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Die
Erfindung betrifft einen Regelverstärker mit einem Stellglied,
vorzugsweise einem Bipolar-Transistor-Stellglied, welches mit einem
Stellsignal, z.B. einer positiven Regelspannung, angesteuert wird.
Solche Regelverstärker
bzw. Regelsysteme sind bekannt und kommen häufig bei Audio-Anwendungen
zum Einsatz. Ein bekannter Regelverstärker ist in 2 dargestellt. Das dargestellte Regelsystem
besteht aus einem Spannungsteiler R1 und Q1, einer Gleichspannungsentkopplung,
bestehend aus den Kondensatoren C1 und C2, einem Verstärker X1 mit
einem Widerstand R4 zur Arbeitspunkteinstellung, einem Gleichrichter,
einem oder mehreren Zeitgliedern zur Bestimmung der Ansprech- und
Abfallzeit des Reglers und dem Stellglied Q1, welches zur Entkopplung
und zur Reduktion von Klirrprodukten über eine Emitterfolge Q2 angesteuert
wird. Es ist auch bekannt eine Zehnerdiode zwischen der Emitterfolge
Q2 und der Basis des Transistors Q1 zu schalten.
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Regelschaltungen
der vorbeschriebenen Art kommen insbesondere bei preiswerten Audio-Geräten zum
Einsatz. Sie haben jedoch oft den Nachteil, daß das Audio-Signal am Kollektor von Q1 nur sehr klein
sein darf, beispielsweise nur 10 mV, um die Gesamtverzerrung in
Grenzen, ca. 1%, zu halten. Dieser kleine Signalpegel bestimmt somit
die Gesamtdynamik des Audio-Systems.
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Ein
weiterer Nachteil der vorbeschriebenen Schaltung ist, daß sich am
Kollektor von Q1 eine überlagerte
Gleichspannung einstellt, deren Größe umgekehrt proportional zum
Strom durch Q1 ist. Setzt nun der Regelvorgang ein, so verringert
sich die Gleichspannung mit zunehmendem Stromfluß durch Q1. Dies führt bei
Vollweggleichrichtung zu einer Mitkopplung des Regelsystems und
verschlechtert das Einschwingverhalten des Regelers beträchtlich,
wie beispielhaft in 2 und 9a dargestellt ist. Aus diesem Grund wird üblicherweise
nur eine Einweggleichrichtung benutzt.
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DE 38 19 593 A1 zeigt
eine Schaltungsanordnung für
ein elektrisches Stellglied S, bei welchem dem Stellglied S ein
bezüglich
der Stärke
und der Richtung steuerbarer Strom zuführbar ist. Hierbei ist eine
Brückenschaltung
vorgesehen, deren eine Diagonale A-A2 den Ausgang für das Stellglied
S bildet und deren andere Diagonale mit einer Betriebsspannung versorgt
werden kann. Die Zweige der Brückenschaltung
weisen jeweils steuerbare Schalter und eine steuerbare Stromquelle
auf.
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Die
DE 1 274 216 B zeigt
einen Chargenregler mit einem Regelverstärker, bei welchem über einen
Eingangswiderstand eine einer Regelgröße entsprechende Spannung abfällt. Über ein
Potentiometer
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sich eine Gleichspannung einstellen, mit der die als Regelgröße dienende
Spannung am Widerstand übereinstimmen
soll. Der Regelverstärker wirkt
dazu auf ein Stellglied ein, bis Soll- und Regelgröße übereinstimmen.
Diese Schaltung dient dazu, ein weiteres Aufladen des Nachstellkondensators
zu verhindern, wenn die vom Regler abgegebene Stellgröße einen
vorgegebenen Schwellwert erreicht hat.
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DE 40 04 135 A1 zeigt
eine Regelschaltung zum Erzeugen neuer Ströme, bei welcher die erforderliche
Kapazität
eines Frequenzgang-Kompensationskondensators
in der Regelschaltung klein gehalten werden kann. Dies wird dadurch
erreicht, dass einem in der Schaltung enthaltener gegengekoppelter Kompensationsverstärker zusätzlich ein
ungeregelter Steuerwert zugeführt
wird, der näherungsweise dem
Sollwert entspricht.
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DE 43 40 799 A1 zeigt
einen mehrstufigen gleichspannungsgekoppelten Verstärker mit
Transistoren von unterschiedlichem Leistungstyp. Jede Verstärkungsstufe zwischen
Versorgungspotentialen weist symmetrische Transistoren auf, welche
das vollständige
Nutzsignal in gleicher Phasenlage zugeführt erhalten und verarbeiten.
Die jeweils aufeinanderfolgenden Verstärkerstufen bilden Transistoren, die
mit demselben Versorgungspotential verbunden sind. Die Ausgangs-
bzw. Eingangselektroden der Transistoren sind in Differenzstromschaltung
miteinander verbunden. Zwei aufeinanderfolgende Schaltungen werden
in Basisschaltung betrieben.
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Es
ist Aufgabe der Erfindung, die Nachteile bekannter Regelverstärker zu
vermeiden und die nutzbare Dynamik von preiswerten Regelverstärkern zu
verbessern.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem
Regelverstärker
mit den Merkmalen nach Anspruch 1 oder 2 gelöst.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Wie
in Anspruch 1 vorgeschlagen, wird zusätzlich zum ersten Stellglied
ein komplentäres
Stellglied vorgesehen. Die Ausgänge
beider Stellglieder sind miteinander verbunden, und das Komplentärstellglied
wird mit einem zum Stellsignal invertierten Stellsignal angesteuert.
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Alternativ
zu Anspruch 1 wird vorgeschlagen, daß der Regelverstärker Mittel
aufweist, durch welche die Gleichspannung am Kollektor des Transistorstellglieds
kompensiert wird, und somit jegliche Mitkopplung des Reglersystems
ausgeschlossen wird.
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Die
Kompensation der Gleichspannung am Kollektor des Transistors Q1
wird beispielsweise durch einen symmetrischen Stellgliedaufbau erreicht, wobei
das zweite Stellglied komplementär
zum ersten Stellglied ist und die Regelspannung des zweiten Stellglieds
invertiert ist zur Regelspannung des ersten Stellglieds. Komplementär bedeutet,
daß wenn das
erste Stellglied ein npn-Transistor ist, das zweite Stellglied,
also das komplementäre
Stellglied, ein pnp-Transistor ist. Invers bzw. invertiert bedeutet, daß wenn die
Regelspannung des ersten Stellglieds positiv ist, die Regelspannung
des zweiten Stellglieds negativ ist (oder umgekehrt).
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Durch
die erfindungsgemäßen Maßnahmen wird
erreicht, daß der
Regelverstärker
eine um etwa 10 db (ca. Faktor 3) höhere Dynamik, bei gleichem Klirrfaktor, aufweist
gegenüber
einem bekannten Regelverstärker.
Aufgrund der Symmetrie stellt sich eine sehr geringe Arbeitspunktverschiebung
beim Regeleinsatz ein, so daß letztendlich
auch ein erheblich schnelleres Einschwingen des Reglers möglich ist.
Die Dynamikerhöhung
bedeutet gleichzeitig eine Klirrfaktorverringerung, und durch den
Einsatz von Widerständen
im Stellsignalweg, wenn Parameterschwankungen der Transistoren ausgeglichen
werden, und durch den Abgleich der Stellspannungen können geradzahlige
Klirrprodukte auf ein Minimum reduziert werden.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand eines in den Zeichnungen dargestellten
Ausführungsbeispiels
näher erläutert. In
den Zeichnungen stellen dar:
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1 ein
Schaltbild eines erfindungsgemäßen Regelverstärkers;
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2 ein
schaltbild eines bekannten Regelverstärkers;
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3a–c Meßdiagramme
bekannter Regelverstärker
(3a, b) und eines eines erfindungsgemäßen Regelverstärkers (3c);
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4a–c Ausschnittsvergrößerungen
der 3a–c;
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5 Klirrfaktormeßdiagramm
eines bekannten Regelverstärkers;
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6 Klirrfaktormeßdiagramm
eines bekannten Regelverstärkers;
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7 Klirrfaktormeßdiagramm
eines erfindungsgemäßen Regelverstärkers.
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1 zeigt
einen Regelverstärker
mit symmetrischen Bipolartransistoren Q1 und Q3 als Stellglied.
Das gesamte Regelsystem besteht aus einem Spannungsteiler R1 und
Q1, einer Gleichspannungs(DC)-Entkopplung C1 und C2, einem Verstärker X1
mit einem Widerstand R4 zur Arbeitspunkteinstellung, einem Gleichrichter,
wenigstens einem Zeitglied zur Bestimmung der Ansprech- und Abfallzeit des
Reglers und dem Stellglied, bestehend aus zueinander komplementären bzw.
symmetrischen Bipolartransistoren Q1 und Q3. Der erste Transistor
Q1 wird regelmäßig zur
Entkopplung und zur Reduktion von Klirrprodukten über einen
Emitterfolger Q2 angesteuert. Es kann auch eine Zehnerdiode zwischen dem
Emitter Q2 und der Basis Q1 geschaltet werden.
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Der
zweite Transistor Q3 wird mit einer invertierten Regelspannung über ein
Invertierungsglied *-1 angesteuert. Die invertierte Regelspannung
kann mittels eines invertierenden Verstärkers oder eine Stromspiegelung
und zusätzlichen
Zeitgliedern erzeugt werden. Durch die komplementäre Anordnung NPN//PNP
des Stellglieds wird die Gleichspannung an den Kollektoren der einzelnen
Transistoren Q1 und Q3 kompensiert und die Mitkopplung des Reglersystems
ausgeschlossen. Dieser Effekt wird später anhand der 3c und 4c näher erläutert.
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Desweiteren
verringert sich bei dem beschriebenen Regelverstärker der Klirrfaktor um etwa 10
db, wie in 7 dargestellt ist, wodurch sich
ein nutzbarer Dynamikgewinn von etwa 10 db ergibt. Durch Hinzufügen von
Widerständen
R5 und R6 in die Regelschleifen vor den Transistoren Q2 und Q4 werden
Parameterschwankungen der Transistoren Q2 und Q4 ausgeglichen. Durch
Abgleich einer Stellspannung können
darüber
hinaus geradzahlige Klirrprodukte auf ein Minimum reduziert werden.
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2 zeigt
einen ähnlichen
Aufbau wie der Regelverstärker
in 1, jedoch besteht das Stellglied lediglich aus
einem einzigen Transistor Q1. Eine wie in 2 dargestellte
Regelschaltung kommt in vielen preiswerten Audiogeräten zum
Einsatz. Eine solche Schaltung hat jedoch den Nachteil, daß das Audiosignal
am Kollektor von Q1 nur sehr klein – typischerweise 10 mV – sein darf,
um die Verzerrung in Grenzen – z.B.
1% – zu
halten. Dieser kleine Signalpegel bestimmt die Dynamik des gesamten
Audiosystems. Ein weiterer Nachteil derartiger Schaltungen ist,
daß sich
am Kollektor von Q1 eine überlagerte
Gleichspannung einstellt, deren Größe umgekehrt proportional zum
Strom durch Q1 ist. Setzt nun der Regelvorgang ein, so verringert
sich die Gleichspannung mit zunehmendem Stromfluß durch Q1. Dies führt bei
Vollweggleichrichtung zu einer Mitkopplung des Regelsystems und
verschlechtert das Einschwingverhalten des Reglers beträchtlich
-siehe 3a und 4a. Aus
diesem Grund wird üblicherweise
nur eine Einweggleichrichtung benutzt, deren Verhalten in 3b und 4b dargestellt
ist.
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3a und
in Ausschnittsvergrößerung 4a zeigen
in Diagrammdarstellung das Einschwingverhalten der bekannten Regelschaltung nach 2 bei
Zweiweggleichrichtung. Es ist hierbei deutlich zu erkennen, daß bedingt
durch den Offsetsprung am Kollektor des Stelltransistors Q1 eine
Mitkopplung des Regelsystems erfolgt und somit diese Schaltungskonfiguration
praktisch unbrauchbar ist.
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3b und
in Ausschnittsvergrößerung 4b zeigen
in Diagrammdarstellung das Einschwingverhalten der bekannten Regelschaltung nach 2 bei
Einweggleichrichtung. Diese Regelschaltung ist weit verbreitet und
kommt insbesondere in preisgünstigen
Audiogeräten
zum Einsatz. Nachteilig ist jedoch, daß bedingt durch den Offsetsprung des
Stelltransistors Q1 sich eine überlagerte
Gleichspannung zeigt, die für
den Gleichrichter gleichbedeutend mit einer sehr viel höheren Signalspannung ist.
Daher liefert der Gleichrichter eine wenn nicht zu hohe, so doch
beträchtliche
Ausgangsspannung an die Zeitglieder, was dazu führt, daß das Stellglied mit einem
zu hohen Stellsignal beaufschlagt wird. Dies führt – untechnisch ausgedrückt – zu einem "Verschlucken" des Regelverstärkers. Wie
aus 3b ersichtlich, hat sich der Regelverstärker erst
nach 175 mSek erholt, was durch die Abfallzeit des Regelverstärkers bedingt
ist. Das "Verschlucken" des Regelverstärkers kann
durch eine größere Ansprechzeitkonstante
verhindert werden, was jedoch ein schnelles Ansprechen – welches
regelmäßig gewünscht ist – verhindert.
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3c und
in Ausschnittsvergrößerung 4c zeigen
in Diagrammdarstellung das Einschwingverhalten der erfindungsgemäßen Regelschaltung
nach 1 bei Zweiweggleichrichtung. Durch die symmetrische
Anordnung der Transistorstellglieder Q1 und Q3 wird die Offsetspannung
an den Kollektoren der Stelltransistoren Q1 und Q3 kompensiert.
Der Gleichrichter kann nun in Vollwegschaltung arbeiten, ein wie
in 3b und 4b gezeigtes "Verschlucken" des Regelverstärkers ist
ausgeschlossen. Der gesamte Einschwingvorgang ist bereits nach 20
mSek abgeschlossen.
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Somit
ist durch die in 1 gezeigte Regelschaltung ein
schnelles Ansprechen der Regelung zur Vermeidung von Übersteuern
realisiert, und auch ein langsames Abfallen der Regelung, was regelmäßig zur
Kompression des Audiosignals führt,
kann vermieden werden.
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5 zeigt
den Klirrfaktor der Regelschaltung nach 2 nach Einschwingen
des Reglers bei Einweggleichrichtung.
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6 zeigt
den Klirrfaktor des eingeschwungenen Reglers nach 2 bei
Zweiweggleichrichtung.
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7 zeigt
den Klirrfaktor des eingeschwungenen, erfindungsgemäßen Reglers
nach 1 bei Zweiweggleichrichtung. Der Klirrfaktor 3K
ist bei der Regelschaltung nach 1 um ca.
den Faktor 3 kleiner als bei der Regelschaltung nach 2. Auch
der Klirrfaktor 2K ist bei der Regelschaltung nach 1 deutlich
geringer als bei der Einweg- bzw. Zweiweggleichrichtung der Regelschaltung
nach 2.
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Zusammenfassend
läßt sich
mit der Regelschaltung nach 1 ein erheblich
schnelleres Einschwingen als bei bisher bekannten preiswerten Regelschaltungen
erreichen, wodurch die Regelschaltung nach 1 unter
anderem auch als preiswerter Hubbegrenzer nach ETSI geeignet ist.
Der Klirrfaktor wird deutlich verringert und es wird eine um mehr
als 10 db größere Dynamik
im Vergleich zu bisher bekannten Regelschaltungen erreicht. Der
Mehraufwand an Material und Bestückung
bei der Regelschaltung nach 1 gegenüber der
Regelschaltung nach 2 fällt demgegenüber kaum
ins Gewicht und wird durch die Qualitätsverbesserung des Reglers überkompensiert.