DE4015625C2 - Transistor mit Stromerfassungsfunktion, wobei der Stromerfassungswiderstand temperaturkompensiert ist - Google Patents
Transistor mit Stromerfassungsfunktion, wobei der Stromerfassungswiderstand temperaturkompensiert istInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen mit einer Stromerfassungsfunktion
versehenen Transistor zum Erfassen der Größe
des Hauptstroms. Sie kann bei verschiedenen Arten von
Transistoren verwendet werden, wie bei einem Bipolartransistor,
einem solchen mit elektrostatischer Induktion (SI) oder
einem Feldeffekt-Transistor.
Bei einem herkömmlichen System ist ein Leistungstransistor,
durch den ein großer Laststrom fließen muß, mit einer Stromerfassungsfunktion
versehen, die verhindert, daß er durch
einen Überstrom beschädigt wird. Ein äußerer Widerstand ist dazu
zwischen die Hauptelektroden, wie z. B. Emitter- und Source-
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
Silizium, ein Diffusionswiderstand werden z. B. für
diesen Fühler-Widerstand benutzt.
Wenn diese Materialien verwendet werden, ändert sich der Wert des
Fühler-Widerstandes mit der Temperatur, weil diese 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.
In dem Artikel "Funktion und Anwendung von SENSEFETs" von
Schultz, Warren in "der elektroniker", Nr. 12, 1988, Seiten 36
bis 45, wird ein Feldeffekttransistor gezeigt, der über die
ursprünglichen Drain-, Source- und Gateanschlüsse hinaus einen
Mirror- und einen Kelvinanschluß umfaßt. Zur Erfassung
des durch das Transistorelement fließenden Hauptstromes kann
dort ein Meßwiderstand entweder zwischen die Anschlüsse
Mirror und Kelvin oder zwischen die Anschlüsse Mirror und
Source geschaltet werden, wobei der durch den Transistor
fließende Strom nicht linear mit dem an dem Meßwiderstand
anliegenden Spannungsabfall sich ändert. Da der durch den Meßwiderstand
fließende Strom wieder an das Transistorelement zurückgeführt
wird, wird diese Messung auch als "verlustfreie
Stromabtastung" bezeichnet.
Auch die EP 0 268 249 A2 und die DE 38 21 065 A1 zeigen
verlustfreie Stromabtastungen. Dort wird jedoch jeweils ein
eigener Meßtransistor verwendet, so daß dort eigentlich nicht
der durch den Transistor fließende Hauptstrom, sondern der
durch den Meßtransistor fließende Meßstrom verlustfrei erfaßt
wird. Dabei ist in der DE 38 21 065 A1 eine Temperaturkompensation
der Stromerfassungsmöglichkeit angedeutet, wobei
ein Polysiliziumwiderstand verwendet wird.
Aus Tietze, U., Schenk, Ch.: Halbleiter-Schaltungstechnik,
Dritte Auflage, Fig. 13.24, Seite 400, ist ein Präzisionsnetzteil
mit einstellbarer Strombegrenzung bekannt, das einen
Transistorschaltkreis mit einem Transistor zum Ansteuern eines
Verbrauchers und einen Stromerfassungswiderstand zum Erfassen
eines durch den Transistor fließenden Hauptstroms umfaßt.
Der Hauptstrom erzeugt in diesem Widerstand einen
Spannungsabfall, der wiederum über zwei Verstärker zur Steuerung
des zuvor genannten Transistors herangezogen wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Transistor
mit einer Stromerfassungsfunktion zu schaffen, bei dem eine
hochpräzise Erfassung des durch den Transistor fließenden
Hauptstromes ermöglicht wird, ohne daß Temperaturänderungen
die Genauigkeit der Stromerfassung beeinflussen.
Diese Aufgabe wird durch einen Transistor mit Stromerfassungsfunktion
mit allen Merkmalen des Patentanspruchs 1
gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand
der Unteransprüche.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen
unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigt
Fig. 1 die Darstellung eines Elektrodenmusters mit Stromerfassungswiderstand
bei einem herkömmlichen Transistor, der mit einer
Stromerfassungsfunktion versehen
ist,
Fig. 2 einen Schaltplan des Transistors,
Fig. 3 ein Blockschaltbild, in dem ein Beispiel für eine
Überstromschutzschaltung dargestellt ist,
die bei einem Transistor
mit Stromerfassungswiderstand verwendet werden
kann,
Fig. 4 einen Schaltplan, der die in Fig. 3 gezeigte Schaltung
genauer wiedergibt,
Fig. 5 einen Schaltplan, der als erstes Beispiel die 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 ein zweites Beispiel eines mit einer erfindungsgemäßen
Stromerfassungsfunktion versehenen Transistors
wiedergibt,
Fig. 8 einen Schaltplan, der eine Darstellung des äquivalenten
Schaltbildes eines mit einer Stromerfassungsfunktion
versehenen Transistors wiedergibt,
Fig. 9 einen Schaltplan, der ein drittes Beispiel eines
mit einer erfindungsgemäßen Stromerfassungsfunktion
versehenen Transistors wiedergibt.
Fig. 1 zeigt das Elektrodenmuster eines herkömmlichen
Transistors mit einer 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-Elektrode S
aus Aluminium hergestellt und weist Abschnitte
auf, die wie die Zähne eines Kammes geformt sind, wie gemäß
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
hergestellte und Abschnitte wie die Zähne eines Kammes aufweisende
Gate-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-
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 Sa der Source-Elektrode S und
ein weiterer Stromerfassungsanschluß S₂ an der Basis eines
weiteren zahnähnlichen Abschnitts Sb angeordnet, der von
dem Elektrodenabschnitt Sa getrennt ist. Dieser (schraffierte)
Abschnitt der Source-Elektrode S, der sich zwischen
den beiden Anschlüssen S₁ und S₂ erstreckt, wird als Widerstand
RS 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
Transistor fließt der Drain-Strom ID durch die Drain-Elektrode
D, während ein (dem Drain-Strom ID entsprechender)
Source-Strom IS durch die Source-Elektrode S
fließt, der durch die Gate-Elektrode G gesteuert
wird. Der Strom (bzw. Erfassungsstrom) ISS fließt dabei
durch den Stromerfassungs-Widerstand bzw. Fühler-Widerstand
RS, der einen Teil der Source-Elektrode S bildet, von dem
Anschluß S₁ zu dem Anschluß S₂. Wenn der durch den
Widerstand RS verursachte Spannungsabfall bzw. die Spannung
VSS zwischen den Anschlüssen S₁ und S₂ gemessen wird, kann
somit die Größe des Hauptstroms (bzw. des Source-Stroms IS)
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
Sa und der Anschluß S₂ an der Basis des anderen
Elektrodenabschnitts Sb wie bei diesem Beispiel angeordnet
ist, fließt ein Strom zum Anschluß S₂ nicht nur von dem
Elektrodenabschnitt Sa, sondern auch von den zwischen den
Elektrodenabschnitten Sa und Sb liegenden
Elektrodenabschnitten, und ein Spannungsabfall an all
diesen Elektrodenabschnitten kann als Spannungsabfall über
dem Widerstand RS 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 RS erfaßt werden.
Fig. 3 stellt ein Blockschaltbild dar, das ein Beispiel einer
Überstrom-Schutzschaltung eines Transistors T zeigt.
Der Transistor T ist mit einer 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 IG von einer Transistortreiberschaltung 4 zu der
Gate-Elektrode G fließt.
An beiden Enden des Stromerfassungs-Widerstandes RS des
Transistors T abgegriffene Spannungen werden an einen Gleichspannungsverstärker
5 angelegt, von dem die Spannungsdifferenz verstärkt wird.
Die so erhaltene Spannung wird dann an eine logische
Steuerschaltung 7 zusammen mit der Bezugsspannung
VREF einer Bezugsspannungsquelle 6 angelegt. Eine aus der
Ermittlung der logischen 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 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 dieser 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 IG zu. Hierdurch wird der
Transistor T leitend, so daß ein (dem Drain-Strom ID entsprechender)
Source-Strom IS durch den Lastwiderstand 1
fließt. Hierbei fließt ein Erfassungsstrom bzw. Fühlerstrom
ISS, der einen Teil des Source-Stroms IS bildet, zu
dem Stromerfassungs-Widerstand RS. Dadurch wird eine der
Größe des Source-Stroms IS entsprechende Spannung zwischen
den beiden Enden des Widerstandes RS erzeugt
und proportional verstärkt.
Die Ausgangsspannung des Gleichspannungsverstärkers 5 wird
an die Steuerschaltung 7 angelegt und an dieser
mit der Bezugsspannung VREF verglichen. Wenn der Lastwiderstand
bzw. Verbraucher 1 kurzgeschlossen ist, wodurch
der Source-Strom IS überhöht und die Ausgangsspannung des
Gleichspannungsverstärkers 5 größer als die Bezugsspannung
VREF wird, führt die Steuerschaltung 7 einem
Steueranschluß 5 der Transistortreiberschaltung 4 ein Steuersignal
zu. Dadurch erniedrigt die Transistortreiberschaltung
4 den dem Transistor T zugeführten Gate-Strom IG, so
daß der (dem Drain-Strom ID entsprechende) Source-Strom IS
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
RS ein Spannungsabfall erzeugt werden kann, der
groß genug ist, den Strom zu erfassen.
Obwohl ein Transistor mit elektrostatischer Induktion des
n-Kanaltyps in Fig. 2 gezeigt ist, kann der Transistor auch vom
p-Kanaltyp sein. Ferner kann die Stromerfassung auch bei einem
bipolaren Transistor oder einem Feldeffekt-Transistor
angewandt werden.
Fig. 5 zeigt schematisch den Aufbau eines 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. Ein Emitter bzw. der Hauptemitter
des Haupttransistorabschnitts erstreckt sich ebenfalls
auf die Außenseite des Transistorgehäuses (s. Anschlußklemme
E), wie es bei Kollektor und Basis entsprechend der Fall ist.
Der Fühler-Widerstand weist in Serie geschaltete Widerstände
RS1 und RS2 auf. Der Widerstand RS1 hat einen positiven
Temperaturkoeffizienten, während der Widerstand RS2
einen negativen Temperaturkoeffizienten 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 RS1 erstreckt
sich auf die Außenseite des Transistors Tr als Anschluß
S₁ der Fühlerspannungs-Erfassungsanschlüsse, während
die Verbindung des Hauptemitters mit dem Fühler-Widerstand
RS2 sich auf die Außenseite des Transistors Tr als dessen
anderer Anschluß S₂ erstreckt. Bei diesem Beispiel hat der
Widerstand RS1 einen positiven Temperaturkoeffizienten,
während der Widerstand RS2 einen negativen Temperaturkoeffizienten
hat; die gleiche Funktion könnte jedoch auch erfüllt
werden, wenn der Widerstand RS1 einen negativen Temperaturkoeffizienten
hat, während der Widerstand RS2 einen
positiven Temperaturkoeffizienten hat.
Nachfolgend werden die Bedingungen beschrieben, unter denen die Reihenschaltung
der Widerstandselemente des Stromerfassungswiderstandes
unabhängig von einer
Temperaturänderung zuverlässig stabil den Laststrom
anzeigen.
Wenn die Fühler-Widerstände durch RS0 dargestellt werden,
gilt
RS0 = RS1 + RS2 (1).
Berücksichtigt man die Temperaturänderung, so kann Gleichung
(1) ausgedrückt werden durch
RS0 = RS1 (1+αK1ΔT) + RS2 (1+αK2ΔT) (2),
in der αK1 einen Temperaturkoeffizienten des Widerstands
RS1 (αK1 < 0), αK2 einen Temperaturkoeffizienten des Widerstandes
RS2 (αK2 < 0) und ΔT den Wert der Temperaturänderung
darstellen.
Der Ausdruck für die Temperaturänderung in Gleichung (2)
soll "0" werden, um die Fühler-Widerstände RS0 von der Temperatur
unbeeinflußt zu halten. Daraus folgt
αK1 · ΔT · RS1 + αK2 · ΔT · RS2 = 0 (3).
Die Gleichungen (1) und (3) stellen die Bedingungen dar,
unter denen der kombinierte Widerstand der
Fühler-Widerstände unabhängig von einer Temperaturänderung
wird. Wenn die Temperaturkoeffizienten
αK1, αK2 und die Widerstände RS1, RS2 so eingestellt
werden, daß sie Gleichung (3) erfüllen, werden daher die
Fühler-Widerstände von einer Temperaturänderung nicht beeinflußt.
Fig. 6 zeigt Ansichten 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 Silizium (das einen
negativen Temperaturkoeffizienten hat) ist auf der
Oberfläche eines Siliziumoxid-(SiO₂-)Substrats ausgebildet,
während eine Schicht aus Aluminium (das einen positiven
Temperaturkoeffizienten hat) in einigen erforderlichen
Bereichen auf der Schicht des polykristallinen Siliziums
(Poly-Si) ausgebildet ist. Eine Elektrode 11 und eine
weitere Elektrode 12, die einen Widerstandsbereich 12a
besitzt, sind auf der Aluminiumschicht (Al) ausgebildet.
Ein Streifen aus polykristallinem Silizium 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
11, 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 12a.
Die Elektroden 11 und 12 sind insgesamt aus Aluminium gefertigt
und besitzen zusammen mit dem Widerstandsbereich
12a die Funktion eines Widerstandes RS1, während der Streifen
aus polykristallinem Silizium 13 die Funktion des
Widerstandes RS2 besitzt. In diesem Beispiel ist die
Erfindung bei einem bipolaren Transistor angewandt, sie
kann aber auch bei einem Feldeffekt-Transistor, einem
Transistor mit elektrostatischer Induktion
angewendet werden; es ist bekannt, daß dabei der Kollektor
dem Drain, der Emitter der Source und die Basis dem Gate
entsprechen.
Fig. 7 zeigt schematisch ein weiteres Beispiel eines mit einer
erfindungsgemäßen Stromerfassungsfunktion versehenen
Transistors.
Ein mit einer Stromerfassungsfunktion versehener Transistor
Tr weist dabei 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.
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.
Ein Emitter bzw. Fühleremitter des Fühlertransistorabschnitts
ist mit dem Hauptemitter über einen Fühler-Widerstand
RSA verbunden, dessen Temperaturkoeffizient durch
Kompensation zu "0" gemacht ist, und ein Widerstand RT, 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 RSA erstreckt sich auf die Außenseite
des Transistors Tr als ein Fühlerspannungs-Erfassungsanschluß
S₁, während die Verbindung des anderen Fühler-Widerstandes
RSA mit dem Widerstand RT sich auf die Außenseite
des Transistors Tr als der andere Fühlerspannungs-Erfassungsanschluß
S₂ erstreckt.
Bei diesem Beispiel sind der Fühler-Widerstand RSA und der
Widerstand RT auf einem Silizium-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 Silizium gebildet, das durch
Diffusion aufgebracht ist.
Nachfolgend wird für diese gegenüber der Fig. 5 abgewandelten
Schaltung die Bedingung beschrieben, bei der das
Verhältnis von Haupt- und Fühlerstrom bei einer Temperaturänderung
konstant bleibt.
Fig. 8 zeigt ein äquivalentes bzw. Ersatzschaltbild des mit
der Stromerfassungsfunktion versehenen Transistors Tr.
Fig. 8 zeigt den Widerstand im eingeschalteten Zustand des Transistors
mit Ein-Widerstand RCE/m zwischen dem Kollektor und dem
Emitter des Hauptwiderstandabschnitts und einen Ein-Widerstand
RCE/n zwischen dem Kollektor und dem Fühler-Emitter
des Fühler-Transistorabschnitts. Der Widerstand RT und der
Fühler-Widerstand RSA 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 ISS
und dem durch den Haupttransistorabschnitt fließenden Strom
IE kann ausgedrückt werden als:
ISS/IE = {(1 + αKΔT) RCE/m} / {(1 + αKΔT) RCE/n + RSA +
(1 + αTΔT) RT}
= {RCE/m} / {RCE/n} + {RSA + (1+αTΔT)
RT} / (1+αKΔT) (4),
worin αK den Temperaturkoeffizienten des Ein-Widerstandes
RCE des Bauelementes angibt, das den mit einer
Stromerfassungsfunktion versehenen Transistor Tr bildet, αT
den Temperaturkoeffizienten des Widerstandes RT, ΔT die
Temperaturänderung und m und n positive ganze Zahlen
darstellen.
Wenn das Verhältnis durch eine Temperaturänderung nicht beeinflußt
werden soll, wird ΔT "0". Wenn ΔT in Gleichung (4)
durch "0" ersetzt wird, ergibt sich
ISS/IE = {RCE/m} / {RCE/n + RSA + RT} (5).
Die Bedingung, unter der das Verhältnis der Ströme ISS und
IE mit der 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 ISS und IE konstant bleibt. Wenn der
durch Gleichung (7) gegebene Temperatur-Kompensations-Widerstand
RT dem Fühler-Emitter hinzugefügt wird, bleibt
folglich das Verhältnis aus den Strömen ISS und IE konstant.
Hierdurch kann eine Drift der Fühlerspannung VSS infolge
einer Temperaturänderung verhindert werden.
Fig. 9 zeigt ein weiteres Beispiel eines mit einer erfindungsgemäßen
Temperaturerfassungsfunktion versehenen Transistors
mit noch anderer Verschaltung.
Ein Kollektor C, eine Basis B und ein Hauptemitter E des
mit einer Stromerfassungsfunktion versehenen Transistors TR
sind gemäß Fig. 1 angeordnet. Der Fühleremitter erstreckt
sich als Fühlerspannungs-Erfassungsanschluß S auf die
Außenseite des Transistors TR über den Widerstand RT, der
einen passenden Temperaturkoeffizienten hat, um das Verhältnis
von Haupt- und Fühlerstrom bei Temperaturänderung
konstant zu machen. Ein Fühlerwiderstand RSA mit einem Temperaturkoeffizienten
"0" ist zwischen dem Fühlerspannungs-Erfassungsanschluß
S und dem Hauptemitter E auf der Außenseite
des Transistors TR angeordnet. Auch bei diesem mit einer
Stromerfassungsfunktion versehenen Transistor TR mit vorstehend
beschriebener Auslegung kann eine Fühlerspannung
VSS, die von einer Temperaturänderung kaum beeinflußt ist,
an beiden Enden des Fühlerwiderstandes RSA erhalten werden,
wie es bei dem in Fig. 7 gezeigten Transistor der Fall ist.
Obwohl die Erfindung in diesem Fall bei einem bipolaren
Transistor angewandt worden ist, kann sie auch bei dem
Feldeffekt-Transistor, einem Transistor mit elektrostatischer
Induktion (SIT) 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 wiederum 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.
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, wobei eine Temperaturkompensation
vorgenommen wird.
Claims (15)
1. Transistor mit Stromerfassungsfunktion zum Ansteuern
eines Verbrauchers
mit einem Stromerfassungs-Widerstand (RS) zum Erfassen eines durch den Transistor fließenden Hauptstromes,
wobei der Stromerfassungs-Widerstand an einer Mehrfachelektrode des Transistors angeordnet ist, die zumindest von einem Teil des Laststromes durchflossen wird und
wobei die Widerstandselemente (RS1, RS2; RSA, RT) des Stromerfassungs- Widerstandes in Reihe geschaltet sind und einander entgegengesetzte Temperaturkoeffizienten aufweisen.
mit einem Stromerfassungs-Widerstand (RS) zum Erfassen eines durch den Transistor fließenden Hauptstromes,
wobei der Stromerfassungs-Widerstand an einer Mehrfachelektrode des Transistors angeordnet ist, die zumindest von einem Teil des Laststromes durchflossen wird und
wobei die Widerstandselemente (RS1, RS2; RSA, RT) des Stromerfassungs- Widerstandes in Reihe geschaltet sind und einander entgegengesetzte Temperaturkoeffizienten aufweisen.
2. Transistor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Transistor (TR) einen n-Kanaltyp mit
elektrostatischer Induktion darstellt.
3. Transistor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Transistor (TR) einen p-Kanaltyp mit
elektrostatischer Induktion darstellt.
4. Transistor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Transistor (TR) einen Bipolartransistor
darstellt.
5. Transistor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Transistor (TR) einen Feldeffekt-Transistor
darstellt.
6. Transistor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß der Stromerfassungs-Widerstand
(RS; RS1, RS2; RSA; RT) ein Teil eines aus Aluminium
hergestellten Elektrodenanschlußmusters ist.
7. Transistor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß der Stromerfassungs-Widerstand
(RS; RS1, RS2; RSA, RT) einen Teil eines aus polykristallinem
Silizium hergestellten Elektrodenanschlußmusters
bildet.
8. Transistor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet
durch
einen Schaltkreis mit einem Gleichspannungsverstärker (5) zum Verstärken einer Spannung zwischen beiden Enden (S₁, S₂) des Stromerfassungs- Widerstandes,
einer logischen Steuerschaltung (7) zum Vergleichen einer von dem Gleichspannungsverstärker gebildeten Spannung mit einer Bezugsspannung (VREF) und zum Entscheiden, welche der Spannungen höher ist, und
einer Transistortreiberschaltung (4) zum Empfangen eines Steuersignals von der logischen Steuerschaltung, wenn die Ausgangsspannung des Gleichspannungsverstärkers höher ist als die Bezugsspannung, wobei der dem Gateanschluß bzw. der Basis zugeführte Steuer-Strom durch die Transistortreiberschaltung (4) herabgesetzt wird.
einen Schaltkreis mit einem Gleichspannungsverstärker (5) zum Verstärken einer Spannung zwischen beiden Enden (S₁, S₂) des Stromerfassungs- Widerstandes,
einer logischen Steuerschaltung (7) zum Vergleichen einer von dem Gleichspannungsverstärker gebildeten Spannung mit einer Bezugsspannung (VREF) und zum Entscheiden, welche der Spannungen höher ist, und
einer Transistortreiberschaltung (4) zum Empfangen eines Steuersignals von der logischen Steuerschaltung, wenn die Ausgangsspannung des Gleichspannungsverstärkers höher ist als die Bezugsspannung, wobei der dem Gateanschluß bzw. der Basis zugeführte Steuer-Strom durch die Transistortreiberschaltung (4) herabgesetzt wird.
9. Transistor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,
daß der Gleichspannungsverstärker (5) einen Operationsverstärker
und die Entscheidungs-Steuerschaltung
(7) einen Vergleicher mit offenem Kollektorausgang umfassen
und daß die Transistortreiberschaltung (4) eine
Verstärkerschaltung
mit einem Transistor (Q₁) und eine
Stromspiegelschaltung mit zwei Transistoren (Q₂, Q₃)
aufweist.
10. Transistor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch
gekennzeichnet, daß die Widerstandselemente des
Stromerfassungs-Widerstandes in Reihe mit dem Emitter
(E) bzw. der Source des Transistors (Tr) geschaltet sind
und innerhalb des Transistors liegen.
11. Transistor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet,
daß das Widerstandselement (RS1) mit positivem
Temperaturkoeffizienten von einem Elektrodenanschlußmuster
aus Aluminium und das Widerstandselement (RS2)
mit negativem Temperaturkoeffizienten von einem Elektrodenanschlußmuster
aus polykristallinem Silizium gebildet werden.
12. Transistor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet
durch eine Temperaturkompensationsvorrichtung
mit einem ersten Widerstandselement (RSA), das
einen zum Konstanthalten des Verhältnisses aus einem
Haupt- und einem Fühlerstrom unabhängig von einer Temperaturänderung
geeignetem Temperaturkoeffizienten besitzt
und an den Emitter bzw. der Source des Transistors angeschlossen
ist, und mit einem anderen Widerstandselement
(RT), das eine passende Temperaturcharakteristik besitzt
und in Reihe mit dem ersten Widerstandselement geschaltet
ist.
13. Transistor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet,
daß das erste Widerstandselement (RSA), das
einen zum Konstanthalten des Verhältnisses aus Haupt-
und Fühlerstrom unabhängig von einer Temperaturänderung
geeigneten Temperaturkoeffizienten hat, als Kombination
aus Aluminium und polykristallinem Silizium gebildet ist,
und daß das an das erste Widerstandselement angeschlossene
andere Widerstandselement (RT) als Kombination aus
Aluminium und polykristallinem Silizium derart gebildet
ist, daß ihr kombinierter Widerstands-Temperaturkoeffizient
"0" wird.
14. Transistorschaltkreis nach einem der Ansprüche
1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß ein Anschluß des
Transistors (TR) derart aus Aluminium und polykristallinem
Silizium gebildet ist, daß dessen Temperaturkoeffizient
geeignet ist, das Verhältnis aus Haupt- und Fühlerstrom
bei einer Temperaturänderung konstant zu halten,
und an den Emitter bzw. die Source eines Fühler-
Transistors angeschlossen ist sowie innerhalb des Transistors
liegt.
15. Transistorschaltkreis nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbraucher
ein Gleichstrommotor zum Antreiben eines Gabelstaplers
ist.
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