KR20090012077A - 부하를 통하여 전류를 조절하기 위한 회로 장치 - Google Patents

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KR20090012077A
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클라우스 젬머즈키
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시트로닉 게스. 퓨어 엘렉트로테크니쉐 아우스뤼스퉁 엠베하 앤드 컴퍼니 케이쥐
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Abstract

부하(RL)를 통하여 전류(IL)를 조절하기 위한 회로 장치(1,10)는 부하 전류(IL)가 이를 통하여 흐르고, 상기 부하 전류(IL)의 조절을 위한 제어 변수(X)로서의 역할을 하는 전압(VS)이 이에 걸려 강하되는 저항(RS), 상기 부하 전류(IL)의 조절을 위한 명령 변수(W)의 역할을 하는, 기준 전압(Vref)용 태핑 포인트 (P), 및 명령 변수(W) 및 제어 변수(X) 사이의 제어 편차(W-X)를 증폭하기 위한 차동 증폭기(OV)로 이루어진다. 상기 회로 장치(1)에서, 부하 전압(VL)의 함수로서 상기 부하 전류(IL)를 조절하기 위하여, 트랜지스터(Q4)와 또한 콜렉터 저항(R2) 및 에미터 저항(R6)이 마련되고, 상기 제 4 트랜지스터(Q4) 및 상기 에미터 저항(R6)의 베이스-에미터 구역의 직렬 연결은 상기 부하(RL)에 병렬로 배열되며, 상기 기준 전압용 태핑 포인트(P)는 콜렉터 저항(R2)과 트랜지스터(Q4)의 사이에 배열된다.
부하 전류, 부하 전압, 트랜지스터, 저항, 태핑 포인트, 차동 증폭기

Description

부하를 통하여 전류를 조절하기 위한 회로 장치{A CIRCUIT ARRANGEMENT FOR THE REGULATION OF A CURRENT THROUGH A LOAD}
본 발명은, 부하 전류가 이를 통하여 흐르고 상기 부하 전류의 조절을 위하여 제어 변수의 역할을 하는 전압이 이에 걸려 강하되는 저항, 상기 부하 전류의 조절을 위한 명령 변수의 역할을 하는, 기준 전압용 태핑 포인트, 및 상기 명령 변수와 제어 변수 사이의 제어 편차를 증폭하기 위한 차동 증폭기로 이루어지는, 부하를 통하여 전류를 조절하기 위한 회로 장치에 관한 것이다.
예를 들면, 상기 회로 장치에 의하여 모터 자동차 팬(motor vehicle fan)에서 부하로 작용하는 팬 모터용 제어 회로를 제공할 수 있고, 이는 단선 및 상기 팬 모터에 대한 초과 전류 보호의 기능을 한다. 상기 초과 전류 보호는 전류 제한 기능에 의하여 수행된다. 즉, 팬 레귤레이터에 제어 회로를 배치하여, 모터 전류가 소정 임계치 미만으로 잔류되도록 제한하는 방식으로 구동 요소의 역할을 하는 파워 트랜지스터의 제어 전압을 제어한다.
도 2는 모터 자동차 팬의 팬 모터를 위한 제어 회로로서 이러한 유형의 회로 장치(10)를 나타낸다. 상기 회로 장치(10)는 14V의 공급 전압(VB)으로 작동되며, 이는 자동차 배터리 및/또는 발전기(도시 생략)로부터 공급된다. 도 2에 부하 저항(RL)으로서 도시된, 상기 팬 모터를 통하여 흐르는 부하 전류(IL)는, 구동 요소의 역할을 하는 파워 트랜지스터(M1;MOS-FET)의 제어 전압이 최대치를 초과하지 않도록 이를 조절함으로써 제어된다. 이에 상기 부하 전류 회로 내에 배열되고, 이를 통하여 상기 부하 전류(IL)가 흐르며, mΩ범위의 값을 갖는 분로 저항(RS)에 걸리는 전압 강하(VS)는 제어 변수(X)로서의 역할을 한다. 상기 부하 전류(IL)의 조절을 위한 명령 변수(W)로서, 기준 전압(Vref)이 태핑 포인트(P)에 제공되며, 상기 전압은 단선의 경우에 상기 부하 전류(IL)에 대하여 기준으로서 작용하고 mV범위로 될 수 있다. 상기 파워 트랜지스터(M1)의 제어 전압을 제한적으로 조절하기 위하여, 상기 회로 장치(10)는 상기 명령 변수(W) 및 상기 제어 변수(X) 사이의 제어 편차(W-X)를 증폭하기 위하여 차동 증폭기(OV)를 더욱 포함한다.
도 2에 도시된 상기 회로 장치는 상기 부하 전류(IL)를 상수로 제한하며, 이는 상기 기준 전압(Vref)에 의하여 결정된다. 그러나, 모터 자동차 팬의 정상 작동에서는, 효과적인 단선 보호에 더하여, 높은 모터 전류의 흐름 또한 보장되어야 하며, 이는 상기 최대 부하 전류(IL)가 상기 부하에 걸리는, 말하자면 상기 팬 모터에 걸려 강하되는 전압(VL)의 함수로 되어야, 즉, 다음의 관계식이 적용되어야 달성 가능하다: IL =f (VL), 여기에서 상기 최대 모터 전류 인출은 전압(VL)을 증가시킴으로써 증가된다.
더욱이, 도 2에 도시된 상기 회로 장치(10)는 또한 상기 부하 저항(RL)을 통한 전력 소모가 일정하지 않고 예를 들면 대기 온도의 함수로 되는 경우, 최적의 결과를 제공하지 않는다. 이는 예를 들면 모터 자동차 팬의 팬 모터의 경우로서, 특히 더운 공기가 공기 모듈의 더욱 급속한 움직임으로 인하여 찬 공기보다 상기 팬 모터에 더 높은 흐름 저항을 제공하기 때문이다. 이는 소정의 시간 및 공간에서 찬 공기 속의 모듈보다 더운 공기 속의 모듈 사이에서 충돌이 발생되는 경우가 통계적으로 더욱 빈번하기 때문이다. 전자의 이동이 온도에 따라 감소되고, 전기 저항이 증가되는 금속 도전체 내의 전자 가스와 마찬가지로, 냉난방 환기 시스템(HVAC: Heating, Ventilation and Air Conditioning System) 내의 공기 흐름 내 흐름 저항 또한 상기 가스 온도에 따라 증가된다. 상기 공기의 흐름이 더욱 느려지면, 상기 팬 모터는 공기 흐름 속도가 높을 때보다 전류가 덜 인출된다. 그러므로, 여러 공조 시스템은 소정 모터 전압에서 더운 상태에서보다 시원한 상태에서 더 많은 전류를 인출하는 특성을 갖는다.
그러므로 상기 모터 전류 인출은 온도로써 감소된다. 모터 전류 소모를 감소시킴으로써 상기 팬 레귤레이터의 파워 트랜지스터 내 전력 소실 또한 감소되기 때문에, 선형 팬 레귤레이터를 갖는 상기 팬 모터를 제어하기 위하여, 이러한 거동은 바람직한 것으로 증명된다. 상기 팬 레귤레이터의 허용 가능한 최대 전력 소실은 대기 온도를 높임으로써 감소되므로, 상기 최대 부하 전류(IL)가 온도를 증가시킴으로써 감소되는 경우, 즉 상기 온도(T)의 함수로 되는 경우(IL = f (T))가 바람직하다.
온도 함수로서 상기 최대 부하 전류의 조절을 달성하기 위하여, 당업계에는 온도 센서를 사용하는 것이 주지되어 있다. 그러나 관련 회로 장치를 갖는 이러한 온도 센서는 특히 -30°C 내지 150°C의 큰 온도 범위에 걸쳐 그 기능이 보장되어야 하는 모터 자동차용으로는 관련 비용이 높다.
본 발명의 목적은 비용면에서 효과적인 회로 장치를 제공하는 것으로서, 이는 부하, 특히 팬 모터에 의하여 전류를 조절하기 위하여 소수의 부품으로 이루어지며, 상기 부하 전류는 상기 부하에 걸려 강하되는 전압의 함수로서, 바람직하기로는 온도 함수로서 조절가능하다.
이러한 목적은 도입부에서 인용한 유형의 회로 장치에 의하여 달성되며, 상기 회로 장치에서, 상기 부하 전압의 함수로서 상기 부하 전류의 조절을 위하여 트 랜지스터와 또한 콜렉터 저항 및 에미터 저항이 마련되며, 상기 트랜지스터의 베이스-에미터 구역 및 상기 에미터 저항의 직렬 연결은 상기 부하에 병렬로 배열되고, 상기 기준 전압의 태핑 포인트는 상기 콜렉터 저항과 상기 트랜지스터 사이에 배열된다. 상기 태핑 포인트에서 상기 기준 전압을 조절하기 위하여 필수적인 상기 트랜지스터의 콜렉터 전류는 상기 부하 전압에 비례적인 성분을 포함하므로, 이러한 방식으로 상기 부하 전류는 상기 부하 전압에 비례하게 증가될 수 있다. 본 출원에서, 상기 콜렉터 저항 및 에미터 저항은 콜렉터 및 에미터 관련 회로에 각각 배열되는 개별 부품으로 이해된다.
바람직한 일 실시예에서, 상기 차동 증폭기는 제 1 및 제 2 베이스-결합 트랜지스터를 갖는다. 일반적으로 에미터-결합 트랜지스터로부터 입력단이 형성되어 높은 입력 임피던스가 달성되는 종래의 차동 증폭기와는 달리, 본 회로에서는, 상기 회로 장치에 사용되는 분로 저항이 저 저항으로 구현되므로, 상기 차동 증폭기의 높은 입력 저항이 불필요하다. 그러므로, 베이스-결합 트랜지스터는 본 발명에 의한 상기 회로 장치의 차동 증폭기에 사용될 수 있다.
본 실시예의 더욱 바람직한 개발에 있어서, 상기 회로 장치는 상기 베이스-결합 트랜지스터를 통하여 콜렉터 대기 전류의 정수비를 조절하기 위한 장치를 가지며, 이는 바람직하기로는 2개의 저항에 의하여 형성된다. 본 발명자는 온도 함수로서 상기 부하 전류를 조절하는 것이 상기 회로 장치의 정의된 온도 거동을 통하여, 말하자면, 본 회로 장치의 개별 구성 요소를 통하여 수행될 수 있음을 깨달았다. 이러한 방식으로 온도 센서의 사용을 피할 수 있다.
(베이스-결합된) 차동 증폭기의 상쇄 전압은 온도 센서 신호로서 사용되고, 그의 트랜지스터는 상이하게 가중된 콜렉터 대기 전류로 명확히 작동된다. 이러한 방식으로, 상기 부하 전류가 상기 2개의 베이스-결합 트랜지스터의 베이스-에미터 전압 사이의 차이의 함수로 되는 이 회로 장치에서, 일정한 온도 계수, 즉 부하 전류와 온도 사이에 선형 관계가 달성될 수 있다. 상기 온도 계수는 크기 및 부호에 있어서 서로에 대하여 전류 간의 비율의 함수로 정의될 수 있다. 그러므로, 상기 회로는 낮은 온도에서 더 높은 전류를 허용하고 또한 온도를 상승시킴으로써 더 낮은 전류를 허용하도록 치수 조절될 수 있고, 따라서 상기 부하의 온도 거동에 순응하며, 상기 회로의 온도 거동은 부품 치수 조절에 의해서만 배타적으로 달성된다. 그러므로 상기 온도 제어 기능을 위하여 아무런 추가 구성 요소도 필요하지 않다.
상기 부하 전류는 분위기 매체, 특히 공조 시스템의 공기 흐름 또는 냉각수 회로의 냉각 유체의 온도 함수로서 조절될 수 있고, 이로써 상기 2개의 베이스-결합 트랜지스터는 열적으로 결합된다. 양자택일적으로 또는 추가적으로, 상기 2개의 베이스-결합 트랜지스터가 상기 파워 트랜지스터 또는 상기 부하에 각각 열적으로 결합되면, 상기 부하 전류 또한 구동 요소의 역할을 하는 파워 트랜지스터 또는 상기 부하의 온도 함수로서 조절될 수 있다. 이러한 방식으로 이들 구성 요소의 임의의 열적 과열이 방지될 수 있다.
모터 자동차 팬의 조절에 있어서, 높은 모터 전류는 이러한 회로로써, 예를 들면, 전자 시스템이 차가운 겨울철에 가능하다. 대기 온도를 높임으로써, 상기 전류 제한 레귤레이터의 조절 임계치는 감소되고, 이는 상기 팬 레귤레이터 전자기기 뿐만 아니라 커넥터 접점, 라인 및 궁극적으로는 팬 모터를 열적 스트레스로부터 보호한다. 그럼에도 불구하고, 상기 온도가 위험하지만 않다면, 상기 전자 기기는 고성능을 발휘한다. 상기 공조 시스템의 일부 부품을 치수 조절하는 것은 이러한 회로 장치를 사용함으로써 더욱 세련되어지고 비용면에서도 더 효과적으로 될 수 있다 .
바람직하기로는 상기 장치는 2개의 저항에 의하여 형성되며, 상기 회로 장치는 상기 콜렉터 전류의 비율이 근본적으로 상기 저항의 비율에 의하여 주어지도록 치수 조절된다. 여기에서, 상기 저항은 상기 트랜지스터의 각각의 콜렉터 회로 내에 배열된다. 양자택일적으로, 예를 들면, 2개의 정전류 소스가 상기 콜렉터 전류의 상수비 조절을 위하여 마련될 수 있다. 상기 2개의 베이스 결합 트랜지스터가 동일한 콜렉터-에미터 전압을 갖는 것이 상기 온도 조절을 위하여 더욱 바람직하다.
특히 바람직한 일 실시예에서, 상기 차동 증폭기의 베이스-결합 트랜지스터는 듀얼 트랜지스터로 형성된다. 이 경우, 상기 2개의 트랜지스터는 열적으로 결합되고 쌍체 특성(paired-properties)을 가지며, 이는 상기 회로의 온도 의존성을 정의된 바대로 조절하는 데에 유익하다.
바람직한 일 실시예는 적어도 또 하나의 트랜지스터, 바람직하기로는 파워 트랜지스터를 상기 부하 전류의 조작을 위한 구동 요소로서 포함한다. 파워 트랜지스터는 예를 들면 모터 자동차의 팬 모터에 발생되는 바와 같은 큰 전류를 제어하기 위하여 요구된다. 상기 파워 트랜지스터는 바람직하기로는 MOSFET로 설계되며, 따라서 상기 부하 전류의 조절은 전압 제어되는 방식으로, 즉 실제에 있어서 제어 전류 없이 이루어질 수 있다.
바람직한 일 실시예에서, 상기 제어 회로는 상기 추가의 트랜지스터의 제어 전압을 제한적인 방식으로 조절하기 위하여 제 3 트랜지스터를 갖는다. 상기 파워 트랜지스터의 제어 전압은 상기 제 3 트랜지스터를 통하여 최대치로 제한된다. 상기 제 3 트랜지스터의 콜렉터 전류가 증가되면, 상기 트랜지스터의 적당한 상호 연결로써, 즉, 저항으로써, 상기 파워 트랜지스터의 게이트 전압이 감소될 수 있다.
더욱 유익한 개발에 있어서, 상기 차동 증폭기 및 상기 제 3 트랜지스터는 상기 제 3 트랜지스터가 상기 제어 편차의 함수로서 상기 추가 트랜지스터의 제어 전압을 조절하도록 상기 회로 내에 위치된다. 이로써 제어 회로는 특히 단순한 방식으로 실행가능하다.
상기 회로 장치를 개별 부품으로 구성하는 것은 특히 바람직하다. 이러한 회로는 튼튼하고 따라서 150°C까지의 고온에서도 작동될 수 있다. 더욱이, 비교적 적은 부품으로 상기 회로 장치를 실행할 수 있고 또한 특히 온도 센서가 필요하지 않다.
본 발명은 또한 선행 청구항 중 하나에 의한 회로 장치로서 모터 자동차 팬에 실행되며, 여기에서 상기 부하는 팬 모터에 의하여 형성된다. 상기 온도 및 상기 부하 전압의 함수로서 제어되는 전류 제어 시스템으로써, 상기 모터의 전반적인 전류-전압 특성에 걸쳐 상기 모터 전류를 감시하는 팬 레귤레이터에서 과도한 전류 및 단선 보호를 수행할 수 있다. 여기에서 상기 회로는 존재하는 모터 전압에 실제 적으로 일치하는 모터 전류만을 허용한다.
본 발명에 의하면 비용면에서 효과적인 회로 장치가 제공되는데, 이는 부하, 특히 팬 모터에 의하여 전류를 조절하기 위하여 소수의 부품으로 이루어지며, 상기 부하 전류는 상기 부하에 걸려 강하되는 전압의 함수로서, 바람직하기로는 온도 함수로서 조절가능하다.
도 1은 상기 부하 전압(VL) 및 대기 온도(T)의 함수, 즉, IL = f (VL, T)로서 부하(RL)의 상기 부하 전류(IL)를 조절하기 위한 회로 장치(1)를 나타낸다. 상기 회로 장치(1)는 도 2에 관련하여 상술된 바의 구성 요소들을 가지며, 여기에서는 이들에 대하여 재설명하지 않는다. 도 2에 나타낸 상기 차동 증폭기(OV)는 도 1에서 개별 부품 형태로 배치되고, 2개의 베이스-결합된, 대립-모수 양극성(paired-parameter bipolar) 트랜지스터(Q1) 및 (Q2)를 가지며, 이들은 서로 열적으로 결합된다. 상기 2개의 트랜지스터 중 제 1 트랜지스터(Q1)에서 상기 베이스-콜렉터 구역에는 분로가 연결된다. 상기 제 1 트랜지스터(Q1)의 콜렉터 회로에는 제 1 저항(R1)(kΩ 범위)이 위치되고, 상기 제 2 트랜지스터(Q2)의 콜렉터 회로에는 제 3 저항(R3)(마찬가지로 kΩ 범위)이 위치되며, 이로써 상기 2개의 트랜지스터(Q1, Q2)의 콜렉터 전류(도시 생략)의 비율은 조절가능하다.
제 3 트랜지스터(Q3)는 제한적인 방식으로 상기 파워 트랜지스터(M1)에 대한 제어 전압을 조절하기 위하여 상기 회로 장치 내에 마련된다.
상기 제 3 트랜지스터(Q3)는 상기 회로에서 상기 파워 트랜지스터(M1)와 공급 전압(Vb)의 사이에 배치되는 제 5 저항(R5)(마찬가지로 kΩ범위)을 통하여 흐르는 전류를 제어하여, 상기 파워 트랜지스터(M1)의 제어 전압이 상기 제 5 저항(R5)에 걸려 강하되는 전압을 통하여 조절될 수 있게 된다. 상기 제어 편차(W-X), 즉, 상기 태핑 포인트(P)에서의 전압(명령 변수(W))과 상기 분로 저항(Rs)(mΩ 범위)상의 전압(제어 변수(X))의 차이는 상기 2개의 트랜지스터(Q1),(Q2)의 베이스-에미터 구역 및 제 4 저항(R4)(Ω범위)의 직렬 연결에 걸려 강하된다. 상기 제 3 트랜지스터(Q3)의 베이스는 상기 제 2 트랜지스터(Q2)의 콜렉터에 연결되므로, 상기 제 2 트랜지스터(Q2)의 콜렉터-에미터 구역 및 상기 제 4 저항(R4)의 직렬 연결에 걸리는 바와 동일한 전압이 상기 제 3 트랜지스터(Q3)의 베이스-에미터 구역에 걸려 강하된다. U(R4)<< UBE(Q3)로 되도록 상기 제 4 저항(R4)이 충분히 낮게 치수 조절되면, 이는 상기 2개의 트랜지스터(Q1) 및 (Q2)가 대략 동일한 콜렉터-에미터 전압에서 작동하도록 보장한다. 상기 파워 트랜지스터(M1)의 제어 전압은 상기 제어 편차의 함수로서 상기 제 3 트랜지스터(Q3)의 콜렉터-에미터 구역에 걸려 자기-조절된다. 상기 제어 편차(W-X)가 증가되면, 상기 제 2 트랜지스터(Q2)의 베이스-에미터 전압이 증가되어 그의 콜렉터 전류가 증가된다. 그 결과, 상기 제 3 트랜지스터(Q3)의 베이스 전위가 감소되어 그의 콜렉터 전류 또한 감소된다. 결과적으로, 제 5 저항(R5)에 걸려 강하되는 상기 전압은 감소되고, 상기 파워 트랜지스터(M1)의 게이트 전위는 증가되며, 상기 부하 전류(IL) 또한 증가된다. 이는 상기 분로 저항(RS) 상의 제어 변수(X)가 증가되는 결과를 초래하므로, 상기 제어 편차(W-X)는 감소되고, 상기 회로 장치(10)는 폐 제어 회로를 구성하게 된다.
상기 부하 전압(VL)의 함수로서 상기 부하 전류(IL)의 조절을 위하여 제 4 트랜지스터(Q4)와 또한 콜렉터 저항(R2) 및 에미터 저항(R6)이 상기 회로 장치(1)에 마련되며, 상기 제 4 트랜지스터(Q4)의 베이스-에미터 구역 및 상기 에미터 저항(R6)의 직렬 연결은 상기 부하에 병렬로 배열되고, 상기 기준 전압에 대한 태핑 포인트(P)는 상기 콜렉터 저항(R2) 및 상기 제 4 트랜지스터(Q4) 사이에 배열된다. 상기 콜렉터 저항(R2)에 걸리는 전압 강하는 이에 상기 제 4 트랜지스터(Q4)의 상기 콜렉터 전류(IC)를 통하여 조절되므로, 상기 태핑 포인트(P)에 제공되는 상기 기준 전압은 상수 성분(Vref) 및 상기 콜렉터 저항(R2)에 걸려 강하되며 상기 부하 전압(VL)에 의존적인 가변 전압으로 구성된다. 따라서, 상기 콜렉터 전류(IC)는 상기 에미터 저항(R6)에 걸리는 전압 강하의 함수라는 사실이 활용되며, 이는 상수 덧셈 조건과는 거리가 있지만 상기 부하 전압(VL)에 비례한다.
이제 도 1에 나타낸 구성 요소 상의 전류 및 전압에 관련된 방정식을 이용하여 상기 부하 전류(Ic)의 조절 작동 동안 상기 회로 장치(1)의 기능을 설명한다. 아래의 방정식에서 부호는 자기설명적이다. 그러므로, 예를 들면, (Ic)(Q4)는 제 4 트랜지스터(Q4)를 통과하는 콜렉터 전류를 나타내며, (U)(R4)는 제 4 저항을 가로질러 강하되는 전압을 나타낸다, 등.
구성 요소로서 저항을 나타내는 데에 사용된 부호(R1) 내지 (R5)는 이들 저항의 관련 값과 동일하다.
상기 회로 장치(1)가 상기 부하 전류(IL)를 조절하면, 적어도 트랜지스터(Q1) 내지 (Q3)는 그들의 선형 작동 지점에서 작동된다. 베이스 전류를 무시하여, 상기 2개의 트랜지스터(Q1) 및 (Q2) 상의 전위에 대하여 다음의 방정식을 도출할 수 있다:
Figure 112008050542525-PAT00001
상기 분로의 존재로 인하여, 상기 트랜지스터(Q1) 및 (Q2)의 베이스는 상기 제 1 트랜지스터의 콜렉터와 동일한 전위로 된다, 즉 다음은 참이다: UCE(Q1) = UBE(Q1) 및 더 나아가 UCE(Q2) = UBE(Q3) ?U(R4).
회로의 적절한 치수 조절로 상기 트랜지스터(Q1) 내지 (Q3)의 베이스-에미터 전압이 대략 동일한 크기를 가지므로, U(R4) << UBE(Q3)가 적용되도록 (R4)의 저항이 선택되면, 상기 트랜지스터(Q1) 및 (Q2)의 콜렉터는 대략 동일한 전위로 된다. Vb >> |VC(Q1) - VC(Q2)|로써, 양호한 근사치를 갖는다:
Figure 112008050542525-PAT00002
방정식(2)을 방정식(1)에 대입하여 (IL)을 구하면 아래와 같다:
Figure 112008050542525-PAT00003
및 단순화 이후:
Figure 112008050542525-PAT00004
상기 도 1의 회로 장치(1)에서 실현된 R2 = (R1*R4)/R3를 선택하면, (IL)은 (IC)(Q1)로부터 독립적이고 따라서 상기 공급 전압(Vb)로부터도 독립적이다 :
Figure 112008050542525-PAT00005
(IC)(Q4)는 상기 부하 전압(VL)(앞부분 참조)의 함수이므로, 도입부에서 요구된 바와 마찬가지로, 상기 부하 전류(IL)가 (VL)의 함수임은 상기 부하 전류(IL)에 대하여 참이다:
Figure 112008050542525-PAT00006
(IC)(Q4)는 음수가 아니므로, 방정식(3) 및 그로부터 유도된 모든 방정식은, 엄밀히 말하면, VL ≥ UEB(Q4)에 대해서만 유효하다. 그러므로, 경우에 따라 구별이 필요하다:
VL < UEB(Q4)에 대하여, 다음은 참이다:
Figure 112008050542525-PAT00007
VL < UEB(Q4)에 대하여 방정식(3)이 적용된다. 여기에 설명된 방정식들은 기본적으로 함수 의미로 이해해야 하며, 이차적으로만 수학적 의미로 이해해야 하므로, 이하에서는 IL > 0 의 경우만을 고려하여 설명한다.
도입부에서 요구된 바와 같이, 방정식(3)으로부터 상기 전류(IL)가 온도(T)의 정의된 함수임을 이해하기 위하여, 도 3에서, 상기 제 2 트랜지스터(Q2)는 관련 콜렉터, 베이스 및 에미터 전류( IC, IB 및 IE ) 뿐만 아니라 베이스-에미터 전압(UBE) 및 상기 콜렉터-에미터 전압(UCE)과 함께 도시된다. 그러므로:
Figure 112008050542525-PAT00008
여기에서, (ICO)는 상기 콜렉터 전류를 나타내며 (IEO)는 작은 콜렉터-에미터 전압(UCE)으로 이루어지는 정상 작동 시의 에미터 전류를 나타내고, (BO)는 이 경우의 전류 증폭을 나타낸다. (4)를 (5)에 대입하면 아래와 같다:
Figure 112008050542525-PAT00009
(4)를 (6)으로 나누면 아래와 같다:
Figure 112008050542525-PAT00010
상기 콜렉터 전류(IC)에 있어서 다음은 대체로 참이다:
Figure 112008050542525-PAT00011
여기에서 (IC)는 상기 콜렉터-에미터 전압(UCE)의 함수로서 콜렉터 전류이고 (UA)는 얼리 전압(Early voltage)이다. 상기 콜렉터-에미터 전압(UCE) 상의 상기 콜렉터 전류(IC)의 의존성은 얼리 효과(Early Effect)에 의하여 영향을 받는다. (ICO)는 위에 나타낸 바의 콜렉터 전류이며, UCE << UA에 대하여 상기 콜렉터-에미터 전압(UCE)으로부터 독립적인, 즉, 상기 얼리 효과와 무관한 콜렉터 전류이다.
(7)을 (8)에 대입하면 아래와 같다:
Figure 112008050542525-PAT00012
이제, 상기 트랜지스터(Q2)의 베이스와 에미터 사이에 존재하는, PN 접점(에미터 다이오드)을 통하여 흐르는 전류 및 이에 걸쳐 강하되는 전압 사이의 관계에 대한 설명을 살펴본다. 그러므로:
Figure 112008050542525-PAT00013
여기에서 (IF)는 다이오드(PN 접점)를 통하여 흐르는 전류를 나타내며, (IS)는 역포화 전류를 나타내고, (UF)는 상기 흐름 방향에서 상기 다이오드에 걸려 강하되는 전압을 나타내며, (n)은 방사 계수를 나타내고, (UT)는 온도 전압을 나타낸다.
방정식(10)은 트랜지스터의 발명자, 윌리엄 쇼클리의 이름을 따라 명명된 주지의 쇼클리 방정식의 형태를 취한다. 따라서 트랜지스터(Q2)의 에미터 다이오드에 대하여 다음의 식이 얻어진다:
Figure 112008050542525-PAT00014
여기에서 (IES)는 상기 에미터 다이오드의 역포화 전류를 나타낸다. (11)을 (9)에 대입하면 아래와 같다:
Figure 112008050542525-PAT00015
상기 방정식(4) 내지 (12)는 정상 작동에서, 즉, UCE > UBE > 0으로써 양극성 트랜지스터의 거동을 설명하는 것이다.
방정식(12)을 방정식(2)에 대입하면, 아래와 같다:
Figure 112008050542525-PAT00016
도 1의 회로 장치(1)에서와 같이, 트랜지스터(Q1) 및 (Q2)처럼 쌍체 특성을 갖는 열 결합 트랜지스터를 사용하는 경우에는 아래와 같다:
Figure 112008050542525-PAT00017
Figure 112008050542525-PAT00018
도 1의 회로 장치(1)에서, (Q1) 및 (Q2)는 이들의 얼리 전압보다 훨씬 작은 콜렉터-에미터 전압으로 작동된다. 도 1의 회로 장치에서 듀얼 트랜지스터로서 사용되는 BC846B에 대하여, 본 발명자는 상기 얼리 전압을 결정하였다; 이는 100V보다 높다. 그러므로, 이 회로 장치(1)에 대하여, UCE << UA 및 |UCE(Q1) - UCE(Q2)| <<< UA는 참이다, 즉 상기 얼리 효과의 영향은 확실히 무시할 수 있는 것이다. 그러므로 방정식(13)은 아래와 같이 단순화된다:
Figure 112008050542525-PAT00019
그리고 아래와 같이 단순화된다:
Figure 112008050542525-PAT00020
또는
Figure 112008050542525-PAT00021
방정식(14)를 방정식(3)에 대입하면, 아래와 같이 된다:
Figure 112008050542525-PAT00022
(UT)는 상기 온도 전압이며, 이는 대체로 열적으로 여기되는 전자가 온도(T)에서 그의 동적 에너지에 기초하여 극복할 수 있는 전위 차이에 해당한다. 그러므로:
Figure 112008050542525-PAT00023
여기에서, (k)는 볼쯔만 상수를 나타내며, (T)는 절대 온도, (e)는 기본 전하를 나타낸다. (16)을 (15)에 대입하면 아래와 같다:
Figure 112008050542525-PAT00024
상기 절대 온도(T)에 대하여 방정식(17)을 미분함으로써 (IL)의 상기 온도 계수를 구한다(여기에서 (UEB)(Q4)의 온도 계수는 무시함):
Figure 112008050542525-PAT00025
도 1의 회로 장치(1)에서의 경우와 마찬가지로, 정상 작동에서 작은 콜렉터 전류로 사용되는양극성 소형 신호 트랜지스터는 대체로 방출 계수(n)(n = 1)를 갖는다. 그들의 베이스-에미터 PN 접점은 매우 도포되며, 이상적인 PN 접점과 유사한 특성 구배 및 작은 블로킹 성능을 갖는다. 도 1에 의한 구성의 온도 의존성(I = f(T))은 그러므로 회로 치수 조절 및 온도 전압의 함수이다. 상기 온도 전압은 물리 상수로부터 유래될 수 있으므로, 마찬가지로 물리 상수로서 고려될 수 있다; 그러므로 I = f(T)가 결정된다. 상기 방정식(17) 및 (18)은 SPICE 시뮬레이션 및 실험실 측정에 의하여 양호한 근사치로 확인되며, 그 결과는 3개의 온도치(T1 = -25 °C, T2 = 50 °C 및 T3 = 125 °C)에 대한 도 4의 전류-전압 특성(IL(VL))을 나타낸다.
도 1의 회로 장치(1)는 비교적 적은 부품으로 구성되며 비용면에서 효과적인 개별 부품의 형태로 실행될 수 있다. 개별 부품으로 이루어지는 트랜지스터 회로는 -40°C 내지 +150°C의 대표적인 작업 온도 범위를 가지며, 비교적 고온 및 저온인 대기 온도가 발생되는 모터 자동차에 사용되기에 특히 적합하다. 그러므로 상기 구성은 자동차에서 팬 모터에 대한 단선 및 임계 전류 레귤레이터로서 적용될 때 특 히 바람직함을 알 수 있다. 상기 분로 저항(RS) 상의 전압(VS)을 대신하여 상기 부하 전류(IL)에 비례하는 다른 변수, 즉, 전류 센서의 출력 신호를 제어 변수로서 선택할 수도 있는데, 이는 추가의 능동 부품을 필요로 한다.
또한 도 1의 회로 장치는 팬 모터의 조절에 사용될 수 있을 뿐만 아니라 상응하게 변환하여 온도 거동의 또 다른 형태로 부하에 대하여 고안될 수도 있다. 이는 예를 들면 부하 전류(IL)에 온도 상승에 따라 증가되는 부하가 존재하는 경우이다. 이 경우, 상기 회로 장치(1)에는 양의 온도 계수가 마련될 수 있고, 이는 특히 제 3 저항(R3) 대 제 1 저항(R1)의 비율을 1보다 크게 되도록 선택함으로써 가능하다. 다이오드 회로에 의하여 온도 의존성이 발생되는 경우-모터 자동차에서는 비용 상의 이유로 일반적임, 상기 회로 장치는 또한 존재할 수 있는 상기 기준 전압(Vref)의 임의의 온도 의존성을 보상할 수 있다. 또한, 상기 콜렉터 대기 전류를 동일하게 선택함으로써 하나의 회로 장치를 제공할 수 있는데, 그의 거동은 온도에 의존적이지 않으며, 마찬가지로 아무런 온도 의존성을 보이지 않는 부하의 경우에 특히 유익할 수 있다.
도 1에 도시된 회로 장치는 근본적으로 상기 부하 전압(VL) 및/도는 온도(T)에서 상기 부하 전류(IL)에 대하여 비례적이거나 반비례적인 함수적 의존성을 갖는다. 상기 회로 장치(1)를 적당히 수정함으로써 IL = f (VL, T)의 형태로 되는 거의 모든 기타 함수적 의존성을 조절할 수 있고, 따라서, 상기 회로 장치(1)는 여러 상 이한 유형의 부하에 적용될 수 있다.
본 발명에 의한 상기 회로 장치의 실시예에 대한 예는 개략적인 도면으로 나타낸 바와 같고, 후술되는 설명으로부터 명백히 설명된다. 도면 중:
도 1은 팬 모터를 통하여 부하 전류를 조절하기 위한 본 발명에 의한 회로 장치의 일 실시예를 나타내는 회로도;
도 2는 종래 기술에 의한 부하 전류 조절용 회로도;
도 3은 도 1의 회로 장치의 트랜지스터를 그의 온도 거동에 대하여 설명하기 위하여 관련 전류 및 전압과 함께 도시하는 도면; 및
도 4는 용도에 따라 구체적으로 치수 조절된 도 1의 전류 제어 회로에 있어서 다양한 온도에서 3가지 전류-전압 특성을 나타내는 도면이다.

Claims (10)

  1. 부하 전류(IL)가 흐르고, 상기 부하 전류(IL)의 조절을 위하여 제어 변수(X)의 역할을 하는 전압(VS)이 강하되는 저항(Rs),
    상기 부하 전류(IL)의 조절을 위한 명령 변수(W)의 역할을 하는 기준 전압(Vref)용 태핑 포인트(P), 및
    명령 변수(W) 및 제어 변수(X) 사이의 제어 편차(W-X)를 증폭하기 위한 차동 증폭기(OV)로 이루어지는, 부하(RL)를 통하여 전류(IL)를 조절하기 위한 회로 장치로서,
    상기 부하 전압(VL)의 함수로서 상기 부하 전류(IL)를 조절하기 위하여, 트랜지스터(Q4)와 콜렉터 저항(R2) 및 에미터 저항(R6)이 제공되고,
    상기 제 4 트랜지스터(Q4)의 베이스-에미터 구역 및 상기 에미터 저항(R6)의 직렬 연결은 상기 부하(RL)에 병렬로 배열되며,
    상기 기준 전압용 태핑 포인트(P)는 상기 콜렉터 저항(R2)과 상기 트랜지스터(Q4)의 사이에 배열됨을 특징으로 하는 부하(RL)를 통하여 전류(IL)를 조절하기 위한 회로 장치(1,10).
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 차동 증폭기는 제 1 및 제 2 베이스-결합 트랜지스 터(Q1, Q2)를 가짐을 특징으로 하는 회로 장치.
  3. 제 2 항에 있어서, 온도 함수로서 상기 부하 전류(IL)를 조절하기 위하여, 바람직하기로는 2개의 저항(R1,R3)에 의하여 형성되는, 상기 베이스-결합 트랜지스터(Q1, Q2)를 통하여 콜렉터 대기 전류의 정수비를 조절하기 위한 장치를 가짐을 특징으로 하는 회로 장치.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 베이스-결합 트랜지스터(Q1, Q2)는 동일한 콜렉터-에미터 전압을 가짐을 특징으로 하는 회로 장치.
  5. 제 2 항 내지 제 4 항 중 한 항에 있어서, 상기 베이스-결합 트랜지스터(Q1, Q2)는 듀얼 트랜지스터에 의하여 형성됨을 특징으로 하는 회로 장치.
  6. 상기 선행 청구항 중 한 항에 있어서, 상기 부하 전류(IL)의 조절을 위한 구동 요소로서, 하나 이상의 추가 트랜지스터(M1), 바람직하기로는 파워 트랜지스터를 포함하는 회로 장치.
  7. 제 6 항에 있어서, 제한적인 방식으로 상기 추가의 트랜지스터(M1)의 제어 전압을 조절하기 위하여 제 3 트랜지스터(Q3)를 가짐을 특징으로 하는 회로 장치.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 차동 증폭기(Q1, Q2) 및 상기 제 3 트랜지스터(Q3)는 상기 제 3 트랜지스터(Q3)가 상기 제어 편차(W-X)의 함수로서 상기 추가 트랜지스터(M1)의 제어 전압을 조절하도록 상기 회로 내에 배치됨을 특징으로 하는 회로 장치.
  9. 상기 선행 청구항 중 한 항에 있어서, 개별 부품으로 구성됨을 특징으로 하는 회로 장치.
  10. 부하(RL)가 팬 모터에 의하여 형성되는, 상기 선행 청구항 중 어느 한 항에 따른 회로 장치(1)를 갖는 모터 자동차 팬.
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