DE1805855A1

DE1805855A1 - Gegentaktverstaerker

Info

Publication number: DE1805855A1
Application number: DE19681805855
Authority: DE
Inventors: Krausser Friedrich Johann
Original assignee: Fisher Radio Corp
Current assignee: Fisher Radio Corp
Priority date: 1967-10-30
Filing date: 1968-10-29
Publication date: 1969-05-08
Also published as: US3600695A; NL6815094A; FR1591165A

Description

Iisher Radio Corporation, Long Island City, Ή. Y., USA

Gegentaktverstärker

Die Verwendung von Gegentaktverstärkern mit variablen Impedanzen, wie etwa Transistoren, bringt in Tonsystemen hoher Klangtreue (Hi-Fi-Anlagen) verschiedene Vorteile. Im Vergleich zu Röhrenverstärkern arbeiten sie sehr zuverlässig, benötigen keine Anheizzeit und erzeugen keine nennenswerte Wärme. Allerdings können solche Verstärker durch Überlastung beschädigt werden. Eine Überlastung kann vorkommen, wenn der Benutzer die beiden Verstärkerausgangsleitungen miteinander verbindet und dadurch einen Kurzschluß erzeugt. Ebenfalls kann eine Überlastung eintreten, wenn dem Verstärker ein zu großes Eingangssignal zugeführt wird, beispielsweise während einer lautstarken Musikdarbietung, d. h. also bei vorübergehend sehr großen Signalen.

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Weitere mögliche Ursachen für Überlastungen können in.der Verwendung eines Lautsprechers mit niedrigerer Impedanz als der Nennimpedanz des Verstärkers liegen oder im Betrieb eines Verstärkers bei voller Leistung und erhöhter Umgebungstemperatur.

Während der Überlastung fließen unzulässig große Ströme durch den Transistorverstärker, insbesondere durch die Treiber- und Ausgangsstufen des Verstärkers. Dementsprechend brennen häufig die Treiber- und Ausgangsleistungstransistoren durch und müssen dann ersetzt werden. Der Ersatz muß von einem erfahrenen Techniker vorgenommen werden.

Eine bekannte Lösung für das Problem ist die Reihenschaltung einer Sicherung mit dem Emitter Jedes Ausgangstransistors des Verstärkers. Beispielsweise kann man bei einem 10-Watt-Verstärker 1/2-Amperesicherungen in Reihe mit den zwei Ausgangstransistoren schalten. Sicherungen sprechen jedoch auf Überlastungen relativ langsam an, benötigen hierzu oft mehr als 1/20 Sekunde, in welcher Zeit der Transistor bereits zerstört sein kann. Außerdem kann der Ersatz der Sicherung nicht ganz einfach sein, insbesondere für den unerfahrenen Käufer. Ein selbsttätiger Überlastschalter arbeitet meist ebenfalls zu langsam, um eine Beschädigung der Transistoren des Verstärkers verhindern zu können. ~ ■ .

Es ist somit ein Ziel vorliegender Erfindung, einen Verstärker mit bei Überlastung wirksam werdenden Schutzeinrichtungen zu schaffen, wobei die Schutzeinrichtungen zuverlässig und schnellwirkend sind und nach dem Auftreten einer Überlastung nicht erneuert werden müssen.

Die Erfindung betrifft einen Gegentaktverstärker mit zwei Abschnitten mit mindestens je einem Transistor bzw. einer

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anderen veränderbaren Impedanz, der bzw. die mit Eingangs-, Ausgangs- und Steuerelektrode versehen ist- und mit einem Überlastungsschutz in Verbindung steht. Das Kennzeichen der Erfindung besteht darin, daß der Überlastungsschutz zwischen der Steuerelektrode und einem Ausgangsanschluß des Verstärkers liegt und auf einen in der Eingangselektrode fließenden Strom dadurch anspricht, indem er einen Teil eines Steuersignales im Nebenschluß um die veränderbare Impedanz leitet, wenn der in der Eingangselektrode fließende Strom einen vorgegebenen Wert erreicht, daß der Überlastungsschutz ein nichtlineares Element enthält, das einen relativ hohen Widerstand besitzt, wenn der Strom in der Eingangselektrode unter dem vorgegebenen Wert liegt, und das einen relativ niedrigen Widerstand aufweist, wenn der Strom in der Eingangselektrode über diesen Wert ansteigt, und daß eine Meßimpedanz an das nichtlineare Element und die Eingangselektrode angeschlossen ist.

Zur besseren Erläuterung der Erfindung wird im folgenden auf die Zeichnung Bezug genommen. Es zeigt:

Pig« 1 ein Schalt schema eines erfindungsgemäßen G-egentaktverstärkers und

Pig«, 2 den Strom-Spannungs-Verlauf einer in dem Schalt- . schema nach Pig· 1 verwendeten Zenerdiode»

Die Überlastungsschutzeinrichtung wird für den Sonderfall eines Gegentakt-Transistorleistungsverstärkers für Lautsprecher beschrieben. Die Schutzschaltung dient dem Schutz von Treiber- und Ausgangsstufe des Verstärkers bei Überlastungen. Diese spezielle Anwendung ist jedoch nur zur Erläuterung der Erfindung gedacht und beschränkt die Erfindung nicht auf das gezeigte Ausführungsbeispiel. Für den Fachmann liegt es auf der Hand, daß die erfindungsge-

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mäße tjberlastungsschutzeinrichtung sich auch zum Schutz anderer Gegentaktverstärker verwenden läßt, bei denen die auftretenden Ströme den Nennstrom des Verstärkers überschreiten können₀

Der in Pig. 1 dargestellte G-egentakt-Transistor-Leistungsverstärker 10 mit Überlastungsschutz enthält einen ersten Abschnitt mit einer Transistortreiberstufe Q1 und eine Leistungstransistor-Ausgangsstufe Q3. Der Treibertransistor Q1 besitzt eine Basis bzw. Steuerelektrode 12, einen Emitter bzw. Eingangselektrode 14 und einen Kollektor bzw, Ausgangselektrode 16„ Ebenso weist der Ausgangsleistungsk transistor Q3 eine Basis bzw. Steuerelektrode 18, einen Emitter bzw. Eingangselektrode 20 und einen Kollektor bzw. Ausgangselektrode 22 auf. Die Transistoren Q1 und Q3 sind npn-Transistoren. An die Basiselektrode 12 ist über eine Leitung 24 ein Anschluß einer Strombegrenzungsimpedanz 26 gelegt. Der andere Anschluß der Impedanz 26 ist über eine Leitung 30 an die Last IU eines Lautsprechers angeschlossen.

Der positive Anschluß einer Spannungsquelle 28 liegt über eine Leitung 44 an den Kollektorelektroden 16 und 22 der Transistoren Q1 und Q3. Der negative Anschluß der Spannungs-., quelle 28 liegt am Ausgangsanschluß 51 an Masse. Ein Widerstand 34 ist über eine Leitung 36 zwischen die Emitterelek- ) trode 14 des Transistors QT und die Emitterelektrode 20 des Transistors Q3 geschaltet» Ein Strommeßwiderstand 48 liegt zwischen dem Verbindungspunkt 52 (der mit dem Emitter 20 in Verbindung steht) und dem AusgangaanSchluß 50.

Die Impedanz 26 besteht aus einer Diode 40 und einer Zenerdiode 42,' die so gepolt sind, daß die Kathode der Diode 40 an der Kathode der Zenerdiode 42 und die Anode der Diode an der Leitung 24 liegt. -

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Der zweite Abschnitt des G-egentaktverstärkers 10 gleicht dem. ersten Abschnitt« Der erste Abschnitt verstärkt die positiven Signale (gegenüber Masse) und der zweite Abschnitt verstärkt die negativen Signale. Im zweiten Abschnitt dient ein pnp-Transistor Q2 als Treiberstufe für einen pnp-Ausgangsleistungstransistor Q4. Der zweite Abschnitt enthält eine Impedanz 26', die aus einer Zenerdiode 42' und einer Diode 40' besteht, wobei die Eathode der Diode 40' an der Kathode der Zenerdiode 42' liegt. Der zweite Abschnitt enthält auch einen Strommeßwiderstand 48', einen Widerstand 34* und eine Spannungsquelle 28'.

Im zweiten Abschnitt ist die Anode der Zenerdiode 42' an die Basis des Transistors Q2 angeschlossen. Der Emitter 14' des Transistors Q2 ist mit dem ersten Anschluß des Transistors 34' verbunden. Der Kollektor des Transistors Q2 steht mit dem Kollektor des Transistors Q4 in Verbindung. Der Kollektor des Transistors Q4 liegt am negativen Anschluß der Spannungsquelle 28'. Der Emitter des Transistors Q4 ist an den zweiten Anschluß des Widerstandes 34' und den ersten Anschluß des Widerstandes 48' angeschlossen. Der zweite Anschluß des Widerstandes 48' und die Anode der Diode 40' sind mit dem Ausgangsanschluß 50 verbundene

Das Eingangssignal der Signalquelle 61 wird dem Verstärker 10 zwischen den Eingangsanschlüssen 60 und 62 zugeführt· Der zweite Eingangsanschluß 62 der Signalquelle 61 ist mit Masse verbunden.

Die Impedanzen 26 und 26' im ersten und zweiten Abschnitt enthalten eine Reihenschaltung einer Zenerdiode 42 und einer umgekehrt gepolten Schaltdiode 40. Fig. 2 zeigt die graphische Darstellung 70 der Wirkung einer Zenerdiode. Man erkennt, daß die Durchbruchsspannung 71, d. h. die

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Spannung, bei der Strom fließt, sehr scharf begrenzt ist. Zenerdioden sind mit Verlustleistungen von über 50 Watt verfügbar. Die Zenerdiode besitzt bis zu einer gewissen vorgegebenen Spannung (der Durchbruchsspannung) die Eigenschaft einer großen Impedanz (Widerstand). Bei dieser Spannung fällt der wirksame Widerstand der Zenerdiode ab und erlaubt einen Stromfluß. Die Schaltdiode 40 erhöht die Schaltgeschwindigkeit und stellt sicher, daß eine Wirkung nur im Knickbereich der Zenerdiode 42 (Fig. 2) auftritt. Die Diode 40 verhindert eine Betriebsweise im ursprünglichen positiven Teil 72 der Zenerdiodenkennlinie und bildet eine neue positive Kennlinie 75· Eine Alternative zu den Zenerdioden 42, 42' und den umgekehrt gepolten Dioden 40, 40', die die Impedanzen 26, 26' bilden, stellt eine Serienschaltung von z. B. 10 Dioden mit pn -Übergängen in einer integrierten Schaltung dar·

Der höchst zulässige Kollektorstrom des Ausgangstransistors kann durch Wahl des Widerstandswertes der Widerstände 48 und 48' eingestellt werden, wobei E. wie folgt gleich dem Wert eines der Widerstände 48 oder 48' ist: ·

V Zener +Vd- VBE Treiber - VBE Ausgang mit:

^Rx ~ 10 Treiber + 10 Ausgang (max.) '

V Zener = Zenerspannung,

Vd = Durchlaßknickspannung der Schaltdiode,

VBE

Treiber = Basis-Emitter-Spannung für maximalen

Kollektorstrom der Treiberstufe und

VBE

Ausgang = Basis-Emitter-Spannung für den höchst

zulässigen Kollektorstrom des Ausgangstransistors. ► . .

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Über eine Leitung 52 ist ein Widerstand 48 zwischen die Emitterelektrode 20 des Transistors Q3 und einen Ausgangsansehluß 50 gelegt. Die last des Verstärkers 10 ist schematisch durch einen Widerstand IL- dargestellt, der zwischen dem AusgangsanSchluß 50 und dem an Masse liegenden Ausgangsanschluß 51 angeschlossen ist. Der Widerstand R^ stellt die Last eines Lautsprechers dar. Der negative Anschluß der Spannungsquelle 28 liegt über eine Leitung 54 am Ausgangsanschluß 51 an Masse. Entsprechend ist die Last Rj. zwischen Emitter- und Eollektorelektrode des Transistors Q3 in Reihe mit der Spannungsquelle 28 geschaltete

Parallel zur Last R,. liegt ein einpoliger Schalter 60. Der Schalter 60 wird normalerweise weggelassen. Hier dient der Schalter 60 jedoch zur Darstellung des Betriebszustandes infolge eines Kurzschlusses oder einer Überlastung des Verstärkers 10, indem der Schalter 60 geschlossen wird.

In der hier betrachteten Schaltung liegt die Impedanz 26 (Dioden 40 und 42) im Nebenschluß zur Basis-Emitter-Strecke des Treibertransistors Q1. Die Nebenschlußimpedanz 26 bildet eine alternative Strombahn für einen Teil des Stromes, der von der Signalquelle zur Basiselektrode 12 des Transistors Q1 fließt. Die Impedanz 26 wird so gewählt, daß in ihr nur dann ein Strom fließt, wenn der Stromfluß durch den Meßwiderstand 48 über einen vorgegebenen Wert ansteigt. Die Dioden 40 und 42 sind vorzugsweise zu der Reihenschaltung aus den Basis-Emitter-Strecken der Transistoren Q1 und Q3 und des Widerstandes 48 parallelgeschaltet.

Die Schaltungskonstanten werden so festgelegt, daß beim Ansteigen des Emitterstromes im Meßwiderstand 48 über einen vorgegebenen Wert die Summe der Spannungsabfälle an der Basis-Emitter-Strecke der Transistoren Q1 und Q3 sowie am Widerstand 48 ausreicht, um die Zenerdiode 42 im Knickbe-

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reich ihrer Kennlinie zu betreiben. Die Dioden 40 und 42 beginnen dann Strom zu führen, wodurch der Basistrom für den Transistor Q1 reduziert wird. Da sich der Basistrom der Transistoren Q1 und Q3 verringert, wenn die Dioden 40 und 42 Strom führen, verringert sich auch der Emitterstrom durch die Transistoren Q1 und Q3 (infolge der Abhängigkeit des Emitterstromes vom Basdsstrom). Da der Widerstand 48 und die Dioden 40 und 42 den maximalen Stromfluß durch den · Treibertransistor Q1 und den Ausgangstransistor Q3 begrenzen, wird eine Beschädigung dieser Transistoren verhindert. Somit sind die Transistoren Q1 und Q3 gegen Überlastungen geschützt.

Wenn man nun annimmt, daß der Schalter 60 geschlossen und damit die Last Rt kurzgeschlossen ist, so" können unzulässig große Ströme in der Emitter-Kollektor-Strecke der Transistoren Q1 und Q3 fließen. Dadurch wird auch ein größerer Strom in der Basiselektrode der Transistoren Q1 und Q3 bewirkt. Beim Fehlen der Schutzschaltung würde der Strom in den Emitterelektroden 14 und 20 unzulässig groß werden. Der unzulässig große Strom würde eine sehr hohe Verlustleistung der Transistoren Q1 und Q3 verursachen, die zu bleibenden Schaden an diesen führen könnte. Infolge der selbsttätigen Regelwirkung der Schutzschaltung wird jedoch ein Teil dieses unzulässigen Stromes im Nebenschluß ) über die Impedanz 26 und damit an den Transistoren Q1 und Q3 vorbeigeleitet. Der unzulässig große Strom wird direkt der Last R-. zugeführt, wenn der Strom in den Emitterelektroden 14 und 20 über den vorgegebenen Wert ansteigt, wodurch die Transistoren Q1 und Q3 gesichert sind. Infolge der hier vorgesehenen Schutzschaltung ist der Stromfluß in der Basiselektrode 18 des Transistors Q3 bei Überlastungen nicht mehr vom /3-Wert des Transistors Q1 abhängig.

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Die Arbeitsweise des Verstärkers bei Überlastungen wurde nur.für den ersten Abschnitt des Verstärkers beschrieben, der die positiven Signale verstärkt. Eine gleiche Schutzwirkung gegen Überlastungen und die gleiche Arbeitsweise bei solchen Überlastungen ist im zweiten Abschnitt vorhanden. Im zweiten Abschnitt bildet die Impedanz 26' einen Hebenschluß bei unzulässig großen Strömen um die Transistoren Q2 und Q4 und führt sie der Last R_T zu.

Durch die Erfindung wird somit eine Überlastungsschutzschaltung für Verstärker geschaffen, die Treiber- und Leistungstransistoren vor unzulässig großen Strömen schützt und eine Beschädigung oder ein Durchbrennen dieser Transistoren verhindert.

Im Rahmen der Erfindung sind eine Reihe von Abänderungen des gezeigten Ausführungsbeispieles denkbar, ohne daß von den Grundsätzen der Erfindung abgewichen wird.

So kann z. B. die Nebenschlußimpedanz einschließlich der Zenerdiode zwischen der Basis des ersten (Treiber-)Transistors und der Basis des zweiten (Leistungs-)Transistors in jedem Abschnitt angeschlossen werden· Der Meßwiderstand kann zwischen dem Emitter des ersten (Treiber-)Transistors und der Basis des zweiten (Leistungs-)Transistors liegen. Der Meßwiderstand wird so angeschlossen, daß er bei Überlastungen eine Spannung in Durchlaßrichtung an der Nebenschluß impedanz ergibt« Diese Anordnung schützt jedoch nur den Treibertransistor»

Bei einer anderen Ausführungsform kann die Nebenschlußimpedanz so angeordnet werden, daß sie nur den zweiten (Leistungs-)Transistor schützt« In dieser Schaltung kann . dann die Nebenschlußimpedanz zwischen der Basis des zweiten (Leistungs-)Transistors und der Last liegen und der Meß-

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widerstand kann in den Emitterstromkreis des zweiten
(Leistungs-)Transistors gelegt werden. In einer weiteren Abwandlung kann mit einer oder beiden der Zenerdioden
eine Warnlampe verbunden werden. Die Lampe leuchtet beim Überschreiten der Darchbruchsspannung der Zenerdiode auf.

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Claims

Patentansprüche

1. Gegentaktverstärker mit zwei Abschnitten mit mindestens je einem Transistor bzw« einer anderen veränderbaren Impedanz, der bzw. die mit Eingangs-, Ausgangs- und Steuerelektrode versehen ist und mit einem Überlastungsschutz in Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, daß der Überlastungsschutz zwischen der Steuerelektrode und einem Ausgangsanschluß liegt und auf einen in der Eingangselektrode fließenden Strom dadurch anspricht, indem er einen Teil eines Steuersignales im Nebenschluß um die veränderbare Impedanz leitet, wenn der in der Eingangseleitrode fließende Strom einen vorgegebenen Wert erreicht, daß der Überlastungsschutz ein nichtlineares Element enthält, das einen relativ hohen Widerstand besitzt, wenn der Strom in der Eingangselektrode unter dem vorgegebenen Wert liegt und das einen relativ niedrigen Widerstand aufweist, wenn der Strom in der Eingangselektrode über diesen vorgegebenen Wert ansteigt, und daß eine Meßimpedanz an das nichtlineare Element und die Eingangselektrode angeschlossen ist.

2. Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das nichtlineare Element eine Zenerdiode ist»

3· Yerstärker nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Überlastungsschutz außerdem mindestens eine Schaltdiode enthält, die zwischen der Zenerdiode und der genannten Steuerelektrode liegt und umgekehrt zur Zenerdiode gepolt ist.

4. Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Abschnitt eine zweite veränderbare Impedanz mit Eingangs-, Ausgangs- und Steuerelektrode enthält und daß das nichtlineare Element

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zwischen der Steuerelektrode eier zuerst genannten veränderbaren Impedanz und dem Verstärkerausgangsanschluß liegt, während die Meßimpedanz zwischen der Eingangselektrode der genannten zweiten veränderbaren Impedanz und dem Ausgangsanschluß angeschlossen ist.

Verstärker nach Anspruch 4, bei dem die zuerst genannte veränderbare Impedanz jedes Abschnittes ein Treibertransistor und die zweite veränderbare Impedanz jedes Abschnittes ein Leistungstransistor ist und bei dem jeder Transistor Kollektor-, Emitter- und Basiselektrode besitzt, die Ausgangs-, Eingangs- und Steuerelektrode entsprechen, dadurch gekennzeichnet, daß die Kollektorelektroden der Treiber-- und Leistungstransistoren miteinander und die Emitterelektrode des Treibertransistors mit der Basiselektrode des Leistungstransistors verbunden ist, daß der· Ausgangsanschluß einer der beiden Lastanschlüsse zum Anschluß eines Lautsprechers zwischen den Emitter- und Kollektorelektroden der Leistungstransistoren ist und daß eine Eingangsschaltung, die der Basis des Treibertransistors ein Signal zuführt, und mindestens eine Spannungsquelle zum Speisen von Treiberund Leistungstransistoren vorgesehen ist»

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