist über einen Widerstand 29 mit dem Punkt G verbunden. Die negative Klemme der V^-p-Spannungsquelle 8 liegt am Punkt G. dine Diode .26 ist mit ihrer Anode an die positive Klemme· der Spannungsquelle 8 und mit ihrer Kathode an das eine Ende eines Widerstands 35 angeschlossen. Das andere Ende des Widerstands 35 ist Eait cLem Punkt G verbunden. Ferner ist eine Lastschaltung 60 vorgesehen, die einen Strom benötigt, der sich über einen beträchtlichen Bereich von Betriebstemperaturen praktisch nicht mit der Temperatur ändert. Die Lastschaltung 60 liegt in Reihe zwischen einer Versorgungsspannung B+ und dem gemeinsamen Anschluß der Anode der Diode 26, der positiven Klemme der V-p-rp-Spannungsquelle 8 und des einen Endes des Widerstands 29.

Bei der in Figur 1 gezeigten Ausführungsform der Erfindung ist die von der V^-Quelle gelieferte Spannung gekennzeichnet durch die Spannung an einem in "; der Durchlaßrichtung gespannten Basis-Emitter-Halbleiterübergang. Diese Spannung V-Q-p, nimmt mit wachsender Temperatur ab, und zwar nach folgender Funktion

'be - *go y '. T₀ ι ^T *BEo

Hierbei ist V_BE die Spannung am Basis-Emitter-Übergang; V

ist die Spannung an dieser Übergangszone beim absoluten Nullpunkt; V-g-πγ-, ist die Spannung an der Übergangszone bei der Bezugstemperatur T₀; η ist eine Konstante, die sich nach

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der jeweiligen Konstruktion des Elements richtet (typischerweise 1,5 für einen doppelt-diffundierten Siliziumtransistor) ; k/q ist eine physikalische Konstante mit einem wert von etwa 8,66 χ 10 ^J V/ C; T ist die Temperatur der ubergangszone; I ist der Kollektorstrom bei der Temperatur T (gemessen in Grad Kelvin); I ist der Kollektorstrom bei der Temperatur T^ (in Trad Kelvin) und bei der Basis-Emitter-Spannung V^™; In bezeichnet den natürlichen Logarithmus des nachgestellten Klammerausdrucks. Hinsichtlich der Ableitung und der Anwendungen der oben stehenden Formel sei als Beispiel verwiesen auf die Veröffentlichungen "An Exact Expression for the Thermal Variation of the Emitter-Base Voltage of Bipolar Transistors" von E.J. Widlar in Froc. IEEE (Letters), 3and 55> Seiten 96 bis 97? Januar 1967, und "Silicon Transistor Biasing for Linear Collector Current Temperature Dependence" von J.S. Brugler in IEEE Journal of Solid State Circuits (correspondence), Band SC-2, Kr. 2, Seiten 57 bis 58, Juni 1967, und die in diesen Veröffentlichungen genannten Literaturangaben.

Wenn sich die Spannung an der V^-p-Quelle 8 ändert, dann muß sich auch der an den Widerstand 29 gelieferte Strom ändern, so daß_v die Spannung an der V-n-p-Quelle 8 gleich ist dem Produkt des Widerstandswerts des Widerstands 29 mit dem durch den Widerstand 29 fließenden Strom. Eine Untersuchung des vorstehenden Ausdrucks zeigt also, daß sich der Strom durch den Widerstand 29 direkt mit der Spannung an der V-n-rn-Quelle 8 ändert.

Die oben stehende Gleichung zeigt ferner, daß sich die Spannung an der V^-Quelle 8 umgekehrt mit der Temperatur der Basis-Emitter-Übergangszone ändert (die letzten beiden Ausdrücke in der Gleichung sind relativ klein im Vergleich zu den die Größen V _Λ und Vt,™ enthaltenden Ausdrücken der

gO UCU

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Gleichung, wie es in der oben an erster Stelle genannten Veröffentlichung gezeigt ist'¹.

'.de Spannung an der Anoden-Kathoden-Übergangszone der Diode 26 wird durch dieselbe Gleichung bestimmt wie die. Spannung an der V^-Quelle 8. 'venn die Temperatur ansteigt, dann nimmt also auch die Spannung an der Anoden-Kathoden-Übergangszone der Diode 26 und somit auch der effektive Widerstand der Serienschaltung aus der Diode 26 und den Widerstand 35 ab.

Es besteht der Wunsch, den durch die Lastimpedanz 50 fließenden Strom im wesentlichen unabhängig von der '!'emperatur zu machen, und zwar für einen ziemlich großen Bereich von Betriebstemperaturen. Die temperaturbedingte Änderung des Stroms, der von der Serienschaltung aus der Diode 26 und dem Widerstand 35 gezogen wird, soll daher gleich sein dem negativen Wert der temperaturbedingsn Änderung des durch den Widerstand 29 fließenden Stroms.

Xn einer Gleichung, die das gegenseitige Verhältnis der . Widerstände 29 und 35 angibt, ist folgendes einzubeziehen:

a) die mathematische Ableitung der vorstehenden Gleichung für 7_RTr nach der Temperatur;

b) die Tatsache, daß die Spannung an der V-n-g-Quelle 8 annähernd gleich ist dem Strom durch die Lastimpedanz minus dem Strom durch die Diode 26, geteilt durch den ■. ert des Widerstands 29;

c) die emperatur, um welche herum die Kompensation stattfinden soll (im vorliegenden Fall sei hierzu die Raum-Temperatur von 25 ⁰G oder 298 ⁰K genommen);

509808/0848 "^ö

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- ο

d) die Modengleichung, welche die Beziehung der Spannung V-p-p an einem in mrchlaßr-ichturig gespannten PN-HaIbleiterübergang zum Sättigungsstrom I dieses Übergangs angibt:

I₁₁ o

. (worin alle anderen Symbole die gleiche Bedeutung wie in der weiter oben stehenden Gleichung für 7.~,p haben);

e) der Umstand, daß die mathematische Ableitung des durch die Lastimpedanz 60 fließenden Stroms nach der Temperatur den Wert O ergeben soll.

Beispielsweise läßt sich für doppelt-cliffundierte Siliziumelemente mit Halbleiter-L.oergangszone bei Raumtemperatur der Wert für V-g-g · (gemäß der ersten Gleichung) zu annähernd 0,7 Volt angeben. Oie mathematische Ableitung der Basis-Emitter-Spannung Y.Q,-, nach der Temperatur beträgt etwa -2 Millivolt pro G oder K bei Siliziumelementen.

'enn man voraussetzt, daß die Sättigungsströme für die V-pp-Cpannungsquelle 8 und die Diode 26 gleich sind, läßt sich aus der Gleichung, welche die Beziehung zwischen dem Sättigungsstrom und der Spannung am in urchlaßrichtung gespannten Basis-.3mitt er-übergang angiot, die Spannung am .iiderstand 35 folgendermaßen herleiten:

^ 35 - ψ In /ige

I ¹D 261

v/obei I.-,,, der effektive iodenstrorn der V-^-Quelle 8 ist.

ÖO -DXj

Die mathematische Ableitung dieses Ausdrucks nach der Temperatur ergibt folgendes:

509808/0848 " ⁷ "

ßAD ORIGINAL

In

Wenn man für den Ausdruck Ιπη/Ιη og ^De:*- Raumtemperatur . den Z'ahlenwert 4- wählt,, dann ergibt sich für den oben stehenden DiferentialquOtienten u-V_O _Xr/ d T ■ ein Wert

-4 n^ von annähernd 1,-2 χ 10 Volt/ C. Der Konstrukteur der Schaltung kann natürlich auch irgendeinen anderen Wert für das Stromverhältnis Ion/I-n og bei Raumtemperatur wählen, ge nach den speziellen Erfordernissen, Da die Spannungsänderung am Widerstand 35 nach der Temperatur geteilt durch den Wert des Widerstands 35 gleich ist dem Negativen der Spannungsänderung am Basis-Emitter-Übergang des Transistors 22 nach der Temperatur geteilt durch den Wert des Widerstands 29 und die letztgenannte Spannungsänderung oben zu etwa -2 Millivolt pro ⁰G definiert wurde, ' beträgt das Verhältnis des Werts des .Widerstands 29 zum Wert des Widerstands 35 annähernd 16,6. Andere Kenngrößen der Schätung wie z.B. die zwischen die Klemmen B+ und G gelegte Spannung und der gewünschte Strom inder Lastimpedanz 60 geben die Maximal- und Minimalwerte der Widerstände selbst vor. Wenn man diese Überlegungen einbezieht, lassen sich für die Widerstände Werte finden, um gute Ergebnisse über den gewählten Temperaturbereich zu erzielen.

In der Figur 2 ist eine zweite. Ausführungsform der Erfindung dargestellt, bei welcher von einer positiven Spannungsquelle B+ eine Versorgungsgleichspannung über den Punkt G an jeweils das eine Ende dreier Widerstände 10, 11 und 12 gelegt wird.

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Das andere Ende des Widerstands 10 ist mit dem Emitter eines Transistors 14 verbunden. Das andere Ende des Wider standes 11 ist mit der Basis eines Transistors 15 verbunden. Die Kollektoren und Basen der Transistoren

14 und 15 and beide mit der Basis des Transistors 2$ und mit dem Emitter eines Transistors 21 verbunden. Die beschriebenen Verbindungen der Transistoren 14 und 15 stellen nur eine von vielen möglichen Anordnungen zur Bildung einer Diode dar, deren Anode der Folektor-Basis-Verbindung des Transistors entspricht, und deren Kathode durch den Emitter des Transistors dargestellt wird. ^Mie Transistoren 14 und

15 können vom"einen oder anderen leitfähigkeitstyp sein, da sie lediglich als Dioden wirken. Wenn sie vom andren Leitfähigkeitstyp sind, bilden ihre Emitter die Anoden der Dioden, während ihre zusammengekoppelten Kollektor- und Basisanschlüsse die Kathoden darstellen.

Die Basis des Transistors 21 ist mit dem Kollektor des Transistors 23 verbunden. Dieser Verbindungspunkt bildet die Eingangsklemme D eines Stromreglers. Der Kollektor des Transistors 21, d.h. der Punkt A," stellt eine Ausgangsklemme des Stromreglers dar.

Der Punkt D ist mit dem Kollektor eines Transistors 24 verbunden. Der Punkt A ist über eine Klemme A¹ mit der Basis des Transistors 24 und dem Kollektor eines Transistors verbunden. Der Emitter des Transistors 24 liegt an der Basis des Transistors 22 und an einem Ende eines Stromüberwachungswiderstands 29. Der Emitter des Transistors 22 und das andere Ende des Widerstands 29 sind mit demPunkt G verbunden. Die mit den Transistoren 22 und 24 und dem Widerstand 29 gebildete Anordnung umfaßt eine V-n-p-Q^uell^e * welche einen Steuerstrom zum Stromregler liefert, und einen Stromweg für dessen Ausgangsstrom über den Punkt G.

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Der Kollektor eines Transistors 25 ist mit dem gemeinsamen Anschluß der Basis des Transistors 22, des Emitters des Transistors 24- und des Widerstands 29 "verbunden. Die Basis des Transistors 25 ist ebenfalls mit diesem gemeinsamen Anschluß verbunden. Der Emitter des Transistors 25 ist über einen V/iderstand 35 mit dem Punkt G verbunden. Man erkennt, daß der Transistor 25 in der Schaltung nach Figur 2 die gleiche Aufgabe erfüllt, wie die Diode 26 in der Ausführungsform nach Figur 1.

Der Transistor 25 und der V/ider stand 35 stellen in der Anordnung nach Figur 2 diejenigen Elemente dar, die den mit positivem Temperaturkoeffizienten behafteten Steuerstrom für den Stromregler liefern. Durch Addition dieses Stroms mit dem von der V^^-Quelle gelieferten Steuerstrom, der einen negativen Temperaturkoeffizienten hat, weil die Spannung ^VBE ^^es ^Traiisis'^t;ors 22 bei ansteigender Temperatur abnimmt, wird als Resultat ein im wesentlichen temperaturabhängiger Eingangsstrom für den Stromregler erhalten.

An der Gleichspannungs-Versorgungsquelle liegt ferner der Kollektor eines Anlaßtransistors 50, dessen Emitter mit dem Punkt A verbunden ist. Es ist nicht notwendig, die 'Basis des Transistors 50 in der Schaltung anzuschließen, da die alleinige Funktion dieses Transistors darin besteht, einen Kollektor-Emitter-Leckstrom zum Anlassen der Schaltung zu liefern. Je nach der Art der verwendeten Transistoren können auch andere, Leck&röme in der Schaltung dazu ausreichen, die Schaltung in Gang zu setzen. In diesem Fall kann der Transistor 50 fortgelassen werden.

• Nach"dem durch einen geeigneten Kollektor-Emitter-Leckstrom des Anlaßtransistors 50 der Transistor 24· zu Beginn in den

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leitenden Zustand versetzt worden ist, ändert sich der Kollektorstrom des Transistors 24 annähernd so wie die Spannung V_1n-, des Transistors 22 geteilt durch den Wert

OJ-J

des .Widerstands 29.

In der Schaltungsanordnung nach 7igur 2 bilden die Elemente 10, 11, 12, 14, 15, 21 und 23 eine Spielart eines Stromreglertyps, der als "Strom-Repeater" bekannt ist. Ein"Strom-Repeater" ist ein Stromverstärker, bei welchem das Verhältris des an einer Eingangsklemme ( D) zugeführten Eingangsstroms zu dem an eine Ausgangsklemme ( A) gelie-.ferten resultierenden Ausgangsstrom im wesentlichen konstant ist, so daß der Ausgangsstrom gleich ist dem Produkt des Eingangsstroms mit einer konstanten Verhältniszahl. Die Verhältniszahl kann einfach dadurch geändert v/erden, daß man die Anzahl von Reihenschaltungen aus Dioden und Widerständen, die parallel zueinander zwischen die "ersorgungsspannungsklemme und die Basis des Transistors 23 geschaltet sind, ändert. Die Verhältniszahl laßt sich auch dadurch ändern, daß man das Verhältnis der Basis-Emitter-Übergangsflächen eines oder mehrerer als Dioden verwendeter Transistoren (Elemente 14 und 15 in der vorlegenden Schaltung) bezüglich der Basis-Emitter-Übergangsfläche des Transistors ändert, mit dessen Jasis-Emitter-Kreis dieses Elemente parallel geschaltet sind.

Bei dem dargestellten Stromverstärker bildet der vom Emitter des Transistors 23 kommende Strom den Eingangsäa?om, während der vom Kollektor des Transistors 21 (d.h. von der Ausgangsklemme des Stromverstärkers) kommende Strom, der aus der Gleichspannungsquelle B+ über die Widerstände 10 und 11 und die als Diode geschalteten Transistoren 14 und 15 herangeführt wird, den Ausgangsstrom darstellt. Das Verhältnis des Eingangsstroms zum Ausgangsstrom beträgt 1:2,

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vorausgesetzt, daß die Basis-Emitter-Übergangsflächen und die Diffusionsspannungsprofile der Transistoren 14, 15 und 23 einander gleich sind. Dies kommt daher, daß unter statischen Bedingungen der in Durchlaßrichtung gespannte Basis-Emitter-Übergang des Transistors 23 und die in Durchlaßrichtung gespannten Dioden-Transistoren 14 und 15 (die mit dem Transistor23 faktisch gleich sind) jeweils mit den gleich großen Widerständen 10, 11 und für die Gleichspannungsquelle B+ drei Stromwege mit jeweils praktisch gleicher Impedanz darstellen. Die Widerstände 10, 11 und 12 sind eingefügt, um irgendwelche Unterschiede, die sich bei der Eerstellüng in den !lementen 14, 15 und 23 ergeben können, auszugleichen. Die Widerstände können in der vorliegenden Ausführungsform unter Umständen auch fortgelassen werden. In den drei von der Gleichspannungsquelle kommenden parallelen Stromwegen fließen im wesentlichen gleiche Ströme. Die in den Dioden 14 und fließenden Ströme fließen durch den Kollektor des Transistors 21, während der Kollektor des Transistors 23 einen Strom führt, der im wesentlichen gleich groß mit dem Strombeitrag der Diode 14 oder der Diode 15 ist. Bei dieser Betrachtung wurden die Basisströme ignoriert, da äe um einige Größenordnungen kleiner als die in ;.':ede Gehenden Kollektorströme sind.

Die in Figur 2 dargestellte Anadnung aus den Transistoren 22 und 24 und dem Widerstand 29 umfassen eine V-g-g-Spannungsquelle. Die Arbeitsweise dieser Schaltung folgt einem bekannten Prinzip, 2um leichteren Verständnis der Erfindung sei sie jedoch hier noch einmal erläutert.

Der Transistor 22 ist in Emitterschaltung angeordnet. Wenn am Punkt C das Betriebspotential B+ angelegt wird, dann stellt sich ein Gleichgewichtszustand ein, bei welchen am Basis-Emitter-Übergang des Transistors 22 eine mittlere

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Spannung von 1 V₁₂Tp in urchlaßrichtung erscheint. Diese mittlere »Spannung beträgt etwa 0,7 Volt für ein Siliziumelernent bei Raumtemperatur von 25 0. Oer infolge dieser mittleren Spannung vom Transistor 22 geleitete Kollektorstrom stellt die Leitfähigkeit des Transistors 24 ein, der an den ."idex'starid 29 einen Strom zur Aufrechterhaltung dieser Spannung V-_Tp liefert.

Wenn die Spannung am iderstand 29 die Tendenz zeigt, unter diesen V/ert Y„_i? abzusinken (beispielsweise wenn die Eollektorspannung des Transistors 24 abnimmt), dann wird der Transistor 22 weniger durchlässig. Dies führt dazu, daß die Spannung an der Basis des Transistors 24 (d.h. am Punkt A ) ansteigt, wodurch die Leitfähigkeit des Transistors 24 höher wird, so daß die Basis des Transistors 22 mehr Spannung erhält, um die Spannung V_x,-r, aufrecht zu erhalten. Sollte die Spannung an der Basis des Transistors 22 dazu neigen, wesentlich über den Gleichgewichtswert anzusteigen, dann wird der Transistor 22 mehr durchlässig, wodurch sich die Basisspannung des Transistors 24 und somit dessen Leitfähigkeit vermindert. Dies wiederum bringt die Basisspannung des Transistors 22 zurück auf ihren Gleichgewicltewert. -

Diese Arbeitsweise führt dazu, daß ein im wesentlichen konstanter Strom durch den Widerstand 29 und somit auch durch die ""ollektor-Emitter-Strecken der beiden Transistoren 22 und 24 fließt, selbst wenn sich die Betriebsspannung B+ wesentlich ändert. Voraussetzung dazu ist allerdings, daß die Temperatur praktisch konstant bleibt. Wenn sich die Temperatur jedoch ändert, dann wird der Betrieb der Schaltung gestört, falls man keine Maßnahmen zur kompensation trifft.

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Wenn die Temperatur des 'Jransistors 22 von irgendeinemwillkürlich festgesetzten Bezugswert ΐ abweicht, dann ändert sich die j3asis-nimitter--''orwärtsspannung entsprechend der oben angegebenen Formel für ¥-.-,„.

Wenn sich die Basis- :mitter-Spannung des Transistors 22 ändert, dann muß sich auch der- zum Widerstand 24 gelieferte Strom ändern, a die Gesamtheit dieses Stroms im Kollektor des 'Transistors 24 fließt, besteht der iinxlu/j des Transistors 22 darin," den Follektorstrom des Transistors 24 umgekehrt mit dor Temperatur au ändern.

Um diesen Effekt zu kompensieren und sichel¹ zu stellen, daß über die Eingangsklemme des Stromverstärkers D und somit auch über die Vusgangsklemme A des Stromverstärkers ein konstanter Strom nach !'lasse gezogen wird, ist die Basis des Transistors 25 mit dem Fühiwiderstand 29 der V_D~,-Spannungsquelle verbunden. Der Kollektor dieses Transistors ist mit dessen Basis gekoppelt, um inder oben oeschrie-Denen ..eise eine i)iode zu-bilden. "Die Ströme rat positivem und negativem 'Temperaturkoeff izienten .werden am Emitter des Transistors 24 summiert. -;er Emitterstrom dieses Transistors ist etwa gleich seinem !{ollektor strom", weil (entsprechend der hier stets geltenden Vorausstetzung) die Basisströme solcher Elemente viel kleiner sind als ihre Kollektorströme. . - ·

ähnlich wie es oben anhand der Figur /1 beschrieben worden ist, kann die· temperatur gedingte Änderung' des Kollektorstroms des Transistors 25 dazu herangezogenverden, die temperaturoedingte änderung des durch den Widerstand 29 i'lJaienden Stroms zu kompensieren.

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Unter .'erückäclit igung eier oben angegebenen Gleichungen für 7-,.-, und unter Berücksichtigung der Tatsache, daß die Spannung V ,-_? des Transistors 22 annähernd gleich ist dem Kollektorstrom des Transistors 2^LV geteilt durch den Wert des 'Widerstands 2-3, ferner unter Berücksichtigung der Temperatur, um welche herum, die Kompensation stattfinden soll,-und schließlicn unter Berücksichtigung der Tatsache, daß die mathematische Ableitung des von u oder D¹ kommenden Stroms nach der Temperatur gleich .: sein soll, lassen sich wiederum Gleichungen nerleiten, die das gegenseitige Verhältnis der Widerstände 29 und 35 enthalten und aus denen dieses Verhältnis wis oben erläutert ermittelt werden kann.

.j'ür die absoluten .-/erte der V/iders bände sind wiederum andere Gesichtspunkte ausschlaggebend. ;.'enn man diese Gesichtspunkte berücksichtigt, dann lassen sich für die Widerstände '//erte finden, mit denen gute i'rgeunisse über den gewählten Temperaturbereich erzielt werden können. In einer Anordnung, die mit oilisiumviderständen 29 und -y-j ausgestattet ist, erhält man für einen iVerstand 2y von 4-JGO Ohm und einen widerstand 35 von 2^0 Ohiii ein Ui der stands verhältnis von 17,2. In einem solcher., all konnte man in der Praxis am Ausgang des Stromverstärkers einen Strom von etwa 1,02 Milliampere bei 25 °'"^; erhalten, der sich bei Temperaturänderun-gen zwischen 2^rr °' und 110 °"; um etwa 1 '.'; änderte.

-¹O

i:itder erfindungsgemäßen Kompensationsschaltung wird also der Strom durch die Funkte A, D, G und G oei Temperaturänderungen über einen gewählten iareicb im wesentlichen konstant gehalten. Der Eingangsstroin des Stromverstärkers fließt durch den Punkt ". In der dargestellten Schaltung fließt der "Zingangsstrom" in Wirklichkeit aus dem Gtromver-

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stärker heraus zum Bezugspotential, weil die Transistoren des Stromverstärkers PNP-Transistoren sind. Der vom 'erstärker "reproduzierte" Strom fließt über den Punkt A. Die Summe des Eingangsstroms und des reproduzierten Stroms, die über einen Jereich von Betriebstemperaturen ebenfalls im wesentlichen temperaturunabhängig ist, fließt von der Gleichspannungsquelle B+ zum Punkt C und verläßt die Schaltung am Punkt G. Irgendwelche Lastschaltungen, die mit konstanten Strömen betrieben werden sollen, können daher zwischen die Punkte A und A', C und C, D und D¹ und G und Bezugspotential geschaltet werden.

In einer anderen Ausführungsform der Erfindung, die in Figur 3 dargestellt ist, hat der Transistor 25 einen Innenwiderstand, welcher der Ausgangswiderstand des Transistors 25 parallel zu dessen Kollektor-Emitter-Strecke ist. Unter Berücksichtigung dieser Tatsache ist bei der Ausführungsform nach Figur 3 der Kollektor des Transistors 25 von dessen Basis abgetrennt, und am Punkt D ist der Kollektor eines Transistors 30 angeschlossen. Die Basis des Transistors 30 ist mit der Basis des Transistors 25 verbunden. Der .Emitter des Transistors 30 liegt am Kollektor des Transitors 25. Alle anderen Funkte, Ziemente - und Verbindungen sind die gleichen wie im Falle der Figur 2 und haben auch dieselbe Funktion wie dort.

Jm den Einfluß des Kollektor-^itter-Ausgangswiderstands des Transistors 25 auf die temperaturkompensierende Komponente des Stroms zu vermindern, kann die Kollektorspannung des Transistors 25 auf irgendeinen niedrigen Gleichspannungswert geregelt werden. Dies geschieht dadurch, daß man den Transistor 30 mit dem Transistor 24 zu einer Kaskodeschaltunp; kombiniert, wie es in Figur 3 sezeigt ist. iermit wird cLie "ollelrtorspannung des Transistors 25 auf einen "ert ge-

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regelt, der gleichest einer Basis-Smitter-Spannung. Im Falle der Figur 5 ist diese Spannung die Summe der Basis-"Smnfcber-Spannung entweder des Transistors 22 oder des Transistors 25 mit der Basis—Emitter-Spannung des Transistors 24 minus der Basis-Emitter-Spannung des Transistors 30. Da sich die Kollektorspannung des Transistors 25 nicht auf irgendeinem höheren Gleichspannungswert frei bewegen kann, sondern auf einer Basis-Smitter-Gpannung festgehalten wird, ist der Einfluß des Ausgangsv/iderstands dieses Transistors minimal.

Der Unterschied zwischen der Schaltung nach Figur 3 und der Schaltung nach Figur 2 besteht darin, daß in der Schaltung nach Figur 3 die Ströme mit negativem und positivem Temperaturkoeffizienten am Punkt D¹ und nicht am Emitter des Transistors 24 summiert werden. In jeder anderen Hinsicht ist die Arbeitsweise der beiden Schaltungen im wesentlichen gleich.

Diese Anordnung zur Kompensation des positiven Temperaturkoeffizienten kann auch dazu verwendet werden, konstante Ströme von einer Anzahl von Transistoren zu ziehen, die mit den Transistoren 21, 22, 23 oder 24 der Schaltungen nach den Figuren 2 und 3 jeweils eine Kaskodeschaltung bilden, da die Kollektorströme aller dieser Transistoren temperaturkompensiert sind. Hiermit wird der Ausgangsstrom des Stromverstärkers, der über den Kollektor jedes kaskodegeschalteten Elements fließt, durch die Anzahl der kaskodegeschalteten Elemente geteilt. Die kaskodegesehalteten Transistoren können auch unterschiedlich große Basis-Emitter-Übergangsflächen haben, um eine Stromteilung durch einen un-ganzzahligen Faktor zu erzielen.

Patent an sprü ch e: 509808/0848

Claims

Patentansprüche

Temperaturkompensierter Stromregler mit einer Quelle für eine .-temperaturabhängige. Spannung, die proportional der Spannung an einem im Leitzunstand befindlichen Halbleiterelement mit PN-Übergang ist, und mit einem ersten Widerstand, der parallel zur temperaturabhängigen Spannungsquelle geschaltet ist,' um einen Strom zu ziehen, der gleich ist der an ihm liegenden Spannung geteilt durch seinen Widerstandswert, dadurch gekennzeichnet, daß' der temperaturabhängigen Spannungsquelle (8) und. dem ersten Widerstand (29) eine Serienschaltung aus einem Halbleiterelement (26)"mit PN-Übergang-und einem zweiten Widerstand (35) parallel geschaltet ist, derart, daß die Spannung an dieser Serienschaltung (26, 35) gleich ist der Spannung an der temperaturabhängigen Spannungsquelle und daß der Strom durch diese Serienschaltung einen Temperaturkoeffizienten aufweist, der negativ ; proportional dem TemperaturiLoeriizienren aes Stroms durcü den ersten Widerstand (29) ist, um den 'Temperaturkoeffizienten des durch den ersten Widerstand fließenden. Stroms über einen größer Temperaturbereich, im wesentlichen zu kompensieren.

2„ Stromregler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Lastimpedanz (60), die einen über einen größeren

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Bereich von Betriebstemperaturen im wesentlichen konstant bleibenden Strom benötigt, in Reihe zwischen eine -üetriebsspannungsquelle (B+) und einen gemeinsamen Anschluß der temperaturabhängigen Spannungsquelle (8),des ersten Widerstands (29"> und der besagten berienschaltung (26, 35) geschaltet ist.

3. "Stromregler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß eine Lastimpedanz, die einen über einen größeren Bereich von Betriebstemperaturen konstant bleibenden Strom benötigt, in Reihe zwischen einen gemeinsamen Anschluß der temerpaturabhängigen Spannungsquelle (8), des ersten Widerstands (29) und der besagten Serienschaltung (26, 35) einerseits und einen Punkt (G) mit Bezugspotential andererseits geschaltet ist.

4. Stromreg3.er nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die temperaturabhängige Spannungsquelle (8)ein zweites Halbleiterelement mit PN-Übergang ist, welches sich in einem leitenden Zustand befindet.

5· Stromregler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die temperaturabhängige Spannungsquelle einen ersten Transistor (22) enthält, dessen Emitter an einem Punkt mit Bezugspotential und dessen Kollektor an einer Gleichspannungsquelle liegt, daß die temperaturabhängige Spannungsquelle einen zweiten Transistor (24-) enthält, dessen Emitter mit der Basis des ersten Transistors verbunden ist und dessen Basis rdt dem Kollektor des ersten Transistors verbunden ist und dessen Kollektor an der Gleichspannungsquelle liegt, und daß der erste Widerstand (29) zwischen den gemeinsamen Anschluß der Basis des ersten Transistors und des Emitters des zweiten

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Transistors einerseits und einen Punkt mit Bezugspotential andererseits geschaltet ist,■ und daß die Serienschaltung aus dem ersten Halbleiterelement mit PN-Übergang (25)' und dem zweiten Widerstand (35) parallel zum ersten Widerstand '29)·geschaltet ist, ■ : ί und daß.das Verhältnis des Wertes· des ersten Widerstands zum viert des zweiten Widerstands derart gewählt ist, daß durch die besagte Serienschaltung ^25,35) ein Strom fließen kann, der mit wachsender Lemperatur. größer wird, um den bei ansteigender 'Temperatur infolge der abnehmenden Basis-Emitter-Spännung am -ersten Transistor bewirkten Anstieg des Stroms durch den ersten Widerstand im wesentlichen zu kompensieren und durch den Hauptstromweg des zweiten Transistors (24) einen über einen größeren Temperaturbereich im wesentlichen konstant bleibenden Strom fließen'zu lassen.-'■"·■

6. Stromregler nach Anspruch 5j dadurch gekennzeichnet, daß das erste Halbleiterelement (25)- mit PN-Übergang aus dem selben Material wie der -erste und der zweite Transistor (22 und 24) besteht und so gepolt ist, daß es zwischen der Basis des ersten Transistors und einem Punkt mit Betriebspotential eine in der selben Weise wie der Sasis-Emitter-Ubergang des ersten Transistors leitende Verbindung schafft.

7. Stromregler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine- Lastimp"edanz, die einen über einen größeren Bereich von Betriebstemperaturen im wesentlichen konstant bleibenden Strom benötigt, als ^eihenelement in den Hauptstromweg des zweiten Transistors (24) geschaltet ist. ■

8. Stromregler nach Anspruch 1 oder 5> dadurch gekennzeichnet, daß mit der Gleichspannungsquelle ein Stromverstärker (14, 15, 21, 23) gekoppelt"ist, dessen Aus- '

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gangsstrom in einem im wesentlichen konstanten Verhältnis 'zu einem gegebenen Eingangsstrom steht; daß der Hauptstromweg des ersten Transistors 22) zwischen die Ausgangsklemme (A) des Stromverstärkers und einen Punkt mit Bezugspotential (G) geschaltet ist; daß der Hauptstromweg des zweiten Transistors (24) zwischen die Eingangsklemme (D)des Stromverstärkers und einen Punkt mit Bezugspotential geschaltet ist; daß die Steuerelektrode des zweiten Transistors mit dem Hauptstromweg des ersten Transistors gekoppelt ist; daß der erste Widerstand zwischen den Hauptstroinweg des zweiten Transistors (24) und den Funk; mit Bezugspotential geschaltet ist; daß die Steuerelektrode des ersten Transistors (22) am Verbindungspunkt eines Anschlusses des Hauptstromwegs des zweiten Transistors mit dem ersten Widerstand liegt, um die Leitfähigkeit des ersten Transistors zu steuern; daß das erste Halbleiterelement mit' PN-Übergang (25) aus dem selben Material besteht wieder erste und der zweite Transistor; daß die besagte Serienschaltung aus dem zweiten Widerstand (35) und dem ersten Halbleiterelement (25) zwischen einen Punkt mit Bezugspotential und die Steuerelektrode des ersten Transistors (22) geschaltet ist, um einen Strom zu leiten, dessen Temperaturkoeffizient umgekehrt proportional dem Temperaturkoeffizienten des im ersten Widerstand durch Spannungsänderungen am Basis-Emitter-Übergang des ersten Transistors erzeugten Stroms ist, um diesen .-Temperaturkoeffizienten des letztgenannten Stroms derart zu kompensieren, daß die Summe der zwei umgekehrt proportionalen Ströme über einen größeren Bereich von Betriebstemperaturen im wesentlichen temperaturuhabhangig ist.

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9. Stromregler nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Transistor (22) und der zweite Transistor (24) vom selben Leitfähigkeitstyp sind.

10. Stromregler nach Anspruch 9., dadurch gekennzeichnet, daß eine Lastschaltung, die einen über einen größeren" Bereich von Betriebstemperaturen im wesentlichen konstanten Strom benötigt, als Reihenelement zwischen den Hauptstromweg des zweiten Transistors (24-) und die "jingangsklemme(D)des Stromverstärkers geschaltet ist.

11. Stromregler nach Anspruch 9> dadurch gekennzeichnet, daß eine Lastschaltung, die einen über einen größeren Bereich von Betriebstemperaturen im wesentlichen konstanten Strom benötigt, als Reihenglied zwischen den Kauptstromweg des ersten Transistors (22) und die Ausgangsklemme

(A) des Stromverstärkers geschaltet ist.

12. .tromregler nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet, daß eine Lastschaltung, die einen über einen größeren Bereich von Betriebs temperaturen im wesentlichen konstant bleibenden Strom benötigt, als Tteihenglied zwischen die Gleichspannungsquelle (G) und den Stromverstärker ,geschaltet ist.

13. Stromregler nach .nspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromverstärker einen vierten Transistor (21) und einen fünften Transistor (23) aufweist; daß der Emitter des vierten Transistors mit der Basis des fünften Transistors verbunden ist; daß der fünfte Transistor mit seinem ."ollektor an die Basis des vierten

Transistors und mit seinem Emitter über einen dritten Widerstand ·:12) an die Gleichspannungsquelle gekoppelt ist; daß der . ollektor des vierten Transistors den ..^Aus-

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gangsstrom des Stromverstärkers liefert, während der gemeinsame Anschluß des Kollektors des fünften Transistors mit der Basis des vierten Transistors denjenigen Iunkt darstellt, an welchem der Stromverstärker seinen -Singangsstrom empfängt; daß zwischen die Basis des fünften transistors (23) und die Gleichspannungsquelle mindestens eine erste Reihenschaltung aus einer Diode i'15) und einem Widerstand ''H) geschaltet ist, dessen Widerstandswert gleich dem Wert des dritten Widerstands (12) ist, wobei die Diode (15 ^: in dieser ersten Reihenschaltung so gepolt ist, daß sie in der selben Weise wie der Basis-Emitter-übergang des fünften Transistors leitet.

14. Stromregler nach Anspruch 5 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein dritter Transistor (25. in Figur 3) mit seiner Steuerelektrode an dem gemeinsamen Anschluß der Steuerelektrode des ersten Transistors(22)und des .{auptstromwegs des zweiten Transistors (24) liegt; daß der üauptstromweg des dritten Transistors koilektorseitig mit dem " ollektor des zweiten Transistors (24) gekoppelt ist und emitterseitig über einen Widerstand (35) an einem Punkt mit Bezugspotenfcial liegt, um den Einfluß des Temperaturkoeffizienten der zwischen Kollektor und Emitter des ersten Transistors auftretenden Spannung auf den ^: ollektorscrom des zweiten Transistors zu kompensieren.

15. .Stromregler nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der erste (22), der zweite 24) und der dritte Transistor (25) vom selben Leitfähigkeitstyp sind und daß der vierte (21) und der fünfte Transistor" (23) von einem Leitfähigkeitstyp siruL, dar demjenigen des ersten, zweiten und. dritten Transistors entgegengesetzt ist.

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16, Stromregler nach Anspruch. ■15,dadurch gekennzeichnet, daß eine Lastschaltung, die einen über einen größeren Bereich von Betriebstemperaturen im wesentlichen konstant bleibenden Strom benötigt, als Reihenglied zwischen die Hauptstromwege des zweiten Transistors (24) und des fünften Transistors (23) geschaltet ist.

17· Stromregler nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, . daß eine Lastschaltung, die einen über einen größeren Bereich von Betriebstemperaturen im wesentlichen konstant bleibenden Strom benötigt, als Reihenglied zwischen die Hauptstromwege des ersten Transistors (22)
und des vierten Transistors (21) geschaltet ist.

18. Stromregler nach Anspruch 17* dadurch gekennzeichnet., daß eine Lastschaltung, die einen über einen 'größeren Bereich von Betriebstemperaturen im wesentlichen konstant bleibenden Strom benötigt, als Reihenglied zwischen die Gleichspannungsquelle (C'" und einen gemeinsamen Anschluß des dritten Widerstands (12) und der Dioden-Widerstands-Reihenschaltung (15, 11) geschaltet ist.

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