説明

負荷電流を温度に依存して調節するための回路構成

【課題】負荷電流を温度に依存して調節するための回路構成を提供すること。
【解決手段】差動増幅器は、負荷電流ILを温度の関数として調節するために第1および第2のトランジスタ(Q1、Q2)を有し、回路構成(2)は、2つのトランジスタ(Q1、Q2)が同じコレクタ−エミッタ電圧UCE1、UCE2にて、および1とは異なるコレクタ静止電流IC1、IC2の一定比率にて動作するように設計され、それにより回路構成(2)は、半導体の物理的特性によって決まる温度電圧によって制御され、負荷電流ILを規定された形で温度の関数として調節する。さらに、このような回路構成(2)を備える自動車用ファン、および関連する方法に関する。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、負荷による電流を温度に依存して調節するための回路構成であって、抵抗であって、その抵抗を通って負荷電流が流れ、その抵抗の両端に亘り、負荷電流を調節するための制御変数の働きをする電圧降下が生じる抵抗と、負荷電流を調節するためのコマンド変数の働きをする基準電圧のためのタップ点と、制御偏差を増幅するための差動増幅器とを備える回路構成に関する。本発明はさらに、そのような回路構成を備える自動車用ファンに関し、また、負荷電流を調節するための制御変数としてその負荷電流が流れる抵抗の両端の電圧降下を用いて、ならびに負荷電流を調節するためのコマンド変数として基準電圧を用いて、負荷を通る電流を温度に依存して調節するための関連方法であって、制御偏差が差動増幅器内で増幅される方法に関する。
【背景技術】
【0002】
上述の回路構成は、一般に保護回路として用途があり、あるいは制御工学において、特に自動車用空調システムの調節において用途がある。負荷電流の温度に依存した調節は、負荷抵抗での電力消費が一定でなく、たとえば周囲温度の関数である場合に特に有益である。これはたとえば、特に、高温空気では低温空気より所与の時間および空間体積内において分子間の衝突事象が統計的に、より頻繁に存在するため、高温空気は空気分子のより高速な動きにより低温空気よりもファンモータに対してより大きな流動抵抗を生ずるので、自動車用ファンのファンモータの場合に当てはまる。電子の移動度が温度と共に低下し電気抵抗が増加する金属導電体内の電子ガスに類似して、HVAC(暖房、換気および空調)システム内の空気流の流動抵抗も、気体温度と共に上昇する。空気がゆっくり流れる場合は、高速の空気流速度の場合よりも、ファンモータが引き込む電流は小さくなる。したがって、多くの空調システムは、所与のモータ電圧では高温条件下より低温条件下で、より大きな電流を引き込む特性を有する。したがって、モータ電流の引き込みは、温度の上昇と共に減少する。
【0003】
図1は、当技術分野で知られている、負荷抵抗Rを通る負荷電流Iを温度に依存して調節するための回路構成1を示す。この目的のために、電流源Iref(表記を簡単にするために、以下では、構成要素としての抵抗、電圧および電流源と、それらによって発生される抵抗、電圧および電流とを区別しない)は、温度センサとして働く温度依存性抵抗Rに供給する。このタイプの温度依存性抵抗は通例、温度の関数として(多かれ少なかれ)非線形な特性を有する。したがって、温度依存性抵抗Rの両端の電圧降下は、まず第一に線形化回路網LINに供給される。反転入力端と出力端の間の追加の抵抗R1を有する差動増幅器として、回路内に配置された第1の演算増幅器OP1は、線形化された信号を、回路内の点P(タップ点)にて第1の演算増幅器OP1に供給される基準電圧Vrefから差し引く。後続する第2の演算増幅器OP2は、負荷電流Iが流れるシャント抵抗Rの両端の電圧降下Vを、第1の演算増幅器OP1の出力電圧と比較し、作動素子として働くパワートランジスタM1(MOS−FET)のゲートの制御電圧を絶えず補正することで、実際の電流調節を受け持つ。電圧源Vは、自動車両電子回路に関して一般的であるV=12Vの電池電圧を、回路構成1の構成要素に供給するように働く。回路構成1は、たとえば負荷としてのファンモータ上の負荷電流Iを(周囲)温度の関数として線形に調節することができ、負荷電流を室温にてたとえば10Aとすることが可能であり、温度上昇と共に減少かつ/または温度低下と共に増加させることができる。
【0004】
回路構成1が、自動車両用途では一般的であるように−30℃から150℃の間の広い温度範囲にわたって安定に機能しなければならない場合は、中でも、温度センサR、基準源IrefおよびVref、線形化回路網LIN、および2つの演算増幅器OP1、OP2の精度に高い要求が課されるので、その製造における財務的費用は、かなりのものとなる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
本発明の目的は、温度の関数として、負荷を通る電流、特にファンモータを通る電流を調節するための、特に線形的に調節するための、少数の構成要素からなるコスト効率の良い回路構成を実現することである。
【課題を解決するための手段】
【0006】
この目的は、序文で述べたタイプの回路構成によって実現され、差動増幅器は、負荷電流を温度の関数として調節するための第1および第2のトランジスタを有し、回路構成は、2つのトランジスタが、同じコレクタ−エミッタ電圧にて、および1とは異なるコレクタ静止電流の一定比率にて動作するように設計される。
【0007】
発明者は、回路構成の、すなわちこの回路構成の個々の構成要素の、規定された温度特性によって、負荷電流を温度の関数として調節することを実施でき、それにより温度センサを不要にすることができることを見出した。この目的のために、回路構成は2つの(バイポーラ)トランジスタを有し、その半導体の物理的特性によって決まる温度電圧を、規定された形で負荷電流のための制御変数として用いることができ、負荷電流調節の温度依存性は、コレクタ電流の比を選択することによって調整することができる。この比は、調節の全温度範囲にわたって一定にすることができ、または規定可能な温度特性に従うこともできる。電流比が1の場合は、2つのトランジスタの温度電圧が負荷電流に及ぼす影響が正確に相殺されるので、負荷電流変数を温度の関数として調整するためには、1に等しくない電流比を選択することが必要である。
【0008】
2つのコレクタ静止電流の比が一定である(かつ1に等しくない)場合は、結果として温度係数は一定であり、かつゼロと異なる、すなわち負荷電流と温度の間の線形な関係が生じる。これによって温度係数は、大きさおよび符合の両方において、互いのコレクタ電流の比の関数として規定することができる。したがって、回路構成は、低温度でより大きな電流、および温度上昇と共に小さくなる電流を可能にし、したがって負荷の温度特性に対して自己調整するように寸法設定することができ、回路の温度特性は専ら構成要素の寸法設定によって実現される。したがって、温度制御機能のためには、他の構成要素は不要である。
【0009】
有利な実施の形態では、差動増幅器の2つのトランジスタは、ベース結合型またはエミッタ結合型である。エミッタ結合により、差動増幅器に対する高入力抵抗を実現することが可能になる。本発明による回路構成では、負荷電流が流れるシャント抵抗は通例、低抵抗であり、したがって差動増幅器にとって高入力抵抗は絶対に必要ではないので、ベース結合も可能である。
【0010】
好ましい実施の形態では、同じコレクタ−エミッタ電圧を発生するために、差動増幅器の2つのトランジスタが、第3および第4のトランジスタを有するカスコード構造内に組み込まれる。これによって、第3または第4のトランジスタは、それぞれカスコード回路のベース結合段を形成し、第1または第2のトランジスタは、それぞれエミッタ結合段を形成する。
【0011】
他の有利な実施の形態では、回路構成は2つの抵抗を有し、その抵抗比がコレクタ静止電流の一定比率を規定する。この目的のために、抵抗は、古典的なカレントミラー回路を形成するように2つの追加の抵抗に接続することができる。コレクタ静止電流の一定比率を生ずるためには、たとえば2つの定電流源を設けるなど、他の選択肢もあることが理解されるべきである。必要であれば、カレントミラーは、2つのトランジスタのアクティブ(エミッタ)面の適切な比を調整することによっても生成することができる。
【0012】
特に有利な実施の形態では、差動増幅器の2つのトランジスタは、デュアルトランジスタによって形成される。デュアルトランジスタの2つのトランジスタは、互いに熱的に結合され、同じまたは非常に似た電気的パラメータを有し、これは回路構成の温度依存性を規定された形で調整するのに有益である。
【0013】
他の有利な実施の形態では回路構成は、制御回路の作動素子として、好ましくはパワートランジスタである、追加トランジスタを有する。パワートランジスタは、たとえば自動車両内のファンモータにおいて生じるような、大電流の制御のために用いられる。パワートランジスタは好ましくはMOSFETとして設計され、それによって負荷電流の調整は電圧制御的に、すなわち実質的に制御電流なしに行うことが可能である。
【0014】
好ましい実施の形態では、差動増幅器の2つのトランジスタは、追加トランジスタと熱的に結合される。熱的結合により、差動増幅器のトランジスタと追加トランジスタは同じ温度を有し、それにより回路構成は負荷電流を追加トランジスタの温度の関数として調節し、追加トランジスタを熱的過負荷から保護する。
【0015】
他の実施の形態では、差動増幅器の2つのトランジスタは負荷と熱的に結合され、それにより、これらは同じ温度を有するようになる。したがって、負荷電流は、負荷の温度の関数として調節され、その結果、負荷を熱的過負荷から保護することができる。
【0016】
一実施の形態では2つのトランジスタは、周囲媒体、特に空調システムの空気流または冷却水回路の冷却流体と熱的に結合され、それにより負荷電流を周囲媒体の温度の関数として調節することができる。
【0017】
回路構成が個別部品から構成される場合は、特に有利である。本発明による回路構成は比較的少ない構成要素を含むので、個別部品の形でコスト効率良く実施することができる。このような個別部品から構成された回路構成はロバストであり、すなわち150℃までの高温度で動作させることもできる。
【0018】
本発明はさらに、上述のような回路構成を有する自動車用ファンに実施され、負荷はファンモータによって形成される。このようにして、温度の関数としての負荷電流の、所望の好ましい線形依存性を実現することができる。
【0019】
本発明はさらに、序文で述べたタイプの、負荷を通る電流を温度に依存して調節するための方法に実施され、負荷電流を温度の関数として調節するために、差動増幅器の第1および第2のトランジスタは、同じコレクタ−エミッタ電圧にて、かつ1とは異なるコレクタ静止電流の一定比率にて動作する。
【発明の効果】
【0020】
本発明によれば、温度の関数として、負荷を通る電流、特にファンモータを通る電流を調節するための、特に線形的に調節するための、少数の構成要素からなるコスト効率の良い回路構成を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0021】
本発明による回路構成の実施の形態の例は、概略図面に表され、以下の説明で明らかになるだろう。
【0022】
図2は、図1の負荷Rを通る負荷電流Iを温度に依存して調節するための回路構成2を示す。この目的のために、回路構成2は、第1のバイポーラトランジスタQ1のベースにおいて、負荷電流Iを調節するためのコマンド変数の働きをする基準電圧Vrefのためのタップ点Pを有する。必要ならば、接地電位0も基準電圧Vrefとして取り出すこともでき、それにより回路構成2において基準電圧源を設ける必要がなくなることを理解されたい。
【0023】
温度依存型負荷電流調節のために回路構成2は、図1に関連して上述した、負荷電流Iが流れるシャント抵抗Rを有し、その両端には、負荷電流を調節するための制御変数として働き、第2のバイポーラトランジスタQ2のベース電位となる電圧Vの降下が生じる。第1および第2のトランジスタQ1、Q2はエミッタが結合され、制御偏差、すなわち基準電圧Vrefとシャント抵抗Rの両端の電圧Vとの差を増幅するための差動増幅器を形成する。2つのトランジスタQ1、Q2は、デュアルトランジスタとして設計され、したがってほとんど同一の熱的および電子回路的特性を有する。
【0024】
アーリー効果に無関係な規定された形で負荷電流の温度制御型調節を可能にするために、第1および第2のトランジスタQ1、Q2は、同じコレクタ−エミッタ電圧、すなわち、UCE1=UCE2にて動作する。これは、第1および第2のトランジスタQ1、Q2がそれぞれ、カスコード回路の第1段のエミッタ結合段を形成し、その第2段のベース結合段は、第3および第4のトランジスタQ3,Q4によって形成されることで可能となる。第3および第4のトランジスタのベースは、同じバイアス電位Vbiasにあるので、通常動作ではそれらのエミッタも同様に、対応して、より低い同一の電位にあり、それにより第1および第2のトランジスタQ1、Q2のコレクタも同様に同一の電位を有する。さらに、第1および第2のトランジスタQ1、Q2のエミッタは互いに接続されるので、全体として同一のコレクタ−エミッタ電圧UCE1=UCE2が設定される。
【0025】
さらに、負荷電流Iの、規定された線形温度依存性を生ずるためには、差動増幅器の2つのトランジスタQ1、Q2が、それぞれのコレクタ電流IC1およびIC2の一定比率で動作することが絶対に必要である。この目的のために、図2の回路構成2は、2つの追加の抵抗Rおよびn×R、および第5および第6のトランジスタQ5、Q6を備えた古典的なカレントミラーを有する。ここで第5のトランジスタQ5のベース−コレクタ部分は、通常のカレントミラーの場合のようにシャント接続により短絡され、バイアス電流源Ibiasは、カレントミラーの全電流の調整を行う働きをする。パワートランジスタM1のゲート電圧は、第6のトランジスタQ6のコレクタから取り出される。
【0026】
以下では、解析により、コレクタ電流IC1とIC2の所定の比と、第1および第2のトランジスタQ1、Q2の同一のコレクタ−エミッタ電位UCE1=UCE2とを用いることにより、どのように負荷電流Iの温度に対する所望の線形依存性が実現できるかが示される。ここで括弧内の詳細は、それぞれのトランジスタQ1またはQ2に関する。
【0027】
キルヒホッフの法則により、2つのトランジスタQ1、Q2のエミッタ電位は、次式で与えられる。
【0028】
【数1】

したがって、負荷電流Iに対しては、次のようになる。
【0029】
【数2】

【0030】
トランジスタのコレクタ電流I、ベース−エミッタ電圧UBE、コレクタ−エミッタ電圧UCE、アーリー電圧U、温度電圧U、および逆方向飽和電流Iの間には、標準的な文献から知られるように以下の関係が存在する。
【0031】
【数3】

ベース−エミッタ電圧UBEについて解くと次式が得られる。
【0032】
【数4】

2つのトランジスタQ1、Q2のベース−エミッタ電圧の間に差が形成されると、上式から次式が得られる。
【0033】
【数5】

これは変形した後、以下の式となる。
【0034】
【数6】

第1および第2のトランジスタQ1、Q2として、上述のような対の特性を有するデュアルトランジスタを用いた場合は、それらの逆方向電流Iは同様となり、したがって、
【0035】
【数7】

さらに、第3および第4のトランジスタQ3,Q4は、第1および第2のトランジスタQ1、Q2がほぼ同じコレクタ電位をもつように作用する。したがって、
【0036】
【数8】

したがって、式(2)は、本質的に次のように簡単になる。
【0037】
【数9】

この式を、式(1)に代入すると、負荷電流Iに対して次式を得る。
【0038】
【数10】

温度電圧Uは、物理定数に元をたどることができ、温度Tと共に直線的に増加し、したがって、
【0039】
【数11】

【0040】
上記の解析で注目すべきことは、基準電圧Vref、およびカレントミラーの2つの抵抗Rおよびn×Rの比nだけが、負荷電流Iの値に関係することである。バイアス電圧Vbiasとバイアス電流Ibiasの正確な値は、ここでは何の役割も果たさない。したがって、比較的少ない労力で、高い精度を実現することができる。Vrefに加えて、第1および第2のトランジスタQ1、Q2のペアリング許容値、およびカレントミラーの抵抗R、n×R、すなわち係数nだけが、負荷電流Iに関係する。
【0041】
良く知られているように、高い絶対精度を有する構成要素を実装するよりも、構成要素間の正確なペアリング許容値を実現する方が本質的に簡単であり、コスト効率がより良いので、上記の回路構成2は、特に少ない構成要素のみが必要であるので、コスト効率の良い形で実施することが可能である。
【0042】
の温度特性は、温度電圧Uに対する式(4)を、式(3)に代入することによって得られる。
【0043】
【数12】

そして絶対温度について微分して、
【0044】
【数13】

【0045】
後者の式は、必要とされるような、負荷電流Iと温度Tの間に線形な関係が存在することを示す。比nが1に等しくなるように選ばれると、負荷電流は温度に無関係となり、負荷を通って流れる電流が広い温度の範囲にわたって一定となるべきである場合には、有利になり得る。
【0046】
エミッタ結合トランジスタQ1、Q2を備える差動増幅器を有する、図2に示される回路構成2に加えて、これはまた、図3に示される回路構成により以下に示されるように、ベース結合トランジスタQ1、Q2を用いて実施することができる。
【0047】
図3の回路構成3では、カレントミラーの抵抗はまず第一に、2つのコレクタ電流IC1、IC2の一定比率を生ずるための2つの定電流源I、n×Iによって置き換えられ、それによりバイアス電流源を不要にすることができる。図2のように、第3および第4のトランジスタQ3、Q4は、第1および第2のトランジスタQ1、Q2の同一のコレクタ−エミッタ電圧UCE1=UCE2の設定を実現する働きをする。この目的のために、第1のトランジスタQ1のベース−コレクタ部分、および第4のトランジスタQ4のベース−コレクタ部分は、それぞれシャント接続により短絡される。4つのトランジスタQ1からQ4にわたるキルヒホッフによる回路網解析から、商用のバイポーラトランジスタでは約30Vから150Vとなるアーリー電圧を桁数ベースで扱えば、回路構成3のすべてのベース−エミッタ電圧は、ほぼ同一となる。このことから直ちに、第1および第2のトランジスタQ1、Q2のほぼ同一のコレクタ−エミッタ電圧UCE1=UCE2という必要な特性が得られる。
【0048】
第1および第2のトランジスタQ1、Q2の共通ベース電位の解析から、負荷電流Iに対して、図2の回路構成2に関して上記に示されたように、式(1)に従うので、上記でなされた解析は回路構成3にも当てはまる。したがって、図3の回路構成3での負荷電流Iも、温度の関数として線形に調節することができる。
【0049】
回路構成2、3を用いた負荷電流Iの温度調節は、温度調節のために用いられる差動増幅器の2つのトランジスタQ1、Q2が、周囲媒体、特に空調システムの空気流または冷却水回路の冷却流体と熱的に結合された場合は、周囲温度の関数として行うことができる。別法または追加として、これらの構成要素の熱的過負荷を防止するために、2つのトランジスタを、負荷RまたはパワートランジスタM1と熱的に結合することができる。
【0050】
図2および3に示される回路構成2、3は、確かに負荷電流Iの温度Tに対する、ほぼ比例的または反比例的な関数的依存性を有するが、回路構成2、3を適切に変更することにより、その他のほとんどのI=f(T)の形の関数的依存性を設定することもでき、その結果、回路構成2、3は、多数の異なるタイプの負荷に適合することができることが理解されるべきである。したがって、特にその用途の範囲は、自動車用ファンにおけるファンモータの負荷電流の調節に限定されない。
【図面の簡単な説明】
【0051】
【図1】従来技術による、負荷電流を温度に依存して調節するための回路構成の回路図である。
【図2】差動増幅器として2つのエミッタ結合トランジスタを有する、本発明による温度依存型負荷電流調節のための回路構成の第1の実施の形態を示す図である。
【図3】差動増幅器として2つのベース結合トランジスタを有する、本発明による回路構成の第2の実施の形態を示す図である。
【符号の説明】
【0052】
1 回路構成
2 回路構成
3 回路構成

【特許請求の範囲】
【請求項1】
負荷(R)を通る電流(I)を調節するための回路構成(2、3)であって、
抵抗(R)であって、前記抵抗を通って負荷電流(I)が流れ、前記抵抗の両端に亘り、前記負荷電流(I)を調節するための制御変数の働きをする電圧(V)の降下が生じる抵抗(R)と、
前記負荷電流(I)を調節するためのコマンド変数の働きをする基準電圧(Vref)のためのタップ点(P)と、
制御偏差(Vref−V)を増幅するための差動増幅器とを備える回路構成(2、3)において、
前記差動増幅器が、前記負荷電流(I)を温度の関数として調節するために第1および第2のトランジスタ(Q1、Q2)を有すること、ならびに前記回路構成(2、3)が、前記2つのトランジスタ(Q1、Q2)が同じコレクタ−エミッタ電圧(UCE1、UCE2)にて、および1とは異なるコレクタ静止電流(IC1、IC2)の一定比率にて動作するように設計されることを特徴とする回路構成(2、3)。
【請求項2】
前記差動増幅器の前記2つのトランジスタ(Q1、Q2)が、ベース結合型またはエミッタ結合型であることを特徴とする請求項1に記載の回路構成。
【請求項3】
前記同じコレクタ−エミッタ電圧(UCE1、UCE2)を発生させるために、前記差動増幅器の前記2つのトランジスタ(Q1、Q2)が、第3および第4のトランジスタ(Q3、Q4)を有するカスコード構造内に組み込まれることを特徴とする請求項1または2に記載の回路構成。
【請求項4】
2つの抵抗(R、n×R)を有し、その抵抗比が前記コレクタ静止電流(IC1、IC2)の一定比率を規定する請求項1乃至3のいずれか一項に記載の回路構成。
【請求項5】
前記差動増幅器の前記2つのトランジスタ(Q1、Q2)が、デュアルトランジスタによって形成されることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか一項に記載の回路構成。
【請求項6】
前記回路構成(2、3)が、制御回路のための作動素子として、好ましくはパワートランジスタ(M1)である、追加トランジスタを有することを特徴とする請求項1乃至5のいずれか一項に記載の回路構成。
【請求項7】
前記差動増幅器の前記2つのトランジスタ(Q1、Q2)が、前記追加トランジスタ(M1)と熱的に結合されることを特徴とする請求項6に記載の回路構成。
【請求項8】
前記差動増幅器の前記2つのトランジスタ(Q1、Q2)が、前記負荷(R)と熱的に結合されることを特徴とする請求項1乃至7のいずれか一項に記載の回路構成。
【請求項9】
前記差動増幅器の前記2つのトランジスタ(Q1、Q2)が、周囲媒体と、特に空調システムの空気流または冷却水回路の冷却流体と熱的に結合されることを特徴とする、請求項1乃至8のいずれか一項に記載の回路構成。
【請求項10】
個別部品から構成される請求項1乃至9のいずれか一項に記載の回路構成。
【請求項11】
前記負荷(R)がファンモータによって形成される請求項1乃至10のいずれか一項に記載の回路構成(2、3)を備える自動車用ファン。
【請求項12】
負荷電流(I)を調節するための制御変数として、前記負荷電流(I)が流れる抵抗(R)の両端に亘る電圧降下(V)を用いて、ならびに前記負荷電流(I)を調節するためのコマンド変数として基準電圧(Vref)を用いて、負荷(R)を通る前記電流(I)を温度に依存して調節する方法であって、制御偏差(Vref−V)が、差動増幅器において増幅される方法において、
前記負荷電流(I)を温度の関数として調節するために、前記差動増幅器の第1および第2のトランジスタ(Q1、Q2)が、同じコレクタ−エミッタ電圧(UCE1、UCE2)にて、および1とは異なるコレクタ静止電流(IC1、IC2)の一定比率にて動作することを特徴とする方法。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【公開番号】特開2009−99123(P2009−99123A)
【公開日】平成21年5月7日(2009.5.7)
【国際特許分類】
【外国語出願】
【出願番号】特願2008−166039(P2008−166039)
【出願日】平成20年6月25日(2008.6.25)
【出願人】(503145110)シトリニック ゲス フュール エレクトロテクニッシュ オウスルゥスタング エム ベー ハー ウント コー カー ゲー (12)
【氏名又は名称原語表記】sitronic Ges.  fur elektrotechnische Ausrustung mbH & Co. KG
【Fターム(参考)】