JPS5896407A - 熱遮断装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はきわめて低い電源電圧のもとで動作する熱遮断
装置を簡単な構成で実現するものである。

従来から多用さ′れでいる熱遮断装置は周知の様に定電
圧ダイオードの両端に発生する零もしくは正の温度係数
を有する電圧の分割電圧をトランジスタのベース・エミ
ッタ間に印加してお゛いて、接合部温度が上昇すること
によって前記トランジスタのベース・エミッタ間のニー
電圧（Ｋｎｅｅ　Ｖａｔ　−ｔａｇｅ）が下降し、遂に
は前記トランジスタが導通状態に移行するのを利用した
ものである。

しかしながら、定電圧ダイオードによって作られた分割
電圧はそのバラツキが大きく、また、ＩＣチップ上に形
成されるＮＰＮ　）ランジスタのベース・エミッタ間違
降伏時性を利用した場合、ツェナー電圧としては？Ｖ前
後になるので、低い電源電圧のもとで動作させるＩＣに
は、前記方法が使えないなどの問題があった。

これに対して、日本国特許出願公告公報昭和６６年第８
０８８６号では４ｖ程度の低い電源電圧のもとで動作す
る熱遮断装置が提案されており、この回路は定電圧ダイ
オードを用いる方法に比べると回路構成がかなり複雑に
なるものの、従来よりも低い電源電圧まで使えると言う
利点を有している。

本発明は１．５ｖ程度のきわめて低い電源電圧のもとで
確実に動作し、しかも回路構成が比較的簡単な熱速断装
置を提供するものである。

以下本発明の構成を図面に基づいて説明する。

第１図は本発明の一実施例における熱遮断袋９置の回路
結線図を示したもので、第１図において、トランジスタ
（１）のベース・コレクタ間、ベース・エミッタ間には
それぞれ抵抗（２）、抵抗（３）が接続され、前記トラ
ンジスタ（１）のコレクタにはトランジスタ（４）のベ
ースが接続され、前記トランジスタ（４）のエミッタは
抵抗（６）を介して前記トランジスタ（１）のエミッタ
に接続され、前記トランジスタ（１）のエミッタは共通
端子（Ｇ）にも接続されている。

一方、トランジスタ（６）　（７）　（８）、抵抗（９
）　Ｏｆ）　（１１）によって前記トランジスタ（４）
のコレクタ電流を前記トランジスタ（６）で受電するカ
レントミラー回路−が構成され、前記トランジスタ（１
）のコレクタには前記カレントミラー回路−を構成する
トランジスタ（７）のコレクタから定電流を供給する様
に接続されている。

また、前記トランジスタ（８）のコレクタと共通端子（
Ｇ）（マイナス側給電端子）の間には抵抗（２）が接続
され、前記抵抗（２）の両端にはトランジスタ（２）の
ベースおよびエミッタが接続され、前記トランジスタ（
至）のコレクタは出力端子（１）に接続され、プラス側
給電端子（Ｂ）にはそれぞれ前記カレントミラー回路−
を構成する抵抗（９）　０１）　０１＞の一端が接続さ
れている。

さて、第１図の回路において、トランジスタ（１）（４
）のベース・エミッタ間順方向電圧をそれぞれＶｍｔ＋
　、　Ｖｉｕｕ　　とし、抵抗（２）　（３）　（５）
　Ｈ（７）抵抗値ヲソレぞれＲ１，ＲｍｅｋｓｅＲｔｚ
とし、さらに抵抗（９）と抵抗（２）の抵抗値は等しく
、トランジスタ（６）とトランジスタ（７）のエミツタ
面積比は抵抗ａＱと抵抗（９）の抵抗比率にほぼ等しく
設定されるものとし、また、各トランジスタの直流電流
増幅率は充分大きいものとすると、抵抗（５）の両端に
生じる電圧Ｖｘは次の様にして求められる。

また前記トランジスタ（１）のエミッタ面積がＡｅで、
前記トランジスタ（４）のエミッタ面積はそのＮ倍の広
さであるとし、前記トランジスタ（１）　（４）のエミ
ッタ電流をそれぞれＩＩ、Ｉ４とすると、なお、（２）
　、　（３）式において、ｋはボルツマン定数、ｑは電
子の電荷で、それぞれ ｋ　＝　１．８８Ｘ１Ｇ−”　　　ｊｏｕｌｅ　／　’
Ｋｑ　　−１，６０！！Ｘ　　１０−管−ｃｏｕｌｏｍ
ｂまたＴは接合部の絶対温度（＠Ｋ）、Ｉｏは単位面積
あたりの逆方向電流で”あり、トランジスタの構造によ
って定まる定数をγとすると、 ところで １４　＝　ＶＸ／Ｒｓ　　　　　　　　　　　　　　（
５）であるから、トランジスタ（４）のコレクタ電流の
温度変化はＶｘの温度係数がきわめて小さい領域におい
ては抵抗（６）の抵抗値の温度係数に依存する。

また、抵抗（９）曽の抵抗値をＲｅ、Ｒ１゜とじ、トラ
ンジスタ（７）のコレクタ電流をＩ１とすると、Ｉｙ　
”　Ｉ４　・Ｒｅ　／　Ｒｔｏ　　　　　　　　　　　
　　（６）各抵抗の抵抗値の温度係数が＋２０００ｐｐ
ｍであり、トランジスタ（１）のベース・エミッタ開傘
方向電圧の温度係数が一８０００ｐｐｍであることを考
慮し、接合部温度Ｔｊが６０℃のときのトランジスタ（
４）のエミッタ電流Ｉ４の基準値■４・、抵抗（２）お
よび抵抗（３）の直列回路に流れるブリーダ電流の基準
値をＩＢｏとすると−、各電流の温度変化は次式によっ
て与えられる。

以上から接合部温度Ｔｊと電圧Ｖｘの関係式は次式で与
えられる。

軸式において、対数項の中の１１／ＡｅをＩ４／Ｎ−Ａ
　ｅよりも大きくすることによってＶｘの温度係数を零
にする仁とが出来る。

すなわち、第１図の回路において、トランジスタ（１）
のエミッタ電流密度をトランジスタ（４）のそれよりも
高くすることによって零温度係数を達成することが出来
、具体的には抵抗（９）と抵抗ａＯの抵抗比率を適当に
設定したり、トランジスタ（１）とトランジスタ（４）
のエミッタ面積比を適当に選定することにより実現され
る。

さて、第１図の回路において、常温付近では抵抗（２）
の両端に発生する電圧■ｙがトランジスタ（至）のベー
ス・エミッタ′間のニー電圧（Ｋｎｅｅ　Ｖｏｌｔａｇ
ｅ　）に達しない様に抵抗（ロ）（２）の抵抗値を選定
しておくと、 したがって、ｖｙの温度係数はＶｘのそれに依存し、Ｖ
ｘの温度係数が零であれば、ｖｙの温度係数も零となる
。

輔（２）式より、 一方、出力端子（Ｉ）に接続される回路を動作させるの
に必要な吸い込み一流をＩＦとすると、トランジスタ（
２）とトランジスタ（１）を同じ形状にした場合、前記
トランジスタ（２）のベース・二定ツタ間順方向電圧Ｖ
ＢＩＩＩは次式によって与えられる。

（２）式においてｋ（Ｔ３＋２７８）／ｑは明らかに正
の温度採火きな負の温度係数を有し、全体としては、よ
く知られている様にほぼ一１ｍＶ／’（３の温度係数と
なる、いま、−例としてＡｅが２０　ｔクロン平方で、
γの値が６０７のトランジスタを例にとると、Ｉｙの値
を１００４に設定したとｊ、２０℃においてベース・エ
ミッタ間順方向電圧は７００ｍＶであるが、１５０℃に
おいては４８５ｍＶとなる。したがって、抵抗（２）の
両端に４８６ｍＶを発生させておくと、接合部温度Ｔ１
が１５０℃に達したときに、前記トランジスタ曽のコレ
クタ吸込み電流Ｉｙは１００μＡとなり、熱遮断動作を
行なわせることが出来る。

なお、抵抗（ロ）の両端の電圧を４８５ｍＶに設定した
とき、２０℃、　１００℃、１４０℃において、前記ト
ランジスタ（至）のコレクタに流れる電流は（２）式か
ら逆算すると、それぞれ８　ｎ　Ａ　ｅ　４　ｐ　Ａ　
ｅ　５６　μＡであるから、出力端子（１）に接読され
る回路が１００μ人前後で確実務ζ作動する様にしてお
けば、１５０℃前後で確実な熱遮断を行なわしめること
が出来る。

とξろで、以上の説明からも明らかな様に第１図の回路
において、遮断動作が行なわれるのは、（至）式で与え
られるＶＢｇ＋ｓが（２）式のｖｙよりも小さくなった
時点の接合部温度においてであるが、熱遮断温度の精度
と言う観点から考えてみると、遍断温度のバラツキ要因
としては抵抗（２）　（３）　（９）　（５）（ロ）＠
の抵抗比率とγの値、さらには１１＊Ｉ４＋ＩＶの電流
比率があげられる。

仁のうち、抵抗比率は同一チップ上に形成された場合に
は数パーセント以内にすることが出来る。

またγの値が一６０％から＋１００％まで変化しても、
零温度係数のもとでのｖｙは±２％しか変化せず、しか
も（至）式で与えられるＶＢＩＨｍの対数項の分母にも
Ｔが含まれているので、ＶＢＥｌｌのγに起因する±８
．６％の変化と相殺し合い、γが−６０９６から刊００
％変化したとしても遮断温度はたかだか±１．５％’Ｌ
。

か変相しない。

電流Ｉｔ、　１４のバラツキは抵抗の抵抗値のノ（う：
／キに依存するため、±２０！％２０ａ）（ラツキがあ
るが、それによってｖｙは±１％以内でしか変化しない
。また、電流ＩＮＦも抵抗値に依存する様にしておけば
、抵抗の抵抗値のバラツキに起因する遮断温度のバラツ
キは±０．５％位にすることが出来、る。

したがって、これらのバラツキ要因をすべて加味しても
、素子の特性のバラツキに起因する遮断温度のバラツキ
は±６％以内にすることが出来る。

また、第１図の回路構成を見れば明らかな様′に、電源
電圧が１．５　Ｖ位まで低下したとしても安定な動作を
維持することが出来るし、回路構成もきわめて簡単な構
成となっている。

従来の定電圧ダイオードを用いる熱遮断回路では低電圧
では動作しないことはもとより、定電圧ダイオードのツ
ェナー電圧だけでも±５％程度のバラツキがあるので遮
断温度のバラツキが大きいのに対して、本発明の熱遮断
回路では遮断温度のバラツキがきわめて小さいと言う特
徴を有している。

なお、以上の説明では抵抗＠の両端に発生させる電圧ｖ
ｙが零温度係数のもとで動作させる場合について説明し
たが、必要に応じて正の温度係数をもたせても良く、そ
′の場合にはγのバラツキに起因する遮断温度のバラツ
キが若干大きくなる代わりに、温度変化に対するトラン
ジスタ（至）の吸い込み電流の変化量が大きくなるので
、遮断ゲインを高くすることが出来る。

＃１２図は本発明の別の実施例を示したもので、構成素
子数および消費電流を低減する目的で抵抗（９）の一端
に発生する電圧を利用している。このため、電源電圧の
最低限界は２ｖ近くまで上昇する。

この様に本発明の遮断装置は、ベース・コレクタ間、ベ
ース・エミッタ間にそれぞれ第１の抵抗（２）、第２の
抵抗（３）が接続された第１のトランジスタ（１）と、
該第１のトランジスタ（１）に電流を供給する第１の電
流供給手段（カレントミラー回路−のトランジスタ（７
）と抵抗軸によって構成されている）と、前記第１のト
ランジスタ（１）のコレクタ電位がベースに印加され、
エミッタが第８の抵抗（５）を介して前記第１のトラン
ジスタ（１）の工ｔ７タに接続された第２のトランジス
タ〈４）と、前記第２のトランジスタ（４）に電流を供
給する第２の電流供給手段（カレントミラー回路−のト
ランジスタ（６）と抵抗（―）によって構成されている
）と、前記第２のトランジスタ（４）のコレクタ電流に
基づく電流が供給、される第４の抵抗（２）（第２図に
おいては抵抗（９））と、前記第４の抵抗軸の両端に発
生される基準電圧とＰＮ接合の順方向電圧を比較して前
記ＰＮ接合の順方向電圧が前記基準電圧よりも小さくな
ったときに動作する検出手段とを備えたことを特徴とす
るもので、第１図および第２図に示した実施例では、前
記検出手段と前記ＰＮ接合はトランジスタ（至）あるい
はトランジスタＱ４が司っているが、第８図あるいは第
４図に示す様に別々にすることも出来る。

すなわち、第８図においては、前記ＰＮ接合を、順方向
にバイアスされたトランジスタに）のベース・エミッタ
間が司ゆ、前記検出手段をコンパレータα峰が司ってい
る。ｔだ、第４図においては、コンパレータ（２）の非
反゛転入力端子（１６ａ）がトランジスタ（１）のコレ
クタに接続されているが、前記トランジスタ（１）のコ
レクタ・二定ツタ間の電圧はそのベース・工ｔ７タ間順
方向電圧に依存するので、前記トランジスタ（１）のベ
ース・エミッタ間が前記ＰＮ接合を司っていることにな
る。

さて、第５図は本発明の熱遮断装置の具体的な応用例と
して、乾電池２個分の電源電圧のもとで使用されるポー
タプルカセットテープレコーダのテープ走行のためのモ
ータの駆動回路の回路結線図を示したものである。

＠Ｓ図において、点線内の回路はすべて同−ＩＣチップ
上に集積されており、それらの機能を簡単に説明すると
、チョ−クコイル的と直流モータ（至）の直列回路およ
び前記直流モータ（至）に対して並列に接続された抵抗
（２）と抵抗−の直列回路がブリッジ回路の低抵抗辺側
を構成しており、前記低抵抗辺に対して並列に接続され
た抵抗（２）と抵抗（支）の直列回路がブリッジ回路の
高抵抗辺側を構成している。

前記ブリフジ回路には給電制御トランジスタ（至）によ
って給電されるとともに、その検出端子（Ｘ）−（Ｙ）
間にはコンパレータ（２０Ｇ）の入力端子が接続され、
前記コンパレータ（２ＯＯ）の出力はトランジスター、
トランジスタ曽を介して前記給電制御トランジスタ四の
べ“−スに印加されている。

一方、トランジスタ（１）　（４）　（６）　（７）　
（８）曽＠−ｍ００＠、抵抗（２）　（３）　（５）　
（９）　００（２）に）＠−によって基準電流源回路（
８００）が構成され（第１図および第２図と同一機能を
有する素子は同一図番で表わされている）、前記基準電
流源回路（ＳＯＯ）の出力は定電流トランジスタ（２）
と整合用抵抗（至）を介して抵抗（支）の両端に供給さ
れて速度制御のための基準電圧を発生させるとともに、
別の定電流トランジスタ（２）と整合用抵抗（至）を介
して抵抗＠と抵抗（２）の直列回路の両端に供給されて
熱速断のための基準電圧と電流制限のための基準電圧を
発生する様に構成されている。

前記抵抗（２）の両端にベースおよびエミッタが接続さ
れたトランジスターと電流制限抵抗的とトランジスター
、さらに−前記トランジスタ四のベース・エミッタ間に
接続、された抵抗−が熱遮断のための検出回路を構成し
ている。

また、前記給電制御トランジスタ四のベースには負荷電
流検出のためのトランジスターのベースが接続され、前
記トランジスターのコレクタ電流および前記トランジス
ターのコレクタ電流は定電流トランジスタに）と別の定
電流トランジスターによって供給される様に構成されて
いる。

前記基準電流源回路（ＳＯＯ）の出力電流の温度係数は
抵抗の温度係数の＋２０００ｐｐｍ　　に依存し、−２
０００ｐｐｍ　となるが（したがって、前記出力電流を
抵抗に供給した場合にはその抵抗の両端に発生する電圧
の温度係数は零となる）、トランジスターとエミッタ側
の抵抗に）による検出電流が約１１０００ｐｐの正の温
度係数を有するので、抵抗＠と抵抗（至）の直列回路の
両端に０．９■の電圧を発生させ、トランジスターのコ
レクタ電流が＋８０００ｐｐｍとなる様に設定し、さら
に遮断動作時点でのトランジスタに）とトランジスター
のコレクタ電流分ｅ比を１対１にすることによって、前
記検出電流の温度係数を相殺させている。

前記トランジスターと前記トランジスターのコレクタに
は抵抗−と抵抗−を介して遮断トランジスタ曽のベース
が接続されている。

さて、第５図の回路の動作は次の如くなる。直流モータ
（至）の内部抵抗、テロ−クコイル（ロ）の直流抵抗、
抵抗（至）に）と抵抗ａＩ）＠によって構成されたブリ
ッジ回路の平衡条件が成立しているとき、その検出端子
（Ｘ）　−（Ｙ）間には前記直流モータ（至）の回転速
度に依存した発電電圧成分が現われるが、この速度検出
電圧はコンパレータ（２００）によって（Ｙ）端子側に
発生される基準電圧と比較され、前記コンパレータ（２
００）、　　）ランジスタ（ハ）＠（ハ）を介して最終
的に前記速度検出電圧と前記基準電圧とが等しくなる様
に制卸される。

なお、前記直流モータ（至）にはチョークコイル（ロ）
を介して給電され、検出端子（ｘ）　（Ｙ）の電位はそ
れぞれコンデンサー−によって平滑されているので、給
電制御トランジスタに）はスイッチング動作を行ない、
通常の動作時には前記トランジスタ（至）の電力損失は
きわめて小さい。

ところが、直流モータ（至）に過負荷がかかり、連続し
て過電流が流れると、トランジスターのコレクタ電流を
トランジスターおよびトランジスターが供給しきれなく
なり、遮断トランジスターにベース電流が流れて、その
結果、コンパレータ（２００）、トランジスタ＠（２）
を介して給電制御トランジスタ（至）のベース電流が制
限される。

このため、前記トランジスタ翰のコレクタ電流はあらか
じめ設定された値に制限されるが、この電流制限動作時
には前記トランジスタに）はスイッチング動作を行なわ
ないため前記トランジスタに）の電力損失、言い換えれ
ばＩＣの電力損失は急激に増大する。

ＩＣの電力損失が増大してチップ温度が遮断′温度に達
すると、トランジスターのコレクタ電流による抵抗−の
電圧降下がトランジスターのベース・エミッタ間のニー
電圧を越え、トランジスター−による供給電流のすべて
を前記トランジスターが吸い込み、さらにトランジスタ
曽が飽和するのに必要なベース電流も前記トランジスタ
ーによって供給されるので、前記給電制御トランジスタ
に）のコレクタ電流は完全に遮断される。

ＩＣのチップ温度が次第に下降して前記トランジスター
にコレクタ電流が流れなくなると、トランジスターとト
ランジスターによる電流制限動作に戻るが、それによっ
て再びＩＣのチップ温度が遮断温度にまで達すると、再
び熱遮断動作が行なわれる。

と仁ろで、第６図の回路において、基準電流源回路（ａ
ＯＯ）はもともと速度制御のための基準電圧を作るため
と、コンパレータ（２００）のバイアス電流を得るため
に準備された回路であり、トランジスタ＠＠＃−などは
電流制限のために準備されたものであるから、トランジ
スター−と抵抗＠および抵抗ｏｎのみの追加によって熱
遮断の機能が追加さねたことになる。

また、（２）式の動作電流ｒｙは抵抗−の抵抗値に決定
されるため、抵抗（９）　ａｔ）と前記抵抗−の−抗比
が精度良く得られる一様に注意してＩＣのマスクを作成
すれば遣断温゛度のバラツキを小さくすることが出来る
。

以上に示した様に、本発明の熱遮断装置では、ベース・
コレクタ間、ベース・エミッタ間にそれぞれ、第１．第
２の抵抗が接続された第１のトランジスタと、該第１の
トランジスタのコレクタ輩位がベースに印加され、エミ
ッタは第８の抵抗を介して前記トランジスタのエミッタ
に接続された第２のトランジスタと、該第２のトランジ
スタのコレクタ電流に依存した電流を第４の抵抗に供給
して基準電圧を発生させ、前記基準電圧とＰＮ接合の順
方向電圧を比較して、前記順方向電圧が前記基準電圧よ
りも小さくなったときに動作する検出手段によって回路
が構成されているので、少ない１ｇ１１５ｇ子数で遮断
温度のバラツキが少なく、シかも低電圧まで安定に動作
させることが出来るなど、大なる効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明′の一実施例における熱遮断装置の回路
結線図、第２図、第８図、第４図はそれぞれ別の実施例
における熱遮断装置の回路結線図、第６図は本発明の応
用例を示す回路結線図である。 （１）・・・第１のトランジスタ、（２）（３）・・・
第１および第２の抵抗、（４）・・・第２′のトランジ
スタ、（５）・・・第８の抵抗、（７１輪・・・第１の
電流供給手段、（ａ）　（９）・・・第２の電流供給手
段、（２）・・・第４の抵抗、（至）・・・第８のトラ
ンジスタ（検出手段） 代理人　森本義弘 第１図 第２図 ｍ：３図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、ベース・コレクタ間、ベース・エミッタ間にそれぞ
   れ第１、第２の抵抗が接続された第１のトランジスタと
   、該第１のトランジスタに電流を供給する第１の電流供
   給手段と、前記ＩＩｌのトランジスタのコレクタ電位が
   ベー゛スに印加され、エミッタが第８の抵抗を介して前
   記第１のトランジスタのエミッタに接続された第２のト
   ランジスタと、前記第２のトランジスタに電流を供給す
   る第２の電流供給手段と、前記第２のトランジスタのコ
   レクタ電流化基づく電流が供給される第４の抵抗と、前
   記第４の抵抗の両端をζ発生される基準電圧とＰＮ接合
   の順方向電圧を比較して前記ＰＮ接合の順方向電圧が前
   記基準電圧よりも°小）くなったときに動作する検出手
   段を備えたことを特徴と量る熱遮断装置。 ２、第１のトランジスタのエミッタ電流密度を第２−の
   トランジスタのエミッタ電流密度よりも大≦く設定した
   仁とを特徴とする特許請求の範囲Ｗｉ１項記載の熱遮断
   装置。 ８、＠４の抵抗の両端の電圧がベース・エミッタ間に印
   加されたｌＩ８のトランジスタによって検出手段を構成
   したことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の熱遮
   断装置。