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Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Baugruppe zur Übertragung elektrischer Wechselspannungs- oder Wechselstromsignale von einer ersten Leitung zu einer zweiten Leitung über ein Kontaktelement und insbesondere einen Verstärker oder eine Verstärkerschaltung mit einer solchen elektrischen Baugruppe.
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Auch wenn die vorliegende Erfindung im folgenden anhand eines Verstärkers bzw. einer Verstärke r-schaltung erläutert wird, so ist sie selbstverständlich auch außerhalb von Verstärkern bzw. Verstärkerschaltungen einsetzbar. Prinzipiell kann die vorliegende Erfindung bei allen Arten von Kontakten innerhalb einer Signalübertragungsstrecke eingesetzt werden.
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Elektrische Verstärker werden hauptsächlich zur Erhöhung von Spannungen, Stromstärken oder Signalstärken verwendet. Ein linearer Verstärker liefert eine Signalverstärkung ohne oder mit sehr geringer Verzerrung, so daß die Ausgabe im allgemeinen direkt proportional zur Eingabe ist. Lineare Verstärker werden unter anderem für Audio- und Videosignale genutzt. Insbesondere Audioverstärker, wie sie beispielsweise in Radios, Fernsehern, Funkgeräten und vor allem in HiFi-Anlagen anzutreffen sind, arbeiten normalerweise in Frequenzbereichen unterhalb von 20 KHz. Sie verstärken das elektrische Signal, das durch den Lautsprecher in Töne umgewandelt wird.
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Elektrische Verstärker haben elektrische Eingangs- und Ausgangssignale. Dabei haben die sogenannten Audioverstärker die Aufgabe, kleine, zeitabhängige elektrische Signale (Spannungen oder Ströme) proportional zu verstärken. Die Ausgangsfunktion soll ein möglichst genaues Abbild der Eingangsfunktion sein, jedoch multipliziert mit einem konstanten Faktor.
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Diese Forderung ist jedoch in der Praxis nur unvollkommen erfüllbar. Dies liegt zum Teil auch daran, daß die Audioverstärker zwischen dem Ein- und Ausgang im allgemeinen zumindest ein Kontaktelement, wie zum Beispiel einen Schalter oder ein Potentiometer mit einem Schleifkontakt aufweisen. Da insbesondere bei Audioverstärkern meist Wechselstromsignale verstärkt werden, oszilliert das Eingangssignal um den Nullpunkt, so daß in mehr oder minder regelmäßigen Abständen der Eingang des Audioverstärkers strom- und spannungslos wird. Mit anderen Worten fließt in regelmäßigen Abständen kein Strom durch den Verstärker und damit auch nicht über die entsprechenden Kontakte.
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Im Idealfall sollte, wenn sich am Eingang des Verstärkers eine Spannung aufbaut, der Stromfluß proportional zu der Eingangsspannung sein. Das im allgemeinen mechanische Kontaktelement verhält sich jedoch nicht „ideal“. Es muß daher häufig erst eine gewisse Spannung erreicht werden, bevor ein Stromfluß zustande kommt. In der 1 ist der beschriebene Zustand, wie er bei den üblichen Verstärkern anzutreffen ist, schematisch dargestellt. Die auf der linken Seite der 1 gezeigte X-Y-Graphik stellt das sinusförmige Eingangssignal dar, das über den in der Mitte der 1 gezeigten Kontakt übertragen wird. Wie auf der rechten Seite der 1 in dem X-Y-Diagramm zu sehen ist, weicht das Ausgangssignal insbesondere in unmittelbarer Umgebung um den Nulldurchgang von der Form des Eingangssignals ab. Es kommt somit zu einer Verzerrung des Ausgangssignals, die allein durch die Anwesenheit von zumindest einem Kontakt herrührt und auch durch eine ideale Verstärkerschaltung nicht beseitigt werden kann. Mit anderen Worten kann jedem Kontakt innerhalb eines Verstärkers ein Klirrfaktor zugewiesen werden. Diese Verzerrung erfolgt aufgrund des erhöhten Übergangswiderstandes unmittelbar auf den strom- bzw. spannungslosen Zustand folgend. Dieser erhöhte Übergangswiderstand nach dem Nulldurchgang findet sein mechanisches Analogon in der gegenüber der Gleitreibung erhöhten Haftreibung bei der Reibung von mechanischen Körpern.
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Aus der
DE 691 18 124 T2 ist eine Schaltung für die Unterdrückung des durch das Schalten von zwei Spannungsquellen hervorgerufenen Geräusches bekannt. Die
DE 37 50 809 T2 beschreibt ein Multiplexübertragungssystem mit überlagerter Gleichstromversorgung. Aus der
JP 2001– 16 557 A ist ein Zwei-Wege-CATV-System bekannt, das in der Lage ist, stromaufwärts gerichtete Störgeräusche zu unterdrücken, die bei der Durchführung von Kommunikationsdiensten unter Verwendung einer CATV-orientierten Übertragungsstrecke (CATV-Leitung) zu einem Problem werden könnten. Aus der
DE 28 04 590 A1 ist eine Schalteranordnung zur Stummschaltung in einem Rundfunkempfänger bekannt. Schließlich ist aus der
DE 11 41 337 A ein NF-Verstärker mit frequenzabhängiger Gegenkopplung bekannt.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine elektrische Baugruppe bzw. einen Verstärker oder eine Verstärkerschaltung mit einer solchen elektrischen Baugruppe der eingangs genannten Art zur Verfügung zu stellen, die in der Lage ist, Verzerrungen, die durch einen vorübergehenden strom- und spannungslosen Zustand durch ein Kontaktelement verursacht werden, zu vermeiden.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine elektrische Baugruppe nach Anspruch 1 gelöst. Mit anderen Worten wird dem Wechselstromsignal ein Gleichstromsignal überlagert, so daß die Eingangsspannung vor dem Kontaktelement nun nicht mehr um den Nulldurchgang oszilliert, sondern um den vorbestimmten Gleichspannungs- oder Gleichstromwert. Daher wird der Kontakt zu keiner Zeit stromlos, so daß der in der Praxis beobachtete erhöhte Übergangswiderstand, der nur unmittelbar auf den stromlosen Zustand folgend auftritt, nicht beobachtet wird, so daß die eingangs beschriebenen Verzerrungen, wie sie anhand von 1 erläutert wurden, nicht auftreten.
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Es versteht sich, daß es prinzipiell keinen Unterschied macht, ob ein Gleichstrom oder eine Gleichspannung addiert wird. Wenn im Folgenden vereinzelt nur von Gleichspannung die Rede ist, kann dennoch selbstverständlich die gleiche Betrachtung auch für Gleichstrom durchgeführt werden und umgekehrt.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Größe der vorbestimmten Gleichspannung bzw. dem vorbestimmten Gleichstroms größer oder gleich der erwarteten maximalen Amplitude des zu übertragenden Signals. Dadurch ist gewährleistet, daß selbst bei maximaler Amplitude der Wechselspannung der Strom über den Kontakt nicht null wird.
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Mit Vorteil ist eine Einrichtung zur Einstellung der vorbestimmten Gleichspannung oder des vorbestimmten Gleichstroms vorgesehen. Dadurch ist es möglich, die elektrische Baugruppe bzw. den Verstärker an die zu erwartenden alternierenden Eingangssignale anzupassen.
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Es hat sich gezeigt, daß die Additionseinrichtung mit Vorteil eine spannungsgesteuerte Stromquelle ist. Abhängig von dem am Eingang bzw. der ersten Leitung anliegenden Spannung wird von der Stromquelle dann ein Signalstrom ausgegeben, der um den voreingestellten addierten Gleichstrom oszilliert.
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Insbesondere bei den eingangs erwähnten Audioverstärkern besteht das Kontaktelement meist aus einem Schalter oder einem Umschalter, mit dem beispielsweise wahlweise verschiedene an dem Verstärker anliegende Eingangsspannungen mit der Verstärkerschaltung verbunden werden können. Des weiteren ist häufig ein Lautstärkeregler beispielsweise in Form eines Potentiometers mit Schleifkontakt vorgesehen.
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Insbesondere bei Audioverstärkern kann es jedoch - abhängig von der verwendeten Verstärkerschaltung - Probleme durch den zugefügten Gleichstromanteil geben. Daher ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß eine Einrichtung zur Subtraktion der vorbestimmten Gleichspannung und/oder des vorbestimmten Gleichstroms nach der Übertragung vorgesehen ist. Mit anderen Worten wird daher vor der Übertragung des Signals über das Kontaktelement zunächst eine entsprechende Gleichspannung oder ein entsprechender Gleichstrom dem Eingangssignal hinzugefügt, der nach der Übertragung über das Kontaktelement wieder abgezogen wird.
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Mit Vorteil weist dazu die zweite Leitung, d.h. die Leitung für die das über das Kontaktelement übertragene Signal, zwei Teilabschnitte auf, die über einen Kondensator kapazitiv gekoppelt sind. Durch den Kondensator wird verhindert, daß der Gleichspannungsanteil weitergeleitet wird. Der Kondensator stellt für den Gleichspannungsanteil einen unendlich hohen Widerstand dar, während der Wechselspannungsanteil nahezu ungehindert über den Kondensator geleitet werden kann.
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Erfindungsgemäß weist die Einrichtung zur Subtraktion der vorbestimmten Gleichspannung und/oder des vorbestimmten Gleichstroms einen Shunt-Spannungsregler, vorzugsweise einen langsamen Shunt-Spannungsregler auf. Dieser langsame Shunt-Spannungsregler ist vorzugsweise in Übertragungsrichtung vor dem Kondensator im Nebenschluß liegend angeordnet, so daß der über das Kontaktelement übertragene Gleichstrom über den langsamen Shunt-Spannungsregler abgeleitet werden kann.
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Eine weitere besonders zweckmäßige Ausführungsform sieht vor, daß die zweite Leitung ein Potentiometer aufweist, dessen Fußpunkt über einen Kondensator mit Masse verbunden ist. Dadurch wird sichergestellt, daß der Gleichstromanteil nicht durch das Potentiometer beeinflußt wird. Das Potentiometer sorgt nur für eine Dämpfung des Wechselspannungsanteils und kann somit als Lautstärkeregler eingesetzt werden.
- 1 zeigt eine schematische Darstellung der Übertragungsvorgänge bei den Verstärkern des Standes der Technik,
- 2 zeigt eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Übertragungsvorgangs und
- 3 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen elektrischen Baugruppe.
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In 1 ist schematisch der Übertragungsvorgang gezeigt, wie er bei den Verstärkern des Standes der Technik erfolgt. Das sinusförmige Eingangssignal 1 wird über den Kontakt 3 übertragen, wobei das Ausgangssignal 2 deutliche Verzerrungen in unmittelbarer Umgebung von den Nulldurchgängen zeigt. Dies liegt daran, daß der durch das Kontaktelement 3 in die Verstärkerschaltung eingebrachte Kontakt nach einem stromlosen Zustand zunächst eine gewisse Mindestspannung benötigt, bevor Strom durch den Kontakt fließt. Diese Verzerrungen sind unerwünscht.
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Daher wird erfindungsgemäß das schematisch in 2 gezeigte Übertragungsverfahren vorgeschlagen.
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Das Eingangssignal 1, das um einen Nullpunkt oszilliert, wird mit Hilfe der Additionseinrichtung 4 mit einem Gleichstrom- bzw. Gleichspannungsanteil überlagert, so daß ein Eingangssignal 5 erzeugt wird, das keinen Nulldurchgang aufweist. Dieses Signal wird nun über den Kontakt 3 übertragen, was zur Folge hat, daß das über den Kontakt 3 übertragene Signal 6 keine Verzerrung durch den erhöhten Übergangswiderstand des Kontakts nach dem stromlosen Zustand aufweist. Schließlich wird durch die Subtraktionseinrichtung 7 der Gleichstromanteil wieder subtrahiert, so daß ein Ausgangssignal 2 erzeugt wird, das keinerlei Verzerrungen in der Umgebung des Nulldurchgangs aufweist.
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In 3 ist eine besonders bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Verstärkerschaltung gezeigt.
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Der Verstärker weist zwei getrennte Eingänge 18 auf, die jeweils über einen Kondensator 17 mit einer spannungsgesteuerten Stromquelle 4 verbunden sind. Das über den Eingang 18 eingegebene Eingangssignal wird mit Hilfe der spannungsgesteuerten Stromquellen 4 zu einem voreingestellten Gleichstrom bzw. einer voreingestellten Gleichspannung addiert. Weiterhin ist ein Umschalter 8 vorgesehen, mit dessen Hilfe ausgewählt werden kann, welches Eingangssignal 18 verstärkt werden soll. Beispielsweise könnten die beiden gezeigten Eingänge mit zwei unterschiedlichen Signalerzeugungseinrichtung, wie zum Beispiel einem CD-Player und einem Radiotuner verbunden sein. Mit Hilfe des Umschalters 8 kann dann ausgewählt werden, ob das von dem Radiotuner kommende Signal oder das von dem CD-Player kommende Signal verstärkt und an dem Ausgang 19 ausgegeben werden soll. Der Schalter 8 stellt ein Kontaktelement dar, so daß unmittelbar auf einen stromlosen Zustand folgend der erhöhte Übergangswiderstand gemessen werden kann, wie oben beschrieben wurde. Aus diesem Grund wird mit Hilfe der spannungsgesteuerten Stromquellen 4 das Wechselspannungseingangssignal derart verschoben, daß kein Nulldurchgang mehr auftritt, d.h. das Eingangssignal um einen Wert oszilliert, der ungleich Null ist.
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Nach dem Schalter 8 ist ein Potentiometer 9 vorgesehen, mit dessen Hilfe die Größe der Verstärkung, d.h. die Lautstärke, eingestellt werden kann. Der Fußpunkt 11 des Potentiometers ist über einen Kondensator 10 mit Masse verbunden. Dies hat zur Folge, daß durch das Potentiometer lediglich der Wechselspannungs- bzw. Wechselstromanteil geregelt, d.h. gedämpft, werden kann, während der Gleichstromanteil unverändert bleibt. Der durch die spannungsgesteuerte Stromquellen 4 zugefügte Gleichstromanteil wird mit Hilfe eines langsamen Shunt-Spannungsreglers 12 sowie eines Kondensators 13 von dem übertragenen Signal wieder abgezogen. Da der Spannungsregler versucht, eine konstante Spannung einzustellen, wird der Gleichstrom langsam über den von dem Shunt-Spannungsregler bereitgestellten Nebenschluß abgeführt.
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Der Kondensator 13 stellt sicher, daß nur der Wechselspannungsanteil des übertragenen Signals zu der Verstärkerschaltung 14 übertragen wird, während der Gleichspannungsanteil über den langsamen Shunt-Spannungsregler 12 nach Masse abgeleitet wird. Durch diese Maßnahme wird ein stetiger Stromfluß durch alle Kontakte, d.h. sowohl durch den Umschalter 8 als auch durch den Schleifkontakt des Potentiometers, sichergestellt, selbst wenn kurzzeitig an dem zu verstärkenden Eingang 18 des Verstärkers keine Spannung anliegt.
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Der langsame Shunt-Spannungsregler 12 ist von seiner Wirkung mit einer sehr träge reagierenden Z-Diode vergleichbar. Die Zeitkonstante dieses Reglers muß sehr tief liegen um zu verhindern, daß der langsame Shunt-Spannungsregler 12 das Wechselspannungsnutzsignal beeinflußt.
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Hinter dem Kondensator 13 ist ein Buffer vorgesehen, der die Ausgangsimpedanz herabsetzt.
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In der gezeigten Ausführungsform ist zur Vermeidung von Umschaltstörungen, die aufgrund der möglichen Verdopplung oder Halbierung des Gleichstroms beim brückenden Umschalten der Eingänge auftreten können, eine Umschalterkennung 16 vorgesehen, die sowohl mit dem Umschalter 8 als auch mit einem Mute-Relais 15 verbunden ist, so daß beim Umschalten der Ausgang vorübergehend „stumm“ geschaltet wird.
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Durch die erfindungsgemäße elektrische Baugruppe bzw. durch den erfindungsgemäßen Verstärker mit einer solchen Baugruppe ist es möglich, Kontakte, die beispielsweise durch Schalter oder Potentiometer eingefügt werden, zu verwenden, die deutliche Abweichungen vom idealen Verhalten unmittelbar nach dem strom- bzw. spannungslosen Zustand zeigen, ohne daß dies zu Verzerrungen auf dem Ausgangssignal führt. Der jedem Kontakt zuzuordnende Klirrfaktor kann somit beseitigt werden und die Qualität des verstärkten Signals deutlich verbessert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Eingangssignal
- 2
- Ausgangssignal
- 3
- Kontakt
- 4
- Additionseinrichtung
- 5
- Eingangssignal mit addiertem Gleichspannungs-/Gleichstromsignal
- 6
- übertragenes Signal
- 7
- Subtraktionseinrichtung
- 8
- Umschalter
- 9
- Potentiometer
- 10
- Kondensator
- 11
- Fußpunkt des Potentiometers
- 12
- Shunt-Spannungsregler
- 13
- Kondensator
- 14
- Verstärkerschaltung
- 15
- Mute-Relais
- 16
- Umschalterkennung
- 17
- Kondensatoren
- 18
- Eingänge
- 19
- Ausgang
