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"Temperaturfühler, insbesondere mit einer stromführenden
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Halbleiterstrecke 1? Die Erfindung bezieht sich auf einen Temperaturfühler,
insbesondere für den Uberlastungsschutz in einer integrierten Halbleiterschaltung,
bei dem durch Vergleich der Spannungsabfälle, die an zwei Zweigen mit stromdurchflossenen
Schaltelementen, insbesondere Halbleiterstrecken, auftreten und die unterschiedlich
von der Temperatur des zu schützenden Teiles abhängen, wobei wenigstens eines der
Schaltelemente mit dem zu schützenden Teil thermisch gekoppelt ist, bei gefährlicher
Temperaturerhöhung aus der gegenseitigen Änderung der Spannungsabfälle ein Fehlersignal
gebildet wird, durch das eine Belastungsreduzierung bewirkt wird.
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Ein bekannter Temperaturfühler dieser Art besteht aus einem Transistor,
dessen Basis an einem Spannungsteiler liegt, dessen Spannung durch die Emitter-Basis-Durchbruchsspannung
(Zenerspannung) von ca. 7 V einer anderen Halbleiterstrecke stabilisiert ist. Das
Spannungsteilungsverhältnis ist so gewählt, daß die am Transistor wirksame Basis-Emitter-Spannung
beträchtlich
unterhalb der bei normaler Temperatur auftretenden
inneren Schwellenspannung von z.B. 0,7 V bei einem Silicium-npn-Transistor liegt.
Bei starker Erwärmung nimmt diese Schwellenspannung ab und unterschreitet schließlich
den von außen angebotenen Wert: Der Transistor wird dann geöffnet und liefert das
gewünschte Fehlersignal.
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Eine solche Schaltung ist in beträchtlichem Maße von den unterschiedlichen
Fertigungstoleranzen des Transistors, der Zenerstrecke und der Widerstände abhängig.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine solche Schaltung so
auszubilden, daß die durch Fertigungstoleranzen bedingten Änderungen sich weitgehend
kompensieren derart, daß der Temperaturwert für das Einsetzen des Fehlersignals
weitgehend konstant ist, vorzugsweise mit Abweichungen unter 100C,insbesondere unter
5 0C.
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Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Zweige gebildet werden
durch Halbleiterstrecken, insbesondere Diodenstrecken, gleicher Art, aber mit unterschiedlichen
Temperaturkoeffizienten durch unterschiedliche spezifische Strombelastung und daß
beide Halbleiterstrecken mit dem zu schützenden Teil thermisch eng gekoppelt sind.
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Infolge der unterschiedlichen Temperaturkoeffizienten ändern sich
die Spannungsabfälle an den Halbleiterstrecken in unterschiedlicher Weise. Die an
den Halbleiterstrecken abgegriffenen
Spannungen ergeben dementsprechend
eine sich mit der Temperatur beträchtlich ändernde Differenzspannung. Diese Spannung
kann einer Schwellwertanordnung zugeführt werden derart, daß sie bei Überschreiten
bzw. Unterschreiten eines Schwellwertes ein Fehlersignal auslöst.
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Vorzugsweise ist die Zahl der Halbleiterübergänge in den beiden, durch
eine Reihenschaltung von Halbleiterübergängen aufgebauten Zweigen unterschiedlich.
Dann ergibt sich, daß die Spannungsabfälle von unterschiedlichen Werten ausgehen
und sich mit unterschiedlicher Neigung bei zunehmender Temperatur ändern derart,
daß bei einem bestimmten Temperaturwert die Spannungen gleich sind. Dies kann man
in einfacher Weise dadurch ausnutzen, daß beide Halbleiterstrecken aus der gleichen
Anzahl von Dioden bestehen,wobei die Halbleiterstrecke mit der niedrigeren spesifischen
Strombelastung zusätzlich einen Transistor enthält, dessen Basis mit der anderen
Halbleiterstrecke verbunden ist und dessen Kollektor das Fehlersignal entnommen
wird.
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Vorzugsweise betragen die Elektrodenflächen der Halbleiterübergänge
des einen Zweiges nur einen Bruchteil, z.B. 1/10 der Elektrodenflächen im anderen
Zweig, und diese kleineren Elektrodenflächen werden von einem erheblich, z.B. 10-mal,
grösseren Strom durchflossen als im anderen Zweig. Dadurch ergeben sich beträchtliche
Unterschiede im Temperaturkoeffizienten und so ein entsprechend steiler Schnittpunkt
zwischen den Kurven der Spannungsabfälle in Abhängigkeit von der Temperatur.
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Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung~beispielsweise
näher erläutert.
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An einer Spannungsquelle +U von z.B. 20 V, deren negativer Pol geerdet
ist, liegen zwei Stromzweige, von denen der erste aus einer Reihenschaltung besteht,
die zwei Dioden D1 und D2 mit an Erde liegender Kathode enthält und weiter einem
Widerstand R1, dessen der Anode der Diode 1 abgewandtes Ende am Kollektor eines
Transistors T1 liegt, dessen Emitter über einen Widerstand R2 von 300 Ohm an +U
liegt. Der zweite Zweig besteht aus zwei Dioden D3 und D4, deren Kathode an Erde
liegt und deren Anode mit dem Emitter eines npn-Transistors T4 verbunden ist. Dessen
Kollektor ist an den Kollektor eines pnp-Transistors T3 angeschlossen, dessen Emitter
über einen Widerstand R3 von 3,6 k0hm an +U liegt. Die Basen der Transistoren T1
und sind verbunden und außerdem an den Emitter eines pnp-Transistors T2 angeschlossen,
dessen Basis am Kollektor des pnp-Transistors T1 liegt und dessen Kollektor geerdet
ist.
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An die Verbindung der Kollektoren der Transistoren T3 und T4 ist die
Ausgangsklemme A angeschlossen, der das Fehlersignal entnommen wird. Dieses wird
der Basis eines pnp-Transistors T5 zugeführt, der ein zusätzliches mit der Basis
verbundenes Kollektorsegment aufweist, wodurch engere Grenzen für die Toleranz der
Stromverstärkung erreicht werden. Der freie Kollektor des Transistors T5 ist mit
Borde verbunden, und an seinem Emitter liegt die Basis eines weiteren pnp-Transistors
T6 von gleicher Art, die weiter über einen Widerstand R6 mit +U verbunden
ist,
an der auch der Emitter angeschlossen ist.
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Der freie Kollektor des Transistors liegt an der Basis eines npn-Transistors
T7, die über einen Widerstand R4, ebenso wie der Emitter über einen Widerstand R5,
an Erde angeschlossen ist.
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Zwei Transistoren T8 und T9 in Darlingtonschaltung, deren Ansteuerung
und Ausgangsbelastung im übrigen nicht dargestellt sind, bilden eine stark belastete
Stufe, z.B. die Endstufe für die Ansteuerung der Vertikalablenkung in einem Fernsehempfänger.
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Der Basis des Transistors T8 wird von einer Stromquelle 11, die mit
einer ggf. höheren Speisespannung +V verbunden ist, ein steuernder Basisstrom zugeführt.
Die Kollektoren der Transistoren T8 und T9 liegen ebenfalls an +V; der Emitter des
Transistors T9 liegt in irgendeiner Weise über eine Belastung B an Erde. Das Material,
auf dem die Transistoren T8 und T9 angebracht sind, ist über eine thermische Kopplung
Th, die symbolisch durch ein Rechteck mit gestrichelten Verbindungslinien für die
ausgeübte Wirkung dargestellt ist, mit dem Material der Dioden D1 bis D4 und des
Transistors T4 verbunden.
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Die Schaltung arbeitet wie folgt: Die Elektrodenflächen der Dioden
D1 und D2 betragen nur 1/10 der Diodenflächen der Dioden D3 und D4 sowie des Transistors
T4.
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Durch die Dioden D1 und D2 fließt ein Strom, der durch die in diesem
Zweig angebrachten Schaltelemente, insbesondere den Widerstand R1, bedingt ist und
der z.B. ein Milliampere betragen kann. Die Transistoren T1 und T3 bilden zusammen
eine Stromspiegelschaltung. Solange die Temperatur unterhalb des
kritischen
Wertes ist, liegt die Spannung an der Basis des Transistors T4, bei der dieser mit
seinen Emitterdioden D3 und D4 leitend würde, erheblich über dem an den Dioden D1
und D2 auftretenden Spannungsabfall. Der Transistor T4 und der Kollektor des Transistors
T3 führen keinen Strom. Die Stromspiegelschaltung erzwingt gleiche Basisspannungen
der Transistoren T1 und T3; es fließt daher ein entsprechend starker Basis-Emitter-Strom,
der am Widerstand R3 einen entsprechenden Spannungsabfall hervorruft. Der Transistor
T2 dient dazu, den Basisstrom für die Transistoren T1 und T3 zu liefern, wobei nur
ein geringer Stromanteil von dem den Widerstand R1 durchfließenden Strom entnommen
zu werden braucht.
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Die Ausgangsklemme A ist stromlos, die Transistoren T5, T6 und T7
sind gesperrt. Der Strom I1 steuert unvermindert die Transistoren T8 und T9.
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T9 Wenn nun der Endstufentransistor/eine bestimmte Temperatur erreicht
hat, wird die Erwärmung über die thermische Kopplung Th auf die Halbleiterbauelemente
D1 bis D*und T4 übertragen. Deren Elektrodenflächen sind so gewählt, daß bei der
betreffenden Grenztemperatur der Spannungsabfall der Dioden D1 und D2 bei dem hindurchfließenden
Strom gleich ist der Spannung für das Einsetzen des Stromes durch die drei anderen
Halbleiterbauelemente D3, D4 und T4. Dann fließt im
T4 ein Kollektorstrom und ein etwa entsprechender Emitterstrom auch durch die Dioden
D3 und D4. Durch die Stromspiegelschaltung T1 und
wird der Strom,
den der Kollektor des Transistors T3 vom Kollektor des Transistors T4 aufnehmen
kann, auf einen festen Bruchteil, z.B. ein Zehntel, also 0,1 Milliampere, des Stromes
durch den ersten Zweig mit den Dioden D1 und D2 begrenzt. Wird infolge etwas höherer
Erwärmung der Kollektorstrom des Transistors T4 grösser, so fließt er über die Ausgangsklemme
A in die Transistoren T5, T6 und T7. Die Schaltung ist so ausgelegt, daß durch Leiten
des Transistors T7 der Steuerstrom Ii wenigstens zu einem Teil übernommen wird derart,
daß die Ansteuerung des Endstufentransistors T9 entsprechend reduziert wird. Die
Stromverstärkungsfaktoren der Transistoren T5 und T6 sind z.B. je auf den Wert 5
begrent und der des Transistors T7 durch den Emitter-Gegenkopplungswiderstand R5
auf einen Wert von 10, insgesamt also 250. Dadurch wird verhindert, daß infolge
zu großer Schleifenverstärkung ein Schwingen des über die thermische Kopplung und
die Rückregelung gebildeten Regelkreises auftritt.
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Dadurch, daß die Flächen der Dioden D1 und D2 gegenüber den Flächen
der zugeordneten Bauelemente D3, D4 und T4 nur 1/10 betragen, der im Grenzbereich
vorgesehene Strom jedoch 10-mal so groß ist, wird eine um den Faktor 100 unterschiedliche
spezifische Strombelastung erreicht. Dadurch werden für die Anfangs spannung von
niedrigeren Temperaturen zu höheren Temperaturen unterschiedlich geneigte Kurven
erreicht, die infolge der unterschiedlichen Zahl der Halbleiterelemente auch von
verschiedenen Anfangswerten ausgehen. Man kann somit durch
geeignete
Wahl, wie sie beispielsweise in der dargestellten Schaltung getroffen wurde, erreichen,
daß bei einer bestimmten Temperatur ein Schnittpunkt der Kurven auftritt, bei dem
in dieser Schaltung der Transistor T4 aufgesteuert wird. Der Transistor T4 wirkt
also einerseits mit bei der Bildung der betreffenden temperaturabhängigen Anfangs
spannung und dient andererseits als Element, das oberhalb des betreffenden Schnittpunktes
ein Ausgangssignal (Rehlersignal) liefert.
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Ersichtlich wird so ein im Aufbau einfacher und in der Wirkung zuverlässiger
Temperaturfühler erhalten.
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Infolge der in einer integrierten Schaltung möglichen Toleranzen kann
der Ausgangsstrom des Temperaturfühlers an der Klemme A gegenüber dem Steuerstrom
I1 bei gleicher Temperatur ein unterschiedliches Verhältnis haben, so daß die Temperatur,
bei der eine bestimmte Reduzierung des Stromes 11 erreicht wird, einen gewissen
Streuungsbereich aufweist. Diese Streuung kann vermindert werden, wenn zwischen
dem Steuerstrom I1 und dem über dem Widerstand R1 in die Dioden D1 und D2fließenden
Strom eine Proportionalität hergestellt wird.
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Durch Toleranzabweichungen bei der Herstellung können die Elektrodenflächen
in einer integrierten Schaltung bei unterschiedlichen Exemplaren gewisse Abweichungen
zeigen. Diese Abweichungen wirken sich auf die spezifische Strombelastung der erfindungsgemäß
verwendeten Halbleiterstrecken (pn-Ubergänge) aus und
können zu
Abweichungen in der Grenztemperatur führen.
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Diese Toleranzen der Abmessungen sind in der Regel linear gleich,
d.h. wenn die eine Sollbreite 20 Mikron und die andere 60 Mikron beträgt, können
diese Abmessungen in einem bestimmten Fall auf 21 bzw. 61 Mikron verändert werden;
der prozentuale Einfluß ist also abhängig von der betreffenden linearen Dimension.
Es ist daher möglich, durch Änderung des Verhältnisses von Länge und Breite bzw.
durch Aufteilung in Teilflächen den einzelnen Elektroden eine unterschiedliche prozentuale
Abhängigkeit von solchen Fertigungstoleranzen zu geben derart, daß die prozentuale
Flächentoleranz der Halbleiterelemente des einen Zweiges gleich ist der prozentualen
Flächentoleranz der Halbleiterelemente des anderen Zweiges. Dann ist das Flächenverhältnis
unabhängig von diesen Fertigungstoleranzen konstant.
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So läßt sich erreichen, daß der Schnittpunkt der zugeordneten Spannungen
in beiden Zweigen stets annähernd bei der gleichen Temperatur liegt und somit alle
Temperaturfühler auch bei unterschiedlicher Herstellung praktisch gleiche Eigenschaften
haben.
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Patentansprüche
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