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Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Erzeugung eines vorgebbaren, über einer Lastimpedanz auftretenden Spannungsverlaufes wie sie im Oberbegriff des Patentanspruches 1 beschrieben ist.
Nach dem derzeitigen Stand der Technik werden zur Realisierung von Leistungsverstärkern geringen Klirrfaktors, hoher Bandbreite, und geringen Innenwiderstandes rein analoge Systeme eingesetzt. Die Ausgangsstufe wird dabei beispielsweise durch eine entsprechend gesteuerte, komplementäre Emitterstufe gebildet. Wird im Sinne einer weitgehenden Linearisierung der Übertragungskennlinie des Verstärkers (Minimierung der Übernahmeverzerrungen der Emitterstufe) ein hoher Ruhestrom gewählt (Gegentakt-Abzw. AB-Betrieb), resultieren hohe Verluste und aufgrund des dadurch bedingten Kühlaufwandes ein relativ geringes Leistungsgewicht bzw. hohes Volumen des Gesamtsystems. Als weiterer Nachteil ist die zur Einhaltung des sicheren Arbeitsbereiches der Endstufentransistoren gegenüber rein ohmscher Belastung
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nennen.
Die prinzipbedingt hohen, an die Ausgangsleistung gebundenen Verluste analoger Leistungsverstärker können nur durch Schaltbetrieb der Endstufe vermieden werden. Die in diesem Fall vorliegenden Schaltver- stärker sind allerdings durch einen relativ hohen Aufwand zur Filterung der, die zu bildende Spannung als Zeitmittelwert enthaltenden pulsförmigen Ausgangsspannung gekennzeichnet. Da hiebei die Knickfrequenz des Filters für einen hohen Störspannungsabstand wesentlich unter die (durch die Umschaltverluste begrenzte) Schaltfrequenz zu legen ist, resultiert weiters eine relative geringe Grosssignal-Bandbreite des Verstärkersystems.
Ein (gegenüber einer Realisierung als reiner Analogverstärker) relativ geringe Verlustleistung und (gegenüber einem reinen Schaltverstärkersystem) geringen Filterauwand aufweisender Leistungsverstärker wird in der EP 475 835 A1 beschrieben. Das System wird durch Parallelschaltung eines Schaltverstärkers und eines Analogverstärkers gebildet. Es wird der Ausgangsstrom des Analogverstärkers gemessen und der Strom des Schaltverstärkers davon ausgehend so eingestellt, dass sich eine möglichst geringe Belastung und damit geringe Verlustleistung des Analogverstärkerteiles ergibt.
Beide Verstärker weisen Stromquellencharakteristik auf, es wird unabhängig von der auftretenden Lastspannung ein vorgebbarer Strom in eine Last eingeprägt ; der für die Last relevante dynamisch Ausgangswiderstand der Leistungsstromquelle ist (ideal) gleich unendlich. Das System kann damit nicht zur Einprägung eines definierten (stromunabhängigen) Verlaufes der Spannung an der Last herangezogen werden, da in diesem Fall ideal ein Ausgangswiderstand gleich Null gefordert wird.
Eine hinsichtlich des grundlegenden Funktionsprinzips der EP 475 835 A 1 ähnliche Parallelschaltung eines Linear- und eines Schaltverstärkers wird auch in der CH 661 822 A5 beschrieben. Das dabei verwendete Schaltverstärkersystem kann allerdings nur für rein ohmsche Lasten eine nahezu vollständige Stromentlastung des Analogverstärkerteiles sicherstellen. Im Falle einer ohmsch-induktiven oder ohmschkapazitiven oder nichtlinearen Last können daher die Verluste des Analogverstärkerteiles stark ansteigen womit im wesentlichen wieder die für reine Analog-Leistungsverstärker erwähnten Nachteile vorliegen.
Aufgabe der Erfindung ist daher, eine Vorrichtung zur Erzeugung eines vorgebbaren, an einer allgemeinen Lastimpedanz auftretenden Spannungsverlaufes mit lastunabhängig hohem Wirkungsgrad und hoher Bandbreite zu schaffen.
Die Lösung dieser Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 erreicht.
Erfindungsgemäss wird zur Erzeugung einer, durch externe Einstellvorrichtungen vorgegebenen Spannung an den Klemmen eines Lastkreises eine Parallelschaltung eines spannungseinprägenden analogen und eines stromeinprägenden, geschalteten Verstärkers, also ein Hybrid-Leistungsverstärker herangezogen.
Dieser wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 beschrieben. Durch eine Messund Steuereinheit wird dabei der Ausgangsstrom des, die Ausgangsspannung der Vorrichtung letztlich definierenden Analogteiles erfasst und dem Schaltverstärker als Stromregelabweichung zugeführt. Die Stromregelung des Schaltverstärkers prägt damit an dessen Ausgang einen, der Stromaufnahme der Last mit Ausnahme prinzipbedingter, schaltfrequenter Schwankungen entsprechenden Strom ein, womit der Ausgangsstrom des Analogverstärkers im Sinne eines Kompensationsprinzips auf sehr kleinen Werten gehalten wird.
Zur Realisierung des Analog- und des Schaltverstärkers können eine Vielzahl bekannter Schaltungskonzepte herangezogen werden, insbesondere sind hiebei Analogverstärker mit geringem Ausgangswiderstand und neben Zweipunkt-, Drei- oder Mehrpunkt-Schaltverstärkern auch phasenversetzt getaktete Paralielsysteme anzuführen. Beide Verstärker können aus getrennten Versorgungsspannungskreisen oder auch ausgehend von einer gemeinsamen Spannungsversorgung gespeist werden.
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Da der Hauptleistungsfluss durch den Schaltverstärker übernommen und durch den Analogverstärker nur die schaltfrequente Welligkeit des Schaltverstärker-Ausgangsstromes ausgeglichen wird, ist die Vorrichtung durch einen hohen Wirkungsgrad gekennzeichnet. Andererseits wird die bei Einsatz eines reinen Schalterstärkers an dessen Ausgang vorzusehende passive Filterstufe durch den Analogteil breitbandig aktiv realisiert (durch den Analogteil wird, wie vorstehend erwähnt, direkt die Ausgangsspannung gemäss dem vorgegebenen Sollwert der zu erzeugenden Spannung eingeprägt).
Aufgrund der damit gegebenen Nutzung der Hauptvorteile jedes der beiden parallelgeschalteten Teilsysteme, d. h. der veriustarmen Führung des Hauptanteiles des Ausgangsstromes im Schattverstärkerteit und der Definition der Ausgangsspannung durch den einen geringen Innenwiderstand aufweisenden Analogverstärkerteil, kann der Forderung nach hoher Bandbreite und hohem Wirkungsgrad aufwandminimal entsprochen werden.
Der Schaltverstärker wird dabei durch einen aus, im Gegentakt gesteuerten Transistoren gebildeten Zweipunkt-Halbbrückenzweig und eine an dessen Ausgangsseite angeordnete, einseitig mit einer Ausgangsspannungsklemme der Vorrichtung verbundenen stromeinprägende Induktivität gebildet. Die Ansteuerung der BrOckenstufe erfolgt durch ein Hystereseschaltglied, an dessen Eingang der über eine Strommessvorrichtung erfasste Istwert des Ausgangsstromes des Analogverstärkers gelegt wird.
Die, der Schaltverstär- kerstufe an den Lastklemmen parallel liegende Analogverstärkerstufe wird durch den über eine externe Einstellvorrichtung vorgebbaren Sollwertsignal der vom Gesamtsystem letztlich zu erzeugenden Ausgangsspannung gesteuert, wobei durch Rückführung des Ausgangsspannungsistwertes an den Analogverstärkereingang eine Spannungsregelung - im einfachsten Fall also ein einem Spannungsfolger entsprechendes Betriebsverhalten - realisiert wird.
Der Ausgangsstrom der Vorrichtung bzw. der Laststrom wird durch die Summe der Ausgangsströme des Analog- und des Schaftverstärkers gebildet. Überschreitet der Ausgangsstrom des Analogverstärkers die positive Schaltschwelle des Hystereseschaltgliedes, wird der mit der positiven Versorgungsspannungsschiene verbundene Transistor des Halbbrückenzweiges des Schaltverstärkers durchgeschaltet (und der mit der negativen Versorgungsspannungsschiene verbundene Transistor gesperrt) und durch die damit über der zwischen Wurzelpunkt des Brückenzweiges und Lastspannungsklemme geschalteten Induktivität auftretenden Spannung eine Erhöhung des Schaltverstärker-Ausgangsstromes bewirkt.
Analog resultiert bei Unterschreiten der negativen Schaltschwelle des Hysteresegliedes ein inverser Schaltzustand des Brückenzwei- ges und damit eine Verringerung des Schaltverstärkerstromes. Durch die Schaltverstärkerstufe wird also der Ausgangsstrom des Analogverstärkers auf Null geregelt, wobei aufgrund der Arbeitsbewegung des Hystereseschaltreglers ein betragsmässig auf halbe Breite der Schafthysterese begrenzter, der schaftfrequenten Welligkeit des Stromes durch die Schaltverstärker-Ausgangsinduktivität entsprechender Stromanteil verbleibt.
Die Erfindung wird in Form einer insbesondere hinsichtlich Realisierungsaufwand vorteilhaften Ausge- stattung anhand von Fig. 1 näher erläutert.
Fig. 1 : zeigt eine aus der Parallelschaltung eines Analogverstärkers und eines, mittels eines Hystereseschaltgiiedes in Abhängigkeit des Ausgangsstromes des Analogverstärkers gesteuerten Zweipunkt-Schaltverstärkers gebildete Grundstruktur einer Ausführungsvariante des erfindungsgemässen Hybrid-Leistungsverstärkers.
In Flg. 1 ist ein Hybrid-Leistungsverstärker (1) dargestellt, dessen Grundfunktion in der Erzeugung einer, durch externe Einstellvorrichtungen an einem Steuereingang (2) der Vorrichtung vorgebbaren Spannung besteht, wobei die auf Masse (3) bezogene Ausgangspannung an der Ausgangsklemme (4) abzugreifen bzw. an einen nach Masse (3) geschalteten Lastkreis (5) zu legen ist.
Der Leistungsteil der Vorrichtung wird durch die Parallelschaltung eines Anologverstärkers (6) mit positiver Versorgungsspannung (7) und negativer Versorgungsspannung (8) und eines Schaltverstärkers (9) mit positiver Versorgungsspannung (10) und negativer Versorgungsspannung (11) derart gebildet, dass der Ausgang des Analogverstärkers (6) unter Zwischenschaltung eines Strommessgliedes (12) und der Ausgang des Schaltverstärkers (9) über ein stromeinprägendes passives Netzwerk (13) (im einfachsten Fall eine Glättungsinduktivität) mit der Ausgangsklemme (4) der Vorrichtung verbunden sind.
Die interne Regelung der Vorrichtung (1) erfolgt dabei derart, dass das Strommesssignal (12) über eine Signalleitung (14) an den Steuereingang (15) des Schalterstärkers (9) gelegt und als Regelabweichung des Ausgangstromes des Schaltverstärkers (9) interpretiert wird. Demgemäss bildet die (im einfachsten Fall durch ein Hystereseschaltglied realisierte) Stromregelung (16) des Analogverstärkers (9) Ansteuerbefehle (17) für die ausgangsseitig angeordnete Schaltstufe (18) von Schaltverstärker (9) derart, dass resultierend der durch das Filternetzwerk (13) eingeprägte Strom weitgehend dem Strom im Lastkreis (5) entspricht und somit eine nur geringe Belastung des Analogverstärkers (6) gegeben ist. Die Schaltstufe (18) kann dabei z.
B. durch eine Zweipunkt-Gegentaktstufe mit Steuereingang (17), Ausgang (19) und einem drainseitig an positiver Versorgungsspannung (10) und sourceseitig an Ausgang (19) liegenden abschaltbaren elektronischen Schalter (20) mit antiparallel geschalteter Freilaufdio-
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