DE2134774A1 - Stromstabilisierschaltung - Google Patents

Description

7236-71/Kö/S

IICA Docket No.: 62,100/63,205

Convention Date:

July 13, 1970 and January 11,1971

RCA Corporation, Iiew York, Ν.Ϋ., V.St.A.

Strömstabilisierschaltung

Die Erfindung betrifft eine Stromstabilisierschaltung mit einem ersten Transistor, der mit seinem Kollektor gleichstromleitend an die erste von zwei an eine Energiequelle anscÜLießbaren Speiseklemmen und mit seinem Emitter über ein Gegenkoppltmgsglied mit einer ohmschen Widerstandsstrecke an die zweite Speiseklemme angeschlossen ist, sowie mit einer zwischen die Basis dieses Transistors und die zweite Speiseklemme geschalteten geregelten Spannungscuelie.

Stromstabilisierschaltungen können dazu verwendet werden, den Basis-Emitterübergang eines Transistors so vorzuspannen, daii am Kollektor ein vorbestimmter Strompegel für die Vorspannung eines weiteren ilalbleiterverstärkers ?.ur Verfügung steht. Oder sie können als Zweipol-Stromregler dasu verwendet v/erden, einen Verbraucher /regen .Scxmrari!tunken der. Betriebssparmungsriuelle zu stabilisieren.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Stromstabilisiernchaltung ru schaffen, die aus einer Spannungsquelle, tieren Spannung über einen weiten Pereich schwanken kann, einen relativ konstanten Strom vorbestimmten icrtes liefert, und die sich besonders für difj Herstellung in form einer monolithischen integrierten Schaltung eignet,

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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß bei einer Stromstabilisierschaltung der eingangs genannten Art ein zweiter Transistor gleichstromleitend mi.t seiner Basis an den Emit ter und mit seinem Kollektor an die Basis des ersten Transistors und mit seinem Emitter an die zweite Speiseklemme angeschlossen ist und daß ein Stromverstärker mit seinem Eingang· an den Kolloktor des ersten und mit seinem Ausgang an den Kollektor des zweiten Transistors sowie mit einem Eingang· und Ausgang gemeinsamen Anschluß an die erste Speiseklemme angeschlossen ist.

Es liegt also die strombestimmende Impedanz des ersten Transistors in !leihe mit seinem Basis-Emitterübergang. An dieser Reihenschaltung liegt eine regulierte Spannung, so daß vom Kollektor des Transistors ein konstanter Strom erhalten wird. Dieser i-:onstante Strom fließt zum Eingang eines dreipoligen Stromumkehrverstärkers, der einen Ausgangsstrom liefert, der seinem Eineraiirsstrom proportional, ,jedoch von entgegengesetzter Flugrichtung ist.

Die geregelte Spannung wird von einem ' e'ienschlunregler mit dem in Emitterverstärkerschaltung ausgelegten zweiten l'rensietor geliefert. Er wird eingangsseitig von den an der strombestimmenden Impedanz erzeugten Spannungen gespeist. Den Kollektorstrom des zweiten Transistors liefert der· Ausgang des Stromumkehrverstärkers. Aufgrund dieser Sehaltungsv/eise legt der zweite Transistor die geregelte Spannung zwischen seinem Kollektor und Emitter e.n die Reihenschaltung des Basis-Emitterübergangs des ersten Transistor? und der strombestimmenden Impedanz.

Die Betriebsspanmings^uelle ist zwischen den gemeinsamen. Anschluß des Stromumkehrverstärizers und den Emitter des zweiter Transistors geschaltet. An diesen beiden AnscMüssen ergibt sich bei angelegten Spannungen, die größer sind als ein bestimmter Schwellwert, ein koτstanter Strom.

Statt dessen kann auch ein dritter Transistor vorgesehen sein, dessen ",Jasis-Emitterübergang in der deichen ..eise vorgespannt ist. itfie die "asis-Emitterübergänge des ersten und des rwe.iten Transistors. Da die KolleS'tirströme des ersten und des --weiter« Tran-

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sisters stabilisiert sind, ist auch der Kolleictorstrom des dritten Transistors stabilisiert und kann als l'orstrora für nachgeschaltete Anordnungen verwendet werden.

Hie Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnungren im einzelnen erläutert. Es zeigen:

•igur 1 das Schaltschema einer zweipoligen Stromstabilisierschaltung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung} und

Figur 2 das Schaltschema einer Schaltungsanordnung, bei der eine Stromstabilisierschaltung zusammen mit Hilfstransistoren dazu verwendet wird, die Vorströme für einen ^iederleistungs-Funktions- Jj Verstärker zu erzeugen.

hämtliche Bauelemente der Schaltung nach Figur 1 eignen sich für die Herstellung in integrierter Form auf einem monolithischen tfchaltungsplättchen.

iiine Retr'iebsspannungsquelle (B+) ist zwischen zwei Klemmen 11 und 12 roschaltet, wobei die Klemme 12 an den Null- oder Massepol der Betriehsspamiungsquelle angeschlossen ist. Zwischen den Klemmen 11 und 12 liegt eine Vorspannanordnung, wie sie z. Q. .?um Vorspannen eines in Kaskodenschaltung ausgelegten Differenzverstärkers (nicht gezeigt) in integrierter Schaltung verwendet werden kann. Die Vorspannanordnung enthält die Reihenschaltung zxveier als m Dioden geschalteter npn-Transistoren 13 und 14 > eines Spannungsabfallvviderstancles Ie, eines als Diode geschalteten pnp-Transistors 1/, einer rweipoliren Stromstabilisierschaltung 20 und eines als Diode geschalteten rpn-Transistors 18.

Die als Dioden geschalteten Transistoren 13, 14, 17 und 18 stellen eine beispielsweise Anordnung dar, in Verbindung mit der die Stromstnbilisierschaltung 20 verwendet werden kann. Bei diesen Transistoren 13, 14, 17 und 18 sowie bei einem weiteren als Diode geschalteten pnp-Transistor 23 sind .ieweils Kollektor und Basis zusammengeKchaltet. Dadurch ergibt sich ein zweipoliges Diodenelement mit den Eigenschaften des üblichen Haloleitergleichrichters.

i)ie erf jnduiifsß-emäli ausgebildete r>tronii--t nbilisierschaltuTig 20

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.hat zwei Hauptstromwege. Der erste besteht aus einem Widerstand 21, der Emitter-Kollektorstrecke eines npn-Transistors 22 und dem als Diode geschalteten pnp-Transistor 23. Der zweite besteht aus der Emitter-Kollektorstrecke eines npn-.Transistors 2 6 und der Kollektor-Emitterstrecke eines pnp-Tran^istors 27.

Der Widerstand 21 ist zwischen Basis und Emitter des Transistors 26 geschaltet. Basis und Emitter des Transistors 22 sind an den Kollektor bzw, die Basis des Transistors 26 angeschlossen, so daß zwischen Kollektor und Basis des Transistors 2 6 eine Gegenkopplung (negative Rückkopplung) besteht.

Der als Diode geschaltete Transistor 23 und der Transistor 27 liegen mit ihren Eingangskreisen (Basis-Emitterkreisen) parallel und sind so eingerichtet, daß ihre Stromleitungseigenschaften proportional (z.B. gleich) sind. Die Anordnung der Transistoren 23 und 27 arbeitet daher als Stromumkehrverstärker, der im vorliegenden Fall beispielsweise den Verstärkungsgrad -1 haben soll. Dieser Stromumkehrverstärker hat einen Eingangsanschluß, einen Ausgangsanschluß und einen Eingang und Ausgang gemeinsamen Anschluß. Der Eingangsanschluß befindet sich am Verbindungspunkt zwischen Basis und Kollektor des Transistors 23 und der Basis des Transistors 27. Der Ausgangsanschluß befindet sich am Kollektor des Transistors Der den Eingangs- und den Ausgangsstrom rückleitende gemeinsame Anschluß befindet sich am Verbindungspunkt der Emitter der Transistoren 23 und 27.

Der positive Pol der Stromstabilisierschaltung 20 befindet sich am Verbindungspunkt der Emitter der pnp-Transistoren 23 und 27, während der negative Pol sich am Emitter des npn-Transistors 2 6 befindet'. Die .Stromstabilisierschaltung 20 hält auch bei Schwankungen der Betriebsspannung B+ oberhalb eines gegebenen Schwellwertes einen vorbestimmten Stromfluß zwischen den beiden genannten Polen sowie durch die Vorspann- oder Vorstromschaltung 13, 14? 16, l'J, 18 aufrecht. Die Spannungsabfälle an den einzelnen Bauelementen dieser Vorstromschaltung sind daher gegen solche Betriebsspannungrs schwanklingen stabilisiert. Und r.war bewirkt die Stronistabilisierschaltunp· 20 dieae Stabilisierung auf folgende Weise.

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-■ 5 -

Es sei angenommen, daß die Transistoren 23 und 2/ im wesentlichen identische Bauelemente und dicht beieinander auf einem integrierten Schaltungsplättchen angeordnet sind. Sie sind daher wegen ihrer räumlichen Nähe den gleichen thermischen Umgebungseinflüssen ausgesetzt. Sie haben im wesentlichen gleiche Kollektorströme, wenn ihre Eingangskreise parallelgeschaltet sind. Die Basisströme sind normalerweise klein gegenüber den Kollektorströmen, so daß sie bei der folgenden Erläuterung vernachlässigt werden können.

In der Anordnung nach Figur I fließt im wesentlichen die ^ Hälfte des den zusammengeschalteten Emittern der Transistoren 23 " und 27 angelieferten Stromes durch den ersten Stromweg mit der Emitter-Kollektorstrecke des Transistors 23, der Kollektor-Emitterstrecke des Transistors 22 und dem Widerstand21. Die andere Hälfte des angelieferten Stromes fließt durch den zweiten Stromweg mit der Emitter-Kollektorstrecke des Transistors 27 und der Kollektor-Emitter strecke des Transistors 26.

Der Kollektor des Transistors 26 wird auf einer geregelten Spannung 2V__F in bezug auf die Emitterspannung gehalten, wobei V__E die Spannung an einem durchlaßgespannten Basis-Emitterübergang ist (annähernd 0,6 Volt bei einem integrierten Siliciumtransistor). Die Basis-Emitterspannung des als Emitterverstärker geschalteten Jj Transistors 26 wird durch die Gegenkopplung vom KolJdctor zur Basis aufgrund der Eraitterfolgerwirkung des Transistors 22 geregelt.

Durch die Gegenkopplung wird die Kollektorspannung des Transistors 30 erniedrigt, solange die Rückkopplungsschleifen-Verstärkung einigermaßen.groß ist. Die Gegenkopplung ist nichtlinear und arbeitet nur dann mit nennenswerter Verstärkung, wenn der Basis-Kmitterübergang des Transistors 26 durchlaßgespannt ist. Durch die Gegenkopplung wird daher am Basis-Emitterübergang des Transistors 2( ein Spannunpvsabfall von IV. _c aufrechterhalten. Diese Spannung bestimmt den Strom durch den Widerstand 21, der über den Trans i: f.nv 22 von dessen Emitter reliefort werden mini. Dieser Strom hält ,-im " a.';?.«-Emitter üboxTi'. η f des Transistors 22 einivt Spau;ump\sabfall von 1 7 am recht.

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Der Kollektor des Transistors 26 wird auf einer Spannung von

2V_nr, in bezug auf seine Emitterspannung durch erstens die Soannunps lib " —

regelwirkung der die Basis - Emitterspannung des Transistors 2·' konstanthaltenden Gegenkopplung, snreitens die Stromregelv/irkunfr der geregelten Spannung am Widerstand 21, die den Emitterstrom im Basis-Emitterübergang des Transistors 22 stabil hält, und drittens den Spannungsabfall am Basis-Emitterübergang des Transistors 26, der durch den stabilisierten Emitterstrom stabilisiert ist, gehalten. Dies ergibt sich daraus, daß die Kollektor-Emitterspannung des Transistors 26 gleich der Summe der stabilisierten Spannungen an den Basis-Emitterübergängen der Transistoren 26 und 22 ist.

Damit die Emitterfolgerwirkung im Transistor 22 erhalten bleibt, muß dessen Kollektor gegenüber der Basis sperrgespannt gehalten werden. Der Stromumkehrverstärker mit den Transistoren 23 und 27 muß _t damit er arbeitet _s eingangsseitig an dem als Diode geschalteten Transistor 23 einen Spannungsabfall von mindestens 1 V aufweisen. Die Stromstabilisierschaltung 20 muß also, damit sie als Konstantstrom-Zweipol arbeitet, mit Spannungen von annähernd 3 V„p (d,h» 1,8 Volt für Siliciumtransistoren) versorgt werden.

Bs soll jetzt die Arbeitsweise der Stromstabilisierschaltung bei Speisespannungen, die aisreichen, um alle ihre Transistoren normalgespannt zu halten, betrachtet werden. Die Größe des konstanten Stromes ist gleich der Summe des Stromes im Widerstand 21 und des Emitterstromes des Transistors 26. Wegen der vorausgesetzten Eigenschaften der Transistoren 23 und 27 sind diese beiden Ströme im wesentlichen gleich. Der Strom im Widerstand 21 ist auf denjenigen Wert begrenzt, der nötig ist, um an ihm eine Spannung .-u erzeugen, die gleich ist dem V__p des Transistors 26 bei gleichem Stromdurchgang. Dieser Strom kann beispielsweise mit Hilfe der bekannten Diodengleichung ermittelt werden:

£l

I =i (e^ki - 1),
es '

wobei:

I = Emitterstrom des Transistors 2ύ in Ampere;

^e - 3 κ

1 — Snttifomp s Ft rom des Transistors 2( (t^'Oincherweise Ο,'-'χΙυ Anrnere für integrierte Trp-isintore-i) ;

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BAD ORiGINAL

-Y-

R₂₁(0hm) - 2 _x Or " c

constant wobei

^Iconstant ^{= der 1<onsi:}'^ani:'^e Strom des zweipoligen Stromstabilisier p otrr wer Ice s (Stromstabilisierschaltung)

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e = Basis des natürlichen Logarithmus; σ = Ladung eines Elektrons in Coulombs; V = Basis-Emitterspannung des Transistors 26 in Volt; k = Boltzmannsche Konstante; T = Betriebstemperatur in Grad Kelvin.

Wie oben erwähnt, ist die Basis-Emitterspannung des Transistors 26 gleich dem Produkt des Wertes des Widerstands 21 und des Stromes im Transistor 22, der bei den angegebenen Bedingungen im wesentlichen gleich I ist. Setzt man in der obigen Gleichung Ϊ il für die Spannung V ein, so ergibt sich:

I Ra

I = I (e ^kT - 1) e s

die, wenn man die natürlichen Logarithmen .jeder Seite der Gleichung nimmt, sich wie folgt umschreiben läßt:

I Ra

log I - log I = ' ■· -e e ^ee s IcT

IcT * ο

Der Wert von — kann für eine typische Temperatur von 300 K.

als 26 χ 10 ' approximiert werden.

Der Wert des Widerstands 21 kann daher für einen gewünschten Strom aus der' folgenden Gleichung errechnet werden: d

~ log I - log I

■.{. = 26 χ 10~^J 2_ä

Stattdessen kann der Wert des Widerstands 21 auch dadurch mit annehmbarer Genauigkeit approximiert werden, daß man für V_n-, den Wert von 0,i^; Volt voraussetzt und in die folgende Gleichung einsetzt:

Eine genauere Wahl des Widerstandswertes mit Hilfe dieser Methode kann dadurch geschehen, daß man den genauen Basis-Emitterspr.nnuhgis abfall des Transistors 2 c für einen gegebenen Strom aus den Kennlinien des Transistors ermittelt.

Bei einer typischen Anordnung mit einem Wert des Widerstands 21 von 15 Kiloohm liefert die Stromstabilisierschaltung 20 einen im wesentlichen konstanten Strom von 80 Mikroampere selbst dann, wenn die angelegte Spannung· um das Mehrfache des für/die Begrensungswirkung erforderlichen Schwellwertes schwankt. Je nach der Konstruktion der Transistoren 22 und 27 im Hinblick auf ihre Kollektor Basis-Spanmiijgsdurchbruchseigenschafter kann die Stromstarilisierschaltung 20 eine angelegte Spannung· (E+) von bis zu 30 Volt oder so/iar noch mehr bei nach wie vor im wesentlichen konstantpehrJtenem Stromfluß vo;i 80 Mikroampere verarbeiten.

Anstelle der npn-Transistoren können auch pnp-Transistoren verwendet xierden und umgekehrt, wobei denn die betriebs spnmiur.gsnuelle entsprechend umzupolen wäre. Statt eines einfachen Stromverstärkers in Form des Transistors 27 mit durch den als Diode freschalteten Transistor 23 überbrücktem Basis-Emitterüberpang, der für seinen Betrieb nur sehr kleine Spannungen zwischen gemeinsamem Anschluß und Eingangs- sowie Ausgangsanschluß braucht, kann man auch andere bekannte Stromverstärkerschaltungen verwenden* Da die Transistoren 22, 23, 2C und 2/ konstante Kollektorströme haben, liefert ein Transistor vom gleichen Leitungstyp, der seine ßasis-Emittervorspannung von einer Anordnung, die einem dieser Transistoren 22, 23, 2(/ oder 27 ähnlich ist, einen konstanten Koilektorstrom. Ferner kaivi, wie im Zusammenhang mit- Figur 2 erläutert wird, der Widerstand 21 durch die Reihenschaltung eines Widerstands und eines

als Diode geschalteten Transistors mit Durchlaßspannung ersetzt, '//erden.

Figur 2 7:eigt einen Niederleistungs- Funktionsverstärker, der für die Herstellung in Form einer integrierten monolithischen - ^haltung gesLgnet ist. Dieser Funktionsverstärker erhält seine Vorströrae von einer Anordnung mit der erfindungsgemäilen Stromstabilisiorr.chal.tuni.¹:. Sämtliche Bauelemente innerhalb dm* gestrichel-

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BAD ORfGfNAL

21 3A774

ten Linie köniiou au:' einem einzigen integrierten Schaltur.Tsplättcheii 30 untergebracht v/erden.

Ein wesentlicher Teil der Verstärkeranordnung des Schaltungsplättchens 30 ist in der USA-Patentanmeldung Serial ^f· ο. 8C^ /ü8 der gleichen Anmelder in (eingereicht am 2'/.1O. 19''9) beschrieben. Der Verstärker wird daher hier nur insofern beschrieben, als er mit der SJtromstabilisierschaltung 40 zusammenhängt.

Das integrierte vSchalturigsplättchen 30 hat Anschlüsse 31, 32, 33, 3c und 35, die dazu dienen, die Schaltung an eine erste Ein-gangssigi-al^uelle, eine zweite Eingangssignalnuelle, eine !'etriebs- A gleichsnari^xmgsnuelle (IM-), eine ausgangsseitipe Vernraucheraiiordnurig '.»;-w. >je.:ugspotential (Masse) anzxischließen.

-Oie Eingangssignalanschlüsse 31 und 32 sind mit den Hasen ie eines npn· Transistors 51 b^w. 52 verbunden, die mit ihren zusammengeschalteten Emittern an den Kollektor eines npn -Konstantstromtrarvsistors 53 unter Bildung eines emittergekoppelten Differenzverstär-I'.ers 50 angeschlossen sind. i)ie Kollektoren der Transistoren 51 und 52 sind an den Eingang ie eines StromumkehrVerstärkers 54 bzw. 55 angeschlossen.

.•Jie Stromumkehrverstärker 54 und 55 bestehen n'e aus einem pnpfransifitor, mit dessen J3asis-Emitterübergang ein als Diode geschalte- Λ ter p"p-Trans:i.stor parrllel.geschaltet ist. Diese Stromumkehrverstärko.r sind άαιι durch die Transistoren 23 und 2/ in Figur 1 gebildeten Verstärkern ähnlich. Die Eingang und Ausgang gemeinsamen Anschlüsse der Stromumkehrvcrstärker 54 und 55 sind beide mit dem Anschluii 33 verbunden, dem die Betriebsspannung B-I- zugeführt ist.

Die Aunganrsarischlüsse der Stromumkehrverstärker 54 und 55 sind an den Eingangs- und den Ausgangsarischluß eines dritten Stromumkehrverstärkers 5⁽⁾ angeschlossen. Der Stromumkohrverstärker 56 ist gleich geschaltet wie die Stromumkehrverstärker 54 und 55, ,jedoch aus np:i--Transistoren statt pnp~Transistoren aufgebaut. Der Eingang und Ausgang gemeinsame Anschluß des Stromumkehrverstärkers 56 ist mit dem Masseanschluß 35 verbunden. An den miteinander verbundenen Auegangsanschlüssen der Stromumkehrverstärker 55 und 5^-

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wird ein ei nt-aktiver Ausirangssignalstrom erzeugt, der dem Einpa-r eines stromverstärker.? ^: 0 rugelei tet wird.

Eine Anordnunp mit einem StMmverPTrp_r'.psti'a''Sistor (2, e.'b.er pnp-Dioden Transistor'nmbinetion 63 und eimern Vorspa;:..etzwerk L--beliefert einen Treibertransist ">r (1 des ^;>troinverstär^;«-.ers t'O mit 3etriebsstrom. Das Vorspamietzwerk 64 -cnppelt der. iusrane (Kollektor) des Transistors Mmit einer komplementärsymraetrisc'iei; Aus gangsstufe mit Transistoren 71, 72, 73 und /J. Tie Ausgangssig-iale werden an den zusaraaienpeschalteteri Kollektoren der Transistoro-Ί ,": und /4 (d.h. am Anschluß 34 des "-chaltungsplättchens 30) er-euft.

Die Stromversorgungstransistoren 53 und C? sind erf'induiifs ■-gemäß an die Stromstabilisierschaltung^ 40 angekoppelt und arbeiten mit im Vergleich zur Ausgangsstufe verhältnismäßig niedrigem , etriebsstrom. Die Stromstabilisierschaltunp £0 enthält xwei Tran sistoren 41 und 42 vom gleichen Leituiiffstyp (npn), die mit ihren Basen 41b und 42b über einen gemeinsamen Schaltunfspunkt 43 P" eine Stromversorfrungsanordnurig· angeschlossen sind. l»er Emitter /j2e des Transistors 42 liegt direkt am Masseanschluß 3 5> während der Emitter 41e des Transistors 41 über einen Strombestimmunprswiderstand 44 mit dem Masseanschluß 3 5 verbunden sind.

Die Transistoren 41 und 42 sind nahe beieinander auf dem Schaltungsplättchen 30 angebracht und haben proportionale Leitunpseigenschaften. Die effektive Basis -Emitterüber«rangstlache des Transistors 41 ist viermal so groß wie die deis Transistors J 2. Beispielsweise kann bei einer typischen Ausführunfsform die ^p.asi s-Emitterübergangsfläche des Transistors 42 2 5 x -5 Mikron, dagegeji die des Transistors 41 2 5 x 100 Mikron bei gleichem Ulffusionsprofil betragen; Der Kollektor 41c des Transistors 41 ist ebenfalls direkt mit der Basis 41b verbunden, so daß der Transistor 41 als Diode arbeitet.

Die den Schaltungspunkt 43 mit .Strom beliefernde Anordnung enthält einen Einschaltstromtransistor i\.( mit an den B+-Anschluß 3.^ angeschlossenem Kollektor, anschlußfreier Basis und über einen in Darlington-Schaltung ausgelegten Verstärker 47 mit dem Schaltungs punkt 43 verbundenem Emitter. Der Kollektor 42c des Transistors 4 2

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BAD ORlQJNAL

ist an den Verbindunpspunkt des Emitters des Transistors q( und des iiinpanps (Rpsis) 47b des Verstärkers 4 7 angeschlossen.

Der wirksame Emitter 4/e des Verstärkers 4 7 ist an den Schaltunnspnnkt 43 angreschlossen. Der effektive Kollektor 47c des Verstärkers 4 7 ist an eine Anordnung, die die Kollektorströme der Transistoren. 41 und 42 in einem im wesentlichen festen Verhältnis zueinander (:··. ^r%. ρ ! eich) hält, angekoppelt. Diese Anordnung besteht .-us einem als Diode geschalteten pnp-lransistor 48 und einem weitereu ρ ip--Transistor /!■>, die mit ihren Emittern 48e bzw. 4-9e direkt an den !'+-Anschluß 33 rnfreschlossei; sind. Ihre Basen 48b und 49k .•sind susammenfteschaltet sowie direkt mit dem Kollektor 48c ver- m bnnden.

i)er Kollektor c'^c ist direkt mit dem Kollektor 4 2c verbunden, während der Kollektor 48c über die 47c mit 47e verbindende Kollektor Emitterstrecke mit dem Kollektor 41c verbunden ist. Die pnp-Transifitoren n$ und 4-9 .si^d im wesentlichen identisch sowie nahe beieinander auf dem Schaltunpsplättchen 30 angebracht und arbeiten als Stromverstärker mit einem Verstärkuncrspxad von -1. Die Transistoren 48 und 4 '"> sind daher bestrebt, die Kollektorströme der Transistoren 41 und 42 im wesentlicher! gleich zu halten, wie nachstehend erläutert wird.

^iJei der '•■>eschreibunp_ der Arbeitsweise der Stromstabilisier- M schaltunp· 40 soll zunächst der Teil mit den Transistoren 41, 42 und dem Widerstand 44 betrachtet werden, wobei die Arbeitsweise der Transistoren Λ1 und 4 ~ anlland der idealisierten Halbleiterdiodenrleichuiifr ff fir die Stromdichte J statt den "jtrom I) untersucht werden:

j - j /-e^kT - 1 7

wobf'i: J = Stromdichte eines Basis-EmitterüberpranjErsj J^ ~ Sättipunjsrsstromdichte des 'Jlierffän^sJ q = Ladung eines Elektrons;
k — I'oltzmannnche Konstante;
T — nlisolnto 'J'emperatur in Grad Kolvi-ij

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BAD ORlQiNAL

e = Basis des natürlichen Logarithmus; V = Spannung am Basis-Emitterübergang.

"Die Stromdichte" ist gleich dem Strom durch den Basis-Emitterübergang; dividiert durch die Fläche des T?a sis-Emit te rüber gangs.

Gleichungen dieser Art können für die Basis-Emitterübergänge der Transistoren 41 und 42 wie folgt aufgestellt werden:

^be42

= d / e

S- —

^be42

- ^be41

^₁ -\ /-e-^r-- 1.7

41 be,.

Durch Umstellen der obigen Gleichungen bezüglich Stromdichte und Spannung ergibt sich:

'be ^be«

^- - Ζ". ^M - 1 7

^be41

be.
42

^be42

- /"· ^kT - ι 7

Es sei im Augenblick angenommen, daß Maßnahmen getroffen sind, um die Emitterströme der Transistoren 41 und 42 im wesentlichen gleich zu halten, und daß die effektive Basis-Emitterübergangsfläche des Transistors 41 N-mal so groß ist wie die des Transistors 42. Da die Transistoren 41 und 42 aus im wesentlichen gleichem Material bestehen, sind unter diesen Voraussetzungen ihre Stromdichten wie folgt aufeinander bezogen:

^be42 * ^be41

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Wegen der Gleichartir-eit der Herstellung sind die Sättigungs ,stromdichten der beiden Transistoren 41 und 42 im wesentlichen gleich, d.h.:

^Js, ^{= J}s,
^oe4l 42

Setzt man für J und J, ein und nimmt die Logarithmen, so ergibt sich: 42

log J₁ - log J

^f e be e

J₁ - log J r

e be₄₁ e s, IcT

41 be

De

log NJ, - log J = —r—ii ^&e be.. ' e s, IcT 41 be₄₁

i)er Einheitsausdruck in der Klammer ist für alle interessierenden Werte von V, unerheblich und daher nicht berücksichtigt.)

Die Differenz zwischen den Basis-Emitterspannungen der Transistoren 41 und 42 kann dann durch Kombinieren der Gleichungen wie folgt errechnet werden:

) = hl

e~ s, q

Für eine typische Betriebstemperatur von 300 Kelvin kann der

JcT
Ausdruck -— als 2C Millivolt approximiert werden.

Wenn daher das Flächenverhältnis N gleich 4 ist (log kann die Differenz der Basis-Emitterspannungen der Transistoren 42 und 41 wie folgt errechnet werden:

= 36 mV

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Da die Spannung am Pasis-Emitterübergang des Transistors 42 gleich der Summe der Spannung am V/iclerstarid l\/\. und der .Spannung am Basis-Emitter übergang des Transistor's 41 ist, bestimmt die Uiff'erenz zwischen den Spannungen an den Basis-Emitterüberf^ängen der Transistoren 42 und 41 dfe Spannung am Widerstand 44. Entsprechend der obigen Gleichung ist daher die Spannung am widerstand /14 rleich 36 Millivolt, wenn das Flächenverhältnis der Transistoren ύΐ und o/l gleich 4 ist und die Kollektorströme dieser beiden Transistoren gleich sind. Der Widerstandswert U,. des Widerstands 44 itfird entsprechend der folgenden Gleichung gewählt:

A *

1 Ii-T /1 1 9 VT "A 1

⁴⁴ " \l ^{q A}*² " ^{Iout q A}'¹²

wobei: I = Emitterstrom des Transistors 41j

^e41

Α.,,/Α.» = das Verhältnis der effektiven Flächen der Basisemitterübergänge der Transistoren 4I und 42;

I , = Gesamtstrom in der Stromstabilisierschaltung 40. out

Für einen Strom I von 10 Mikroampere hat der Widerstand 44

einen Wert von 3600 Ohm⁴¹ (d.h. 2 χ —). I ist in

^v 20 Mikroampere out

diesem Fall 20 Mikroampere.

Für einen gegebenen gewünschten Ausgangsstrom k#nn man daher das Flächenverhältnis wie auch den Wert des Widerstands 44 im Hinblick auf die beste Ausnützung der Fläche des Schaltungsplättchens 30 wählen. Um den Ausgangsstrom zu erhöhen, kann man ent weder den Wert des Widerstands 44 verringern oder die Fläche des Transistors 41 vergrößern.

Bei der obigen Untersuchung wurde vorausgesetzt, daß die Emitterströme der Transistoren 4I und 42 im wesentlichen gleich gehalten werden. Kachstehend wird erläutert, wie diese Stromgleichheit erreicht wird.

Wenn die Betriebsspannung anfänglich zwischen die Anschlüsse 33 und 35 gelegt wird, koppelt der Transistor 46, der als Leckstromelement mit geöffneter oder anschlußfreier P.asis arbeitet, einen

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BAD ORIGINAL . ..■,-·

verhältnismäßip- kleinen Strom auf die Basis 47b des Verstärkers 47· Dieser Leckstroai wird um einen Faktor verstärkt, der gleich ist dem Produkt der Stromverstärkungen der Bauelemente des Verstärkers

.17 (d.h. ß ' ) , die in der Größenordnung von 1000 betrafen können. ^v npn. '

Ein Teil des hochverstärkten Leckstromes gelangt dann zu den zusammenfreschalteten üasen 41h, 42b, und zugleich gelangt der verstärkte Anfangs- oder Einschaltstrom zu den -usammengeschalteten V.ase»! 48b, 4^l,^vb. Da die Basen 41b und 42b verbunden sind und der Transistor 41 eine größere (z, .B. um das Vierfache) effektive Basis_T Kmitterflache hat als der Transistor 42, neigt der Kollektorstrom des Transistors 41 dazu, ungefähr viermal so groß wie der des Transistors 42 zu sein, und zwar bei Stromwerten, die so niedrig· ™ sind, daß die Spannung am Widerstand 44 wesentlich kleiner als der gewünschte Betriebswert ist.

Der Kollektorstrom des Transistors 41 gelangt über die die Elektroden 4/c und 47e verbindende Strecke zum pnp-Transistor 48. Die Transistoren 48 und 49 arbeiten als gemeinsamer Stromverstärker mit einem Verstärkungsgrad von ungefähr 1 und mit Signalumkehrung. Da die Transistoren 48 und 49 parallelgeschaltet und in ihren Betriebseigenschaften im wesentlichen identisch sind, sind ihre Kollektor ströme im wesentlichen gleich. Vernachlässigt man die Tatsache, daß der dem Kollektor 47c der Darlington-Stufe 47 außer dem Kollektorstrom des Transistors 48 auch die kleineren Basisströme j der Transistoren 48 und 49 enthalten muß, so erscheint der Kollektorstrom des Verstärkers 47 auch am Kollektor 49c des Transistors 49.

Da der Kollektorstrom des Transistors 42 bei Anfangsstromwerten in der Größenordnung von I/4 des Kollektorstromes des Transistors 41 beträgt, beliefert der Transistor 49 die Darlington-Stufe 47 mit einem erheblichen Basisstrom. An die Transistoren 41 und 42 ist daher eine positiv rückkoppelnde Anordnung (Mitkopplungsanordnung) mit dem Verstärker 47 und den Transistoren 48 und 49 angekoppelt. Wenn der Strom in den Transistoren 41 und 42 weiter ansteigt, nimmt die Spannung am Widerstand 44 einen im Vergleich zum gewünschten vor bestimmt en Betriebswert (:*.B. 3 C. Millivolt) beträchtlichen Wert an. Der Transistor 41 wird daher mit einer

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niedrigeren r-asis-Emitterspannung beliefert als der Transistor z'2, und als Folge davon steigt der Emitterstrom des Transistors 41 nicht genügend weiter an, um das Verhältnis von 4:1 r.um Emitterstrom des Transistors al beizubehalten.

Wenn die Spannung.am Widerstand 44 sich dem Wert von ungefähr

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3 C Millivolt (~- log T^) annähert, werden die Kollektor ströme der Transistoren 41 und 42 annähernd gleich. Danach sind die pnp-Transistoren 48 und 49 bestrebt, die Kolle'ctorströme der Transistoren 41 und 42 im wesentlichen gleich .^u halten. Die -McIc-kopplungsanordnung mit dem Darlington-Verstärker 47, den Transistoren 48 und 49 und den Transistoren 41 und 4·?· erreicht daher einen stabilen oder gegengekoppelten Zustand, so daß die Spannung am Widerstand 44 (und folglich der Strom der Transistoren i[l und 42) dazu neigt, auf dem vorbestimmten gewünschten Wert konstant r\i bleiben.

Zusätzliche Transistoren, beispielsweise die Transistoren 53 und 62, können mit ihren Basis-Emitterübergängen zum Basis-Emitterübergang des Transistors 42 parallelgeschaltet sein, so daß sich im wesentlichen konstante Ströme ergeben, die durch den Wert des Widerstands 44 bestimmt sind. So gibt man z.B. bei einem Wert des Widerstands /J4 von 3 C-OO Ohm dem Transistor 53 eine effektive oder wirksame Basis-Emitterfläche, die gleich der des Transistors 42 ist, wodurch der Differenzverstärker 50 mit einem Strom λόιι 10 Mikroampere beliefert wird.

Dem Transistor 02 gibt man eine effektive Basis-Bmittorfläehe, die 1, 5-mal großer ist als die des Transistors 42, so daß sich ein Strom von 15 Mikroampere für den Stromverstärker 03 ergibt. Statt dessen kann man auch den Stromquellentransistor 02 und den Stromverstärker 63 nach Figur 2 durch einen einfachen pnp-Stromquellentransistor ersetzen, dessen Basis-Emitterübergang 1,5-mal so groß ist wie der des Transistors 48. In diesem Fall wären die Basis-EmJtterübergänge des pnp-Stromquellentransistors und des Transistors 68 parallelzuschalten und der Kollektor des pnp Stromquelleutransistors an die Basis des Transistors 71 anzuschließen.

7ν beachten int, daß der gewünschte Strompegel in dor .Strom-

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stabilisierschaltunp 40 mit Mitteln hergestellt v/ird, die nur das Zweifache des gewünschten Stromes verbrauchen (d.h. gleiche Ströme in den die Kollektoren der Transistoren 41 und /\2 enthaltenden Stromwefen). Ferner wird als einziger Widerstand der Widerstand 44 frebraucht, der verhältnismäßig niedrig bemessen sein kann.

Die Differenz zwischen der Speisespannung am Anschluß 33 und der opannunp am Widerstand 44 erscheint hauptsächlich an der Kollektor -Emitterstrecke des Transistors 49 im einen und an der Kollektor -Emitter st recke der Darlinf^ton-Stuf e 4/ im anderen Stromwef der Stromstabilisierschaltiuir 40. Dem Anschluß 33 können daher j Speisesparinunren mit einem verhältnismäßig weiten Bereich unter- ™ sciiiedlicher /erte r-ugreleitet werden, ohne daß die Ströme in der Stromstr.bilisierschaltuiift 40 oder die von den Hilfsstromquellentransistoren 5,] und (2 gelieferten Ströme dadurch in ihrem Wert beeiniluüt werden.

Die ochalturifr nach "ifrur iilaiit sich in verschiedener ilinsicht abwandeln, Beispiel r.weise kann anstelle des Dar Linpto ι-Verstärkers 47 ein ei-i'^ifer Transistor verwendet werden. Die Leitu"pstypen sämtlicher Transistoren können umrokehrt sein, in welchem -'alle die dem Anschluß 33 r-ufveführte Spannurif; die entpefenffesetrte Polarität haken müßte, ferner haaa die Funktion der Transistoren 41, 42, i[o u.id ι\ ⁽.i ,-jov/eils von einer Kr.skade aus mehreren Bauelementen J übernomme·! xverden. seispielsweise Jcann in bekannter V/eise jedes der pnp-.Jaueleme:ite durch einen αηι- und einen pnp- Transirtor in DirektJ'.opplunr mit hohem zusamraen/reset-rten prip-ii-Wert realisiert werdo ;.

ir &ργ, "erhält'iis der wirksamen Flächen der Basis-Emitterüber^är« der Transistoren 41 und 42 kan-'i auch ein anderer Wert als 4 gewählt werdfiii. Jedoch muß dieses Verhältnis in Verbindung mit anderen Scha] tunp.sparametern so frroß sein, daß sich für den Anfanff.svui;tand der .Stromquelle (Stromstabilisierschaltunp) 40 eine Mitkopplurii»· (Verstärkung größer als 1) erp-ibt. linter Berücksichti- l^np dieses Erfordernisses kann auch für das Verhältnis der Flächen der Ba.si.s -Kmitterüberfiänjrre der pnp -Transistoren 48 und 4⁽> eine anderer Wert als 1 gewählt werden.

mQPAA/Hilft 6ADORlGiNAt

Der Einschaltstromtransistor A( !earn in bestimmten Fal3.cn auch entfallen, wremi die pnp Transistoren einen ausroichend.cn Leckstrom liefern odor wenn /yenügend Htreu'.:apa:-ität oder -spa: πα·;," vorhanden ist, um ein verläßliches Einschalten r-u gewährleiste'.

''.wischen dem Emitter des Tra isirtors i<'.?. n.nd dem !^.SReanrchlub 3 5 kann ein Widerstand vorhanden sein, ü.oi* iecbc. in seinem .Vert !Wesentlich kleiner als der des ividerstands 44 usd vorr-iirrsv/eir.e ~·; nähernd null ist.

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Claims (2)

1. ί^Λ π t e η t a η s ρ r ü c h c

   \J Stromrtr.bilisierschaltung mit einem ersten Transistor, der mit seinem Kollektor gleichstromloitend p.n die erste von zwei a^r> eine iinorri equel.1 c anschließharen Speiseklemmen und mit seinem ■Emitter "ü or ein Gegenkopnlungsglied mit einer ohmschen Widerstands? strecke an die r.weite Speiseklemme angeschlossen ist, sowie mit einer zwische··» die iasis dieses Transistors und die zweite Spciselderamc rreschnltcteu geregelten Spannun^snuelle, da durch g e k e η η ζ e i c h η e t , daß ein zweiter Tran- , sistor (26) rleichstromleitend mit seiner basis an den Emitter ™ urd mit seinem Kollelctor ar? die "visis des ersten Transistors (22) und mit seinem Emitter an die zweite Speiseklemme (12) anpeschlos-ί-'cn ist und daß ein Stromverstärker (?■/, 23) mit seinem Eingang an den Kollektor des ersten (22) und mit seinem Ausgang an den Kollektor des zweiton (2f) Transistors sowie mit einem Eingang und Axisganf fremeinsamen. Anschluß an die erste Speiseklemme (11) .".'!geschlossen ist.
2. 2. Stromstabilisierschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromverstärker einen dritten Transistor (2/), der mit seiner Basis an den Eingang, mit seinem Emitter an den gemeinsamen Anschluß und mit seinem Kollektor m an den Ausgang des Stromverstärkers angeschlossen ist, sowie einen vierten Transistor (23), der mit seiner Basis und seinem Kollektor gemeinsam r. > den Eingang und mit seinem Emitter an den gemeinsamen A:ii chluß des Stromverstärkers aageschl.ossen ist, enthält.

   .'5. Stromstabilisierschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g ο k e η η :: e i c h η e t , daß ein Hilfstrarisistor mit seiner Basis-Emitterstrecke zur I'asis-Emitterstrecke eines der genannten Transistoren parallelgeschaltet ist und eine wtromruellc für einen an seinen Kollektor angeschalteten Verbraucher bildet.

   / . M-romstabilisier.^chaltung nach einem dor Ansprüche 1 bin

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   , d r. d. -τι r c Ii ;i e !". e η η r c i c h ·. e t , da.- eier erste _r __ηΓ:; _r,.._;._{>r ε},,_Γ ---(.roi in ^arliifto^-Sch^-unf ver*"u*ice cn T¹ITnictore·· -cstchfc,

   ^r. ^r3^r imr^^n^ilisierschaltui β :^ch einen rnr A 'corüche 1 >-is /j d r d u r c h f e ;-. e η ·:, ,τ e i c h ··· e h , c'ci dr.ε Gero.·-..r.oppaus eines '/iclerstand ( ?, 1 "· bestohv,.

   ■■ . ntroms1:-?"'ij-isierschal"tun£r nach ei^:iem der Anp d a d u r c h /rc h e η η reichte t. , dr.ib des Go.re-.-zorsO- ^ lun_rTSjP"ixed aus dor Reihenschaltunr eines Widerstands (21) u-\ö. ei^es Halbleitergleichrichterβ (lo) besteht.

   / . --trotnstaT'ilisieririciialtunp nrcli A'isiruch f , el f. d η r ch f e h e η ^T~- ^eic h η et, daü wischen die erste Speise'zlemme und die ^asis des ersten Transistors eine Lec^stroma^.orriv-un/r reschaltet ict.

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