DE1239356B - Leistungsverstaerker mit mehreren zwischen einem gemeinsamen Eingang und einer gemeinsamen Lastimpedanz parallelgeschalteten Transistor-kreisen - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

H03f

Deutsche KL: 21 a2-18/01

Nummer: 1239 356

Aktenzeichen: W 37187 VIII a/21 a2

Anmeldetag: 17. Juli 1964

Auslegetag: 27. April 1967

Wegen der begrenzten Leistungsaufnahme eines Transistors muß bei hohen zu übertragenden Leistungen eine große Anzahl von Transistoren in Reihe bzw. parallel geschaltet werden. Bei Parallelschaltung mehrerer Transistoren müssen Vorkehrungen, getroffen sein, um eine gleichmäßige Lastverteilung zu erreichen. Ein bekanntes Verfahren hierzu besteht in der Auswahl von Transistoren mit möglichst gleichem Stromverstärkungsfaktor (ß im Falle der Emitterschaltung), so daß bei gleichem Steuerstrom an den Basiselektroden der an den Kollektoren abgenommene Strom jeweils möglichst gleich ist. Dieses Verfahren ist kostspielig, weil ausgewählte Transistoren mit gleichen Daten teurer sind als solche mit größeren Streuungen.

Ein anderes Verfahren zum Ausgleich der Kollektorströme besteht darin, den Steuerstrom jedes Transistors umgekehrt proportional zu seiner Stromverstärkung β zu machen. Dies kann durch Verwendung individueller Vorspannungen oder individueller Reihenwiderstände in den Steuerkreisen der einzelnen Basiselektroden geschehen, wobei die einzelnen Spannungen bzw. Impedanzen so eingestellt werden, daß die Kollektorströme gleich werden. Dieses Verfahren hat den Nachteil, daß beim Auswechseln eines Transistors jedesmal die Spannung bzw. Impedanz nachgestellt werden muß. Ein anderer Nachteil des Verfahrens liegt darin, daß der Ausgleich nur für eine bestimmte Betriebstemperatur und einen bestimmten Arbeitspunkt gilt. Wenn die Temperatur schwankt oder die Betriebsleistung bzw. die Belastungsimpedanz sich ändert, ist der Ausgleich nicht mehr gewährleistet.

Ein drittes Verfahren zum Ausgleich der Kollektorströme besteht in der Anwendung einer Gegenkopplung bei jedem Transistor. Dies ist das allgemein angewandte Verfahren, das im allgemeinen durch Einfügung eines individuellen Widerstandes in Reihe mit dem Emitter jedes Transistors durchgeführt wird. Je größer der verwendete Widerstand, desto eher gleichen sich die Kollektorströme aus. Infolge der in diesen Zusatzwiderständen auftretenden Verluste sinkt aber der Wirkungsgrad der Verstärkerstufe rasch ab, wenn der Widerstand vergrößert wird. Es muß deshalb ein schwerwiegender Kompromiß zwischen Ausgleich und Wirkungsgrad gefunden werden. Ein anderer Nachteil dieser Schaltung bei vielen Anwendungen liegt darin, daß bei Zunahme der Emitterwiderstände die erforderliche Steuerspannung für gleiche Basisströme ebenfalls zunimmt.

Es ist ferner ein Eintaktverstärker mit mehreren

Leistungsverstärker mit mehreren zwischen einem gemeinsamen Eingang und einer gemeinsamen
Lastimpedanz parallelgeschalteten Transistorkreisen

Anmelder:

Westinghouse Electric Corporation,

East Pittsburgh, Pa. (V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. G. Weinhausen, Patentanwalt,

München 22, Widenmayerstr. 46

Als Erfinder benannt:

John R. Boykin,

GlenBurnie, Md.;

Heber J. Morrison, Ellicott City, Md. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 18. Juli 1963 (296 014) - -

zwischen einem gemeinsamen Eingang und einer gemeinsamen Lastimpedanz parallelgeschalteten Transistorkreisen bekannt, bei dem die Transistorkreise über Transformatorwicklungen so miteinander verkoppelt sind, daß eine gleichmäßige Lastverteilung auf alle Transistorkreise erzwungen wird. Hierzu ist zwischen je zwei benachbarten Kreisen ein Transformator mit zwei Wicklungen angeordnet, und die Wicklungsverhältnisse der einzelnen Transformatoren stehen in bestimmten Beziehungen zueinander. Eine Ausdehnung dieser Schaltung auf einen Gegentaktverstärker erfordert einen erheblichen Aufwand, weil für jede Gegentaktstufe zwei Transformatoren vorgesehen werden müssen und außerdem noch Vorkehrungen für den Abgleich der beiden entgegengeschalteten Transistoren einer Stufe getroffen werden müssen.

Demgegenüber ist der erfindungsgemäße Leistungsverstärker mit mehreren zwischen einem gemeinsamen Eingang und einer gemeinsamen Lastimpedanz parallelgeschalteten Transistorkreisen, bei dem die Transistorkreise über Transformatorwicklungen so miteinander verkoppelt sind, daß eine gleichmäßige Lastverteilung auf alle Transistorkreise erzwungen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die

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Transistorkreise als Gegentaktschaltungen ausgebil- den der Transistoren 1OA, 2OA und 3(M angedet sind, denen je ein Transformator mit drei Wick- schlossen. Eine Vorspannungsquelle 19 ist über die lungen derart zugeordnet ist, daß zwei Wicklungen Sekundärwicklung 43 des Eingangstransformators 40 jedes Transformators in die Emitterkreise der beiden so mit den Basiselektroden der Transistoren 1OA, die Gegentaktschaltung bildenden Transistoren ein- 5 2OA und 3(M verbunden, daß ihre negative Klemme bezogen sind, und daß die dritten Wicklungen aller an einem Ende der Wicklung 43 liegt, während der Transformatoren miteinander in Reihe geschaltet positive Pol der Vorspannungsquelle mit der gemeinsind und eine geschlossene Schleife bilden. samen Verbindung der Wicklungen 26, 16 und 36

Dadurch, daß die Ströme in den beiden ersten verbunden ist. Die Spannung der Vorspannungs-Wicklungen jedes Transformators wegen der Gegen- io quelle 19 ist so gewählt, daß je nach Wunsch der taktschaltung stets gegenphasig sind, ergibt sich eine Verstärker im B-Betrieb, C-Betrieb oder S-Betrieb geringere Sättigung der Transformatorkerne, wes- (übersättigt) betrieben werden kann. Hierbei ist die halb die Transformatoren klein, leicht und billig aus- Vorspannung Null oder negativ. Wird Α-Betrieb gegelegt werden können. Da ferner die dritten Wick- wünscht, so wird eine positive Vorspannung an die lungen aller Transformatoren eine geschlossene 15 Basiselektroden angelegt.

Schleife bilden, wird die gleichmäßige Lastverteilung In der anderen Hälfte des Gegentaktverstärkers

auf alle Transistorkreise mit sehr einfachen Mit- sind in gleicher Weise die Transistoren 105, 205

teln erzwungen. und 30 B so parallel geschaltet, daß ihre Basiselek-

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der troden gemeinsam an das eine Ende der Sekundär-

Zeichnung erläutert. Hierin ist 20 wicklung 45 des Eingangstransformators 40 ange-

F i g. 1 eine schematische Darstellung einer ersten schlossen sind, während die Kollektorelektroden ge-

Ausführungsform der Erfindung und meinsam an die Lastklemme 22 angeschlossen sind,

F i g. 2 eine schematische Darstellung einer zwei- die mit der Ausgangsklemme 23 in Verbindung steht,

ten Ausführungsform der Erfindung. Die Emitterelektrode des Transistors 10 5 ist an das-

F i g. 1 zeigt drei parallelgeschaltete Gegentaktver- 25 jenige Ende der Wicklung 17 des Transformators 15

stärker, die auf eine gemeinsame Last 22 arbeiten. angeschlossen, das keinen Punkt trägt, also die ent-

Der erste Gegentaktkreis besteht aus zwei Transisto- gegengesetzte Polarität wie das angeschlossene Ende

ren 1OA und 10B und einem Stromtransformator der Wicklung 16 aufweist. Ebenso ist der Emitter des

15. Der zweite Kreis besteht aus den beiden Tran- Transistors 205 an das entsprechende Ende der

sistoren 20^4 und 205 und dem Stromtransformator 30 Wicklung 27 des zweiten Transformators und der

25, der dritte Kreis aus zwei Transistoren 30 A und Emitter des Transistors 305 an das entsprechende

305 und dem Transformator 35. Die Schaltung kann Ende der Wicklung 37 des dritten Transformators 35

auch so aufgefaßt werden, daß auf den beiden Sei- angeschlossen. Die mit Punkt bezeichneten Enden

ten eines einheitlichen Gegentaktverstärkers je drei der Wicklungen 17, 27 und 37 sind gemeinsam an

Transistoren 10A, 2OA und 30^4 bzw. 105, 205 35 den negativen Pol einer Gleichspannungsquelle 13

und 305 parallel geschaltet sind. Die Kollektorelek- angeschlossen. Die Spannungsquellen 12 und 13 He-

troden und die Basiselektroden aller Transistoren auf fern die nötige Energie zum Betrieb der Transistoren,

einer Seite des Verstärkers sind miteinander verbun- Die gemeinsame Verbindung der Basiselektroden der

den. Die Emitter sind dagegen je an die eine Klemme Transistoren 105, 205 und 305 ist über die Sekun-

einer Primärwicklung eines Transformators ange- 40 därwicklung 45 mit einer Gleichspannungsquelle 14

schlossen. verbunden. Wieder ist die Polarität derselben je nach

Im einzelnen sind die Kollektorelektroden der der gewünschten Betriebsart gewählt.
Transistoren 1OA, 20A und 3OA gemeinsam mit der Die Sekundärwicklungen 18, 28 und 38 der Transpositiven Klemme einer Gleichspannungsquelle 12 formatoren sind so in Reihe geschaltet, daß das verbunden. Die negative Klemme der Gleichspan- 45 Wicklungsende mit Punkt jeweils mit dem Wicknungsquelle 12 ist an ein gemeinsames Bezugspoten- lungsende des nachfolgenden Transformators ohne tial (Erde) gelegt. Die Basiselektroden der Transisto- Punkt verbunden ist. Das Ende der Wicklung 38 ren 10A, 2OA und 30Λ sind gemeinsam an das eine ohne Punkt ist wieder mit dem Ende der Wicklung Ende einer Sekundärwicklung 43 des Eingangstrans- 18 mit Punkt verbunden.

formators 40 angeschlossen. Die Emitterelektrode so Im Betrieb fließt der Kollektorstrom beispielsdes Transistors 10/4 ist mit dem einen Ende der weise des Transistors 10^4 von dessen Kollektor Wicklung 16 des Transformators 15 verbunden. Die durch den Emitter und dann durch die Wicklung 16 Emitterelektroden der Transistoren 20 A und 3OA und ebenso der Kollektorstrom des Transistors 105 sind mit den Wicklungsenden von 26 und 36 ver- durch die Wicklung 17. Ebenso fließt der Kollektorbunden. Die anderen Wicklungsenden von 16, 26 55 strom von den Transistoren 2OA und 205 durch die und 36 sind gemeinsam an die eine Lastklemme 22 Wicklungen 26 und 27 und der Kollektorstrom der und eine Ausgangsklemme 23 angeschlossen. Die Transistoren 3OA und 305 durch die Wicklungen andere Ausgangsklemme 24 ist geerdet. 36 und 37.

Jeder Transformator bestellt aus drei Wicklungen Ein auf die Primärwicklung 41 des Eingangstrans-

mit gemeinsamem Kern. So hat der Transformator 60 formators 40 gegebenes Eingangssignal gelangt

15 die Wicklungen 16, 17 und 18, Transformator 25 gleichzeitig auf beide Hälften der Gegentaktschal-

hat die Wicklungen 26, 27, 28 und Transformator 35 tung. Die Sekundärwicklungen 43 und 45 sind ent-

hat die Wicklungen 36, 37 und 38. Die drei Wick- gegengesetzt gepolt. Somit wird die eine Hälfte des

lungen jedes Transformators sind so gepolt, daß ihre Verstärkers mit den Transistoren 1OA, 2OA und

Klemmen mit gleicher augenblicklicher Polarität an 65 3OA in der einen Halbwelle und die andere Hälfte

der gleichen Seite liegen, wie durch die Punkte an- des Verstärkers mit den Transistoren 105, 205 und

gegeben ist. Die Enden der Wicklungen 16, 26 und 305 in der anderen Halbwelle ausgesteuert, wie es

36 mit gleicher Polarität sind an die Emitterelektro- bei Gegentaktbetrieb allgemein bekannt ist.

Claims (2)

i 239 Die Anordnung ist so getroffen, daß die Transistoren eines Gegentaktkreises, z. B. die Transistoren 10 A und 105, hinsichtlich der Gleichspannungsquellen 12 und 13 über die zugehörigen Transformatorwicklungen in Reihe geschaltet sind, weshalb ein Ausgangstransformator entbehrlich ist und die Last 22 unmittelbar angeschlossen werden kann. Die Transistoren sind alle vom gleichen Leitfähigkeitstyp, z. B. npn-Transistoren. Da die drei Wicklungen für jedes Transistorpaar auf einen gemeinsamen Kern gewickelt sind, wird eine Sättigung desselben vermieden, und es können kleinere Kerne verwendet werden. Es wird nun die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Reihenschaltung der Sekundärwicklungen 18, 28 und 38 erläutert. Zunächst sei angenommen, daß alle Transistoren gleich sind, d. h. gleiche Stromverstärkungsfaktoren β aufweisen. Infolgedessen sind die Kollektorströme in den abwechselnden Halbwellen des Eingangssignals gleich, und die an den entsprechenden Transformatorwicklungen auftretenden Spannungen sind ebenfalls gleich. Beispielsweise fließen in Transformator 15 die Kollektorströme der Transistoren 1OA und 10 B durch die Wicklungen 16 und 17 in entgegengesetzter Richtung. Da alle Ströme gleich sind, sind auch die Spannungen an den Wicklungen 18, 28 und 38 gleich und verschwinden, denn die Wicklungen sind in Reihe geschaltet, und die Spannungssumme in der geschlossenen Schleife muß wegen der Kirchhoffschen Maschenregel verschwinden. Nun sei angenommen, daß ein Transistor, z. B. der Transistor 10 A, gegen einen solchen mit etwas höherem Stromverstärkungsfaktor β als die übrigen Transistoren ausgewechselt wird. Der Kollektorstrom des Transistors 10 A hat infolgedessen die Tendenz, einen höheren Wert als die übrigen Ströme anzunehmen, solange ein Strom in diesem Transistor fließt. Unter diesen Bedingungen induziert der Zusatzstrom in der Wicklung 16 eine Zusatzspannung in der Wicklung 18. Die Polarität dieser Zusatzspannung ist so, daß ein Strom in der geschlossenen Schleife aus den Wicklungen 18, 28 und 38 fließt, der in den Wicklungen 26 und 36 Gegenspannungen induziert, welche die Steuerspannung (zwischen Basis und Emitter) der Transistoren 2OA und 30^4 erhöht. Infolgedessen führen diese Transistoren auch einen höheren Kollektorstrom. Die Erhöhung der Kollektorströme führt zu entsprechend höherem Spannungsabfall an den Sekundärwicklungen 26 und 36, wodurch eine Gegenspannung in der Wicklung 16 induziert wird, welche den Kollektorstrom im Transistor 10^4 verringert. Dieser Prozeß setzt sich fort, bis ein Gleichgewicht erreicht ist. Der die Störung verursachende Transistor liefert also einen Strom in der entsprechenden Transformatorwicklung, der eine Spannung im Ausgleichskreis erzeugt, die die Stromführung der anderen Transistoren erhöht, wodurch rückwärts die Stromführung des die Störung verursachenden Transistors verringert wird. Diese Wirkung setzt sich fort, bis alle Transistoren unabhängig von ihren Stromverstärkungsfaktoren die gleichen Kollektorströme führen. Wenn die Transformatoren 15, 25 und 35 ideale Transformatoren wären, so wäre die Ausgleichbedingung nur erfüllt, wenn alle Ströme genau gleich wären. Bei realen Transformatoren entsteht aber eine gewisse Differenz zwischen den Transistoren hauptsächlich infolge des erforderlichen Magnetisierungsstromes. Es wurde jedoch gefunden, daß dieser Magnetisierungsstrom praktisch außerordentlich klein gehalten werden kann, weil bereits beim Auftreten einer Ausgleichsspannung in der Größenordnung eines Bruchteils eines Volts große Änderungen der Kollektorströme auftreten. Auch wird wegen der Gegeneinanderschaltung der beiden Primärwicklungen eines Transformators die Magnetisierung des Transformators verringert. Die Erfindung ist besonders nützlich für B-Verstärker, C-Verstärker und S-Verstärker, weil die Gleichstromstärke durch die Wechselkomponente des Kollektorstromes bestimmt ist, so daß eine gleichmäßige Wechselstrombelastung auch eine gleichmäßige Gleichstrombelastung bedingt. Im Α-Betrieb wird nur die Wechselkomponente des Kollektorstromes gleichmäßig verteilt, nicht aber die Gleichstromkomponente. Fig. 2 zeigt eine andere Ausführungsform der Erfindung. Diese ist weitgehend identisch mit derjenigen nach Fig. 1, jedoch wurde die Last 22 der Fig. 1 durch eine Last 42 ersetzt, die aus der Reihenschaltung eines Widerstandes 31, eines Kondensators 32 und einer Induktivität 33 besteht. An Stelle einer Gleichspannungsquelle ist nur die positive Anschlußklemme 21 für eine solche dargestellt. Ferner sind hier die mit Punkt versehenen Enden der Wicklungen 17, 27 und 37 unmittelbar ohne Zwischenfügung einer weiteren Gleichspannungsquelle geerdet. Diese Vereinfachung kann getroffen werden, weil bei dieser Ausführungsform keine Gleichstromverbindung über die Last 42 von der Klemme 23 zur Klemme 24 besteht, so daß beim Auftreten eines Eingangssignals an der Primärwicklung 41 des Eingangstransformators die Kollektorströme über die Transistoren 10.4, 2OA und 3OA zur Last 42 gleichstrommäßig nicht zur Erde kurzgeschlossen sind. Infolgedessen baut sich am Lastkondensator 32 ein mittleres Gleichspannungspotential auf, das die nötige Kollektorvorspannung für die Transistoren 105, 205 und 305 liefern kann. Im übrigen ist die erfindungsgemäße Wirkungsweise der Schaltung nach F i g. 2 identisch mit derjenigen nach Fig. 1. Patentansprüche:

1. Leistungsverstärker mit mehreren zwischen einem gemeinsamen Eingang und einer gemeinsamen Lastimpedanz parallelgeschalteten Transistorkreisen, bei dem die Transistorkreise über Transformatorwicklungen so miteinander verkoppelt sind, daß eine gleichmäßige Lastverteilung auf alle Transistorkreise erzwungen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Transistorkreise als Gegentaktschaltungen ausgebildet sind, denen je ein Transformator (15, 25, 35) mit drei Wicklungen derart zugeordnet ist, daß zwei Wicklungen jedes Transformators in die Emitterkreise der beiden die Gegentaktschaltung bildenden Transistoren (z. B. IQA, 105) einbezogen sind, und daß die dritten Wicklungen (18, 28, 38) aller Transformatoren miteinander in Reihe geschaltet sind und eine geschlossene Schleife bilden.

2. Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Transistoren eines Gegentaktkreises jeweils gleichstrommäßig in Reihe