DE2516269A1

DE2516269A1 - Halbleiter-schutzanordnung

Info

Publication number: DE2516269A1
Application number: DE19752516269
Authority: DE
Inventors: Richard I Maran; Robert S Meijer
Original assignee: Multi State Devices Ltd
Current assignee: Multi State Devices Ltd
Priority date: 1974-04-19
Filing date: 1975-04-14
Publication date: 1975-11-06
Also published as: CA991756A; SE400426B; AU8000375A; FR2268360A1; BE827855A; SE7504515L; US3942075A; NL7504095A; GB1476089A

Description

Halbleiter-Schutzanordnung

Die Erfindung bezieht sich auf einen Halbleiter-Wärmeschutz und betrifft insbesondere den Schutz von Halbleitern, die in Verstärkern der Klasse AB, B oder C oder in irgendeiner anderen Schaltungskonfiguration verwendet werden, bei welcher eine Verminderung im Treibersignal an einer Stufe vor derjenigen des geschützten Kalbleiters zu einer Verminderung der Verlustleistung des geschützten Halbleiters führt.

Halbleiter sind sehr empfindlich und können beschädigt oder zerstört werden, wenn sie aufgrund von abnormalen Belastungen, eines überschüssigen Treibersignals oder durch zu hohe Umgebungstemperaturen und so weiter überhitzt v/erden.

Eine große Anzahl von bekannten Schaltungskonfigurationen verwenden beispielsweise eine Gegentakttransistoranordnung, um bei einem Betrieb einer Schaltung in der Klasse AB, B oder C die Last zu treiben. Allen solchen Schaltungen ist gemeinsam die Frage eigen, in welcher Weise die Halbleiter geschützt v/erden, die in der Gegentaktkonfiguration verwendet werden. Wegen der großen Anzahl der Möglichkeiten, die zu einer thermischen

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Überbelastung führen können, ist es oft schwierig, alle derartigen Situationen derart beim Entwurf solcher Verstärker zu beherrschen und vorauszusehen, und weiterhin geeignete Schutzschaltungen vorzusehen, welche den Verstärker beim Auftreten irgendeiner solchen Situation zum normalen Betrieb zurückführen. Die am meisten verbreiteten Schutzanordnungen weisen elektromechanische oder elektrische Einrichtungen auf, beispielsweise Bimetallschalter, eutektische Gemische, Curie-Schalter, welche den Verstärker von der Energiequelle trennen, falls eine "Überlast auftritt. Solche Einrichtungen führen oft zu einer unsachgemäßen. Trennung eines Verstärkers, der normal arbeiten würde, wenn das Treibersignal reduziert würde. Thermistoren, Posistoren und Flächendioneneinrichtungen sind verwendet worden, um als thermische Schutzeinrichtungen zu dienen. Jedoch ist die Schaltung, welche zur Steuerung solcher Einrichtungen erforderlich ist, gewöhnlich kompliziert und teuer, weil die Stückzahl solcher Einrichtungen klein ist oder sie eine externe Bezugsspannungsquelle benötigen. Außerdem neigen diese Einrichtungen zu thermischen Schwingungen in Konfigurationen mit hoher Verstärkung. In jüngerer Zeit sind Spannungs/Stromüberlastschaltungen entwickelt worden, um das Treibersignal von Verstärkern der Klasse AB, B oder C zu vermindern, wenn die Spannung/der Strom der Ausgangstransistoren solcher Verstärker eine vorgegebene Grenze überschreitet. Ein Ausführungsbeispiel einer solchen Schaltung ist in der US-Patentschrift 3 671 879 vom 20. 6. 1972 beschrieben und weist einen Shunttransistor auf, welcher parallel zum Eingang des Verstärkers angeordnet ist und welcher in den durchlässigen Zustand versetzt wird, um einen Shuntpfad für übermäßiges Treibersignal zu bilden, welches zur Überhitzung der Ausgangstransistoren des Verstärkers führt. Eine solche Schutzschaltung ermöglicht es, den Verstärker bei einem sicheren Pegel zu betreiben, erfordert jedoch die Verwendung einer zusätzlichen Transistorschaltung, welche den Verstärker verteuert.

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Aufgabe der Erfindung ist es, eine einfache und preiswerte Anordnung zum Schütze von Halbleitern zu schaffen, welches es ermöglicht, die absolute Temperatur der Halbleiter zu ermitteln und die Verlustleistung der Halbleiter dadurch zu steuern, daß das Treibersignal auf einen sicheren Pegel beschränkt wird.

Von der Anmelderin wurde ein Temperaturfühler entwickelt, der eine scharfe Veränderung im Widerstand bei einer vorgegebenen Temperatur aufweist. Eine solche Einrichtung besteht aus Vanadiuradioxidmaterial und ist in der kanadischen Patentanmeldung Kr. 192 886 beschrieben, welche am 19. 2. 197^ hinterlegt wurde und der deutschen Patentanmeldung P 24 o2 7o9.6 entspricht.

Es hat sich gezeigt, daß diese Einrichtung alle erforderlichen Eigenschaften eines guten Temperaturfühlers zur Verwendung als Thermoschutzanordnung der beschriebenen Art aufweist, nämlich:

a) sie hat bei der normalen Betriebstemperatur des Halbleiters einen sehr hohen Widerstand und beeinflußt daher den Betrieb des Halbleiters bei normalen Betriebstemperaturen nicht.

b) sie hat einen scharfen Abfall in ihrer Widerstands-Temperatur-Kennlinie oberhalb der normalen Betriebstemperatur des Halbleiters, ein solcher Ubergangsbereich liegt jedoch ausreichend tief, um die absolute Temperatur des Halbleiters zu ermitteln und vor einer Überhitzung des Halbleiters anzusprechen, wobei diese plötzliche Widerstandsveränderung noch proportional zu der Temperaturzunahme im Übergangsbereich ist.

c) sie weist einen rein Ohm¹sehen V/iderstand auf und hat folglich keine Auswirkung auf das Frequenzverhalten von Audioverstärkern, in welchen sie verwendet werden kann.

Zusätzlich zu den obigen Eigenschaften hat die Anmelderin gefunden, daß ihr Wärmefühler ein vorgegebenes Maß an Temperaturhysteresis im Übergangsbereich aufweist, wodurch automatisch

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seine Empfindlichkeit in diesem Bereich herabgesetzt wird. Wenn keine Hysteresis vorhanden wäre, würde der Signalpegel sich viel rascher ändern als die entsprechende Temperatur des Halbleiters im Übergangsbereich, und es bestünde eine Gefahr, daß die beiden Erscheinungen um 180° außer Phase geraten könnten, wodurch eine thermische Schwingung entstehen könnte und folglich eine kontinuierliche Zunahme und Abnahme des Ausgangssignals des Halbleiters in diesem Bereich.

Es ist ersichtlich, daß auch andere Materialien außer Vanadiumdioxid verwendet werden können. Im allgemeinen muß das Material des Temperaturfühlers die folgenden Kriterien erfüllen: a) es muß Elemente enthalten, deren Atome dann, wenn sie in einer chemischen Kombination, mit anderen Elementen vorhanden sind, eine unvollständig aufgefüllte d-Schale oder eine unvollständig aufgefüllte f-Schale haben; b) es muß eine Substanz enthalten, welche in der Weise wirkt, daß s- und p-Elektronen aus den Leitungsbändern solcher Atome eliminiert werden; c) es muß einen scharfen Abfall in seiner Widerstands-Temperatur-Kennlinie oberhalb der vorgegebenen Temperatur haben; und d) muß es ein vorgegebenes Maß an Temperaturhysteresis aufweisen. Mögliche Materialien sind in der kanadischen Patentschrift Nr. 938 735 vom 18. 12. 1973 angegeben.

Die Halbleiterschutzanordnung gemäß der Erfindung weist somit einen Temperaturfühler auf, der thermisch mit dem geschützten Halbleiter gekoppelt ist, um die absolute Temperatur des Halbleiters zu ermitteln, und ein solcher Temperaturfühler ist elektrisch mit dem Halbleiter verbunden, um das Treibersignal des Halbleiters zu reduzieren, wenn die Temperatur eines solchen Halbleiters eine vorgegebene Temperatur übersteigt. Der Temperaturfühler ist aus einem Material der oben angegebenen Art hergestellt, welches einen scharfen Abfall in seiner Widerstands-Temperatur-Kennlinie bei einer solchen vorgegebenen Temperatur

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aufweist und zugleich ein vorgegebenes Maß an Temperaturhysteresis hat. Ein solcher Abfall liegt oberhalb der normalen Arbeitstemperatur des Halbleiters, jedoch ausreichend tief, um das Treibersignal rasch zu vermindern, bevor der Halbleiter durch "Überhitzung beschädigt oder zerstört v/erden kann. Die Temperaturhysteresis des Temperaturfühlers ermöglicht eine automatische Verminderung in der Empfindlichkeit ihres Ansprechens für kleinere TemperatürSchwankungen im "Übergangsbereich aufgrund der Veränderung im Treibersignal. Der Temperaturfühler ist auch eine rein Ohm'sche Einrichtung, welche nicht polaritätsempfindlich ist und praktisch keine Blindkomponenten aufweist, folglich kann er in hochwertigen Audioverstärkern verwendet werden, v/eil er deren Frequenzgang nicht beeinträchtigt.

In einem Transistorverstärker kann das Treibersignal des Transistors dadurch vermindert werden, daß die Verstärkung des Verstärkers gesteuert wird, wobei in diesem Falle der Temperaturfühler elektrisch in der Rückführschieife des Transistorverstärkers angeordnet ist. Das Treibersignal des Transistors kann auch dadurch vermindert werden, daß das Eingangssignal gedämpft wird, wobei in diesem Falle der Temperaturfühler elektrisch als Shunt im Eingang des Verstärkers liegt.

Um die absolute Temperatur des Halbleiters zu ermitteln, kann der Temperaturfühler mechanisch mit dem Halbleitergehäuse derart verbunden werden, daß eine Installation der Schutzanordnung an einem vorhandenen Verstärker möglich wird.

Der Temperaturfühler ist vorzugsxveise aus Vanadiumdioxid hergestellt, welches eine ubergangstemperatur im Bereich von 56 bis 70 C aufweist. Ein solcher Bereich kann jedoch leicht verändert bzw. verschoben werden, indem das Vanadiumdioxidmaterial in geeigneter Weise dotiert wird. ·

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Die Erfindung wird nachfolgend beispielsweise anhand der Zeichnung beschrieben; in dieser zeigen:

Pig. 1 die Widerstands-Temperatur-Kennlinie des Temperaturfühlers, welcher in der Halbleiterschutzanordnung gemäß der Erfindung verwendet wird,

Fig. 2 ein schematisch.es Diagramm einer ersten Schaltung zur Steuerung des Treibersignals eines Verstärkers,

Fig. 3 ein schematisches Diagramm einer zweiten Schaltung zur Steuerung des Treibersignals eines "Verstärkers,

Fig. 4- ein Schaltschema gemäß Fig. 2, Fig. 5 ein Schaltschema gemäß Fig. 3, und

Fig. G ein "Verfahren zur Anbringung des Temperaturfühlers an einem zu schützenden Halbleiter.

In der Fig. 1 ist eine Widerstands-Temperatur-Kennlinie eines Temperaturfühlers dargestellt, welcher zur Verwendung beim Schutz eines Halbleiters geeignet ist. Der Temperaturfühler hat einen hohen Widerstand bei der Temperatur T. und einen plötzlichen Widerstandsabfall im Bereich Tg-T^, wobei sein Widerstand von einem verhältnismäßig hohen Wert auf einen verhältnismäßig ,niedrigen Wert abfällt. Ein solcher Übergangsbereich muß höher liegen als die normale Betriebstemperatur des zu schützenden Halbleiters, jedoch niedriger als diejenige Temperatur, bei welcher der Halbleiter beschädigt oder zerstört werden kann. Ein geeignetes Material ist Vanadiumdioxid, welches eine Übergangstemperatur im Bereich von 56 °C (^) ^bls 7° °^c (^3) aufweist. Ein Beispiel eines solchen Temperaturfühlers kann

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eine Einrichtung aus einer dünnen Folie bzw. einem dünnen Film

·, j · -u -n 4 4- deutsche P.atentaran.P24o27p9.6 sein, wie er m aer kanadischen Patentanmeldung hr. 192 886, / ' beschrieben ist, die am 19. 2. 1974 hinterlegt wurde. Der Übergangsbereich kann leicht verändert werden, indem Vanadiumdioxid mit Materialien dotiert wird, welche aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus Wolfram, Molybdän, Titan, Niob, Germanium, Silizium und Kohlenstoff besteht. Ein solches Verfahren ist

deutsche Patentapn. P 24 36 911.7, in der US-Anmeldung 384 505/beschrieben, welche am 1. 8. 1973 eingereicht wurde. Beispielsweise kann durch Dotieren von Vanadiumdioxid mit einer sehr geringen Menge an Wolfram der Übergangsbereich auf 40 ° (Tp) bis 75 ('-P*) verringert werden. Durch Dotieren mit einer kleinen Menge an Germanium wurde der Übergangsbereich auf 50 (Tp) bis 90 ⁰C (T,) verschoben. Ein Dotieren mit einer anderen kleinen Menge an Germanium hat den Übergangsbereich auf 62 ° (¹I^) bis 105 ⁰C (T,) verschoben. Es ist ersichtlich, daß die Wahl des Temperaturfühlers von der normalen Betriebstemperatur des Halbleiters abhängt und weiterhin von dem zulässigen überhitzungstemperaturwert.

Der Übergangsbereich muß verhältnismäßig schmal sein, muß sich andererseits jedoch zugleich über einen vernünftigen Temperaturbereich erstrecken, so daß eine Steuerung der Verlustleistung des Halbleiters in diesem Bereich möglich ist. Eine prozentuale Widerstandsveränderung/°C (TCE), welche zwischen 20.%/°C und 600 %/°C schwankt, hat sich als zweckmäßig erwiesen.

Die folgende Tabelle veranschaulicht die Eigenschaften von vier Temperaturfühlern, welche von der Anmelderin entwickelt wurden und welche sich zum Schütze von Halbleitern als zweckmäßig erwiesen haben:

Tabelle I
Fühler T. U_x, T₀ £L_O T₂ n₇ TCR TS-1 O⁰C 1400K 56°C 200K 70°C 50

TS-2 0⁰C 5OOK 50⁰C 100K 90°C 100 35%/°C

TS-3 O⁰C 17OK 62°C 25K 105°C 120 24%/°C

TS-4 O⁰C 160K 40⁰C 70K 75°C 65 57%/°C

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Die oben erwähnten Temperaturfühler, welche von der Anmelderin entwickelt wurden, haben auch ein bestimmtes Maß an Temperaturhysteresis im Übergangsbereich, wie es aus der Fig. 1 hervorgeht. Eine solche Hysteresis hat eine Breite von etwa 5 C, und es hat sich gezeigt, daß dies höchst erwünscht ist, um die Stabilität der Wärmeschutzanordnung zu gewährleisten, wie es nachfolgend näher erläutert wird. Die prozentuale Widerstandsveränderung/°C im Übergangsbereich ist stark reduziert, wie es bei a dargestellt ist.

Die obigen Temperaturfühler haben auch einen rein Ohm'sehen Widerstand und praktisch keine Blindkomponente. Deshalb ändert sich ihre Impedanz nicht mit der Frequenz, und dadurch werden sie zur Verwendung bei Audioverstärkern sehr zweckmäßig.

In der Fig. 2 ist ein schematisch.es Diagramm einer ersten Schaltung dargestellt, welche dazu dient, das Treibersignal eines Verstärkers in Reaktion auf überhitzung seiner Ausgangstransistoren zu vermindern. Der Verstärker ist ein Operationsverstärker QA, der einen Widerstand E-,-, aufweist, welcher seine Schleifenverstärkung in bekannter Art bestimmt. Eine Signalquelle Eg mit einem Innenwiderstand R„ ist an die negative Klemme des Operationsverstärkers geführt, während die positive Klemme geerdet ist. Die Schleifenve_rstärkung des Operationsverstärkers wird durch den Temperaturfühler Rm gesteuert, welcher thermisch mit den Ausgangstransistoren des Verstärkers gekoppelt ist, wie es durch gestrichelte Linien angedeutet ist, und welcher elektrisch parallel zu dem Widerstand Ej. liegt. Wie leicht ersichtlich ist, ist der Widerstand des Temperaturfühlers Rp bei der normalen Betriebstemperatur der Transistoren des Verstärkers sehr viel höher als der Widerstand des Widerstandes R-r-,

j?

und hat nur eine geringe oder gar keine Auswirkung auf die Schleifenverstärkung des Operationsverstärkers. Wenn jedoch die Temperatur des Ausgangstransistors über den Wert Tp anwächst,

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wird der Widerstand des Temperaturfühlers Rm vermindert, so daß dadurch die Verstärkung des Verstärkers beeinflußt wird, und es erfolgt ein scharfer Abfall im Treibersignal der Ausgangstransistoren des Operationsverstärkers, und zwar aufgrund der Veränderung der Schleifenverstärkung, und folglich erfolgt auch eine Verminderung der Rate, mit-vieleher sich die Ausgangstransistoren überhitzen (Verlustleistung). Schließlich wird das Eingangstreibersignal der Ausgangstransistoren auf einen Punkt vermindert, an welchem keine zusätzliche Aufheizung stattfindet, und das gesamte System stabilisiert sich im übergangsbereich. Diejenige Temperatur, bei welcher sich das Treibersignal stabilisiert, wird für eine vorgegebene thermische !Überlastbedingung immer der optimale Betriebspunkt sein. Wenn sich die thermische Überlastbedingung ändert, so paßt sich der Arbeitspunkt bzw. Betriebspunkt diesen veränderten Bedingungen automatisch an. Die Arbeitsweise im Übergangsbereich unterscheidet sich somit von der normalen Arbeitsweise nur im Hinblick auf die Signalamplitude.

Eine thermische Schwingung ist bis zu einem gewissen Maß ausgeschlossen, und zwar aufgrund der Temperaturbysteresis des Temperaturfühlers. Wenn diese Hysteresis nicht vorhanden wäre, würde sich der Energiepegel viel rascher ändern als die entsprechende Transistortemperatur, und es bestünde eine große Gefahr, daß zwischen beiden Erscheinungen eine Phasenverschiebung von 180 ° auftreten könnte. Da jedoch eine Hysteresis vorhanden ist, wird die Rate der Veränderung im Widerstand des Temperaturfühlers automatisch innerhalb des 'Übergangsbereiches vermindert, was durch den Hysteresisbereich a in der Fig. Ί angedeutet ist. Demgemäß kann eine Schwingung nur dann auftreten, wenn eine Phasenverschiebung von 180 trotz der viel geringeren prozentualen Widerstandsveränderung/ C in

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dem Bereich auftritt, und dies ist unter den meisten Überlastbedingungen nicht wahrscheinlich. Es läßt sich somit feststellen, daß der Temperaturfühler eine Temperaturhysteresis aufweist, welche zwar hart begrenzt, jedoch weich steuert. Somit gewährleistet die Hysteresis eine hohe Empfindlichkeit gegenüber abnormalen Temperaturbedingungen und eine etwas geringere Empfindlichkeit, wenn innerhalb des Ubergangsbereich.es gearbeitet wird. Diese Vorteile sind wesentlich und tragen zu der Herstellung einer Transistorschutzanordnung entscheidend bei, welche einfach und preiswert ist.

Die Fig. 3 zeigt eine zweite schematische Ausführungsform gemäß der Erfindung, bei welcher entsprechende Elemente mit denselben Bezugszeichen wie in der Fig. 2 bezeichnet sind. Der Temperaturfühler R™ ist jedoch elektrisch mit einem Eingangsshuntkreis verbunden, anstatt in einer negativen Kückführschleife bzw. Gegenkopplungsschleife angeordnet zu sein. Die Arbeitsweise ist dieselbe wie bei der !'ig. 2, mit der Ausnahme, daß anstatt der Steuerung der SchleifenverStärkung ein Teil des Treibersignals parallel zum Eingang des Verstärkers geshuntet wird. Wie leicht ersichtlich ist, wird durch irgendeine Erhöhung der Temperatur des Transistors über die Temperatur Tg hinaus die Impedanz des Widerstandes Rq-, vermindert, und ein zunehmender Teil des Treibersignals wird parallel zu dem Eingang des Verstärkers geshuntet. Dadurch wird, das Treibersignal des Ausgangstransistors automatisch vermindert, und die Temperatur des Ausgangstransistors stabilisiert sich zwischen Tp und T,.

Die Fig. 4- veranschaulicht die Schaltung eines bekannten Leistungsverstärkers, welcher mit einer erfindungsgemäßen Schutzanordnung ausgestattet ist. Der Leistungsverstärker weist einen Differenzverstärker mit pno-Transistoren TR. und TR^ auf, welche von einer Konstantstromquelle getrieben werden, die durch einen pnp-Transistor TR^ gebildet wird, dessen Kollektor mit den Emittern

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der Transistoren TH. und TRp verbunden sind. Der Differenzverstärker weist weiterhin Widerstände R_x, "bis Rr Dioden D_x, und Dp und eine Zenerdiode Z_x, auf. Der Widerstand R_x, ist der Eingangswiderstand, und er ist zwischen Erde und der Basis des Transistors TR_x, angeordnet. Der Widerstand Rp ist der Lastwiderstand des Transistors TR_x., und er ist zwischen dem Kollektor des Transistors TR_x, und der Gleichstromquelle V_ angeordnet. Der Widerstand R^ ist der Emittervorspannungswiderstand des Transistors TR₇, und er ist zwischen dem Emitter des Transistors TR^ und der Gleichstromquelle V₊ angeordnet. Die Dioden D^ und Dp sowie die Widerstände R^. und R_c- liegen in Reihe parallel zu den Gleichstromquellen V und V_ und zusammen mit der Zenerdiode Z_x. parallel zu den Dioden D_x, und D₀ sowie zu dem Widerstand R^, welcher das richtige Vorspamiungspotential für den Transistor TR^ liefert, dessen Basis zwischen der Diode Dp und dem V/iderstand R^ liegt.

Die npn-Transistoren TR₂. und TR_n- werden dazu verwendet, das ordnungsgemäße Basispotential für den npn-Treibertransistor TR_r-, sowie für den pnp-Treibertransistor TRq zu liefern, welche jeweils die npn-Ausgangstransistoren TRq und TR_x-Q treiben. Die Transistoren TR^ und TR₁- werden durch die Widerstände R_x-, Rr, und R^ vorgespannt. Die Basis des Transistors TR₁- ist mit dem Emitter des Transistors TR^ verbunden. Die Widerstände R^ und En liegen in Reihe parallel zu dem Kollektor und dem Emitter des Transistors TRr, und die Basis des Transistors TR^ ist mit der Verbindung zwischen den V/iderständen R^ und R_n verbunden. Eine Klemme des Widerstandes Rg ist mit dem Kollektor des Transistors TR^ verbunden, und seine andere Klemme ist mit der Verbindung zwischen dem Widerstand R_x- und dem Kollektor des Transistors TRr verbunden. Ein Vortreiber-npn-Transistor TRg dient dazu, die Ausgangstransistoren TRq und TRx₁Q zu treiben, und die Kollektor-Emitter-Elektroden dieses Transistors liegen

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in Reihe zu den Kollektor-Emitter-Elektroden des Transistors TR₁-. Die Kollektor-Emitter-Elektroden der Transistoren TR₁- und TRg sind parallel zu den Stromquellen V₊ und V_ geschaltet, und zwar über den Widerstand Rq. Das Basis-Emitter-Potential des Transistors TR^- wird von dem Lastwiderstand Rp des Transistors TR. abgeleitet. Ein Kondensator C. liegt parallel zu den Basis-Kollektor-Elektroden des Transistors TR^, um das Hochfrequenzansprechen des Verstärkers zu vermindern.

Wie grundsätzlich bekannt ist, bilden die Transistoren TRq und TR^_n einen Gegentaktverstärker, und sie werden durch komplementäre Treibersignale getrieben, welche durch die Treibertransistoren TRr₇ und TRg jeweils erzeugt werden. Die Treibersignale für die Treibertransistoren TRr₇ und TRg werden durch den Vortreibertransistor TR,- unter der Steuerung des Differenzverstärkers, welcher durch die Transistoren TR^, und gebildet wird, jeweils zugeführt. Die zwei Stufen, welche

durch die Transistoren TRr, und TRq sowie durch die Transistoren

g und TR.Q gebildet werden, haben eine gemeinsame Ausgangsklemme Eo, an welche die Last angeschlossen v/erden kann. Die Kollektoren der Transistoren TR_n und TR₀ sind mit der Gleichstromquelle V verbunden. Der Emitter des Transistors TRr₇ ist mit der Basis des Transistors TR_Q verbunden, und ein Vorspannungswiderstand R^q ist zwischen der Verbindung dieser Elektroden und der Ausgangsklemme E angeschlossen. Ein Lastwiderstand R^2 ist zwischen dem Emitter des Transistors TRq angeschlossen, um die Arbeitsweise des Transistors zu stabilisieren. Der Kollektor des Transistors TR^₀ ist direkt an den Ausgang E_Q geführt, während der Emitter des Transistors TRg mit dem Ausgang E über die Diode D, verbunden ist. Der Kollektor des Transistors TRg ist mit der Basis des Transistors TR^₀ verbunden, und ein Widerstand R,^ ist zwischen der Verbindung dieser Elektroden und der Gleichstromquelle V angeschlossen. Ein

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Lastwiderstand R^, -* ist zwischen dem Emitter* des Transistors

^₀ und der Quelle V_ angeschlossen, um den Ausgang des Transistors zu stabilisieren.

Ein Teil des Ausgangs E ist an die Basis des Transistors TR~ des Differenzverstärkers zurückgeführt, um die Verstärkung des Verstärkers zu steuern und um dadurch die Ausgangstransistoren TRq und TR.q über den Vortreib'ertransistor TR^ und die Treibertransistoren TR,- und TR_Q zu treiben. Die Stärke der Rückführung wird durch den Widerstandswert des Widerstandes Rp gesteuert, welcher derselbe ist, wie er schematisch in der !'ig. 2 der Zeichnung vei'anschaulicht ist. Es ist ersichtlich, daß durch Anschluß des Temperaturfühlers Rn₁ parallel zum Widerstand Rp die Signalrückführung zum Transistor TR^ verstärkt werden kann, so daß das Tfeibersignal für die Ausgangstransistoren TRq und TR.q vermindert wird. Dadurch wexxlen die Ausgangstransistoren weniger stark überhitzt, und die Arbeitsweise der Ausgangstransistoren kann auf diese Weise zwischen den Temperaturen T₀ und T^ stabilisiert werden.

Die Fig. 5 veranschaulicht denselben Verstärker wie die Fig. 4, mit der Ausnahme, daß der Temperaturfühler E„, durch einen Eingangswiderstand R, ersetzt ist. V/ie es schematisch in der Fig. dargestellt ist, wird durch eine Vergrößerung des Widerstandes Rm oberhalb von Tp ein Teil des Eingangssignales geshuntet, welches den Transistor TR. zugeführt wird, und auf diese V/eise wird das Treibersignal vermindert, welches den Ausgangstransistoren TRq und TR^₀ zugeführt wird. Eine solche Verminderung des Treibersignals, welches den Transistoren TRq und TR-Q zugeführt wird, stabilisiert die Temperatur der Ausgangstransistoren zwischen T₀ und T-,.

Obwohl die obige Schutzanordnung anhand eines speziellen Verstärkers beschrieben wurde, ist ersichtlich, daß sie auch

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bei einer Anzahl von anderen Verstärkers oder in einer beliebigen Schaltungskonfiguration eingesetzt werden kann, bei welchen eine Verminderung in den Treibersignalen an einer Stufe, Vielehe vor der Stufe des geschützten Halbleiters liegt, zu einer Verminderung der Verlustleistung des geschützten Halbleiters führt. Somit gehören zu möglichen Anwendungsfällen auch Audioverstärker, Wetzversorgungen für Laborplätze, bewegliche Sender usw.. Die oben beschriebene Schutzanordnung ist auch nicht auf den Schutz von Transistoren beschränkt, sondern ist vielmehr auch auf den Schutz von verschiedenen anderen Typen von Halbleitern anwendbar, welche in den oben genannten Schaltungskonfigurationen verwendbar sind.

In der obigen Beschreibung wurde ausgeführt, daß der Temperaturfühler Εφ thermisch mit den zu schützenden Halbleitern gekoppelt sein muß. Dies kann in vielfältiger Weise geschehen, wozu auch die Möglichkeit gehört, eine dünne Schicht des Fühlermaterials auf demselben Substrat aufzubringen, auf i^elchem auch der Halbleiter aufgebracht ist. Eine alternative Möglichkeit besteht darin, ein Temperaturfühlerplättchen auf demselben Substrat oder auf derselben Basis aufzubringen, auf v/elcher auch der Halbleiter aufgebracht ist. Dieselbe Wirkung kann auch erreicht werden, indem eine Dickfilmausführung des Tempe-'raturfühlers auf demselben Substrat angebracht wird, auf welchem der Halbleiter befestigt ist, und zwar in einer Stellung, in welcher er thermisch sehr eng mit dem Halbleiter gekoppelt ist. Die I?ig. 6 veranschaulicht jedoch eine Methode, einen Temperaturfühler direkt auf einem vorhandenen Leistungstransistorgehäuse 10 mechanisch zu befestigen. Der Kopf 12 des Temperaturfühlers ist mit einer Lasche 14 ausgestattet, welche angeschweißt oder auf andere Weise daran befestigt ist, und eine solche Lasche 14 wird an dem Halbleitergehäuse befestigt, indem Schrauben 16 verwendet werden, die normalerweise dazu

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dienen, das Transistorgehäuse an einer geeigneten Grundplatte zu befestigen. Dies sind nur einige Möglichkeiten, für den Fachmann ist es Jedoch nicht schwierig, vielfältige andere Befestigungsmöglichkeiten zu nennen, um einen der Temperaturfühler an einem gegenüber Hitzung zu schützenden Halbleiter anzubringen.

- Patentansprüche -

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Claims

PatentansOrüche

1. IHalbleiter-Schutzanordnung zur "Verwendung bei Leistungs- \—/ verstärkern der Klasse AB, B oder C oder zur Verwendung in einer beliebigen anderen Schaltungskonfiguration, bei welcher eine Verminderung im Treibersignal an einer Stufe vor derjenigen des zu schützenden Halbleiters zu einer Verminderung der Verlustleistung des geschützten Halbleiters führt, dadurch gekennz e ichnet, daß ein Temperaturfühler vorgesehen ist, welcher thermisch mit dem geschützten Halbleiter gekoppelt ist, um die absolute Temperatur des Halbleiters zu ermitteln, und welcher elektrisch mit dem Halbleiter gekoppelt ist, um das Treibersignal des Halbleiters zu vermindern, wenn die Temperatur des Halbleiters eine vorgegebene Temperatur oberhalb der normalen Arbeitstemperatur des Halbleiters übersteigt, daß der Temperaturfühler aus einem Material hergestellt ist, welches folgende Kriterien erfüllt: welches Elemente enthält, deren Atome dann, wenn sie in einer chemischen Kombination mit anderen Elementen vorhanden sind, eine unvollständig aufgefüllte d-Schale oder eine unvollständig aufgefüllte f-Schale haben, welches eine Substanz enthält, die dazu dient, s- und p-Elektronen aus den Leitungsbändern solcher Atome zu eliminieren, welches einen scharfen Abfall in seiner Widerstands-Temperatur-Kennlinie bei der oben festgelegten Temperatur aufweist und welches eine vorgegebene Temperaturhysteresis aufweist, wodurch der Temperaturfühler rasch auf einen Anstieg in der Temperatur oberhalb der vorgegebenen Temperatur" anspricht, jedoch mit langsamerer Rate auf Temperaturschwankungen im Ubergangsbereich anspricht, so daß eine thermische Schwingung der Halbleiter-Schutzanordnung innerhalb des Übergangsbereich.es verhindert ist.

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2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperaturfühler dazu verwendet wird, die Verlustleistung des Ausgangstransistors eines Verstärkers zu steuern und in einer Rückführschleife des Verstärkers angeordnet ist.

5. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperaturfühler dazu verwendet wird, die Verlustleistung des Ausgangstransistors eines Verstärkers zu steuern und in einer Shuntverbindung parallel zum Eingang des Verstärkers angeordnet ist.

4. Anordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das vorgegebene Maß an Hysteresis etwa 5 C beträgt.

5. Anordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperaturfühler mechanisch mit der Kalbleiterbefestigung derart verbunden ist, daß eine leichte Installation der Schutzanordnung an einer vorhandenen Schaltungskonfiguration ermöglicht wird.

6. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Material Vanadiumdioxid ist, welches einen scharfen Übergangsbereich hat, der sich von 55 bis 70 ⁰C erstreckt.

7· Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der tJbergangsbereich derart veränderbar ist, daß er sich von 40 bis 75 °C erstreckt, indem das Vanadiumdioxidmaterial mit einem geeigneten Dotiermaterial dotiert ist.

8. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der tlbergangsbereich derart veränderbar ist, daß er sich von 50 bis 90 C erstreckt, indem das Vanadiumdioxidmaterial mit einem geeigneten Dotiermaterial dotiert wird.

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9. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Übergangsbereich derart veränderbar ist, daß er sich von 62 auf 105 ⁰G erstreckt, indem das Vanadiumdioxidmaterial mit einem geeigneten Dotiermaterial dotiert wird.

10. Anordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3₅ dadurch gekennzeichnet, daß der Übergangsbereich des Temperaturfühlers derart geviählt ist, daß der Halbleiter bei einer maximalen sicheren Arbeitsenergie gehalten ist.

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