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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft eine Verstärkeranordnung zur Verstärkung eines Audiosignals mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
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Verstärker dienen zur Verstärkung eines Audioeingangssignals in ein verstärktes Audioausgangssignal, wobei die Amplitude des Audioausgangssignals höher als die Amplitude des Audioeingangssignals ist. Neben einer Vielzahl von analogen Verstärkern haben sich aufgrund der geringen Anzahl von benötigten Bauteilen und der hohen Effizienz sogenannte Klasse D Verstärker im Markt etabliert. Bei den Klasse D Verstärkern wird das eingehende Audiosignal in ein pulsweitenmoduliertes Signal umgesetzt, welches nachfolgend verstärkt wird, indem durch das pulsweitenmodulierte Signal Schalteinrichtungen geöffnet und geschlossen werden. Das daraus resultierende, verstärkte pulsweitenmodulierte Signal wird über die Anwendung eines Tiefpassfilters in das verstärkte Audioausgangssignal gewandelt.
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Die Druckschrift
DE 11 2006 003 184 T5 , welche auf der
WO 2007/063490 beruht und wohl den nächstkommenden Stand der Technik bildet, offenbart einen Vollbrücken-Leistungsverstärker der Klasse D. Der Verstärkungsteil des Vollbrücken-Leistungsverstärkers wird über zwei Schaltungszweige mit jeweils zwei steuerbaren Schaltern umgesetzt. Die Schaltungszweige bilden jeweils einen Anschluss, über den eine Last, insbesondere ein Lautsprecher, angeschlossen werden kann. Zwischen den Anschlusspunkten und der Last ist jeweils ein Tiefpassfilter mit einer Spule und einem Kondensator angeordnet.
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Offenbarung der Erfindung
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Im Rahmen der Erfidnung wird eine Verstärkeranordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Bevorzugte oder vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie den beigefügten Figuren.
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Erfindungsgemäß wird eine Verstärkeranordnung vorgeschlagen, welche zur Verstärkung eines Audioeingangssignals in ein Audioausgangssignal geeignet und/oder ausgebildet ist. Das Audioeingangssignal kann beispielsweise von einem Mikrofon oder von einer anderen Audioquelle stammen. Das Audioeingangssignal ist insbesondere als ein analoges Signal ausgebildet.
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Die Verstärkeranordnung umfasst ein PWM-Modul, welches zur Umwandlung des Audioeingangssignals in ein pulsweitenmoduliertes (PWM) Zwischensignal ausgebildet ist. Beispielsweise kann das PWM-Modul als eine Unterschaltgruppe ausgebildet sein, wobei ein Komparator das eingehende Audioeingangssignal mit einer Dreiecksspannung vergleicht und in Abhängigkeit des Ergebnisses ein High- oder Low-Signal ausgibt. Das daraus resultierende pulsweitenmodulierte Zwischensignal weist die Frequenz der Dreiecksspannung auf, auf die das Audioeingangssignal aufmoduliert ist, wobei das Audioeingangssignal durch eine unterschiedliche zeitliche Länge der High- beziehungsweise Low-Signalabschnitte in dem pulsweitenmodulierten Zwischensignal aufmoduliert ist. Auch andere Möglichkeiten zur Erzeugung des pulsweitenmodulierten Zwischensignals sind möglich.
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Die Verstärkeranordnung weist eine Schaltanordnung in einer Vollbrückenkonfiguration mit einer ersten und mit einer zweiten Halbbrücke auf. Die zwei Halbbrücken sind elektrisch parallel zueinander angeordnet und erstrecken sich jeweils zwischen einer ersten und einer zweiten Versorgungsleitung einer Spannungsversorgung. Die Versorgungsleitungen können auch als Rail-Spannung bezeichnet werden. Insbesondere kann die Spannungsversorgung als eine schwebende Spannungsversorgung ausgebildet sein. Die erste und die zweite Halbbrücke weisen jeweils zwei Schaltungseinrichtungen auf, sodass die Schaltanordnung in Vollbrückenkonfiguration insgesamt vier Schaltungseinrichtungen umfasst. Bei der ersten Halbbrücke sind zwei Schaltungseinrichtungen in Reihe geschaltet, bei der zweiten Halbbrücke sind ebenfalls zwei Schaltungseinrichtungen in Reihe geschaltet. Zwischen den Schaltungseinrichtungen befindet sich bei der ersten Halbbrücke ein erster Lastausgangspunkt und bei der zweiten Halbbrücke ein zweiter Lastausgangspunkt. An den beiden Lastausgangspunkten liegt das verstärkte, pulsweitenmodulierte Zwischensignal an.
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Die Schaltungseinrichtungen werden über das pulsweitenmodulierte Zwischensignal jeweils so angesteuert, dass diagonal zueinander angeordnete Schaltungseinrichtungen der zwei Halbbrücken zumindest theoretisch zeitgleich aktiviert und deaktiviert werden. Beispielsweise sind die Schaltungseinrichtungen als MOSFET ausgebildet, wobei am Gate der diagonal zueinander angeordneten Schaltungseinrichtungen jeweils das gleiche Signal anliegt. Insbesondere liegen an einem Paar diagonal zueinander angeordneten Schaltungseinrichtungen eine Leitung des pulsweitenmodulierten Zwischensignals und an den anderen beiden Schaltungseinrichtungen die andere Leitung des pulsweitenmodulierten Zwischensignals an. Die Schaltungseinrichtungen werden über das Zwischensignal so angesteuert, dass in einem ersten Zustand, welcher beispielsweise einem High-Zustand des pulsweitenmodulierten Zwischensignals entspricht – jeweils eine Schaltungseinrichtung der Halbbrücken leitend geschalten sind und die anderen Schaltungseinrichtungen sperrend geschalten sind, sodass der erste Lastausgangspunkt mit der ersten Versorgungsleitung und der zweite Lastausgangspunkt mit der zweiten Versorgungsleitung leitend verbunden ist. In einem zweiten Zustand – beispielsweise in einem Low-Zustand des pulsweitenmodulierten Zwischensignals – sind jeweils die anderen Schaltungseinrichtungen leitend geschalten beziehungsweise sperrend geschalten, sodass der erste Lastausgangspunkt mit der zweiten Versorgungsleitung und der zweite Lastausgangspunkt mit der ersten Versorgungsleitung leitend verbunden ist.
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Die Lastausgangspunkte sind über eine Tiefpassfiltereinrichtung mit einer Last, insbesondere einem Lautsprecher, verbunden und/oder verbindbar.
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Die Tiefpassfiltereinrichtung umfasst eine erste und eine zweite Drossel. Die Drosseln sind insbesondere als Spulen ausgebildet. Die erste Drossel ist zwischen dem ersten Lastausgang und der Last und die zweite Drossel ist zwischen dem zweiten Lastausgang und der Last angeordnet.
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Im Rahmen der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die erste und die zweite Drossel miteinander insbesondere magnetisch gekoppelt sind, sodass die Gesamtinduktivität der beiden Drosseln größer als die einfache Summe der Einzelinduktivitäten und zugleich kleiner oder gleich zu der 1,95-fachen Summe der Einzelinduktivitäten ist. Alternativ oder ergänzend wird beansprucht, dass die Streuinduktivität der gekoppelten Drosseln größer oder gleich zehn Prozent der Einzelinduktivität der ersten oder der zweiten Drossel ist. Besonders bevorzugt ist der Kopplungsfaktor der Drosselbaugruppe kleiner als 0,95 und/oder größer als 0,7, vorzugsweise größer als 0,8. Besonders bevorzugt ist die erste und/oder die zweite Drossel als eine Zylinderspule ausgebildet.
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Diese Ausgestaltung kann auch wie folgt dargstellt werden:
Der Kopplungfaktor k berechnet sich wie folgt:
mit einer Streuinduktivität größer oder gleich zehn Prozent der Einzelinduktivität der ersten oder der zweiten Drossel ergibt sich der Kopplungsfaktor von:
und eine Gesamtinduktivität von
Lges = L1 + L2 + k·(L1 + L2)
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In der Näherung, dass die beiden Einzelinduktivitäten gleich groß sind (L1=L2) ergibt sich die Gesamtinduktivität wie folgt: Lges = L1·(2 + 2k) bei k=0,95 beträgt damit die Gesamtinduktivität Lges = 3,9 × L1.
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Die Einzelinduktivitäten der Drosseln können in gekoppelter Anordnung jeweils separat für jede Drossel gemessen werden. Insbesondere kann die Einzelinduktivität der ersten oder der zweiten Drossel gemessen werden, während die Anschlüsse der jeweils anderen Drossel offen sind. Die Streuinduktivität wird dagegen gemessen, indem die Anschlüsse der anderen Drossel kurzgeschlossen werden.
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Der Erfindung liegt die Überlegung zugrunde, dass es prinzipiell möglich ist, durch eine magnetische Kopplung der zwei Drosseln zu erreichen, dass die Gesamtinduktivität der beiden Drosseln im Idealfall der zweifachen Summe der Einzelinduktivitäten entspricht. Dies liegt daran, dass durch die magnetische Kopplung bei der Bestimmung der Gesamtinduktivität ein Kopplungsfaktor berücksichtigt werden muss. Somit ist es möglich, durch eine magnetische Kopplung der beiden Drosseln die Einzelinduktivitäten der Drosseln zu reduzieren, ohne jedoch den Wert der Gesamtinduktivität zu verändern.
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Allerdings führt in der Praxis eine starke Kopplung der Einzelinduktivitäten zu unerwünschten Effekten. Idealerweise schalten die diagonal angeordneten Schaltungseinrichtungen gleichzeitig. Aufgrund von Abweichungen, wie zum Beispiel Bauteiltoleranzen, erfolgt das Schalten der Schaltungseinrichtungen in der Praxis aber nie exakt gleichzeitig. Dieses zeitlich verschobene Schalten führt bei einer idealen Kopplung der beiden Drosseln zu hohen induzierten Ausgleichsströmen in den Drosseln, die eine verstärkte Erwärmung sowohl bei den Schaltungseinrichtungen als auch in der Tiefpassfiltereinrichtung verursachen und bis zur Zerstörung einzelner Bauelemente führen können. Darüber hinaus können die Ausgleichsströme aufgrund des schnellen Stromanstiegs auch zu Problemen bei der elektromagnetischen Verträglichkeit führen.
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Aus diesem Grund schlägt die Erfindung vor, keine starke oder ideale Kopplung der Drosseln zu realisieren, sondern stattdessen die Drosseln nur lose zu koppeln und damit die magnetische Kopplung in einen Zwischenbereich zwischen ideal gekoppelt und ungekoppelt zu setzen. Auf diese Weise wird erreicht, dass die negativen Effekte, insbesondere die Induktion von Ausgleichsströmen, verringert sind, zugleich jedoch positive Effekte, wie die Verwendung von kleiner dimensionierten Drosseln bei einem Erreichen der gleichen Gesamtinduktivität, beibehalten werden können. Somit stellt diese Auslegung einen besonders vorteilhaften Bereich in dem Spannungsfeld zwischen ideal gekoppelten Drosseln und ungekoppelten Drosseln dar.
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Bei einer bevorzugten konstruktiven Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Tiefpassfiltereinrichtung einen Kondensator, wobei der Kondensator parallel zu der Last angeordnet ist. Insbesondere ist der Kondensator zwischen den Drosseln und der Last verschaltet. Der Kondensator bildet eine Kurzschlusseinrichtung für höhere Frequenzen.
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Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Tiefpassfiltereinrichtung so ausgelegt, dass diese eine Grenzfrequenz von größer als 30 Kilohertz, vorzugsweise größer als 50 Kilohertz, aufweist. Somit werden sämtliche Signalanteile des Zwischensignals unterhalb dieser Grenzfrequenz zu der Last durchgelassen und Signalanteile oberhalb der Grenzfrequenz gedämpft. Durch diese Auslegung wird das verstärkte, pulsweitenmodulierte Zwischensignal in das verstärkte Audioausgangssignal gewandelt.
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Bei einer möglichen Realisierung der Erfindung ist die Tiefpassfiltereinrichtung symmetrisch ausgebildet, wobei die Einzelinduktivitäten der beiden Drosseln gleich groß sind oder sich ausgehend von der größeren Drossel weniger als 15% in der Einzelinduktivität unterscheiden. Diese Ausgestaltung unterstützt einen symmetrischen Aufbau der Verstärkeranordnung.
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Es ist besonders bevorzugt, dass die Gesamtinduktivität der beiden Drosseln zwischen dem dreifachen und dem 3,9-fachen Wert der gemittelten Einzelinduktivität liegt. In diesem Wertebereich können die Drosseln entsprechend kleiner dimensioniert werden und auf diese Weise eingespart werden.
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Bei einer bevorzugten Weiterführung der Erfindung sind die erste Drossel und die zweite Drossel auf einem gemeinsamen Drosselkern angeordnet, wobei die erste und die zweite Drossel koaxial und konzentrisch zueinander angeordnet sind, wobei jedoch zur Verkleinerung der magnetischen Kopplung zwischen der ersten und der zweiten Drossel eine Trenneinrichtung angeordnet ist. Bei einer möglichen Ausgestaltung ist die Trenneinrichtung als eine Hülse ausgebildet, wobei die Hülse ebenfalls koaxial und/oder konzentrisch zu der ersten und der zweiten Drossel angeordnet ist. In dieser Ausgestaltung können die Drosseln mit der gewünschten losen Kopplung platzsparend angeordnet werden. Besonders bevorzugt sind die erste und die zweite Drossel jeweils als eine Spule ausgebildet, wobei die Anzahl der Windungen der beiden Spulen gleich sind. Auf diese weise wird erreicht, dass die Einzelinduktivitäten gleich oder innerhalb der 15% Abweichung liegen.
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In einer möglichen konstruktiven Ausgestaltung ist der Drosselkern als ein Ferritkern, insbesondere als ein E-Kern oder als ein PQ-Kern ausgebildet. Sowohl der E-Kern als auch der PQ-Kern weisen zwei Kernhälften auf, wobei jede der Kernhälften in der Grobgestalt die Form eines "E" auf weisen.
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Bei einer bevorzugten konstruktiven Realisierung der Erfindung bilden die erste und die zweite Drossel eine gemeinsame Drosselbaugruppe, wobei die Drosselbaugruppe als eine Komponente mit vier Anschlüssen ausgebildet ist. Durch diese Realisierung wird der Vorteil der verkleinerten Bauelemente weitergeführt, wobei zwei Bauelemente zu einer gemeinsamen Komponente zusammengefasst werden können. Durch die Reduktion der Anzahl der Komponenten der Verstärkeranordnung wird deren Montage entsprechend vereinfacht und verbilligt. Die Drosselbaugruppe als eine Komponente weist vier Anschlüsse auf, welche mit den Lastausgangspunkten bzw. der Last elektrisch leitend verbunden werden.
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Bei einer besonders bevorzugten konstruktiven Realisierung der Erfindung sind die Anschlüsse als Anschlussbeine, insbesondere Pins, ausgebildet.
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Bei einer bevorzugten Realisierung der Erfindung ist die Ausgangsleistung der Verstärkeranordnung größer als 10 Watt ausgebildet, wobei die Ausgangsleistung als die maximal bei Anschluss der Nennimpedanz lieferbare Dauerleistung bei Speisung mit einem rosa Rauschen nach DIN 45324 ist.
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Weitere Merkmale, Vorteile und Wirkungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung sowie der beigefügten Figuren. Dabei zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer Verstärkeranordnung als ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung;
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2 eine schematische Schnittdarstellung einer Drosselbaugruppe in der Verstärkeranordnung in der 1.
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Die 1 zeigt in einem schematischen Blockdiagramm eine Verstärkeranordnung 1 als ein Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Verstärkeranordnung 1 kann auch als Klasse-D Verstärker bezeichnet werden, insbesondere kann die Verstärkeranordnung 1 als ein Klasse-AD Verstärker mit zweistufiger Pulsweitenmodulation bezeichnet werden.
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Die Verstärkeranordnung 1 weist ein PWM-Modul 2 auf, in welches ein Audioeingangssignal AES über eine Schnittstelle eingekoppelt wird. Das PWM-Modul 2 weist einen Komparator auf, dessen Eingänge mit einer Dreiecksspannung und dem Audioeingangssignal beschaltet sind. Der Komparator vergleicht die beiden Spannungen und gibt an seinem Ausgang ein High-Signal oder ein Low-Signal aus, je nachdem, ob der Momentanwert des Audioeingangssignals AES über oder unter dem Momentanwert der Dreiecksspannung liegt. Das Ergebnis am Ausgang des PWM-Moduls 2 ist eine Rechteckfunktion, deren Momentanpulsweite dem Momentanamplitudenwert des Audioeingangssignals AES entspricht. Das Ausgangssignal kann als pulsweitenmoduliertes Zwischensignal ZS bezeichnet werden.
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Das pulsweitenmodulierte Zwischensignal ZS wird einer Schaltanordnung 3 zugeführt, welche über eine erste Versorgungsleitung V1 und eine zweite Versorgungsleitung V2 mit einer Versorgungsspannung versorgt wird.
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Zwischen den Versorgungsleitungen V1 und V2 sind eine erste Halbbrücke H1 und eine zweite Halbbrücke H2 angeordnet. Gemeinsam bilden die Halbbrücken H1 und H2 eine Vollbrückenkonfiguration. Die Halbbrücken H1 und H2 sind elektrisch parallel zueinander angeordnet und jeweils seriell zwischen der ersten und der zweiten Versorgungsleitung V1, V2 elektrisch verschaltet.
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Jede der zwei Halbbrücken H1, H2 weist zwei Schaltungseinrichtungen H1S1, H1S2 sowie H2S1 und H2S2 auf. Die Schaltungseinrichtungen sind seriell zueinander in den Halbbrücken H1, H2 angeordnet, wobei zwischen den Schaltungseinrichtungen H1S1–H1S2 beziehungsweise H2S1–H2S2 ein erster Lastausgangspunkt L1 und ein zweiter Lastausgangspunkt L2 angeordnet sind.
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Die Schaltungseinrichtungen H1S1, H1S2, H2S1, H2S2 werden über das Zwischensignal ZS angesteuert, wobei die Schaltungseinrichtung H1S1 der ersten Halbbrücke H1 parallel zu der diagonal dazu angeordneten Schaltungseinrichtung H2S2 der zweiten Halbbrücke H2 und die Schaltungseinrichtung H1S2 der ersten Halbbrücke H1 parallel mit der Schaltungseinrichtung H2S1 der zweiten Halbbrücke H2 angesteuert werden. Somit werden die diagonal zueinander angeordneten Schaltungseinrichtungen durch das Zwischensignal ZS zeitgleich und parallel angesteuert.
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Die Schaltungseinrichtungen H1S1, H1S2, H2S1, H2S2 sind als Leistungsschalter, zum Beispiel als MOSFETs, ausgebildet, wobei über das Zwischensignal ZS jeweils Treiber T für die Schaltungseinrichtungen angesteuert werden.
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Somit sind in einem ersten Schaltungszustand, zum Beispiel bei einem logischen High, die diagonal zueinander angeordneten Schaltungsanordnungen H1S1–H2S2 geschlossen und die Schaltungseinrichtung H1S2–H2S1 geöffnet und in einem zweiten Schaltungszustand, zum Beispiel bei einem logischen Low, die Schaltungseinrichtung H1S1–H2S2 geöffnet und die Schaltungseinrichtung H1S2–H2S1 geschlossen. Durch die Schaltungsanordnung 3 wird das Zwischensignal ZS verstärkt und in ein verstärktes Zwischensignal VZS gewandelt, welches einer Tiefpasseinrichtung 4 und nachgeordnet einer als Lautsprecher ausgebildeten Last L zugeleitet wird.
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Die Tiefpassfiltereinrichtung 4 weist eine erste Drossel D1, eine zweite Drossel D2 und einen Kondensator C auf. Die erste Drossel D1 ist zwischen dem ersten Lastausgangspunkt L1 und der Last L, die zweite Drossel D2 ist zwischen dem zweiten Lastausgangspunkt L2 und der Last L angeordnet. Der Kondensator C ist parallel zu der Last L geschaltet. Bei alternativen Ausführungsbeispielen kann der Kondensator C auch gegen Masse geschalten sein.
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Die erste und die zweite Drossel D1 und D2 sind magnetisch miteinander gekoppelt, wie dies durch den senkrechten Strich M visualisiert ist. Die Drosseln D1 und D2 sind gleichsinnig miteinander gekoppelt, sodass eine Gesamtinduktivität der durch die Drosseln D1 und D2 gebildete Drosselbaugruppe DB größer als die Summe der Einzelinduktivitäten der Drosseln D1 und D2 ist.
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Allerdings wird in der Drosselbaugruppe DB keine ideale Kopplung umgesetzt, wobei die Gesamtinduktivität nahezu dem Zweifachen der Summe der Einzelinduktivitäten der Drosseln D1 und D2 entsprechen würde. Vielmehr sind die Drosseln D1 und D2 nur lose miteinander gekoppelt und insbesondere durch eine Isoliereinrichtung I voneinander beabstandet, um die Kopplung aktiv zu verschlechtern. Die Isoliereinrichtung I weist beispielsweise eine Dicke von mindestens 1 Millimeter, vorzugsweise von mindestens 2 Millimetern, auf.
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Funktional betrachtet ist die Drosselbaugruppe DB so ausgelegt, dass eine Streuinduktivität der Drosselbaugruppe DB ca. 10% der Einzelinduktivität der Drossel D1 oder D2 entspricht. Alternativ oder ergänzend kann auch dargelegt werden, dass ein Kopplungsfaktor K der Drosselbaugruppe DB ca. 0,95 entspricht. Dadurch ergibt sich bei in etwa gleich großen Einzelinduktivitäten der Drosseln D1 und D2 eine Gesamtinduktivität, welche dem 3,9-fachen einer Einzelinduktivität entspricht.
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Durch die lose gekoppelten Drosseln D1 und D2 wird zum einen erreicht, dass bei unterschiedlichem Ansprechen der diagonal gekoppelten Schaltungseinrichtungen H1S1–H2S2 beziehungsweise H1S2–H2S1 induzierte Ausgleichsströme aufgrund von unterschiedlichen Schaltzeitpunkten verglichen zu der Konstellation, wenn die Drosseln D1 und D2 ideal miteinander gekoppelt sind, deutlich reduziert werden. Auf der anderen Seite können die Einzelinduktivitäten der Drosseln D1 und D2 verkleinert werden, sodass Bauraum und damit Material eingespart werden kann.
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Die 2 zeigt in einer stark schematisierten Schnittdarstellung Komponenten der Drosselbaugruppe DB. Es ist ein Drosselkern 5 aus einem magnetischen Material gezeigt, dessen Kernhälften jeweils in Form eines liegenden E’s mit zugewandten Schenkeln ausgeführt sind. Derartige Drosselkerne 5 werden auch als E-Kerne oder in alternativer Ausgestaltung z.B. als PQ-Kerne bezeichnet.
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Auf dem mittleren Schenkel des Drosselkerns 5 ist koaxial innen die erste Drossel D1 angeordnet. Die zweite Drossel D2 ist koaxial und konzentrisch zu der ersten Drossel D1 positioniert. Zwischen der ersten Drossel D1 und der zweiten Drossel D2 ist die Isoliereinrichtung I angeordnet, welche in dieser Ausgestaltung die Form einer Hülse hat und welche eine einfache Dicke von größer als 1 Millimeter, in diesem Beispiel ca. 2 Millimeter aufweist. Die Isoliereinrichtung I dient zur Entkopplung der Drosseln D1 und D2. Die Drosseln D1 und D2 weisen jeweils die gleiche Anzahl von Windungen 7 auf.
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Die Drosselbaugruppe DB weist den gemeinsamen Drosselkern 5 auf und zeigt zudem – stark schematisiert – vier Beine 6, welche zur Montage und elektrischen Kontaktierung der Drosselbaugruppe DB auf einer Platine oder dergleichen ausgebildet sind. In dieser speziellen konstruktiven Ausgestaltung kann die Drosselbaugruppe DB als eine einzige Komponente in der Verstärkeranordnung 1 montiert werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 112006003184 T5 [0003]
- WO 2007063490 [0003]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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