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Transformatorlose Gegentakt-Endstufe mit transistorisierter Treiberstufe
und komplementären Endstufentransistoren Die Erfindung bezieht sich auf eine transformatorlose
Gegentakt-Endstufe, bei der der Ruhestrom der komplementären Endstufentransistoren
gegenüber temperatur- und speisespannungsabhängigen Schwankungen stabilisiert ist.
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Gegentakt-Endstufen werden seit einiger Zeit vorzugsweise transformatorlos
aufgebaut, da sich daraus erhebliche Kosteneinsparungen und besonders bei Volltransistorisierung
große Platzeinsparung ergibt. Eine bekannte Ausführungsform einer transformatorlosen
Gegentakt-Endstufe ist beispielsweise folgendermaßen aufgebaut: Die zu verstärkende
Eingangsspannung wird über einen Kondensator einer Treiberstufe zugeführt, die aus
einem Treibertransistor bestehen kann. Dabei ist es möglich, den Kollektorstrom
des Treibertransistors mittels eines Basisspannungsteilers und eines Emitterwiderstandes,
welcher wechselstrommäßig mit einem Kondensator überbrückt ist, zu stabilisieren.
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An einem vom Kollektorstrom der Treiberstufe durchflossenen Widerstand
wird die Basisspannung für die komplementären Endstufentransistoren abgegriffen,
deren Basis-Emitter-Strecken in Serie geschaltet sind und die eingangsseitig gleichphasig
angesteuert werden. Am Verbindungspunkt der Emitter der Komplementärtransistoren
liegt über eine geeignete Kapazität der Abschlußwiderstand (Lautsprecher) der Endstufe.
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Bei transformatorlosen Gegentakt-Endstufen besteht eine Schwierigkeit
darin, den Ruhestrom der Endstufe bei Temperaturschwankungen und Speisespannungsänderungen
zu stabilisieren. Zur überwindung dieser Schwierigkeit sind verschiedene Wege eingeschlagen
worden.
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Bei Vorstufen ist es möglich, in die Emitterstrecke stabilisierende
Widerstände einzubauen. Bei Leistungsstufen scheidet dieser Weg jedoch aus, da die
Verluste zu groß werden.
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Es sind Anordnungen mit Komplementärtransistoren bekannt, bei welchen
zu Stabilisierung des Ruhestromes gegenüber Temperaturschwankungen die Basis-Emitter-Spannung
für die Endstufe an einem Heißleiter abgegriffen wird. Die Nachteile einer solchen
Anordnung bestehen darin, daß es hier .einmal notwendig ist, den Ruhestrom abzugleichen,
zum anderen müssen mit Hilfe eines Parallelwiderstandes die unterschiedlichen Temperaturgänge
des Heißleiters und der Transistoren ausgeglichen werden. Eine Stabilisierung des
Ruhestromes ist hierbei nur in einem beschränkten Temperaturbereich möglich. Da
es sich bei den Heißleitern um linear arbeitende Bauelemente handelt, ändert sich
bei Speisespannungsschwankungen die Spannung an diesen Heißleitern ebenfalls linear,
so daß infolge der stark gekrümmten Strom-Spannungs-Kennlinie der Basis-Emitter-Strecke
der Ruhestrom der Endstufe relativ großen Schwankungen unterworfen ist.
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Es ist eine weitere Anordnung zur Stabilisierung des temperaturabhängigen
Ruhestromes bekannt, bei welcher Transistoren gleichen Typs (npn oder pnp) verwendet
werden und bei welcher eine bei Temperaturerhöhung fallende Spannung von den Vorstufen
abgeleitet wird, welche der Endstufe als Basis-Emitter-Spannung zugeführt wird.
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Der Nachteil dieser Anordnung besteht darin, daß ein Treiberübertrager
benötigt wird und daß hier ebenfalls der Ruhestrom zusätzlich abgeglichen werden
muß.
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Weiter sind Anordnungen mit Dioden bekannt, die vom Kollektorstrom
durchflossen werden und mittels derer Einflüsse der schwankenden Speisespannung
auf den Arbeitspunkt verringert werden. Der sich hieraus ergebende Nachteil besteht
darin, daß die Spannung an der Diode mittels eines geeigneten Spannungsteilers auf
den erforderlichen Wert der Basis-Emitter-Spannung abgeglichen werden muß. Des weiteren
wird zur Temperaturstabilisierung zusätzlich ein Heißleiter benötigt.
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Schließlich ist noch eine weitere Schaltung bekannt, bei der ein Abgleichen
des Ruhestromes nicht erforderlich ist, dafür müssen in dieser Schaltung jedoch
vier Transistoren in ihren Kenndaten untereinander übereinstimmen. Ein weiterer
Nachteil dieser Schaltung besteht darin, daß hier ebenfalls ein zusätzlicher Heißleiter
benötigt wird.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile, die sich
aus den Schaltungen für die Stabilisierung des Ruhestromes gegenüber temperatur-
und speisespannungsabhängigen Schwankungen ergeben, zu beheben. Der zusätzliche
Aufwand zur Stabilisierung
des Ruhestromes soll vermieden werden
und die Verwendung von Heißleitern mit ihren negativen Eigenschaften entfallen.
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Bei der erfindungsgemäßen transformatorlosen Gegentakt-Endstufe mit
transistorisierter Treiberstufe und komplementären Endstufentransistoren, deren
Ruhestrom gegenüber temperatur- und speisespannungsabhängigen Schwankungen stabilisiert
ist, deren Basis-Emitter-Strecken in Reihe geschaltet sind und deren Basisvorspannung
einem Spannungsteiler im Arbeitskreis der Treiberstufe entnommen ist und zwischen
deren Basiselektroden ein temperaturempfindliches Schaltelement eingeschaltet ist,
wird die Lösung der Aufgabe erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß als temperaturempfindliches
Element die Kollektor-Emitter=Strecke eines vom konstanten Strom der Treiberstufe
gespeisten Hilfstransistors wirkt, daß der die Kollektor-Emitter-Strecke des Hilfstransistors
überbrückende Basis-Spannungsteiler die Kollektor-Basis-Spannung und die Basis-Emitter-Spannung
des Hilfstransistors derart aufteilt, daß sie gleich groß und gleich der Basis-Emitter-Vorspannung
jedes der Komplementärtransistoren ist, daß der Hilfstransistor und die Komplementärtransistoren
gleichen Temperaturdurchgriff haben und daß die Abweichung der Basis-Emitter-Spannung
der Transistoren untereinander bei vorgegebenem Kollektorstrom klein ist.
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Es ist für die Erfindung von Bedeutung, daß die Kollektor-Emitter-Strecke
des erfindungsgemäß verwendeten Hilfstransistors im Kollektorkreis oder im Emitterkreis
der Treiberstufe liegen kann.
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Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht darin, daß der Querstrom
des Spannungsteilers des Hilfstransistors höher als der Basisstrom und klein gegen
den Kollektorstrom des Hilfstransistors ist, wobei ein Teil des temperaturstabilisierten
konstanten Treiberstromes über den Hilfstransistor und einen Serienwiderstand fließt,
und daß mittels eines parallelen Widerstandes der Treiberstrom so aufgeteilt wird,
daß der Kollektorstrom des Hilfstransistors vorzugsweise gleich dem Ruhestrom der
Komplementärtransistoren der Endstufe ist.
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Eine bevorzugte Ausführungsform kennzeichnet sich dadurch, daß der
zur Aufteilung des Treiberstromes verwendete Parallelwiderstand entfällt und die
Ruhestromeinstellung durch geeignete Bemessung des Spannungsteilers vorgenommen
wird.
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Es ist für die Erfindung noch von Bedeutung, daß zur Einsparung der
speziellen Auswahl des erfindungsgemäß verwendeten Hilfstransistors und zur geeigneten
Einstellung des Ruhestroms der zugehörige Basisspannungsteiler als Potentiometer
ausgebildet sein kann.
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Der erfindungsgemäß vorgesehene Hilfstransistor zur Ruhestromstabilisierung
kann ein pnp- oder npn-Transistor sein.
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Schließlich ist für die Erfindung noch wesentlich, daß die Transistoren
- vorzugsweise solche mit rechteckigen Kühlkörpern - auf einem gemeinsamen Kühlblech
mit gutem thermischen Kontakt angeordnet sind und daß sich der Hilfstransistor vorzugweise
zwischen den Endstufentransistoren befindet, so daß alle drei Transistoren bei praktisch
derselben Temperatur arbeiten. Die thermische Stabilität der Endstufe wird hierbei
dadurch erzielt, daß bei einer durch die Verlustleistung bedingten Temperaturerhöhung
der Endstufentransistoren auch der Hilfstransistor erwärmt wird, dessen Basis-Emitter-Spannung
absinkt. Dadurch wird zwangläufig der Kollektorstrom der Endstufe und damit die
Verlustleistung herabgesetzt.
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Dadurch ergeben sich folgende Vorteile: Die erfindungsgemäße Verwendung
des parallel zu der Basis-Emitter-Strecke der Komplementärtransistoren liegenden
Hilfstransistors, der vom konstanten Strom einer Treiberstufe gespeist wird, stabilisiert
infolge der Temperaturabhängigkeit und der Krümmung der Strom-Spannungs-Kennlinie
derBasis-Emitter-Strecke den Ruhestrom der Endstufe gleichzeitig gegenüber Temperaturschwankungen
und Speisespannungsänderungen.
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Ein weiterer Vorteil der Anordnung besteht darin, daß keinerlei Abgleichmittel
erforderlich sind, wenn der Hilfstransistor und die Endstufentransistoren gleichen
Temperaturdurchgriff und geringe Abweichungen der Basis-Emitter-Spannung bei vorgegebenem
Kollektorstrom aufweisen, wobei zu bemerken ist, daß Transistoren ähnlicher Bauweise,
physikalisch bedingt, gleichen Temperaturdurchgriff aufweisen, so daß sich eine
Auswahl in dieser Beziehung erübrigt. Ferner erzielt man eine Temperaturstabilisierung,
die über einen wesentlich größeren Temperaturbereich wirksam ist, als es bei der
Verwendung von Heißleitern möglich ist.
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Die Schaltungsanordnung kann so dimensioniert werden, daß die Basis-Emitter-Spannung
der Komplementärtransistoren der Endstufe und des Hilfstransistors gleich groß ist.
Der Kollektorstrom des Hilfstransistors ist praktisch temperaturunabhängig, da er
von der temperaturstabilisierten Treiberstufe abgeleitet wird.
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Das hat zur Folge, daß sich die Basis-Emitter-Spannung entsprechend
dem Temperaturdurchgriff ändert, d. h., sie sinkt bei steigender Temperatur ab,
und zwar um etwa 2,5 mV/' C. Somit wird automatisch der Ruhestrom der Endstufe temperaturunabhängig
und gleich dem Kollektorstrom des Hilfstransistors, ohne daß zusätzliche Abgleichwerte
benötigt werden. Bei Speisespannungsschwankungen ändert sich in der erfindungsgemäßen
Ausbildungsform einer Gegentakt-Endstufe der Treiberstrom und damit der Ruhestrom
der Endstufe linear mit der Speisespannung. Dieser Sachverhalt ist von besonderem
Vorteil, da der Ruhestrom beispielsweise bei halber Batteriespannung nicht unter
den halben Nennwert absinken kann.
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Die Zeichnungen zeigen beispielsweise Ausführungsformen der Erfindung,
und es bedeutet F i g. 1 Schaltbild einer transformatorlosen Gegentakt-Endstufe
mit Ruhestromstabilisierung, F i g. 2 Schaltbild gemäß F i g. 1, jedoch mit im Emitterkreis
der Treiberstufe liegendem Hilfstransistor, F i g. 3 Teilschaltbild gemäß F i g.
1, jedoch mit npn-Transistor als Hilfstransistor, F i g. 4 Teilschaltung gemäß F
i g. 1, jedoch der Basisspannungsteiler als Potentiometer ausgebildet. Gemäß F i
g. 9. wird die zu verstärkende Wechselspannung über den Kondensator 13 der Basis
des Treibertransistors S zugeführt. Der Kollektorstrom des Treibertransistors ä
wird in an sich bekannter Weise mittels des Emitterwiderstandes 9, welcher wechselstrommäßig
mit dem Kondensator 10 überbrückt ist, und des Basisspannungsteilers 11 und 12 stabilisiert.
Die komplementären Transistoren vom Typ pnp und npn 1, 2 sind gleichstrommäßig in
Serie
geschaltet. Über den Kondensator 14 wird der Abschlußwiderstand
15, vorzugsweise aus einem Lautsprecher bestehend, an den Verbindungspunkt 16 der
beiden Emitter der Komplementärtransistoren 1 und 2 angeschlossen. Erfindungsgemäß
liegt im Kollektorkreis der Treiberstufe die Kollektor-Emitter-Strecke des Hilfstransistors
3, die mit dem Basisspannungsteiler 4, 5 überbrückt ist. Weiter liegt in diesem
Kreis der Kollektorwiderstand 7, der mit dem nicht an der Minusleitung des Außenwiderstandes
15 liegenden Pol verbunden ist, um die Endstufe voll aussteuern zu können. Der Hilfstransistor
3 wird zur Einsparung eines Einstellreglers vorzugsweise so gewählt, daß im Bereich
des Ruhestromes die Basisspannungs-Kollektorstrom-Kennlinie mit derjenigen der beiden
Endstufentransistoren möglichst übereinstimmend ist. Es ist relativ einfach, eine
solche Auswahl zu treffen, da es praktisch auf die übereinstimmung nur eines Arbeitspunktes
ankommt. Abweichungen bei höheren Kollektorströmen sowie Abweichungen des Stromverstärkungsfaktors
sind vollkommen unkritisch.
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Bei der Selektion kann der Einfluß der Kollektorspannung auf den Kollektorstrom,
welche bei dem Hilfstransistor entsprechend dem doppelten Wert der Basis-Emitter-Spannung
wesentlich niedriger liegt als bei den Endstufentransistoren, vernachlässigt werden,
da diese Spannung bei den üblichen Ruheströmen über der Kniespannung liegt. Somit
ist praktisch der Einfluß auf den Kollektorstrom unwesentlich klein. Ein Vorteil
der niedrigen Kollektorspannung des Hilfstransistors 3 besteht darin, daß dieser
nur einen kleinen Bruchteil der Leistung der Endstufentransistoren verbraucht.
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Vorzugsweise werden die beiden Spannungsteilerwiderstände 4 und 5
gleich groß gewählt. Das hat zur Folge, daß an der Kollektor-Emitter-Strecke des
Hilfstransistors 3 eine Spannung anliegt, die doppelt so groß ist wie die Basis-Emitter-Spannung
und welche als Vorspannung für die beiden in Reihe geschalteten Basis-Emitter-Strecken
der Endstufentransistoren 1, 2 dient. Der Kollektorstrom des Hilfstransistors 3
und damit der Strom durch den Widerstand? wird vorzugsweise gleich dem Ruhestrom
der Endstufe gewählt. Da im allgemeinen der Kollektorstrom des Treibertransistors
8 größer als der Ruhestrom der Komplementärtransistoren 1, 2 ist, wird mittels des
Widerstandes 6 der Treiberstrom in geeigneter Weise aufgeteilt.
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Der Basisspannungsteiler 4, 5 des Hilfstransistors 3 wird zweckmäßigerweise
so bemessen, daß der Querstrom kleiner als der Kollektorstrom des Hilfstransistors
3 ist, so daß praktisch der gesamte durch die Treiberstufe temperaturstabilisierte
und damit konstante Strom durch den Widerstand 7 auch durch den Hilfstransistor
3 fließt. Des weiteren wird der Spannungsteiler 4, 5 so niederohmig bemessen, daß
der Querstrom höher als der Basisstrom ist.
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F i g. 2 zeigt eine abgewandelte Ausbildungsform der Erfindung. In
dieser Schaltung wird zur Verbesserung der Stabilisierung des Kollektorstromes der
Treiberstufe 3 diese nicht wie in F i g. 1 in Emitterschaltung, sondern in Kollektorschaltung
betrieben. An Stelle der Kollektorwiderstände 6 und 7 werden die Emitterwiderstände
17 und 18 verwendet. Der Hilfstransistor 3 mit dem zugehörigen Spannungsteiler 4,
5 befindet sich im Emitterkreis der Treiberstufe B. In einer weiteren erfindungsgemäßen
Ausbildungsform kann der Widerstand 6 bzw. 18 von F i g. 1 bzw. F i g. 2 eingespart
werden. Bei dieser Ausführungsform fließt annähernd der gesamte Treiberstrom durch
den Hilfstransistor 3. Die Ruhestromeinstellung für die Komplementärtransistoren
1, 2 der Endstufe wird dadurch vorgenommen, daß die Widerstände 4, 5 verschieden
groß gewählt werden. Damit wird erreicht, daß die Kollektor-Emitter-Spannung des
Hilfstransistors 3 wiederum gleich der benötigten doppelten Basis-Emitter-Spannung
der Komplementärtransistoren 1, 2 wird.
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F i g. 3 stellt eine Teilansicht der erfindungsgemäßen Schaltung dar,
in der der Hilfstransistor 3 vom npn-Typ ist. Bei dieser Schaltung müssen lediglich
die Anschlüsse der Kollektor- und Emitterelektroden (s. F i g. 1) vertauscht werden.
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Schließlich zeigt F i g. 4 eine Teilansicht der erfindungsgemäßen
Vorrichtung, bei der der Spannungsteiler 4, 5 als Potentiometer 19 ausgebildet ist.
Mit Hilfe dieses Potentiometers 19 läßt sich der Ruhestrom einstellen, womit die
spezielle Auswahl eines geeigneten Hilfstransistors erspart wird.