DE19512754A1 - Leistungsverstärker - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Leistungsverstärker nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein derartiger Leistungsverstärker ist aus der US 4 158 179 A bekannt. Der bekannte Leistungsverstärker umfaßt einen Signaleingang mit wenigstens zwei Verstärkerstufen mit elektronischen Schaltelementen sowie diesen Verstärkerstufen zugeordnete Versorgungsspannungsquellen mit unterschiedlichen Versorgungsspannungen und eine Last, an die die Verstärkerstufen parallel angeschlossen sind. Durch das Eingangssignal werden die Verstärkerstufen simultan leitend gesteuert, so daß in Abhängigkeit der Amplitude des Eingangssignals unterschiedliche Versorgungsspannungen an die Last geschaltet werden.

Zwar erzielt dieser Leistungsverstärker einen hohen Wirkungsgrad, durch den reinen Schalterbetrieb bei der für eine gute Linearität erforderlichen hohen Schaltfrequenz wird aber ein starkes Störspektrum erzeugt.

Außerdem ist aus der Veröffentlichung "Off-Line Application of the Fixed-Frequency Clamped-Mode Series Resonant Converter", IEEE TRANSACTION POWER ELECTRONICS, VOL 6, NO 1, Januar 1991 ein Spannungskonverter bekannt, der eine Vollbrückenschaltung mit in den Brückenzweigen liegenden elektronischen Schaltelementen und einem Serienresonanzkreis in der Brückendiagonale umfaßt. Die Schaltelemente werden phasenversetzt so angesteuert, daß die Spannung am Resonanzkreis bei Wechsel der Polarität während einer Teil zeit der Schwingungsperiode auf Null geklemmt wird. Dadurch wird eine größere Annäherung an eine Sinusfunktion erreicht, als es bei einem rechteckförmigen Spannungsverlauf der Fall wäre.

Ein weiterer Spannungskonverter ist aus der Veröffentlichung "A 1 kW 500 kHz Front-End Converter for a Distributed Power Supply System", IEEE TRANSACTION POWER ELECTRONICS, VOL 6, NO 7, Juli 1991 bekannt. Dieser Spannungskonverter wird mittels einer Pulsweitenmodulations-Steuerschaltung angesteuert.

Die Spannungskonverter der beiden letztgenannten Veröffentlichungen werden in Schaltnetzteilen zur Gewinnung einer stabilen Versorgungsspannung eingesetzt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Leistungsverstärker zu schaffen, der sowohl eine hohen Wirkungsgrad aufweist als auch ein geringes Störspektrum abgibt und die Voraussetzung bietet, ohne stabilisierte Versorgungsspannung betrieben zu werden.

Diese Aufgabe wird bei einem Leistungsverstärker nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 durch die im Kennzeichen angegebenen Merkmale gelöst.

Bei dem erfindungsgemäßen Leistungsverstärker moduliert ein Eingangssignal, das eine Gleichspannung, ein reines Sinussignal oder auch ein übliches Audiosignal sein kann, über eine Pulsweitenmodulations-Steuerschaltung die Phasen der Steuerspannungen an den Eingängen einer Vollbrückenschaltung. An der Brückendiagonale wird dadurch ein Spannungsverlauf erzeugt, der innerhalb einer Periode die Potentialzustände "Positiv", "Null" und "Negativ" annimmt, wobei die Verhältnisse der Einschaltdauer der Potentialzustände "Positiv" oder "Negativ" zu "Null" in Abhängigkeit der Phasen der Steuerspannungen verändert werden. Dementsprechend variiert auch die Spannungs- und Stromamplitude des in der Brückendiagonale liegenden Serienresonanzkreises. Dadurch, daß die Schaltelemente der Vollbrückenschaltung nur ein und ausgeschaltet werden, entstehen nur geringe Schaltverluste, so daß sich ein hoher Wirkungsgrad ergibt. Darüber hinaus wird durch die Einfügung des Potentialzustandes "Null" bei Wechsel von "Positiv" auf "Negativ" und umgekehrt ein direkter Potentialwechsel zwischen den Extremwerten "Positiv" und "Negativ" vermieden und so das Störspektrum reduziert. Weiterhin trägt auch der Serienresonanzkreis zur Reduktion des Störspektrums bei, wenn die Schaltfrequenz im Bereich der Resonanzfrequenz liegt.

Eine Weiterbildung sieht vor, daß die an Versorgungsspannung liegende Vollbrückenschaltung mit einer nicht stabilisierten Spannungsquelle verbunden ist und dem Signaleingang zusätzlich eine versorgungsspannungsabhängige Regelspannung zugeführt ist. Da die Möglichkeit besteht, mit derselben Schaltung auch gleichzeitig Schwankungen der Versorgungsspannung zu kompensieren, kann die Schaltung auch ohne sonst übliche Stabilisierungsschaltung für die Versorgungsspannung betrieben werden.

Die Pulsweitenmodulations-Steuerschaltung kann induktiv oder kapazitiv mit den Steuereingängen der Vollbrückenschaltung gekoppelt sein. In beiden Fällen ist dadurch sowohl eine galvanische Trennung als auch eine Potentialtrennung zwischen der Pulsweitenmodulations-Steuerschaltung und der Vollbrückenschaltung möglich.

Bei einer ersten Ausführungsform ist die Last als Ablenkspule einer Zeilen- oder Bildablenkschaltung einer Bildröhre ausgebildet und die Schaltfrequenz der Vollbrückenschaltung gleich der Ablenkfrequenz. Hiermit läßt sich ein sinusförmiger Ablenkstrom für die Ablenkspule einer Bildröhre erzeugen. Diese Ausführungsform ist für Geräte für hochauflösendes Fernsehen (HDTV) geeignet.

Bei einer zweiten Ausführungsform ist Last als elektroakustischer Wandler ausgebildet, der mit der Induktivität des Serienresonanzkreises induktiv über einen Gleichrichter und ein nachgeschaltetes Tiefpaßfilter gekoppelt ist. Die Eckfrequenz des Tiefpaßfilters ist niedriger als die Schaltfrequenz der Vollbrückenschaltung und höher als die obere Grenzfrequenz des elektroakustischen Wandlers bemessen.

Bei dieser Ausführung führt der Serienresonanzkreis eine mit einem Audiosignal modulierte Trägerschwingung. Durch Gleichrichtung oder Demodulation der Trägerschwingung wird das verstärkte Audiosignal gewonnen und der Last zugeführt.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand zweier Ausführungsbeispiele beschrieben. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine Prinzipschaltung eines Leistungsverstärkers für die Ansteuerung einer Bild- oder Zeilenablenkspule,

Fig. 2 eine Prinzipschaltung eines Leistungsverstärkers für Audiosignale.

Fig. 3 ein Spannungs/Strom-Zeitdiagramm der Vollbrückenschaltung und des Serienresonanzkreises bei einem ersten Eingangssignal und

Fig. 4 ein Diagramm ähnlich Fig. 3 bei einem zweiten Eingangssignal.

Die Prinzipschaltung gemäß Fig. 1 zeigt einen Leistungsverstärker, welcher eine Vollbrückenschaltung 1 mit komplementären Leistungs-MOS-Feldeffekttransistoren als elektronischen Schaltelementen Q1, Q2, Q3, Q4 , einen Serienresonanzkreis 5 in der Brückendiagonale BD und eine Pulsweitenmodulations-Steuerschaltung 4 umfaßt. Ein Paar in Reihe geschalteter komplementärer Leistungs-MOS- Feldeffekttransistoren bilden jeweils eine Brückenhälfte 2; 3. Der eine Anschluß jeder Brückenhälfte 2; 3 liegt unmittelbar an einer positiven, nicht stabilisierten Versorgungsspannung, U+ während der andere Anschluß jeder Brückenhälfte 2; 3 über einen Meßwiderstand 6 an einer negativen, ebenfalls nicht stabilisierten Versorgungsspannung U- angeschlossen ist. Die Induktivität des Serienresonanzkreises 5 in der Brückendiagonale BD besteht aus der Ablenkspule AS selbst und einer Korrekturinduktivität KS.

Zwischen dem Steuereingang 7 jedes Zweiges der Vollbrückenschaltung 1 und Versorgungsspannung U+; U- liegt eine Parallelschaltung eines Widerstandes 8 und einer Zenerdiode 9 und zwischen dem Steuereingang 7 und der entsprechenden Gate-Elektrode des Leistungs-MOS- Feldeffekttransistors ein Serienwiderstand 10. Die Steuereingänge, die zur selben Brückenhälfte 2; 3 gehören, sind zusammengeschaltet und über eine Kapazität 11 mit einem Steuerausgang 12; 13 der Pulsweitenmodulations-Steuerschaltung 4 verbunden. Die Ausgangssignale der beiden Steuerausgänge 12; 13 sind phasenversetzt, wobei der Phasenversatz (p über einen Signaleingang 14 in einem Bereich zwischen 0° und 180° veränderbar ist.

Als Pulsweitenmodulations-Steuerschaltung ist z. B. die integrierte Schaltung UC3875 von UNITRODE geeignet. Über ein an einen Synchronisationseingang 15 angelegtes Signal wird der interne Taktgenerator, der auf die Bild- oder Zeilenfrequenz abgestimmt ist, bild- oder zeilensynchron getaktet. Dem Signaleingang 14 wird eine Spannung zugeführt, über deren Wert die Amplitude des Bild- oder Zeilenablenkstromes eingestellt wird. Ein weiterer inverser Signaleingang 16 erhält eine an dem Meßwiderstand abgegriffene Regelspannung zur Bild- oder Zeilenbreitenstabilisierung.

Die Prinzipschaltung gemäß Fig. 2 ist ähnlich der Fig. 1 aufgebaut. Die Vollbrückenschaltung 1 ist jedoch mit identischen Leistungs-MOS-Feldeffekttransistoren als elektronischen Schaltelementen aufgebaut. Die Induktivität des Serienresonanzkreises 5 in der Brückendiagonale BD besteht hier aus der Primärspule eines Übertragers Ü3 und einer Korrekturinduktivität KS. An die Sekundärseite ist ein Brückengleichrichter 17 mit einem nachfolgenden Tiefpaß 18 sowie eine Last angeschaltet, die durch einen elektroakustischen Wandler 19 gebildet ist.

Die Steuereingänge 7 jedes Brückenzweiges sind mittels induktiver Übertrager Ü1; Ü2 mit Ausgängen 12; 13 der Pulsweitenmodulations-Steuerschaltung 4 gekoppelt. Der Übertrager Ü1; Ü2 jeder Brückenhälfte 2; 3 umfaßt eine Primärspule und zwei Sekundärspulen. Dabei ist das heiße Ende der Sekundärspule über einen Widerstand 20 mit der entsprechenden Gate-Elektrode des Leistungs-MOS- Feldeffekttransistors verbunden, während das kalte Ende einerseits über eine Diode 21 mit dem Source-Anschluß des Leistungs-MOS-Feldeffekttransistors und andererseits über einen Widerstand 23 mit der Basis eines Treibertransistors 22 verbunden ist, der mit seinem Emitter ebenfalls an die Source- Elektrode angeschlossen ist und mit seinem Kollektor mit dem heißen Ende der Sekundärspule verbunden ist.

Der interne Taktgenerator der Pulsweitenmodulations- Steuerschaltung 4 ist in diesem Fall auf eine höhere Frequenz abgestimmt, als der Resonanzfrequenz des Serienresonanzkreises 5 entspricht. Dem Signaleingang 14 der Pulsweitenmodulations- Steuerschaltung 4 wird das zu verstärkende Audio-Signal zugeführt, während ein weiterer inverser Signaleingang 16 das an dem Meßwiderstand 6 abgegriffene Regelsignal zur Stabilisierung der Versorgungsspannung erhält.

Die Spannungs-Stromverläufe über der Zeit bezüglich der Vollbrückenschaltung und des Serienresonanzkreises sind in den Fig. 3 und 4 für unterschiedliche Eingangssignale dargestellt. Die ersten vier Stromverläufe beziehen sich auf die elektronischen Schaltelemente Q1, Q2, Q3, Q4 in den vier Zweigen der Vollbrückenschaltung. Der jeweils höhere Wert der Stromverläufe bedeutet "leitend" während der jeweils niedrigere Wert "nicht leitend" bedeutet. Die zur selben Brückenhälfte gehörenden elektronischen Schaltelemente werden im Gegentakt angesteuert, d. h., wenn eines der elektronischen Schaltelemente leitend ist, ist das andere Schaltelement nicht leitend.

Die Ansteuerung der beiden Brückenhälften 2; 3 erfolgt phasenversetzt um den Phasenwinkel ϕ, der in einem Bereich zwischen 0° und 180° veränderbar ist. Dadurch ergibt sich ein Spannungsverlauf an der Brückendiagonale BD, der innerhalb einer Periode die Potentialzustände "Positiv", "Null" und "Negativ" annimmt. Daraus resultieren die zusätzlich dargestellten Spannungs- und Stromverläufe an der Induktivität und der Kapazität des Serienresonanzkreises. In Fig. 3 führt eine erste niedrige Eingangsspannung zu einem ersten Phasenwinkel ϕ1, der die entsprechenden Spannungen und Ströme U1 und L1 an der Kapazität bzw. Induktivität des Serienresonanzkreises 5 hervorruft. Bei einer höheren Eingangsspannung ergibt sich gemäß Fig. 4 ein im Vergleich zu Fig. 3 größerer Winkel ϕ2 des Phasenversatzes, der dazu führt, daß die Spannungen und Ströme U2 und I2 an der Kapazität bzw. Induktivität des Serienresonanzkreises im Vergleich zu Fig. 3 kleiner sind. Durch Variieren der Eingangsspannung ist somit eine Variation der Amplitude der Schwingkreisspannung und des Schwingkreisstromes des Serienresonanzkreises möglich.

Claims (5)

1. Leistungsverstärker mit einem Signaleingang (14) und elektronischen Schaltelementen (Q1, Q2, Q3, Q4), welche eine Versorgungsspannung (U+; U-) in Abhängigkeit einer am Signaleingang anliegenden Signalspannung an eine Last (AS; 19) koppeln, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronischen Schaltelemente (Q1, Q2, Q3, Q4) eine an Versorgungsspannung (U+; U-) liegende Vollbrückenschaltung (1) bilden, in deren Brückendiagonale (BD) ein Serienresonanzkreis (5) angeordnet ist, wobei die Last (AS; 19) durch wenigstens einen Teil der Induktivität des Serienresonanzkreises (5) gebildet ist oder mit wenigstens einem Teil der Induktivität des Serienresonanzkreises (5) induktiv gekoppelt ist, daß Steuereingänge (7) der Vollbrückenschaltung (1) mit Steuerausgängen (12; 13) einer Pulsweitenmodulations- Steuerschaltung (4) gekoppelt und derart gesteuert sind, daß jeweils zwei Brückenzweige der Vollbrückenschaltung (1) über die Brückendiagonale (BD) leitend sind, daß der Signaleingang (14) mit der Pulsweitenmodulations-Steuerschaltung (4) verbunden ist und der Phasenversatz ϕ der Steuerspannungen an den Steuerausgängen (12; 13) für die beiden Brückenhälften (2; 3) in Abhängigkeit der Signalspannung in einem Bereich zwischen 0° und 180° steuerbar ist.

2. Leistungsverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die an Versorgungsspannung (U+, U-) liegende Vollbrückenschaltung (1) mit einer nicht stabilisierten Spannungsquelle verbunden ist und einem Signaleingang (16) zusätzlich eine versorgungsspannungsabhängige Regelspannung zugeführt ist.

3. Leistungsverstärker nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulsweitenmodulations-Steuerschaltung (4) induktiv oder kapazitiv mit den Steuereingängen (7) der Vollbrückenschaltung (1) gekoppelt ist.

4. Leistungsverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Last als Ablenkspule (AS) einer Zeilen- oder Bildablenkschaltung einer Bildröhre ausgebildet ist und die Schaltfrequenz der Vollbrückenschaltung (1) gleich der Ablenkfrequenz ist.

5. Leistungsverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Last als elektroakustischer Wandler (19) ausgebildet ist und mit der Induktivität des Serienresonanzkreises (5) induktiv über einen Gleichrichter (17) und ein nachgeschaltetes Tiefpaßfilter (18) gekoppelt ist, wobei die Eckfrequenz des Tiefpaßfilters (18) niedriger als die Schaltfrequenz der Vollbrückenschaltung (1) und höher als die obere Grenzfrequenz des elektroakustischen Wandlers (19) bemessen ist.