DE4015625A1

DE4015625A1 - Mit einer stromerfassungsfunktion versehener transistor

Info

Publication number: DE4015625A1
Application number: DE4015625A
Authority: DE
Inventors: Shogo Mori; Shinobu Aoki; Haruo Takagi
Original assignee: Toyoda Jidoshokki Seisakusho KK; Toyoda Automatic Loom Works Ltd
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 1989-05-16
Filing date: 1990-05-15
Publication date: 1990-11-22
Anticipated expiration: 2010-05-16
Also published as: CA2016918A1; KR930010102B1; DE4015625C2; US5061863A; KR900019223A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen mit einer Stromerfassungsfunktion versehenen Transistor zum Erfassen der Größe eines Hauptstroms. Sie kann bei verschiedenen Arten von Transistoren verwendet werden, wie bei einem Bipolartransistor, einem solchen mit elektrostatischer Induktion oder einem Feldeffekt-Transistor.

Des weiteren bezieht sich die Erfindung auf einen mit einer Stromerfassungsfunktion versehenen Transistor, wie z. B. einem Haupttransistor, durch den ein Hauptstrom fließt, und einem Fühler-Transistor zum Erfassen des durch den Haupttransistor fließenden Stroms, und insbesondere auf einen mit einer Stromerfassungsfunktion versehenen Transistor, der derart ausgelegt ist, daß er es ermöglicht, stabile Fühlerspannungen zu erhalten, die nicht von Temperaturänderungen beeinflußt sind.

Bei einem herkömmlichen System ist ein Leistungstransistor, durch den ein großer Strom fließen muß, mit einer Stromerfassungsfunktion versehen, die verhindert, daß er durch einen Überstrom beschädigt wird. Ein äußerer Widerstand ist zwischen die Hauptelektroden, wie z. B. Emitter- und Source-(Quelle-)Elektrode geschaltet, und der Spannungsabfall über dem Widerstand wird gemessen. Auf diese Weise wird die Größe des Hauptstroms erfaßt. Dieses Verfahren erfordert jedoch das Hinzufügen eines externen Widerstandes, wodurch ein Leistungsverlust verursacht wird.

Bei einer anderen herkömmlichen Auslegung ist ein mit einem Fühler-Transistor versehener Transistor mit einem Leistungstransistor unabhängig von dem Haupttransistor und mit dem Stromerfassungs-Emitteranschluß verbunden. Bei diesem System muß ein (nachstehend als Fühler-Widerstand bezeichneter) Widerstand innerhalb des Transistors angeordnet werden, um den Abfall der Fühlerspannung entsprechend dem durch den Fühler-Widerstand fließenden Strom zu erfassen. Materialien, wie z. B. Aluminium, polykristallines Silicium, ein Diffusionswiderstand oder dgl. werden für diesen Fühler-Widerstand benutzt.

Wenn diese Materialien verwendet werden, ändert sich der Fühler-Widerstand mit der Temperatur, weil sie jeweils eigene Temperaturkoeffizienten haben. Daher ändert sich die Fühlerspannung ebenfalls mit der Temperatur.

Dieses Problem wird gelöst, wenn der Fühler-Widerstand von einer Temperaturänderung unabhängig gemacht wird.

Jedoch unterliegt der Widerstand (bzw. Widerstand im eingeschalteten Zustand oder Ein-Widerstand) zwischen dem Kollektor und dem Emitter eines Transistors einer Änderung mit der Temperatur im Betriebszustand. Daher ist der Schritt, dieses Problem zu lösen, nicht ausreichend. Mit anderen Worten, das Verhältnis der Ströme (Haupt- und Fühlerströme), die durch den Haupt- und Fühler-Transistor fließen, ändert sich mit der Temperatur, wodurch verursacht wird, daß sich die Fühlerspannung mit der Temperatur ändert.

Mit der Erfindung sollen die genannten Nachteile beseitigt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Transistor mit einer Stromerfassungsfunktion zu versehen, die keinen äußeren Widerstand erfordert und so keinen Leistungsverlust verursacht.

Weiterhin soll mit der Erfindung ein mit einer Stromerfassungsfunktion versehener Transistor bereitgestellt werden, bei dem die Fühlerspannung an beiden Enden eines Fühler-Widerstandes sich nicht mit der Temperatur ändert, so daß die Fühlerspannung stets genau der Größe des Hauptstroms entspricht.

Ferner soll mit der Erfindung ein mit einer Stromerfassungsfunktion versehener Transistor bereitgestellt werden, bei dem das Verhältnis von Haupt- und Fühlerstrom sich nicht mit der Temperatur ändert, so daß die Fühlerspannung stets genau dem Hauptstrom entspricht.

Ein mit einer Stromerfassungsfunktion versehener Transistor ist erfindungsgemäß derart ausgelegt, daß er einen Teil der Elektrodenverdrahtung, durch die der Hauptstrom fließt, als Stromerfassungswiderstand benutzt und die Größe des Hauptstroms auf der Basis des Spannungsabfalls an einem Widerstand feststellt. Da die Elektrodenverdrahtung eine Widerstandskomponente beinhaltet, kann ein Teil von ihr als Widerstand verwendet werden. Mit anderen Worten, ein Spannungsabfall, der der Größe des Hauptstroms entspricht, kann von beiden Enden desjenigen Teils der Elektrodenverdrahtung bzw. -beschaltung erhalten werden, der als Widerstand benutzt wird. Die Größe des Hauptstroms kann daher auf der Basis dieses Spannungsabfalls erfaßt werden. Wie vorstehend beschrieben, benutzt die Erfindung den Spannungsabfall an der Widerstandskomponente, die in der Elektrodenverdrahtung vorliegt, um den Strom zu erfassen. Dadurch erübrigt es sich, dem Transistor einen externen Widerstand hinzuzufügen, so daß ein Leistungsverlust vermieden wird.

Ein anderer mit einer Stromerfassungsfunktion versehener erfindungsgemäßer Transistor ist derart ausgelegt, daß er einen Haupttransistor, durch den ein Hauptstrom fließt, und einen Fühler-Transistor zum Erfassen des durch den Haupttransistor fließenden Stroms aufweist, wobei ein Widerstandselement mit einem positiven Temperaturkoeffizient und ein Widerstandselement mit einem negativen Temperaturkoeffizient in Reihe zu einem Emitter des Fühler-Transistors geschaltet sind und die Temperaturkoeffizienten und Widerstände dieser Widerstandselemente derart eingestellt sind, daß beide temperaturkompensiert sind, so daß ihr gemeinsamer Widerstands-Temperaturkoeffizient "0" ergibt.

Der Fühler-Widerstand weist zwei in Reihe geschaltete Widerstandselemente auf, von denen das eine einen positiven Temperaturkoeffizienten und das andere einen negativen Temperaturkoeffizient hat. Wenn der Widerstand eines dieser Widerstandselemente mit der Temperatur wächst, fällt der Widerstand des anderen. Die sich ändernden Spannungsabfälle, die von den beiden Widerständen auf eine Temperaturänderung hin verursacht werden, löschen sich gegenseitig aus, so daß der resultierende Spannungsabfall "0" wird. Abgesehen von einer Änderung der Größe des Hauptstroms können daher die Fühlerspannungen unabhängig von einer Temperaturänderung nahezu konstant gehalten werden.

Ein weiterer mit einer erfindungsgemäßen Stromerfassungsfunktion versehener Transistor besitzt ein Widerstandselement mit einem Temperaturkoeffizient, der das Verhältnis von Haupt- und Fühlerstrom unabhängig von einer Temperaturänderung konstant hält und ein weiteres Widerstandselement mit einer passenden Temperaturcharakteristik, wobei die beiden Widerstände in Serie geschaltet und mit dem Emitter des Fühler-Transistors verbunden sind.

Das Widerstandselement, das eine Temperaturcharakteristik besitzt, die mit dem Widerstand in eingeschaltetem Zustand bzw. Ein-Zustand zwischen Kollektor und Emitter des Transistors im Einklang steht, ist mit dem Emitter des Fühler-Transistors verbunden. Auf diese Weise kann das Verhältnis von Haupt- und Fühlerstrom, das sich natürlicherweise mit der Temperatur ändert, konstant gehalten werden.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 die Darstellung eines Elektrodenmusters auf einem als Beispiel dienenden Transistor, der mit einer erfindungsgemäßen Stromerfassungsfunktion versehen ist,

Fig. 2 einen Schaltplan des Transistors,

Fig. 3 ein Blockschaltbild, in dem ein Beispiel für eine Überstromschutzschaltung dargestellt ist, die in den Transistor eingebaut ist,

Fig. 4 einen Schaltplan, der die in Fig. 3 gezeigte Schaltung genauer wiedergibt,

Fig. 5 einen Schaltplan, der eine Auslegung des mit einer erfindungsgemäßen Stromerfassungsfunktion versehenen Transistors darstellt,

Fig. 6 eine konstruktive Ausführung eines Fühler-Widerstands in einem mit einer Stromerfassungsfunktion versehenen Transistor, bei der Anordnungen in der Ebene und im Schnitt zum Vergleich gezeigt sind,

Fig. 7 einen Schaltplan, der einen mit einer erfindungsgemäßen Stromerfassungsfunktion versehenen Transistor wiedergibt,

Fig. 8 einen Schaltplan, der eine Darstellung einer äquivalenten bzw. Ersatzschaltung eines mit einer Stromerfassungsfunktion versehenen Transistors wiedergibt,

Fig. 9 einen Schaltplan, der ein weiteres Beispiel eines mit einer erfindungsgemäßen Stromerfassungsfunktion versehenen Transistors wiedergibt.

Fig. 1 zeigt das Elektrodenmuster auf einem als Beispiel gewählten Transistor mit einer erfindungsgemäßen Stromerfassungsfunktion. Das Beispiel stellt einen bekannten bipolaren Transistor mit elektrostatischer Induktion in Multi-Emitter-Bauweise dar, dem eine Stromerfassungsfunktion hinzugefügt ist.

Bei diesem Beispiel ist eine Source-(Quelle-)Elektrode S aus Aluminium oder dgl. hergestellt und weist Abschnitte auf, die wie die Zähne eines Kammes geformt sind, wie in Fig. 1 dargestellt. Die Source-Elektrode ist auf mehreren (nicht gezeigten) Source-Bereichen ausgebildet, die Seite an Seite auf der Oberfläche eines Mikrobausteins (chip) angeordnet sind. Ähnlich ist eine aus Aluminium oder dgl. hergestellte und Abschnitte wie die Zähne eines Kammes aufweisende Gate-(Gatter-)Elektrode G auf einem (nicht gezeigten) Gate-Bereich ausgebildet, der den Source-Bereich einschließt. Die wie die Zähne eines Kammes geformten Abschnitte der Source-Elektrode S sind abwechselnd mit den wie die Zähne eines Kammes geformten Abschnitten der Gate-Elektrode G verzahnt. Eine in Fig. 1 nicht gezeigte Drain-(Senke-)Elektrode D ist über die gesamte Unterseite (bzw. den Drain-Bereich) des Bausteins ausgebildet.

Ein Stromerfassungsanschluß S₁ ist am vorderen Ende eines der zahnähnlichen Abschnitte S _a der Source-Elektrode S und ein weiterer Stromerfassungsanschluß S₂ an der Basis eines weiteren zahnähnlichen Abschnitts S _b angeordnet, der von dem Elektrodenabschnitt S _a getrennt ist. Dieser (schraffierte) Abschnitt der Source-Elektrode S, der sich zwischen den beiden Anschlüssen S₁ und S₂ erstreckt, wird als Widerstand R _S verwendet.

Fig. 2 zeigt schematisch einen Schaltplan eines in der vorstehend beschriebenen Weise ausgelegten Transistors. Hierbei ist der Transistor ein n-Kanaltyp mit elektrostatischer Induktion.

Bei dem in vorstehender Weise ausgelegten erfindungsgemäßen Transistor fließt ein Drain-Strom I _D durch die Drain-Elektrode D, während ein (dem Drain-Strom I _D entsprechender) Source-Strom I _S durch die Source-Elektrode S auf einen Gate-Strom I _G hin fließt der durch die Gate-Elektrode G fließt. Ein Strom (bzw. Erfassungsstrom) I _SS fließt dabei durch den Stromerfassungs-Widerstand bzw. Fühler-Widerstand R _S, der einen Teil der Source-Elektrode S bildet, von dem Anschluß S₁ zu dem Anschluß S₂. Wenn der durch den Widerstand R _S verursachte Spannungsabfall bzw. die Spannung V _SS zwischen den Anschlüssen S₁ und S₂ gemessen wird, kann somit die Größe des Hauptstroms (bzw. des Source-Stroms I _S) erfaßt werden.

Gemäß diesem Beispiel des Transistors kann eine Stromerfassung dadurch erreicht werden, daß der Spannungsabfall an der Widerstandskomponente erfaßt wird, die an der Source-Elektrode S vorliegt, wie vorstehend beschrieben. Hierdurch erübrigt es sich, dem Transistor einen äußeren Widerstand hinzuzufügen. Ferner wird der Stromverlust beim Erfassen des Stroms zu "0".

Wenn der Anschluß S₁ an dem vorderen Ende des Elektrodenabschnitts S _a und der Anschluß S₂ an der Basis des anderen Elektrodenabschnitts S _b, wie bei diesem Beispiel angeordnet ist, fließt ein Strom zum Anschluß S₂ nicht nur von dem Elektrodenabschnitt S _a, sondern auch von den zwischen den Elektrodenabschnitten S _a und S _b liegenden Elektrodenabschnitten, und ein Spannungsabfall an all diesen Elektrodenabschnitten kann als Spannungsabfall über dem Widerstand R _S erfaßt werden. Mit anderen Worten, der Spannungsabfall kann als eine Spannung erfaßt werden, die so hoch ist, daß sie von Rauschen nicht beeinflußt wird. Selbst wenn das Material der Source-Elektrode S Aluminium ist, das einen niedrigen spezifischen Widerstand besitzt, kann z. B. der Widerstand etwa 0,1 Ohm betragen, wenn die Breite w und Länge l jedes Elektrodenabschnitts geeignet festgelegt werden, die einen Teil der Source-Elektrode S bilden. Falls ein Source-Strom von mehreren 10 A fließen darf, kann daher ein Spannungsabfall von ungefähr 100 mV mit dem Widerstand R _S erfaßt werden.

Fig. 3 stellt ein Blockschaltbild dar, das ein Beispiel einer Überstrom-Schutzschaltung eines Transistors T zeigt. Der Transistor T ist mit einer erfindungsgemäßen Stromerfassungsfunktion versehen, wie vorstehend beschrieben. Fig. 4 zeigt die Schaltung gemäß Fig. 3 genauer.

Gemäß Fig. 3 ist die Drain-Elektrode D des Transistors T mit der Plus-Seite der Gleichspannungsversorgungsquelle 2 über einen Lastwiderstand bzw. Verbraucher 1 und seine Source-Elektrode S mit der Minus-Seite der Gleichspannungsversorgungsquelle 2 über einen gemeinsamen Anschluß 3 verbunden. Ferner ist der Aufbau derart, daß der Gate-Strom I _G von einer Transistortreiberschaltung 4 zu der Gate-Elektrode G fließt.

An beiden Enden des Stromerfassungs-Widerstandes R _S des Transistors T erzeugte Spannungen werden an einen Gleichspannungsverstärker 5 angelegt, von dem sie verstärkt werden. Die so erhaltene Spannung wird dann an eine Entscheidungs-Steuerschaltung 7 zusammen mit einer Bezugsspannung V _REF einer Bezugsspannungsquelle 6 angelegt. Eine aus der Ermittlung der Entscheidungs-Steuerschaltung 7 resultierende Spannung wird als Steuereingangssignal der Transistortreiberschaltung 4 zugeführt. Wie aus Fig. 4 ersichtlich, ist der Gleichspannungsverstärker 5 ein Operationsverstärker mit einer einzigen Spannungsquelle, die Entscheidungs-Steuerschaltung 7 ein Vergleicher mit offenem Kollektorausgang; die Bezugspannungsquelle 6 weist eine Zenerdiode, Widerstandselemente und Kondensatoren auf. Die Transistortreiberschaltung 4 umfaßt eine Verstärkerschaltung mit einem Transistor Q₁ und eine Stromspiegelschaltung mit Transistoren Q₂ und Q₃.

Nachstehend wird die Arbeitsweise der genannten Überstrom-Schutzschaltung beschrieben.

Wenn ein Treibersignal an einen Treibereingangsanschluß d der Transistortreiberschaltung 4 angelegt wird, führt die Transistortreiberschaltung 4 der Gate-Elektrode G des Transistors T einen Gate-Strom I _G zu. Hierdurch wird der Transistor T leitend, so daß ein (dem Drain-Strom I _D entsprechender) Source-Strom I _S durch den Lastwiderstand 1 fließt. Hierbei fließt ein Erfassungsstrom bzw. Fühlerstrom I _SS, der einen Teil des Source-Stroms I _S bildet, zu dem Stromerfassungs-Widerstand R _S. Dadurch wird eine der Größe des Source-Stroms I _S entsprechende Spannung zwischen den beiden Enden des Widerstandes R _S erzeugt und um (eine Konstante) K-Mal verstärkt.

Die Ausgangsspannung des Gleichspannungsverstärkers 5 wird an die Entscheidungs-Steuerschaltung 7 angelegt und an dieser mit der Bezugsspannung V _REF verglichen. Wenn der Lastwiderstand bzw. Verbraucher 1 kurzgeschlossen ist, wodurch der Source-Strom I _S überhöht und die Ausgangsspannung des Gleichspannungsverstärkers 5 größer als die Bezugsspannung V _REF wird, führt die Entscheidungs-Steuerschaltung 7 einem Steueranschluß s der Transistortreiberschaltung 4 ein Steuersignal zu. Dadurch erniedrigt die Transistortreiberschaltung 4 den dem Transistor T zugeführten Gate-Strom I _G, so daß der (dem Drain-Strom I _D entsprechende) Source-Strom I _S herabgesetzt wird. Diese negative Rückkopplungsschleife schützt den Transistor T, den Lastwiderstand bzw. Verbraucher 1 und die Gleichspannungsversorgung 2 vor einem Überstrom.

Die Stromerfassungsanschlüsse S₁ und S₂ müssen nicht in der in Fig. 1 gezeigten Weise angeordnet sein. Sie können an einer beliebigen Stelle angeordnet sein, falls an dem Widerstand R _S ein Spannungsabfall erzeugt werden kann, der groß genug ist, den Strom zu erfassen.

Das Elektrodenmaterial ist nicht auf Aluminium beschränkt, sondern kann ein anderes Metall, polykristallines bzw. Poly-Silicium oder dgl. sein.

Obwohl ein Transistor mit elektrostatischer Induktion des n-Kanaltyps in Fig. 2 gezeigt ist, kann der Transistor auch ein p-Kanaltyp sein. Ferner kann die Erfindung auch bei einem bipolaren Transistor, einem Feldeffekt-Transistor oder dgl. angewandt werden.

Fig. 5 zeigt schematisch einen anderen Aufbau des mit einer erfindungsgemäßen Stromerfassungsfunktion versehenen Transistors.

Der mit einer Stromerfassungsfunktion versehene Transistor Tr weist einen Haupttransistorabschnitt, durch den ein Hauptstrom fließt, und einen Fühler-Transistorabschnitt zum Erfassen eines durch den Haupttransistorabschnitt fließenden Stroms auf. Kollektor und Basis beider Transistorabschnitte sind wie üblich miteinander verbunden und erstrecken sich getrennt auf die Außenseite des Transistorbausteins bzw. -gehäuses, wie durch eine unterbrochene Linie dargestellt (s. Symbole C und D) ist. Ein Emitter bzw. Hauptemitter des Haupttransistorabschnitts erstreckt sich ebenfalls auf die Außenseite des Transistorgehäuses (s. Symbol E), wie es bei Kollektor und Basis der Fall ist.

Ein Fühler-Widerstand weist in Serie geschaltete Widerstände R _{S 1} und R _{S 2} auf. Der Widerstand R _{S 1} hat einen positiven Temperaturkoeffizienten, während der Widerstand R _{S 2} einen negativen Transistorkoeffizenten hat. Ein Ende des Fühler-Widerstandes ist mit dem Emitter oder Fühler-Emitter des Fühler-Transistorabschnitts verbunden, während das andere Ende mit dem Hauptemitter verbunden ist. Die Verbindung des Fühler-Emitters mit dem Fühler-Widerstand R _{S 1} erstreckt sich auf die Außenseite des Transistors Tr als Anschluß S₁ der Fühlerspannungs-Erfassungsanschlüsse, während die Verbindung des Hauptemitters mit dem Fühler-Widerstand R _{S 2} sich auf die Außenseite des Transistors Tr als dessen anderer Anschluß S₂ erstreckt. Bei diesem Beispiel hat der Widerstand R _{S 1} einen positiven Temperaturkoeffizienten, während der Widerstand R _{S 2} einen negativen Temperaturkoeffizienten hat; die gleiche Funktion kann jedoch auch erfüllt werden, wenn der Widerstand R _{S 1} einen negativen Temperaturkoeffizienten hat, während der Widerstand R _{S 2} einen positiven Temperaturkoeffizienten hat.

Nachfolgend werden Bedingungen beschrieben, unter denen der verbundene bzw. kombinierte Widerstand aus den Fühler-Widerständen R _{S 1} und R _{S 2} unabhängig von einer Temperaturänderung zuverlässig bzw. stabil wird.

Wenn die Fühler-Widerstände durch R _{S 0} dargestellt werden, gilt

R _{S 0} = R _{S 1} + R _{S 2} (1).

Berücksichtigt man die Temperaturänderung, so kann Gleichung (1) ausgedrückt werden durch

R _{S 0} = R _{S 1} (1 + α _{K 1} Δ T) + R _{S 2} (1 + α _{K 2} Δ T) (2),

in der α _{K 1} einen Temperaturkoeffizienten des Widerstands R _{S 1} (a _{K 1} < 0), α _{K 2} einen Temperaturkoeffizienten des Widerstandes R _{S 2} (α _{K 2} < 0) und Δ T den Wert der Temperaturänderung darstellen.

Der Ausdruck für die Temperaturänderung in Gleichung (2) soll "0" werden, um die Fühler-Widerstände R _{S 0} von der Temperatur unbeeinflußt zu halten. Daraus folgt

α _{K 1} · Δ T · R _{S 1} + a _{K 2} · Δ T · R _{S 2} = 0 (3).

Die Gleichungen (1) und (3) stellen die Bedingungen dar, unter denen der verbundene bzw. kombinierte Widerstand der Fühler-Widerstände unabhängig von einer Temperaturänderung stabil bzw. definiert wird. Wenn die Temperaturkoeffizienten α _{K 1}, a _{K 2} und die Widerstände R _{S 1}, R _{S 2} so eingestellt werden, daß sie Gleichung (3) erfüllen, werden daher die Fühler-Widerstände von einer Temperaturänderung nicht beeinflußt.

Fig. 6 zeigt Aufbauten des mit einer Stromerfassungsfunktion versehenen Transistors in der Ebene und im Schnitt, um ein konstruktives Beispiel der Fühler-Widerstände zu beschreiben.

Eine Schicht aus polykristallinem Silicium (das einen negativen Temperaturkoeffizienten hat) ist auf der Oberfläche eines Siliciumoxid-(SiO₂-)Substrats ausgebildet, während eine Schicht aus Aluminium (das einen positiven Temperaturkoeffizienten hat) in einigen erforderlichen Bereichen auf der Schicht des polykristallinem Siliciums (Poly-Si) ausgebildet ist. Eine Elektrode 11 und eine weitere Elektrode 12, die einen Widerstandsbereich 12 a besitzt, sind auf der Aluminiumschicht (Al) ausgebildet. Ein Streifen aus polykristallinem Silicium 13 ist zwischen den Elektroden 11 und 12 angeordnet.

Ein Bereich bzw. eine Einbettung 14, die sich zu dem Fühler-Emitter und dem Fühlerspannungs-Erfassungsanschluß S₁ erstreckt, ist an die Elektrode 11 angeschlossen. Ein von dem Bereich 14 fließender Strom durchfließt die Elektrode 1, den Streifen 13 und die Elektrode 12 und gelangt zu einem Bereich bzw. einer Einbettung 15, zu der sich der Fühlerspannungs-Erfassungsanschluß S₂ erstreckt, über den Widerstandsbereich 12 a.

Die Elektroden 11 und 12 sind insgesamt aus Aluminium gefertigt und besitzen zusammen mit dem Widerstandsbereich 12 a die Funktion eines Widerstandes R _{S 1}, während der Streifen aus polykristallinem Silicium 13 die Funktion des Widerstandes R _{S 2} besitzt. In diesem Beispiel ist die Erfindung bei einem herkömmlichen Transistor angewandt, sie kann aber auch bei einem Feldeffekt-Transistor, einem Transistor mit elektrostatischer Induktion oder dgl. angewendet werden; es ist bekannt, daß dabei der Kollektor als Drain, der Emitter als Source und die Basis als Gate anzusehen sind.

Fig. 7 zeigt schematisch eine weitere Auslegung des mit einer erfindungsgemäßen Stromerfassungsfunktion versehenen Transistors.

Ein mit einer Stromerfassungsfunktion versehener Transistor Tr weist einen Haupttransistorabschnitt, durch den ein Hauptstrom fließt, und einen Fühler-Transistorabschnitt zum Erfassen eines durch den Haupttransistorabschnitt fließenden Stroms auf. Der Kollektor und die Basis beider Transistorabschnitte sind in herkömmlicher Weise verbunden und erstrecken sich getrennt auf die Außenseite des Transistors, der von einer unterbrochenen Linie umschlossen ist (s. Symbole C und B). Der Emitter bzw. Hauptemitter des Haupttransistorabschnitts erstreckt sich ebenfalls auf die Außenseite des Transistors Tr, wie es bei dem Kollektor und der Basis der Fall ist (s. Symbol E).

Ein Emitter bzw. Fühleremitter des Fühlertransistorabschnitts ist mit dem Hauptemitter über einen Fühler-Widerstand R _SA verbunden, dessen Temperaturkoeffizient durch Kompensation zu "0" gemacht ist, und ein Widerstand R _T, der einen geeigneten Temperaturkoeffizienten hat, um das Verhältnis des Hauptstroms und des Fühler-Stroms (der zu dem Fühler-Transistorabschnitt fließt) bei Temperaturänderung konstant zu machen. Die Verbindung des Fühler-Emitters mit dem Fühler-Widerstand R _SA erstreckt sich auf die Außenseite des Transistors Tr als ein Fühlerspannungs-Erfassungsanschluß S₁, während die Verbindung des anderen Fühler-Widerstandes R _SA mit dem Widerstand R _T sich auf die Außenseite des Transistors Tr als der andere Fühlerspannungs-Erfassungsanschluß S₂ erstreckt.

Bei diesem Beispiel sind der Fühler-Widerstand R _SA und der Widerstand R _T auf einem Silicium-Substrat als eine Kombination aus dem Widerstand der (einen positiven Temperaturkoeffizienten aufweisenden) Aluminium-Elektrode, die zusammen mit dem Transistorabschnitt gebildet ist, und dem Diffusionswiderstand aus (einen negativen Temperaturkoeffizienten aufweisenden) polykristallinem Silicium gebildet, das durch Diffusion aufgebracht ist.

Nachfolgend wird die Bedingung beschrieben, unter der das Verhältnis von Haupt- und Fühlerstrom bei einer Temperaturänderung konstant bleibt.

Fig. 8 zeigt ein äquivalentes bzw. Ersatzschaltbild des mit einer Stromerfassungsfunktion versehenen Transistors Tr.

Fig. 8 zeigt einen Widerstand im eingeschalteten Zustand bzw. Ein-Widerstand R _CE/m zwischen dem Kollektor und dem Emitter des Hauptwiderstandabschnitts und einen Ein-Widerstand R _CE/n zwischen dem Kollektor und dem Fühler-Emitter des Fühler-Transistorabschnitts. Der Widerstand R _T und der Fühler-Widerstand R _SA sind in Reihe mit dem Ein-Widerstand zwischen dem Kollektor und dem Fühler-Emitter und dann mit dem Haupt-Emitter verbunden. Das Verhältnis zwischen dem durch den Fühler-Transistorabschnitt fließenden Strom I _SS und dem durch den Haupttransistorabschnitt fließenden Strom I _E kann ausgedrückt werden als:

I _SS/I_E = {(1 + α _K Δ T) R _CE/m} / {(1 + a _K Δ T) R _CE/n + R _SA + (1 + a _T Δ T) R _T}

= {R _CE/m} / {R _CE/n)} + {R _SA + (1 + α _T Δ T) R _T} / (1 + a _K Δ T) (4),

worin α _K den Temperaturkoeffizienten des Ein-Widerstandes R _CE des Halbleiters angibt, der den mit einer Stromerfassungsfunktion versehenen Transistor Tr bildet, α _T den Temperaturkoeffizienten des Widerstandes R _T, Δ T die Temperaturänderung und m und n positive ganze Zahlen darstellen.

Wenn das Verhältnis durch eine Temperaturänderung nicht beeinflußt werden soll, wird Δ T "0". Wenn Δ T in Gleichung (4) durch "0" ersetzt wird, ergibt sich

I _SS/I_E = {R _CE/m} / {R _CE/n + R _SA + R _T} (5).

Die Bedingung, unter der das Verhältnis der Ströme I _SS und I _E mit einer Temperaturänderung konstant bleibt, ergibt sich aus den Gleichungen (4) und (5) als:

Aus Gleichung (6) folgt:

Gleichung (7) beschreibt die Bedingung, unter der das Verhältnis der Ströme I _SS und I _E konstant bleibt. Wenn der durch Gleichung (7) gegebene Temperatur-Kompensations-Widerstand R _T dem Fühler-Emitter hinzugefügt wird, bleibt folglich das Verhältnis aus den Strömen I _SS und I _E konstant. Hierdurch kann eine Drift der Fühlerspannung V _SS auf eine Temperaturänderung hin verhindert werden.

Fig. 9 zeigt ein anderes Beispiel eines mit einer erfindungsgemäßen Temperaturerfassungsfunktion versehenen Transistors.

Ein Kollektor C, eine Basis B und ein Hauptemitter E des mit einer Stromerfassungsfunktion versehenen Transistors T _R sind gemäß Fig. 1 angeordnet. Der Fühleremitter erstreckt sich als Fühlerspannungs-Erfassungsanschluß S auf die Außenseite des Transistors T _R über den Widerstand R _T, der einen passenden Temperaturkoeffizienten hat, um das Verhältnis von Haupt- und Fühlerstrom bei Temperaturänderung konstant zu machen. Ein Fühlerwiderstand R _SA mit einem Temperaturkoeffizienten "0" ist zwischen dem Fühlerspannungs-Erfassungsanschluß S und dem Hauptemitter E auf der Außenseite des Transistors T _R angeordnet. Auch bei dem mit einer Stromerfassungsfunktion versehenen Transistor T _R mit vorstehend beschriebener Auslegung kann eine Fühlerspannung V _SS, die von einer Temperaturänderung kaum beeinflußt ist, an beiden Enden des Fühlerwiderstandes R _SA erhalten werden, wie es bei dem in Fig. 7 gezeigten Transistor der Fall ist. Obwohl die Erfindung in diesem Fall bei einem herkömmlichen Transistor angewandt worden ist, kann sie auch bei dem Feldeffekt-Transistor, dem Transistor mit elektrostatischer Induktion (SIT) oder dgl. angewandt werden. Es ist bekannt, daß in diesem Fall der Kollektor als Drain, der Emitter als Source und die Basis als Gate anzusehen sind.

Wie vorstehend beschrieben, wird erfindungsgemäß der Hauptstrom aus dem Spannungsabfall an der Widerstandskomponente bestimmt, die an der Elektrodenverdrahtung vorliegt. Dadurch wird ein Transistor mit einer Stromerfassungsfunktion erhalten, durch die es sich erübrigt, dem Transistor einen äußeren Widerstand hinzuzufügen und durch die ein Leistungsverlust vermieden werden kann.

Da der Fühler-Widerstand temperaturkompensiert ist, ändert er sich außerdem kaum mit der Temperatur. Dadurch wird die Herstellung eines mit einer Stromerfassungsfunktion versehenen Transistors möglich, der die Fähigkeit besitzt, eine Fühlerspannung zu erhalten, die der Größe des Hauptstroms genau entspricht. Wenn in dem Haupttransistorabschnitt ein Überstrom fließt, kann dieser somit genau erfaßt werden.

Des weiteren kann das Verhältnis aus Hauptstrom und Fühlerstrom unbeeinflußt von einer Temperaturänderung gemacht werden, und es kann so eine Fühlerspannung erhalten werden, die genau der Größe des Hauptstroms unabhängig von einer Temperaturänderung entspricht. Hierdurch ergibt sich ein mit einer Stromerfassungsfunktion versehener Transistor, der einen Überstrom genauer erfaßt.

Die Erfindung schafft somit einen mit einer Stromerfassungsfunktion versehenen Transistor, der keinen externen Widerstand zur Stromerfassung benötigt, sondern einen von dem Hauptstrom durchflossenen Teil der Elektrodenverdrahtung bzw. des Elektrodenanschlusses als Widerstand benutzt, so daß ein Leistungsverbrauch verhindert wird. Die Größe des Hauptstroms wird auf der Basis des durch den Widerstand verursachten Spannungsabfalls erfaßt.

Ferner kann eine stabile Fühlerspannung erhalten werden, die von einer Temperaturänderung nicht beeinflußt wird; die an beiden Enden des Fühler-Widerstandes erzeugte Fühlerspannung kann bei Temperaturänderung konstant gehalten werden. Die Fühlerspannung entspricht genau der Größe des durch den Haupttransistor fließenden Hauptstroms, so daß ein Überstrom genau erfaßbar ist.

Claims

1. Mit einer Stromerfassungsfunktion versehener Transistorschaltkreis, der einen Transistor zum Treiben eines Verbrauchers aufweist, gekennzeichnet durch einen Stromerfassungswiderstand (R _S; R_{S 1}, R _{S 2}; R _SA, R_T), der als Teil eines von einem Hauptstrom durchflossenen Elektrodenanschlusses ausgebildet ist, und Anschlüsse (S₁, S₂) zum Erfassen der Größe des Hauptstroms auf der Basis des Spannungsabfalls des durch den Widerstand fließenden Stroms.

2. Transistorschaltkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Transistor (T; Tr; T _R) einen n-Kanaltyp mit elektrostatischer Induktion dargestellt.

3. Transistorschaltkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Transistor (T; Tr; T _R) einen p-Kanaltyp mit elektrostatischer Induktion darstellt.

4. Transistorschaltkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Transistor (T; Tr; T _R) einen Bipolartransistor darstellt.

5. Transistorschaltkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Transistor (T; Tr; T _R) einen Feldeffekt-Transistor darstellt.

6. Transistorschaltkreis nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand (R _S; R_{S 1}, R _{S 2}; R _SA, R_T) ein Teil eines aus Aluminium hergestellten Elektrodenanschlußmusters ist.

7. Transistorschaltkreis nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand (R _S; R_{S 1}, R _{S 2}; R _SA, R_T) einen Teil eines aus polykristallinem Silicium hergestellten Elektrodenanschlußmusters bildet.

8. Transistorschaltkreis nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch einen Gleichspannungsverstärker (5) zum Verstärken einer Spannung zwischen beiden Enden (S₁, S₂) des Widerstandes, eine Entscheidungs-Steuerschaltung (7) zum Vergleichen einer von dem Gleichspannungsverstärker gebildeten Spannung mit einer Bezugsspannung (V _REF) und zum Entscheiden, welche der Spannungen höher ist, und eine Transistortreiberschaltung (4) zum Empfangen eines Steuersignals von der Entscheidungs-Steuerschaltung, wenn die Ausgangsspannung des Gleichspannungsverstärkers höher ist als die Bezugsspannung, wobei der dem Gate bzw. der Basis zugeführte Strom durch die Transistortreiberschaltung herabgesetzt wird.

9. Transistorschaltkreis nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Gleichspannungsverstärker (5) ein Operationsverstärker und die Entscheidungs-Steuerschaltung (7) ein Vergleicher mit offenem Kollektorausgang sind und die Transistortreiberschaltung (4) eine Verstärkerschaltung mit einem Transistor (Q₁) und eine Stromspiegelschaltung mit zwei Transistoren (Q₂, Q₃) aufweist.

10. Transistorschaltkreis nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand (R _{S 1}; R _{S 2}) ein Widerstandselement (R _{S 1} ) mit einem positiven Temperaturkoeffizienten und ein anderes Widerstandselement (R _{S 2} ) mit einem negativen Temperaturkoeffizienten besitzt, daß die Widerstandselemente in Reihe mit dem Emitter (E) des Transistors (Tr) geschaltet sind und innerhalb des Transistors liegen, und daß der Widerstand weiterhin eine Temperaturkompensationsvorrichtung zum Einstellen der Temperaturkoeffizienten und Widerstandswerte der Widerstandselemente in der Weise aufweist, daß sie ihre Änderungen bei Temperaturänderungen kompensieren und ihr kombinierter Widerstands-Temperaturkoeffizient "0" wird.

11. Transistorschaltkreis nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Widerstandselement (R _{S 1} ) mit positivem Temperaturkoeffizienten von einem Elektrodenanschlußmuster aus Aluminium und das Widerstandselement (R _{S 2} ) mit negativem Temperaturkoeffizienten von einem Elektrodenanschlußmuster aus polykristallinem Silicium gebildet werden.

12. Transistorschaltkreis nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch eine Temperaturkompensationsvorrichtung mit einem Widerstandselement (R _SA), das einen zum Konstanthalten des Verhältnisses aus Haupt- und Fühlerstrom unabhängig von einer Temperaturänderung geeigneten Temperaturkoeffizienten besitzt und an den Emitter des Transistors angeschlossen ist, und mit einem anderen Widerstandselement (R _T ), das eine passende Temperaturcharakteristik besitzt und in Reihe mit dem ersten Widerstandselement geschaltet ist.

13. Transistorschaltkreis nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Widerstandselement (R _SA), das einen zum Konstanthalten des Verhältnisses aus Haupt- und Fühlerstrom unabhängig von einer Temperaturänderung geeigneten Temperaturkoeffizienten hat, als Kombination aus Aluminium und polykristallinem Silicium gebildet ist, und das an das erste Widerstandselement angeschlossene andere Widerstandselemente (R _T ) als Kombination aus Aluminium und polykristallinem Silicium derart gebildet ist, daß ihr kombinierter Widerstands-Temperaturkoeffizent "0" wird.

14. Transistorschaltkreis nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ende des Transistors (T _R), das als Kombination aus Aluminium und polykristallinem Silicium derart gebildet ist, daß der Temperaturkoeffizient geeignet ist, das Verhältnis aus Haupt- und Fühlerstrom bei einer Temperaturänderung konstant zu machen, an den Emitter eines Fühler-Transistors angeschlossen ist und innerhalb des Transistors liegt, während sich das andere Ende auf die Außenseite des Transistors erstreckt.

15. Transistorschaltkreis nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbraucher ein Gleichstrommotor zum Antreiben eines Gabelstaplers ist.