DE19947808A1 - Verstärkerschaltung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung beschreibt eine Verstärkerschaltung, vorzugsweise für Audiosignale, zum Betreiben eines Lautsprechers mit zwei Schwingspulen. Zur Erzeugung großer Ausgangsleistung bei kleiner Betriebsspannung und gutem Wirkungsgrad sowie geringem Schaltungsaufwand, wird in einem ersten Aussteuerungsbereich bis zu einem ersten Schwellenwert eine Konfiguration der Schwingspulen in Reihe vorgenommen. Steigt die Ansteuerung über den ersten Schwellenwert bis zu einem zweiten Schwellenwert, wird nur eine der Schwingspulen mit einer Brückenendstufe der Verstärkerschaltung betrieben. Bei weiterer Steigerung der Aussteuerung in einen dritten Aussteuerungsbereich wird jede der Schwingspulen mit einer gesonderten Brückenendstufe der Verstärkerschaltung betrieben. DOLLAR A Die erfindungsgemäße Verstärkerschaltung reduziert die Verlustleistung. Bevorzugt kann die nur im dritten Aussteuerungsbereich betriebene Schwingspule vereinfacht aufgebaut sein.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Verstärkerschaltung zum Betreiben eines Lautsprechers.

Speziell bei Autoradio-Verstärkern ist es schwierig, hohe Ausgangsleistungen zu erzielen. Normale Brückenendstufen liefern an eine Lautsprecherlast von beispielsweise 4 Ohm eine Leistung von höchstens etwa 20 Watt bei einem Klirrfaktor, der 1% nicht überschreiten soll. Es sind mehrere Möglichkeiten denkbar, die Ausgangsleistung zu erhöhen. Dabei ist jedoch zu beachten, daß die Verlustleistung begrenzt bleibt.

Sogenannte Klasse-G-Verstärker enthalten ein Schaltnetzteil, dessen Ausgangsspannung entsprechend der geforderten Ausgangsleistung dieses Verstärkers gesteuert wird. Bei kleiner Ausgangsleistung ist dadurch die Betriebsspannung des Klasse-G-Verstärkers klein, während sie bei großer Ausgangsleistung entsprechend größer wird. Es zeigt sich jedoch, daß derartige Klasse-G-Verstärker große elektrische und magnetische Störungen hervorrufen, die vom Schaltnetzteil herrühren. Der Wirkungsgrad derartiger Klasse-G- Verstärker liegt allerdings höher als bei den vorgenannten, normalen Brückenendstufen.

Sogenannte Klasse-H-Verstärker schalten während eines Signals vom normalen Brückenbetrieb auf eine etwa verdoppelte Betriebsspannung um, falls eine große Ausgangsleistung gefordert wird. Diese etwa doppelte Betriebsspannung wird durch zuvor aufgeladene, große Kondensatoren, vorzugsweise Elektrolytkondensatoren, bereit gestellt. Auf diese Art kann eine Leistung von etwa 30 Watt an eine Lautsprecherlast von 8 Ohm oder von etwa 55 Watt an eine Lautsprecherlast von 4 Ohm geliefert werden. Der Wirkungsgrad ist bei Klasse-H-Verstärkern sehr hoch, wenn mit Musiksignalen ausgesteuert wird. Jedoch bilden die großen Kondensatoren einen erheblichen Nachteil, da sie viel Platz beanspruchen und einen hohen Schaltungs- und konstruktiven Aufwand darstellen.

Höhere Ausgangsleistungen können auch durch Verwendung von Lautsprechern mit kleinerer Impedanz erzielt werden. Beispielsweise wird die Ausgangsleistung verdoppelt, wenn bei unveränderter Ausgangsspannung anstelle einer Lautsprecherlast von 4 Ohm eine solche von nur zwei Ohm verwendet wird. Damit wäre im vorgenannten Fall einer normalen Brückenendstufe eine Ausgangsleistung von etwa 40 Watt erreichbar. Von Nachteil ist dabei allerdings, daß der Wirkungsgrad von Lautsprechern mit einer Impedanz von 2 Ohm geringer ist als derjenige von Lautsprechern mit einer Impedanz von 4 Ohm, und daß vor allen Dingen die Verlustleistung in der Brückenendstufe verdoppelt wird. Durch weitere Verringerung der Lautsprecherimpedanz kann zwar die Ausgangsleistung weiter erhöht werden, jedoch steigt auch die Verlustleistung. Besonders schwer handhabbar ist die Verlustleistung in einem in einer integrierten Schaltungsanordnung aufgebauten Verstärker.

Eine weitere Möglichkeit zur Steigerung der Ausgangsleistung bei geringer Verlustleistung besteht in der Verwendung von sogenannte Klasse-D-Endstufen, bei denen das Eingangssignal einen Pulsweitenmodulator ansteuert. Theoretisch erreicht der Wirkungsgrad bei solchen Klasse-D-Endstufen 100%, da hierbei die Ausgangstransistoren nur geschaltet werden, d. h. entweder hochohmig oder eher niederohmig sind und damit theoretisch keine, in der Praxis nur eine sehr geringe Verlustleistung aufweisen. Jedoch besteht der Nachteil solcher Klasse-D-Endstufen in ihrem relativ hohen Klirrfaktor bei hohen Eingangsfrequenzen und in den großen elektromagnetischen Störungen, welche durch großen Bauteileaufwand weggefiltert werden müssen.

Aus dem deutschen Gebrauchsmuster G 66 06 221.3 ist ein Autorundfunkempfänger mit einer eisenlosen Transistorendstufe bekannt, bei der die Schwingspule des Lautsprechers direkt an den Ausgang der Transistorendstufe angeschlossen ist. Dieser Autorundfunkempfänger weist eine Schalteinrichtung zur Anpassung der Betriebsspannung an das Bordnetz eines Kraftfahrzeuges auf. Die Schwingspule des Lautsprechers ist in zwei gleiche Wicklungen aufgeteilt, die als Parallelwicklungen gewickelt sind. Die Wicklungsenden der Wicklungen sind zu einer Umschalteinrichtung geführt, durch welche in einer Schaltstellung die beiden Wicklungen in Reihe und in einer anderen Schaltstellung die beiden Wicklungen parallel schaltbar sind. Dadurch wird eine Impedanzanpassung erreicht, die zum Anpassen eines derartigen Autorundfunkempfängers wahlweise an ein Bordnetz mit einer Spannung von 6 Volt als auch an ein solches mit einer Spannung von 12 Volt geeignet ist. Das Umschalten der Lautsprecher- Schwingspulen erfolgt statisch, d. h. beim Anschluß des Autoradios wird ein Stecker eingesteckt, so daß die Schwingspulen parallel oder in Reihe geschaltet sind. Eine spezielle Ausbildung für die Verarbeitung hoher Ausgangsleistungen besteht nicht.

Die Erfindung hat die Aufgabe, eine Verstärkerschaltung zum Betreiben eines Lautsprechers zu schaffen, die eine Erzeugung großer Ausgangsleistungen bei kleiner Betriebsspannung mit gutem Wirkungsgrad und geringem Schaltungsaufwand ermöglicht.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch eine Verstärkerschaltung mit zwei Brückenendstufen zum Betreiben eines Lautsprechers mit zwei Schwingspulen,

• - die bei einem Augenblickswert der dem Lautsprecher zugeführten Leistung unterhalb eines ersten Schwellenwertes von einer der Brückenendstufen der Verstärkerschaltung in Reihenschaltung betrieben werden,
• - von denen bei einem Augenblickswert der dem Lautsprecher zugeführten Leistung oberhalb des ersten Schwellenwertes und unterhalb eines zweiten Schwellenwertes, der größer ist als der erste Schwellenwert, eine Schwingspule von einer der Brückenendstufen der Verstärkerschaltung betrieben wird und
• - die bei einem Augenblickswert der dem Lautsprecher zugeführten Leistung oberhalb des zweiten Schwellenwertes beide von je einer der Brückenendstufen der Verstärkerschaltung betrieben werden.

Der Grundgedanke der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß bei Wiedergabe üblicher Musikdarbietungen durch einen Autoradio-Verstärker bzw. allgemein durch eine Verstärkerschaltung der mittlere Leistungspegel nur etwa 1/9 des maximalen Leistungspegels beträgt. Das bedeutet, daß die mittlere Ausgangsleistung bei einer Verstärkerschaltung, die eine Ausgangsleistung von 40 Watt maximal aufweist, lediglich etwa 4,5 Watt beträgt. Eine Leistung dieser Größenordnung kann leicht von einem Brückenverstärker an eine Lautsprecherlast von 8 Ohm geliefert werden, wobei entsprechend niedrige Verlustleistungen auftreten. In diesem Betriebsfall werden die beiden Schwingspulen des Lautsprechers, der als Doppelschwingspulenlautsprecher ausgebildet ist, in Reihe geschaltet. Bis zu einer Ausgangsleistung, die dem ersten Schwellenwert entspricht, der beispielsweise bei ca. 8 Watt liegt, können die Schwingspulen in dieser Weise in Serie geschaltet bleiben.

Wird dagegen die Verstärkerschaltung mit einer höheren Leistung ausgesteuert, kann beim Ansteigen des Augenblickswert der Leistung die Konfiguration der Brückenendstufen umgeschaltet werden, so daß jetzt eine der Schwingspulen an eine der Brückenendstufen geschaltet ist und somit eine höhere Ausgangsleistung erreicht wird. Beispielsweise sind damit etwa 20 Watt erreichbar.

Steigt der Augenblickswert der dem Lautsprecher zu liefernden Leistung noch weiter an, wird erfindungsgemäß die Konfiguration der Brückenendstufen noch einmal umgeschaltet. Es wird jetzt die zweite Brückenendstufe hinzugeschaltet und dann je eine der Schwingspulen von je einer der Brückenendstufen betrieben. Dadurch wird eine Gesamtleistung erreichbar, die dem Doppelten der voraufgehenden Konfiguration entspricht, beispielsweise also etwa 40 Watt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im nachfolgenden näher beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 eine schematische Darstellung der Schwellenwerte relativ zu einer einem Lautsprecher zuzuführenden Wechselspannung,

Fig. 2 die drei Konfigurationen einer erfindungsgemäßen Verstärkerschaltung und

Fig. 3 blockschematisch eine Ausführung gemäß der Erfindung.

Fig. 1 zeigt beispielhaft eine sinusförmige Ausgangsspannung UA einer erfindungsgemäßen Verstärkerschaltung. Der Augenblickswert der Ausgangsspannung UA durchläuft mehrere Wertebereiche, die mit den Bezugszeichen A, B und C bezeichnet sind. Im ersten Wertebereich A, auch als erster Aussteuerungsbereich bezeichnet, ist der Augenblickswert der Ausgangsspannung UA betragsmäßig kleiner als ein erster Schwellenwert S1. Im ersten Aussteuerungsbereich A sind die beiden Schwingspulen des Lautsprechers, der mit der Ausgangsspannung UA angesteuert wird, in Reihe geschaltet und werden von einer Brückenendstufe gespeist.

Eine derartige Konfiguration zeigt Fig. 2a). Darin besteht die Brückenendstufe aus einem nicht invertierenden Verstärker 1 und einem invertierenden Verstärker 2, die von derselben Eingangsspannung angesteuert werden und an ihren Ausgängen gegenläufige Spannungen zur Aussteuerung der beiden Schwingspulen 4, 5 des Lautsprechers 3 liefern. Wenn die Impedanz jeder der Schwingspulen 4, 5 einen Wert von 4 Ohm aufweist, beträgt die resultierende Impedanz des Lautsprechers 3 in dieser Betriebsart 8 Ohm.

Übersteigt der Augenblickswert der Ausgangsspannung UA betragsmäßig den ersten Schwellenwert S1, nimmt die erfindungsgemäße Verstärkerschaltung eine Konfiguration an, die in Fig. 2b) schematisch dargestellt ist. Der Augenblickswert der Ausgangsspannung UA ist dabei betragsmäßig noch kleiner als ein zweiter Schwellenwert S2 und befindet sich damit in einem zweiten Aussteuerungsbereich B. In diesem Fall ist an die Ausgänge der Verstärker 1, 2 lediglich die zweite Schwingspule 5 des Lautsprechers 3 angeschlossen. Die Lautsprecherlast weist daher eine Impedanz von 4 Ohm auf.

Im dritten Betriebsfall übersteigt der Augenblickswert der Ausgangsspannung UA betragsmäßig den zweiten Schwellenwert S2 und befindet sich damit im dritten Aussteuerungsbereich C. Erfindungsgemäß wird jetzt in die Konfiguration gemäß Fig. 2c) umgeschaltet. Darin wird von dem ersten nicht invertierenden Verstärker 1 und dem ersten invertierenden Verstärker 2 die zweite Schwingspule 5 gespeist. Von einem zweiten nicht invertierenden Verstärker 6 und einem zweiten invertierenden Verstärker 7, die gemeinsam eine zweite Brückenendstufe bilden, wird die erste Schwingspule 4 des Lautsprechers 3 gespeist. In jedem Fall bilden die Verstärker 1, 2 eine erste Brückenendstufe.

Die Umschaltung zwischen den drei Konfigurationen geschieht erfindungsgemäß dynamisch durch die Veränderung des Augenblickswertes der Ausgangsspannung UA bzw. entsprechend der Ausgangsleistung.

In der Schaltungsanordnung nach Fig. 3 ist mit dem Bezugszeichen 8 ein Eingangsanschluß bezeichnet, über den ein Eingangssignal einer Verstärkerschaltung 9, die erfindungsgemäß ausgebildet ist, zugeführt wird. Darin sind bereits beschriebene Elemente wieder mit denselben Bezugszeichen versehen. Das Eingangssignal vom Eingangsanschluß 8 gelangt über einen Eingangspuffer 10, eventuell mit einer Signalverstärkung an vier Verstärkungseinsteller 11, 12, 13 bzw. 14 und außerdem an eine Konfigurationskontrollschaltung 15. In der Konfigurationskontrollschaltung 15 wird in Abhängigkeit von einem Vergleich des Augenblickswertes der zugeführten Spannung mit den ersten und zweiten Schwellenwerten S1, S2 eine Entscheidung und Steuerung darüber vorgenommen, in welcher Weise die Verstärker 2, 6 sowie die Verstärkungseinsteller 11, 12, 13, 14 geschaltet werden sollen. Dies geschieht über Leitungen 16 bzw. 17. Zum Zwecke der Erzeugung der Schwellenwette S1, S2 wird der Konfigurationskontrollschaltung 15 auch die Versorgungsspannung für die gesamte Verstärkerschaltung 9 über einen Anschluß 18 zugeführt. Von der Konfigurationskontrollschaltung 15 wird über eine weitere Leitung außerdem ein Schalter 20 entsprechend dem durch die Spannung erreichten Aussteuerungsbereich geschaltet.

Die Konfigurationskontrollschaltung 15 kann außerdem eine Detektorschaltung enthalten, welche mit dem Bezugszeichen 21 versehen ist und die Betriebsspannung überwacht, um beispielsweise bei zu niedriger Betriebsspannung die Schwellenwerte S1, S2 auf niedrigere Werte umzuschalten. Dadurch wird ein zu frühzeitiges Umschalten in die Betriebskonfigurationen für höhere Aussteuerungen vermieden. Wahlweise kann dieses Umschalten der Schwellenwerte S1, S2 auch durch einen sogenannten Clip-Detektor in einer Eingangsstufe der Konfigurationskontrollschaltung 15 vorgenommen werden, in der der Augenblickswert der vom Eingangspuffer 10 gelieferten Spannung detektiert wird.

Im Wertebereich A werden durch die Konfigurationskontrollschaltung 15 lediglich die Verstärker 1 und 7 eingeschaltet. Der Schalter 20 wird in die dargestellte Schaltstellung umgeschaltet und die Verstärkungseinsteller 11 und 13 werden auf eine Verstärkung von 1 eingestellt. Die Verstärker 6 und 2 werden im Wertebereich A nicht benutzt und daher hochohmig geschaltet. Dies ist insbesondere für den Verstärker 2 wichtig, da sonst an die erste Schwingspule 4 ein falsches Signal gelangt.

Im Wertebereich B werden von der Konfigurationskontrollschaltung 15 die Verstärker 1 und 2 eingeschaltet. Der Schalter 20 verbleibt in der nicht dargestellten Schaltstellung, und die Verstärker 6, 7 werden hochohmig geschaltet. Die Verstärkungseinsteller 11 und 14 werden auf eine Verstärkung von jeweils -1,5 dB eingestellt, um die gleiche Ausgangsleistung wie beim Betrieb im Aussteuerungsbereich A zu erreichen. Dies ist nötig, da jetzt der doppelte Ausgangsstrom fließt.

Im dritten Aussteuerungsbereich C werden von der Konfigurationskontrollschaltung 15 die folgenden Einstellungen vorgenommen. Die Verstärker 1, 2, 6, 7 werden eingeschaltet. Der Schalter 20 wird in die nicht dargestellte Schalterstellung umgeschaltet. Die Verstärkungseinsteller 11, 12, 13, 14 werden auf eine Verstärkung -3 dB eingestellt. Dabei ist wichtig, daß alle Verstärkerzüge aus je einem Verstärkungseinsteller und je einem Verstärker 1, 11; 6, 12; 7, 13; 2, 14 übereinstimmende Verstärkungen aufweisen. Als beispielhafter Verstärkungswert kann beispielsweise eine Verstärkung von 23 dB eingestellt werden.

In der blockschematischen Darstellung der Fig. 3 sind Elemente der Verstärkerschaltung 9, die bevorzugt auf einem integrierten Halbleiterbaustein aufgebaut ist, nicht dargestellt, soweit sie nicht unmittelbar die vorliegende Erfindung betreffen. Dazu gehören Schalteingänge für Einschalten und Ausschalten, für Stummschalten sowie Anschlüsse für einen Mittenspannungskondensator, eine separate Signalmasse und Schaltzustands- Diagnose-Anschlüsse zum Anzeigen verschiedener Betriebsparameter wie Übertemperatur und Kurzschlüsse.

In einer Variation der erfindungsgemäßen Verstärkerschaltung können durch Betriebsartensteuerung bzw. interne Schutzschaltungen das Umschalten in den Aussteuerungsbereich C oder bei höheren Temperaturen auch in den Aussteuerungsbereich B verhindert werden, um die Verstärkerschaltung 9 vor Überhitzung und damit vor Beschädigung zu schützen. Dadurch wird gleichzeitig auch eine sich in unmittelbarer Umgebung der Verstärkerschaltung 9 befindliche Geräteanordnung geschützt, beispielsweise ein CD-Laufwerk.

Vorzugsweise wird die erfindungsgemäße Verstärkerschaltung in sogenannten aktiven Lautsprecheranordnungen eingesetzt, d. h. unmittelbar in räumlicher Anordnung zusammen mit dem Lautsprecher 3. Anderenfalls müßte ein wenigstens vieradriges Lautsprecherkabel Verwendung finden.

In einer weiteren Variation kann die erste Schwingspule 4 einfacher ausgebildet werden als die zweite Schwingspule 5, da sie bei normalen Musiksignalen nur selten und dann auch nur kurzzeitig im Aussteuerungsbereich C mit Strom beaufschlagt wird.

Um die Verzerrungen so gering möglich zu halten, sollten jedoch die Eigenschaften der Schwingspulen 4, 5 so identisch wie möglich ausgeführt werden.

Bevorzugt werden die Schwellenwerte S1, S2 in der Weise realisiert, daß beim Übergang der Spannung zwischen den Aussteuerungsbereichen A, B, C eine Hysterese auftritt. Dadurch werden Schwingungen an den Umschaltpunkten zwischen den Aussteuerungsbereichen vermieden.

Claims (1)

1. Verstärkerschaltung mit zwei Brückenendstufen zum Betreiben eines Lautsprechers mit zwei Schwingspulen,

   • - die bei einem Augenblickswert der dem Lautsprecher zugeführten Leistung unterhalb eines ersten Schwellenwertes von einer der Brückenendstufen der Verstärkerschaltung in Reihenschaltung betrieben werden,
   • - von denen bei einem Augenblickswert der dem Lautsprecher zugeführten Leistung oberhalb des ersten Schwellenwertes und unterhalb eines zweiten Schwellenwertes, der größer ist als der erste Schwellenwert, eine Schwingspule von einer der Brückenendstufen der Verstärkerschaltung betrieben wird und
   • - die bei einem Augenblickswert der dem Lautsprecher zugeführten Leistung oberhalb des zweiten Schwellenwertes beide von je einer der Brückenendstufen der Verstärkerschaltung betrieben werden.