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GEBIET DER
ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich im allgemeinen auf thermische
Steuerschaltungen und spezieller auf Schaltungen zum thermischen
Steuern von integrierten Stromversorgungsvorrichtungen (smart power),
die induktive Lasten steuern.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Leistungsstufen,
die induktive Lasten steuern, benötigen in bestimmten Anwendungen
eine thermische Steuerung, um den Strom nach und nach zu verringern,
wenn die Temperatur zunimmt (sanfte thermische Abschaltung), bis
eine stabile Zustandsbedingung erreicht wird, bei der die Leistung,
die sich durch den Joule-Effekt zerstreut, dem Grad der Wärmedissipation
in der Umgebung entspricht.
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Zum
Beispiel wird diese Art der thermischen Steuerung in integrierten
Stromversorgungsvorrichtungen benötigt, die in den elektronischen
Zündsystemen
der Motoren von Motorfahrzeugen verwendet werden. In diesen Anwendungen
verhindert eine Steuerschaltung zur sanften thermischen Abschaltung
das Auftreten einer abrupten Abschaltung der Stromversorgungsvorrichtung
in Reihe zu der Spule beim Erreichen einer ungewöhnlich hohen Temperatur wegen
möglicher
normwidriger Funktionweise. Die Bildung von Funken an den Zündkerzen
und unerwünschte
Detonationen werden so verhindert.
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Eine
typische bekannte Schaltung, die eine derartige Funktion erfüllt, ist
in 1 gezeigt und zeigt die funktionellen Elemente,
die während
einer ON-Phase der Leistungsstufe eine Rolle spielen. An Stelle
eines einzelnen bipolaren Transistors können mehrere Transistoren in
einer Darlington-Anordnung,
oder sogar in einer Drei-Stufen-Anordnung verwendet werden, falls
die Stromabsorption durch die Steuerschaltungen klein sein muss.
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Wenn
ein Einschaltsignal "IN" von einem niedrigen
logischem Zustand (low logic state) zu einem hohen logischen Zustand
(high logic state) schaltet, wird der Stromgenerator Iref angeschaltet.
Dieser Generator schaltet durch einen Stromverstärker A1I mit
einer konstanten Verstärkung
A1 die Leistungsstufe an, indem ein Treiberstrom Ib erzwungen wird.
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Unter
diesen Bedingungen nimmt der Kollektorstrom Ic der Leistungsstufe
zu und seine Veränderung hängt von
dem Wert der Induktanz der Last und von der Speisespannung Vbat
ab.
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Ein
Strombegrenzer, CURRENT LIMITER, ist normalerweise vorhanden, um
den Strom Ic bei einem Maximalwert Icl zu begrenzen, um das Funktionieren
der Vorrichtung innerhalb des erlaubten Temperaturbereichs sicher
zu stellen.
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Der
Strombegrenzer wird aktiviert, wenn der Spannungsabfall an den Knoten
eines Abtastwiderstands RSENS einen bestimmten Wert übersteigt
und er leitet einen Strom Ilim ab, der gleich ist zu der Differenz
zwischen dem Strom Iref und einer Replik, skaliert von einem Faktor
A1, des Treiberstroms Ib, der gleich ist zu dem Verhältnis zwischen
dem Begrenzungsstrom Icl bei den vorgeschriebenen Arbeitsbedingungen
und der Verstärkung
der Stromversorgungsvorrichtung. Offensichtlich wird die Leistungsstufe
unter diesen Bedingungen in dem direct beeinflussenden Bereich ihrer
Stromcharakteristik arbeiten, und so wegen des Joule-Effekts eine
starke Dissipation der Leistung verursachen.
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Diagramme
der Hauptsignale als Funktion der Zeit und der Temperatur sind auch
in 1, auf der linken bzw. auf der rechten Seite des
gestrichelten Linienteils davon, gezeigt.
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Sollte
das Einschaltsignal wegen irgendeiner Fehlfunktion hoch bleiben,
eine Strombegrenzungsphase startend, wird die Leistungsstufe eine
viel größere Leistung
als unter Nominalarbeitsbedingungen zerstreuen, und so die Temperatur
der integrierten Schaltung erhöhen.
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Wenn
eine gewisse vorbestimmte Temperatur TSOFT erreicht wird, aktiviert
sich die Schaltung zur sanften thermischen Abschaltung, SOFT THERMAL
SHUT DOWN, selbst und absorbiert einen Strom Ith, der linear mit
der Temperatur mit einem Koeffizienten K1 zunimmt.
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Die
Stromveränderungen
in jedem Block müssen
das 1. Kirchhoffsche Gesetz am Knoten A erfüllen, das heißt:
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In
dem Temperaturbereich von TSOFT und TSTART nimmt der Strom Ith im
selben Masse zu, wie Ilim abnimmt, und hält so Isum konstant, während der
Stromverstärker "A1I" den Treiberstrom
Ib liefert, der notwendig ist, um den benötigten Strom Ic in dem integrierten
Leistungstransistor zu erzwingen.
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Im
Gegensatz dazu läuft
für eine
Temperatur T>TSTART
eine Zunahme des Stromes Ith auf eine Zunahme von Isum mit einer
daraus folgenden Abnahme des Eingangstromes des Stromverstärkers A1I hinaus. Deshalb wird eine Abnahme des Stroms
Ib und so eine Abnahme des Maximalstroms Icl, der in dem Leistungstransistor
fließen
kann, erhalten.
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Wie
es möglich
ist, festzustellen, gibt es eine Temperatur TSTOP, bei der der Strom
Icl(T) Null ist, selbst wenn ein Einschaltsignal IN auf einer hohen
logischen Stufe vorhanden ist. Sollte das Einschaltsignal tatsächlich immer
hoch sein, würde
die Temperatur TSTOP niemals erreicht werden, weil die Schaltung schließlich eine
Temperatur erreichen wird, die niedriger als TSTOP ist, bei welcher
die in der Schaltung zerstreute Leistung mit dem Grad der Wärmedissipation
in der Umgebung gleich ist.
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Offensichtlich
muss die Temperatur TSTOP sicher niedriger sein als die maximale
Sperrschichttemperatur, die durch den integrierten Leistungstransistor
toleriert werden können
und/oder die Temperatur, bei welcher nicht akzeptable Veränderungen
der Spannung der Bandlücke,
die üblicherweise
von der Schaltung als Referenzspannung verwendet wird, stattfinden
würden.
Vorzugsweise ist die Temperatur TSTOP niedriger als 190°C und die
Temperatur TSTART, welche durch die Spezifikationen vorgeschrieben
wird, ist nicht niedriger als 150°C.
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Die
Differenz ΔT=TSTOP-TSTART
bestimmt den Wert des Koeffizienten K1 der Schaltung zur sanften thermischen
Abschaltung.
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Es
ist wegen Problemen der Gesamtstabilität des Systems nicht möglich, eine
relativ niedrige TSTOP zu setzen, d.h. nahe bei TSTART, indem ein
bestimmter Wert K1 gesetzt wird. Tatsächlich würde, sollte K1 zu groß sein,
es abrupte Schwankungen von Ib mit der Temperatur geben, mit einer
daraus folgenden unerwünschten
Oszillation der Ausgangsspannung Vc in der Nähe der Temperatur des thermischen
Gleichgewichts. Aus diesem Grund müssen die Werte von K1 derartig
begrenzt werden, dass eine TSTOP von vorzugsweise etwa 180°C-190°C festgesetzt
wird.
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Die
Schaltung in 1 kann verbessert werden, indem
ein thermischer Hilfssensor TON THERMAL SONSOR verwendet wird, wie
in 2 dargestellt. Der thermische Hilfssensor aktiviert
die Schaltung zur sanften thermischen Abschaltung, wenn eine bestimmte
Temperatur TON von der integrierten Schaltung überschritten worden ist. In
dieser Weise greift die Schaltung zur sanften thermischen Abschaltung
nicht in das normale Funktionieren der Vorrichtung ein, falls die
Schaltungstemperatur niedriger als die Aktivierungstemperatur ist.
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Diese
wohlbekannten Lösungen
lösen nicht
das Problem der Instabilität
von Vc. Im besten Fall sind die Oszillationen der Kollektorspannung
Vc begrenzt, um ein Induzieren von Überspannungen zu verhindern, welche
Funken an den Zündkerzen
in der Sekundärschaltung
der Spule erzeugen können.
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Zum
Beispiel ist das festgestellte Funktionieren der kommerziell erhältlichen
Vorrichtung VB025 von STMicroelectronics, von der ein Funktionsdiagramm
in 2 dargestellt ist, nach einem Einschaltimpuls
IN (Ch1), der eine relativ lange Zeit andauert (80 Sekunden), in 8 gezeigt.
Offensichtliche Oszillationen der Kollektorspannung (Ch3) können festgestellt
werden, wenn der Kollektorstrom (Ch4, 2A/div), der der in der Primärschaltung
der Spule fließende
Strom ist, abnimmt.
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AUFGABE UND
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Es
ist gefunden worden und es ist der Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
eine thermische Steuerschaltung und ein relatives Verfahren zur
sanften thermischen Abschaltung eines integrierten Leistungstransistors,
das die Amplitude der Oszillationen der Kollektorspannung des Leistungstransistors
verringert. Dies wird erreicht, indem ein Stromverstärker A1(T)I mit einer variablen Verstärkung verwendet
wird, der durch die SOFT THERMAL SHUT DOWN-Schaltung zur sanften thermischen Abschaltung
gesteuert wird.
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Der
Kern der Erfindung besteht darin, dass die Verstärkung des Verstärkers verringert
wird, wenn die Temperatur zunimmt, statt den durch die Schaltung
zur sanften thermischen Abschaltung an den Verstärker bereitgestellten Strom
zu verringern, wie in bekannten Vorrichtungen. In dieser Weise wird
der Wert von Ib verringert, aber anders als bei der Schaltung des
Standes der Technik werden gleichzeitig auch seine Oszillationen,
zum Beispiel hervorgerufen durch das Eingangsrauschens des Verstärkers, verringert.
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Genauer
ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine thermische Steuerschaltung
für einen
integrierten Leistungstransistor, umfassend einen Stromgenerator,
der durch ein Einschaltsignal gesteuert wird, einen Abtastwiderstand
in Reihe mit dem Leistungstransistor, einen Strombegrenzer, der
aktiviert wird, wenn der Spannungsabfall an den Knoten des Abtastwiderstands
einen bestimmten Wert übersteigt,
einen Stromverstärker,
der mit dem Ausgangsknoten des gesteuerten Stromgenerators gekoppelt
ist, der einen Treiberstrom ausgibt, der an einem Steuerknoten des
Leistungstransistors eingespeist wird, und eine Schaltung zur sanften
thermischen Abschaltung, deren Leitungszustand, wenn die Temperatur
fortschreitend zunimmt, zum Reduzieren des Treiberstroms des Leistungstransistors
erhöht
wird.
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Die
Schaltung der Erfindung steuert die Spannung an dem Leistungstransistor
in einer hervorragend wirksameren Weise als die bekannten Schaltungen,
weil der Stromverstärker
eine Verstärkung
hat, die in Funktion des Leitungszustands der Schaltung zum sanften
thermischen Abschalten und deshalb in Funktion der Temperatur verändert wird.
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Eine
weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur sanften
thermischen Abschaltung eines Leistungstransistors bereitzustellen,
das eine Verringerung der Oszillationen der Kollektorspannung erlaubt. Dieses
Verfahren, ausgeführt
mit einer thermischen Steuerschaltung der Erfindung, besteht im
wesentlichen darin, dass die Verstärkung des Treiberstromverstärkers fortschreitend
verringert wird, wenn die Temperatur zunimmt, bis ein thermisches
Gleichgewicht erreicht wird.
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Die
Erfindung wird genauer in den beigefügten Ansprüchen definiert.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER FIGUREN
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Die
verschiedenen Aspekte und Vorteile der Erfindung werden klarer durch
eine detailierte Beschreibung von einigen Ausführungsformen und unter Verweis
auf die beigefügten
Figuren erscheinen, bei denen:
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1 und 2 bekannte
thermische Steuerschaltungen eines Leistungstransistors sind, wie
bereits oben diskutiert;
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3 und 4 zwei
mögliche
Ausführungsformen
der Schaltung der Erfindung sind;
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5 eine
mögliche
Ausführung
des Verstärkers
mit variabler Verstärkung
der Schaltungen der 3 und 4 ist;
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6 Diagramme
der Hauptsignale der Schaltung des Standes der Technik der 1 sind;
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7 Diagramme
der Hauptsignale der Schaltung der Erfindung der 3 sind;
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8 die
Ergebnisse einer Simulation der Funktionsweise der Schaltung der 2 zeigt;
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9 die
Ergebnisse einer Simulation der Funktionsweise der Schaltung der 4 zeigt.
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BESCHREIBUNG
VON MEHREREN AUSFÜHRUNGSFORMEN
DER ERFINDUNG
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Die
thermische Steuerschaltung der Erfindung unterscheidet sich von
bekannten Schaltungen durch den Einsatz eines Stromverstärkers, dessen
Verstärkung
sich in Funktion der Temperatur ändert.
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Dies
kompensiert wirksam für
die Tatsache, dass Oszillationen der Ausgangsspannung Vc hauptsächlich durch
die Veränderungen
der Treiberspannung der Leistungsvorrichtung Ib mit der Temperatur
bei der Veränderung
der Temperatur, wenn der Ausgangsstrom Ic wegen dem Eingreifen der
Schaltung zum sanften thermischen Abschalten, SOFT THERMAL SHUT
DOWN, relativ klein ist, verursacht werden. Derartige allgemein weitläufige Oszillationen
werden wirksam gedämpft,
indem ein Treiberstromverstärker
verwendet wird, dessen Verstärkung
beim Anstieg der Temperatur bei höheren Temperaturen kleiner
wird.
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Die
Diagramme von zwei unterschiedlichen Ausführungsformen der Schaltung
der Erfindung sind in den 3 und 4 dargestellt.
Wie in den Figuren hervorgehoben, ist die Schwankung von Ib nicht
linear in dem Temperaturbereich zwischen TSTART und TSTOP, wie in
den 1 und 2, sondern der Strom nimmt exponential
ab. Deshalb gibt es eine rasche Abnahme von Ib und so eine rasche
Abnahme des Stroms, der in dem Leistungstransistor fließt. Eine
derartige Eigenschaft wird hervorgerufen durch die Tatsache, dass
die Verstärkung
wesentlich abnimmt, wie auch der Strom Ic abnimmt, und so genauso
viel wie der Strom Ib abnimmt. Tatsächlich ist die Verstärkung des
Stromverstärkers
bei niedrigen Temperaturen relativ hoch, dass heisst, beim Einschalten
des Leistungstransistors, wenn der Strom Ic gross ist, und fällt fortschreitend,
wenn die Temperatur zunimmt, während
der Transistor die Temperatur seines stabilen Zustands erreicht
und wird durch einen kleineren Strom Ic gekreuzt.
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Die
Diagramme der 3 und 4, sowie
diese der 1 und 2, zeigen
tatsächlich
die wahren Signale in einer vereinfachten Weise. Insbesondere die
Schwankung von Ic(T) zwischen den Temperaturen TSTART und TSTOP
wird zu Vereinfachungszwecken als linear dargestellt, ist aber im
allgemeinen nicht linear, wegen der Schwankung des Verstärkers HFE=Ic/Ib
der Leistungsstufe in Funktion des Stromes Ib.
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Durch
Vergleich der Schaltung der 3 mit der
Schaltung der 1 (oder ähnlich der Schaltung der 4 mit
der Schaltung der 3) kann festgestellt werden,
dass der thermische Koeffizient K2 von Ith der Schaltung zur sanften
thermischen Abschaltung verschieden ist von dem der 1.
Wegen der besonderen Ausführungsform
des Blocks A1(T)I ist es möglich, eine
geringere Temperaturdifferenz ΔT=TSTOP-TSTART zu
erhalten, als die entsprechende Temperaturdifferenz der Schaltungen
des Standes der Technik, ohne durch die oben erwähnten Probleme der Instabilität der Ausgangsspannung
Vc beeinflußt
zu werden.
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Eine
bevorzugte Ausführungsform
des Stromverstärkers
mit geregelter Verstärkung
A1(T)I ist in 5 dargestellt.
Der gezeigte Verstärker
wird mit BJTs verwirklicht, aber er kann wahlweise mit MOS-Transistoren an
Stelle von BJTs verwirklicht werden, sowie in einer dualen Form
mit Transistoren, die eine Leitfähigkeit
haben, die entgegengesetzt zu der in der Figur gezeigten ist.
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Der
Verstärker
wird durch eine Vielzahl von Stufen aufgebaut. Die erste Stufe ist
ein Stromspiegel, zusammengesetzt aus T6, T7 und den Emitterwiderständen R7,
R8. Natürlich
kann diese Stufe weggelassen werden, falls der Stromgenerator Iref,
gesteuert durch das Einschaltsignal IN, an das Massepotential statt
an die Speisespannung gekoppelt wird.
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Die
zweite Stufe wird durch einen anderen Stromspiegel aufgebaut, vorzugsweise
mit Zurückgewinnung
des Basisstroms, verwirklicht durch die Transistoren T1, T2, T5
und mit Emittergegenkopplungswiderständen R1, R2. Letztlich wird
ein dritter Emitter-gegengekoppelter Ausgangsstromspiegel durch
die Transistoren T3, T4 und die Gegenkopplungswiderstände R3 und
R4 aufgebaut.
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Wie
wohlbekannt ist, dienen R5, R6 und R7 nur dazu, die Präzision des
Stromspiegels T1, T2 zu verbessern. Durch einfache Berechnungen
kann man finden, dass der Wert des in T2 fließenden Kollektorstroms durch
die folgende Formel wiedergegeben wird:
wobei
A1 und A2 die jeweiligen Flächen
der Transistoren T1 und T2 sind, und VT die thermische Spannung
ist.
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Allgemein
wird der Verstärker
so verwirklicht, dass der erste Ausdruck, der zwischen den eckigen Klammern
umfasst ist, viel größer als
der zweite Ausdruck gemacht wird, und so der letztere vernachlässigbar gemacht
wird und das Verhältnis
zwischen den Strömen
Ic(T2) und Iref nur noch von dem Verhältnis der Widerstände R1 und
R2 abhängt:
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Der
Stromspiegel T1, T2 könnte
nicht nur einer mit Basisstromrückgewinnung
sein, so R5, R6 und T5 eliminieren und die Basen von T1 und T2 mit
dem Kollektor von T1 verbinden. Offensichtlich ist das Gegenteil für den dritten
Stromspiegel richtig, der ein Stromspiegel mit Basisstromrückgewinnung
sein kann, oder zum Zwecke der Vereinfachung, selbst ohne die Emittergegenkopplungswiderstände R3 und
R4. In diesem letzten Fall wird der Kollektorstrom von T4 bezüglich des
Kollektorstroms von T3 nicht entsprechend zu einer Funktion (1),
sondern zu einer verschiedenen Funktion verstärkt, wie es im Fachgebiet wohlbekannt
ist.
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Welches
auch immer die Konfiguration des Verstärkers mit variabler Verstärkung sein
mag, die Widerstände
R1 und R2 müssen
zur Verringerung des Verstärkungsverhältnisses
der Stromspiegel T1, T2 vorhanden sein, einfach indem ein Strom
Ith, der mit der Temperatur zunimmt, durch die Schaltung zur sanften
thermischen Abschaltung erzwungen wird.
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Der
Unterschied zwischen der Lösung
dieser Erfindung und den bekannten Lösungen kann selbst aus dem
Studium der beigefügten
Vergleichssimulationen der 6 und 7 eingeschätzt werden.
Die Simulation einer Schaltung des Standes der Technik ist in 6 gezeigt,
während
eine vergleichbare Simulation, die nach einer geeigneten Zuordnung
der Werte der Komponenten der vorliegenden Erfindung der 5 durchgeführt wurde,
in 7 gezeigt ist. In beiden Simulationen wurde der
thermische Sensor TON THERMAL SENSOR, der normalerweise bei 150°C schaltet,
abgeschaltet, um die Verhalten unter den allgemeinen Bedingungen
der 1 und 3 zu zeigen. Indem der Sensor
aktiviert wird, gibt es sofortige Schwankungen von Ith und Ilim,
beginnend von der Temperatur TON, wie durch die Kurven der 2 und 4 hervorgehoben.
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Die
Schaltung der Erfindung der 4 wurde
getestet, um die erlangten Leistungsverbesserungen zu bestätigen, unter
der Voraussetzung, dass es nicht möglich war, eine transiente
Simulation mit relativen Temperaturschwankungen, die durch thermische
Dissipation verursacht werden, durchzuführen. Eine derartige Schaltung
wurde erhalten, indem das Schema der Verbindungen der bekannten
Schaltung der 2 modifiziert wurde und der
Stromverstärker
der 5 verwendet wurde.
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Die
experimentalen Diagramme, dargestellt in 9, wurden
unter denselben Testbedingungen erhalten, die die in 8 dargestellten
Ergebnisse lieferten. Wie festgestellt werden kann, gibt es nach
dem Schalten des Einschaltsignals IN (Ch1) einen kurzen Übergang,
während
dessen der Kollektorstrom Ic (Ch4) abnimmt, während die Kollektorspannung
(Ch2) den Wert des stabilen Zustands erreicht. Der Vergleich zwischen den
zwei Figuren zeigt klar, wie unter Verwendung der Schaltung der
Erfindung die Kollektorspannung des Leistungstransistors Oszillationen
erfährt,
die viel kleiner sind, als die Oszillationen, die in den Schaltungen
des Standes der Technik auftreten.
