DE2710762A1 - Temperaturschutzschaltung - Google Patents

Description

11. März 1977

P 11 433

PIONEER ELECTRONIC CORPORATION

No. 4-1, Meguro 1-chome, Meguro-ku, Tokyo, Japan

Temperaturschutzschaltuns

Sie Erfindung betrifft eine Temperaturschutz schaltung und insbesondere eine temperaturempfindliche Schutzschaltung für ein auf hohe Leistung ausgelegtes integriertes Schaltungsplättchen oder dergleichen, wobei die Schutzschaltung eine wärmemässige Hysterese-Eigenschaft bzw. eine Wärmehysterese-Kennlinie aufweist.

Bis jetzt musste bei einem integrierten Leüungs-Halbleiterplättchen oder -Baustein, das bzw. der keine interne Schutzschaltung zur Verhinderung einer überhitzung aufweist, eine äussere Sicherung oder eine elektronische Schutzschaltung vorgesehen werden. Bei Verwendung einer Sicherung muss diese nach jedem Sicherungsvorgang durch eine neue ersetzt werden, und bei Verwendung einer elektronischen Schutzschaltung ist

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eine sehr komplizierte Schaltung erforderlich, deren Arbeitsweise das Ausgangssignal der integrierten Schaltung stören kann. Der letztgenannte Nachteil kann auch dann nicht verhindert werden, wenn die integrierte Schaltung eine interne Schutzschaltung aufweist.

Ein Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine die Temperatur feststellende Schutzschaltung zu schaffen, die einfach aufgebaut ist und entweder integral mit oder getrennt von einen integrierten Leistungsplättchen, -chip oder -baustein oder dgl. ausgebildet sein kann. Gemäss der vorliegenden Erfindung weist die die Temperatur feststellende Schaltung eine Schmitt-Triggerschaltung mit einer thermischen Hysterese-Eigenschaft bzw. -Kennlinie auf, die sich durch Ausnutzung der Temperatureigenschaften eines ersten Stufentransistors in der Schmitt-Schaltung ergibt. Dadurch liegt das Ausgangssignal der Schutzschaltung in digitaler Form vor und wird als Steuersignal benutzt, um die Arbeits- oder Betriebsschaltung bzw. die eigentliche Nutzschaltung, beispielsweise einen integrierten Leistungs-Chip abzuschalten, wenn die Temperatur dieses Chips soweit angestiegen ist, dass die Gefahr einer Beschädigung oder Zerstörung besteht.

Die Schmitt-Triggerschaltung, die Transistoren mit einem gemeinsamen Emitterwiderstand aufweist, ist mit einem Leistungsverstärker in einem integrierten, monolithischen HaIbleiterplättchen oder -chip thermisch gekoppelt und die Basis eines Transistors ist bei normalen Betriebsbedingungen so vorgespannt, dass dieser erste Transistor sich im nicht leitenden Zustand befindet. Venn die Temperatur auf einen ersten vorgegebenen Wert ansteigt, fällt die Spannung V_ßE des ersten Transistors auf Grund der Temperaturkennlinie bzw. der Temperatureigenschaft des ersten Transistors unter die Vorspannung ab, so dass der erste Transistor in den leitenden Zustand gerät, der den zweiten Transistor in den nicht leitenden Zustand versetzt und den Verstärker über einen weiteren Transistor abschal-

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tet. Der gemeinsame Emitter-Rückkoppelweg schafft eine wärmemässige Hysterese-Kennlinie bzw. -Eigenschaft, so dass der erste Transistor erst dann wieder in den nicht leitenden Zustand gebracht wird, wenn die Temperatur unter einei zweiten vorgegebenen Wert abgefallen ist.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnungen beispielsweise näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Schaltungsanordnung einer integrierten Leistungsschaltung oder -stufe mit einer integralen, temperaturempfindlichen Schutzschaltung gemäss der vorliegenden Erfindung,

Fig.2a die Temperaturkennlinie für die Abfühltransistören in Fig. 1 und

Fig.2b die thermische Hysterese-Kennlinie der Schutzschaltung.

Die in Fig. 1 dargestellte integrierte Schaltung umfasst einen Leistungsverstärkerteil A und einen Detektorschaltungsteil B. Der Verstärkerteil verwendet eine doppelte Versorgungsquelle +B^ und -B^ und enthält einen Verstärker mit kapazitätslosem Ausgang bzw. einem kapazitätslosen Ausgangsverstärker ( der im angelsächsischen Sprachgebrauch als output capacitorless-Verstärker bzw. abgekürzt als OCL-Verstärker bezeichnet wird). Im OCL-Verstärker bilden die Transistoren Q^, Q2» Q3 ^una- Q4. einen Differenzverstärker, der Transistor Qc stellt einen Vorverstärker-Transistor dar, und die Transistoren Q₆, Qo, Q₈ und Qq bilden eine Leistungs-Ausgangsstufe. Die Transistoren Q^₀ und Q^ bilden eine konstante Stromlast, der über die Widerstände R^ und Ro» sowie über eine Diode D. eine Vorspannung angelegt wird. Eine hintereinander geschaltete oder "gestapelte" Diodenanordnung Dg schafft für die Leistungsstufen-Transistoren eine Vjjg-Temperaturkompen sation.

Im Detektorschaltungsteil B wird ein Schmitt-Trigger durch die Transistoren Q^o uod Q_x.* gebildet, die einen gemeinsamen Emitterwiderstand R, besitzen. Der Emitterstrom I^ des Transistors

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und der Emitter strom Ip der Transistors Qy^ befriedigen die Ungleichung I^ <C Ip, und die normale Basisspannung der Transistors Q,.ρ am Schaltungspunkt X wird auf einen Wert eingestellt, bei dem der Transistor Q,,p nicht leitend ist. Eine Zener-Diode Dz ermöglicht ein festes Potential am Schaltungspunkt X. Ein Transistorschalter Q^ wird vom Schmitt-Trigger gesteuert und der Kollektor dieser Transistorschaltung Q^ ist mit einem Schaltungspunkt Y verbunden, der seinerseits mit den Basen der Transistoren Q^q und CL* des Leistungsverstärkerteils E in Verbindung steht.

Der Leistungsverstärker und die Detektorschaltung sind auf ei ηem gemeinsamen Halbleiterplättchen integriert, wobei die Leistungsstufentransistoren Q₈ und Qq und der Schmitt-Schaltungs-Transisotr Q^p miteinander thermisch gekoppelt sind.

Die Transistoren Q^ uBd ^3 sind aus Silicium hergestellt, ihre Vgjv-Temperatur-Kennwerte (die Basis-Emitter-Spannung, wenn ein Transistor leitend ist) betragen 2mV/°C, und der Wert für Vgj, beträgt 0,65 V bei einer normalen Betriebstemperatur von 25* C.

Wenn die Spannung am Schaltungspunkt X einen solchen Wert aufweist, dass ν_βΕ' des Transistors Q^ (die tatsächlich über der Basis und dem Emitter angelegte Spannung) bei normalen Temperaturen unterhalb 0,65 V liegt, wird der Transistor 1^2 in den nicht leitenden und der Transistor Q₁, in den leitenden Zustand gebracht, wodurch der Transistor Q^ nicht leitet. Die Spannung am Schaltungspunkt Y wird daher durch die Widerstände R^ und R2 und die Diode D^ festgelegt und der Leistungsverstärkerteil A arbeitet im Normalzustand, so dass ein am Eingang EING auftretendes Audio-Signal genügend stark verstärkt wird, um eine mit der Ausgangskietnme AUSG verbundene Last in Form eines externen Lautsprechers anzusteuern, bzw. zu betreiben.

Wenn die Kollektor-Basis-Ubergänge der Transistoren Qg und Qq in diesem Falle auf Grund eines zu grossen Ausgangssignals oder

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auf andere Weise überhitzt werden, tritt auch dieselbe Wärmeentwicklung bzw. der selbe Wärmezustand am Transistor Q₁₂ ia der Detektorschaltung auf, wodurch der Wert füt V_ßE beim Transistor Q₁₂ verringert wird. Wenn die Spannungsdifferenz am Schaltungspunkt X bezüglich des Spannungswertes -B₁ auf 0,5 V und der auf Grund des Emitterstroms I₂ des Transistors Q₁* auftretende Spannungsabfall Ip H, über dem Widerstand E, auf 0,1 V eingestellt ist» ergibt sich für V_BE' des Transistors Q₁₂ ein Wert von 0,4 V. Daher wird der Transistor Q₁₂ leitend, wenn Vg₂ den Wert 0,4 V erreicht. Die Temperatur, bei eder ^VBE ^{den Wert} 0,4 V erreicht, kann auf der Grundlage eines 2mV/°C-Temperatur-Kennwertes, wie er zuvor erwähnt wurde, zu 150⁰ C bestimmt bzw. berechnet werden. Wenn die Temperatur der Transistoren Qg und Qo in der Leistungs-Äusgangsstufe die Temperatur von 150° C erreicht, wird V-^ des Transistors Q₁₂ daher gleich V_fiE', so dass der Transistor Q₁₂ iⁿ den leitenden Zustand übergeht. Dadurch wird der Transistor Q₁, in den nicht leitenden Zustand gebracht, der seinerseits den Transistor Q₁^ in den leitenden Zustand bringt. Daher wird der Schaltungspunkt T der Transistoren Q₁₀ und Q₁₁ tatsächlich mit Hasse verbunden und der Verstärkerteil arbeitet nicht weiter.

In diesem Zustand wird der Transistor Q^ auch wärmemässig beeinflusst und der Wert für Y^ dieses Transistors Q₁^ wird etwa 0,4 V. Da der Transistor Q₁₂ leitet und die Kollektor-Emitter-Spannung des Transistors Q₁₂ etwa 0,1 V beträgt, flieset praktisch der gesamte Strom durch den Transistor Q₁₂, so dass der Transistor Q₁, im nicht leitenden Zustand gehalten wird.

Wenn der Transistor Q₁₂ leitet, tritt über den Widerstand Rz ein Spannungsabfall I₁Rz auf. Da die Beziehung zwischen den Emitter strömen I₁ und I₂ der Transistoren Q₁₂ und Q₁Z-wie zuvor erwähnt - der U ngleichung I₁ < I₂ genügt, ist der Spannungsabfall I₁Rz kleiner als der Spannungsabfall I₂Rz* so dass die Emitterspannung des Transitors Q₁₂ um einen Spannungs-

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wert IqEi verringert wird, wobei I_Q gleich I2 - I^ ist. Um den Transistor Q^₂ wieder in den nicht leitenden Zustand zu bringen, ist es daher erforderlich, den emperaturempfindlichen Spannungswert V_BE auf einen Wert zu erhöhen, der über 0,4- V + IqR, liegt. Mit anderen Worten, IqS* ist eine Hysterese-Spannung.

Angenommen, es ist I₀ ^Rz ⁼ 5OmV. Entsprechend dem V_BE-TemperaturKennwert von 2mV/°C ist die entsprechende Temperaturdifferenz dann 25° C. V_BE steigt auf 0,45 V an, wenn die Temperatur auf 125° C (150° C - 25° C) abfällt; und wenn V_B£ etwas den Spannungswert von 0,45 V übersteigt, wird V_BE grosser als V_BE'. Zu diesem Zeitpunkt wird der Transistor Q^ wieder in den nicht leitenden Zustand versetzt und infolgedessen wird der Transistor Q^x leitend und der Transistor Q^ nicht leitend. Dadurch tritt am Schaltungspunkt Y wieder der normale Spannungswert auf, so dass der Leistungsverstärkerteil A nunme r wieder normal arbeitet.

Wie deutlich geworden ist, weist die Detektorschaltung B eine Hysterese-Eigenschaft auf, so dass die Temperaturen, bei denen der Transistor Q^o in den leitenden Zustand bzw. in den nicht leitenden Zustand versetzt wird, unterschiedlich sind, wobei die Temperatur für das Ausschalten oder das Abschalten kleiner ist.

Fig. 2A zeigt die V_BE-Temperaturabhängigkeits-Kennlinie des Transistors Q^₂» die einen Gradienten von 2mV/°C aufweist. Bei 150° C weist V_BE den Wert 0,4 V und bei 125° C weist V_ßE den Wert 0,45 V auf. Fig. 2B zeigt eine Hysteresis-Kurve für den EIN- und AUS-Zustand des Transistors Q/ip* Aus dieser Kurve ist zu ersehen, dass Q^₂ °ei V_BE' entsprechend V^ in Fig. 2a jedoch bei einem unterschiedlichen Wert in den leitenden Zustand und in den nicht leitenden Zustand gebracht wird.

Wenn die Arbeitsweise der Schaltung wiederum anhand der Fig. 2A und 2B beschrieben wird, so ist bei einer Temperatur von 25° C V_BE gleich 0,65 V und V_BE' gleich 0,4 V und daher wird der Transistor Q₁₂ in den nicht leitenden Zustand versetzt. Dieser Zustand bleibt aufrechterhalten, bis die Temperatur 150° C erreicht,

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bei der dann V_ßE 0,4 V wird, so dass V^g = ^vbe' ^ist· Dadurch wird der Transistor Q₁₂ in den leitenden Zustand versetzt und der Leistungsverstärkerteil A wird abgeschaltet. Bei leitendem Transistor Q₁₂ wird V_BE* gleich 0,45 V.

Nach dem Abschalten des Leistungsverstärkerteils A geht die Temperatur allmählich wieder zurück und wenn sie 130° C erreicht hat, wird V^ gleich 0,45 V. Wenn die Temperatur etwas

unter 150° C abfällt, wird V_ßE grosser als V_BE' und der Transistor Q₁2 wird wieder in den nicht leitenden Zustand versetzt, so dass Vg₁.¹ auf 0,4 V abfällt, d. h. es ist Vgg^Vjg¹, so dass der Transistor Q₁₂ sogar noch mehr und noch sicherer in den nicht leitenden Zustand gesteuert wird. Der wärmemässige Hysterese-Bereich erstreckt sich also von 125° C bis 150° C.

Ziivor wurde der Fall beschrieben, bei dem die Hysterese-Spannung IqH, (Iq » I₂ - I^) 50 mV ist. Venn diese Spannung grosser als 50 mV ist, wird die Änderung von Vgg' ebenfalls grosser. Daher wird der Unterschied zwischen den Temperaturen, bei denen der Transistors Q₁₂ ⁱⁿ den leitenden bzw. in den nicht leitenden Zustand versetzt wird, grosser als beim zuvor beschriebenen Beispiel. Darüberhinaus kann die Basisspannung des Transistors Q₁₂ am Schaltungspunkt X und damit V_ßE' eine Temperaturabhängigkeit aufweisen. Wenn die Richtung, in der diese Abhängigkeit wirkt, dieselbe ist, wie bei dem Vert V^, welche, wie in Fig. 2A dargestellt ist, in negativer Richtung weist, sollte der Koeffizient kleiner als für V_£E sein, da die Frequenz für das Ein- und Ausschalten auf Grund der kleineren oder verringerten Differenz zwischen der Einschalt- und Ausschalt-Temperaturen sonst zu hoch wird. Wenn die Richtung der Temperaturabhängigkeit von V_BE* jedoch positiv ist, tritt diese Schwierigkeit nicht auf, weil die Schalttemperatur-Differenz dann mit zunehmender Temperatur ansteigt.

Bei der zuvor beschriebenen Ausführungsform spricht die Detektorschaltung B auf eine vorgegebene Temperatur an und liefert ein Steuersignal, um die Transistoren, welche die Konstantstromlast

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bilden, abzusehalten« die die Arbeitsweise des Leistungsverstärkers A unterbinden. Anstatt dieses Aufbaus kann die Arbeitsweise des Verstärkers auch durch andere Einrichtungen unterbrochen bzw. unterbunden werden, beispielsweise durch Ausschalten oder Abschalten der Versorgungsschaltung, durch Unterbrechen des Audio-Eingangssignals usw.

Bei dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel sind der Leistungsverstärkerteil A und die Detektorschaltung B in einer monolithischen, integrierten Schaltung auf demselben Chip zusammengefasst, wodurch ein sehr gutes Ansprechverhalten bzw. ein sehr schnelles Ansprechverhalten vorliegt. Es ist jedoch auch möglich, den Leistungsverstarkerteil A in Hybrid-Bauweise mit der Detektorschaltung B thermisch zu verbinden. Darüberh inaus ist die Schutzfunktion der Detektorschaltung B nicht auf den speziellen, im Zusammenhang mit dem vorliegenden Beispiel beschriebenen Leistungsverstärker beschränkt, vielmehr kenn die Detektorschaltung B in gleicher Weise auch dazu verwendet werden, das Überhitzen eines einzigen Leistungstransistors, eines Transformators oder beispielsweise auch einer integrierten Schaltung für eine konstante Spannung bzw. einer integrierten Schaltung, die mit konstanter Spannung arbeitet, zu verhindern.

Darüberhinaus weist die beschriebene Schmitt-Schaltung durch eine positive Rückkopplung des Ausgangssignals des letzten Stufentransistors an den Emitter des ersten Stfentransistors, um die Emitterspannung dieses letztgenannten Stufentransistors zu ändern, eine Hysterese-Eigenschaft auf. Die Rückkopplung ist nicht auf diese Ausbildung oder Durchführung beschränkt. Es ist vielmehr beispielsweise auch möglich, die Rückkopplung auf die Basis des ersten Stufentransistors zu führen.

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Claims (2)

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   MÜNCHEN E. K. WEIL

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   MAXIMIUANSTRASSe 43

   Patent ansprüche

   Wärmeschutzschaltung für eine Betriebsschaltung, gekennzeichnet durch:

   a) eine Schmitt-Triggerschaltung (Qz₁₂, Qz₁*) ^mit einem ersten, eine temperaturabhängige Basis-Emitterspannung aufweisenden Transistor (Qz₁₂), einem zweiten Transistor (Qz₁3)1 der wirkungsmässig mit dem Ausgang des ersten Transistors (Qv₁₂) verbunden ist und vom Ausgang des ersten Transistors (Q,₎₂) in seinen Leitfähigkeitszustand gesteuert wird und mit einem Eückkoppelweg vom zweiten (Qz₁ χ) zum ersten Transitor (Qz₁₂),

   b) ein Schaltungsteil (Dz), das der Basis des ersten Transistors (Qz₁₂) eine feste Vorspannung bereitstellt, die so gross ist, dass der erste Transistor ( Qz₁₂) beim normalen Betriebszustand der Betriebsschaltung (A) im nicht leitenden Zustand gehalten wird,

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   c) Einrichtungen, die den ersten Transistor (Q^) Betriebsschaltung (A) thermisch koppeln und

   d) einen Schaltungsteil (Q^), der zwischen der Schmitt-Triggerschaltung (Q^2» ^i3) ¹^ ^der Betriebsschaltung (A) liegt und die Betriebsschaltung (A) in Abhängigkeit einer Umkehr der Leitfähigkeitszustände des ersten und zweiten Transistors (Q,,₂> Q/jz) abschaltet, wobei der erste und zweite Transistor vQ-ip» ^I3) leitend bzw. nicht leitend wird, wenn die Temperatur der Betriebsschaltung (A) auf einen ersten vorgegebenen Temperaturpegel ansteigt, bei dem die Basis-Emitterspannung des ersten Transistors (Qx,p) unter seine effektive Vorspannung abfällt, und wobei der erste Transistor (Q^₂) wieder in den nicht leitenden Zustand versetzt wird, wenn die Temperatur der Betriebsschaltung (A) auf einen zweiten vorgegebenen Pegel abfällt.
2. 2. Wärmeschutzschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Rückkoppelweg die direkt miteinander verbundenen Emitter und ein gemeinsamer Emitterwiderstand (R^) liegt, und die Schaltung so ausgebildet ist, dass der Emitterstrom des ersten Transistors (Q^₂) kleiner als der Emitterstrom des zweiten Transistors (Q* 3) ist, so dass eine wärmemässige Hysteresis-Eigenschaft geschaffen wird.

   3· Wärmeschutzschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebsschaltung (A) und die Schutzschaltung (B) in einem monolithischen, integrierten HaIbleiterplättchen untergebracht sind.

   4·. Wärmeschutzschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, dass der Schaltungsteil (Cz) zum Anlegen einer Vorspannung eine Zener-Diode umfasst.

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