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Elektronische Schaltungsanordnung zur Leistutlgsvelstarkung Die Erfindung
betrifft eine elektronische Schaltungsanordnung zur Verstärkung zeitlich beliebig
verlaufender Spannungen und/oder Ströme mittels mehrerer gekoppelter Verstärkerschaltungen.
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In der Leistungselektronik benutzt man zur Erzielung hoher Ausgangsleistungen
in zunehmendem Maße Leistungstransistoren für die Endstufen von Verstärkern. Der
Einsatz dieser Transistoren ist dabei jedoch von zwei wichtigen Umständen eingeengt:
Sie erlauben keine hohe Betriebsspannung und
sind durch die Verluste
des Verstärkungsvorganges selbst einer zu großen, schädlichen Erwärmung unterworfen.
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Dieser Nachteil sei an dem Verstärkungsbeispiel einer reinen Sinusfrequenz
erläutert: Werden in einem Koordinatensystem mit den Einteilungen von Co ... 9Q
Phasenwinkel auf der Abszisse als Zeitablauf und den Ausgangsspannungen auf der
Ordinate die jeweiligen Punkte eingetragen (siehe Fig. 3), so entsteht im angenommenen
Verstärkungsbeispiel der aufsteigende Ast der Sinuslinie. Zwischen dieser und der
Nullinie liegt die die Nutzleistung verkörpernde Fläche,oberhalb der Sinuslinie,
einem großen Dreieck ähnlich, die die Leistungsverluste verkörpernde Fläche. Da
beide Flächen auch gegeben sind, wenn statt der Ausgangsspannung der Ausgangsstrom
eingetragen wird, so geben beide Flächen die Größen der Leistung an. Daraus ergibt
sich, daß die Verlustleistung in einem Verstärker nur wenig geringer ist als die
Nutzleistung (ca. 40 % : 60 %). Diese enormen, unvermeidbaren Leistungsverluste
müssen vom Transistor durch Wärmeerzeugung vernichtet werden, weshalb er für den
Einsatz als Leistungsverstärker nur beschränkt verwendbar ist.
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Die Leistungselektronik der Starkstromtechnik die z. B.
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nur konstant 50 Hz mit einer hohen Leistung erzielen will,
verwendet
Halbleiter in Gestalt von Thyristoren in sog.
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Treppenstufen-Generatoren. Bei dieser Methode ist aber die Ausgangsleistung
trotz eines großen Schaltungsaufwandes mit hohen Oberwellenanteilen behaftet, die
im Verbraucher oft untragbar sind. Dieser Spezialfall, der im Prinzip keine Verstärkung
darstellt, ist hier nur der Vollständigkeit wegen erwähnt.
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Nun weist aber die geringe Spannungsbelastbarkeit der Transistoren
darauf hin, diese kaskadenartig in Serie zu schalten, was auch schon verschiedentlich
erfolgte. Aber auch diese Einsatzart wurde nur selten benutzt, weil damit die Erwärmungsprobleme
nicht beseitigt wurden und außerdem noch die Probleme der Ansteuerung der sich auf
verschiedenen Potentialen befindenden Transistoren hinzukamen.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung
der eingangs genannten Art zu schaffen, mit der es möglich ist, unter Verwendung
billiger, mit niedriger Kollektorspannung arbeitender Transistoren eine hohe Ausgangsleistung
und/oder hohe Ausgangsspannung zu erzielen, wobei insbesondere ein guter Wirkungsgrad
der Schaltungsanordnung selbst gewährleistet und die Steuerspannung möglichst formgetreu
verstärkt werden soll.
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Erreicht wird dies erfindungsgemäß dadurch, daß die positiven und
negativen Zweige mehrerer Gegentakt-B-Verstärker mit jeweils eigener Stromversorgung
kaskadenartig übereinandergeschaltet sind und daß jeweils ein Teil der Kollektor-Emitter-Spannung
jeder Verstärkerstufe auf die Basis der nächst höheren Verstärkerstufe desselben
Zweites geschaltet ist.
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Man erreicht dadurch nicht nur eine formgetreue Verstärkung der Steuerspannung
sondern auch einen annähernd verlustfreien Verstärkungseffekt in der Schaltungsanordnung
selbst.
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Besonders wichtig dabei ist aber, daß billige Transistoren verwendet
werden können, die mit niedriger Sperrspannung arbeiten. Auf diese Weise können
mit einer entsprechenden Anzahl von Verstärkerstufen beliebig hohe Ausgangsleistungen
und -spannungen erzielt werden.
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Zweckmäßig ist es dabei, die einzelnen Verstärkerstufen durch Abgriffe
eines gemeinsamen Netztransformators zu speisen, deren Abstände dem jeweiligen Steilheitsgrad
des zugeordneten Steuerspannungsabschnittes bzw. der Zeit des Durchsteuervorganges
der betreffenden Verstärkerstufe angepaßt sind.
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Man erreicht dadurch auf einfache Weise eine optimale Anpassung
der
Schaltungsanordnung an den zu verstärkenden Spannungsverlauf und eine weitere Reduzierung
der Leistungsverluste in den einzelnen Verstärkerstufen.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin,
daß der zum Aufteilen der Kollektor-Emitter-Spannung in den einzelnen Zweigen der
Verstärkerstufen vorgesehene Spannungsteiler jeweils aus einem Ohm'schen Festwiderstand
und einer Zenerdiode besteht, wodurch gleichzeitig eine Begrenzung der Sperrspannung
der jeweils nächst höheren Stufe erzielt wird, um den jeweiligen Transistor der
nächst höheren Stufe vor Überlastung zu schützen.
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Um selbst bei hoher Spannung am Verbraucherwiderstand den positiven
und negativen Verstärkerzweig spannungsmäßig sicher voneinander zu trennen, ist
es weiterhin vorteilhaft, wenn jeweils an den Fußpunkten der ubereinandergeschalteten
Gegentaktverstärkerzweige in Reihe mit dem Verbraucher ein Thyristor geschaltet
ist, der ebenfalls von der Steuerspannung gesteuert wird.
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Zur Erzeugung der Steuerspannungen ist jedem Zweig jeder Verstärkerstufe
eine Sekundärwicklung eines Steuertransformators zugeordnet, damit auch die positiven
und negativen Potentiale der Steuerspannung unabhängig voneinander den positiven
und negativen Zweigen der einzelnen Verstärkerstufen getrennt und ohne störende
gegenseitige
Beeinflussung zugeführt werden.
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Eine weitere vorteilhafte und zweckmäßige Ausgestaltung der Erfindung
besteht darin, daß der Steuerspannung zumindest der jeweils niedrigsten Verstärkerstufe
sowohl des positiven als auch des negativen Zweiges eine positive bzw. negative
gleichgerichtete Vorspannung überlagert wird.
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Man erreicht dadurch eine Überbrückung der Ansprechverzögerung der
einzelnen Transistoren und somit eine nahtlose, stetige und formgerechte Verstärkung
der Steuerspannung, insbesondere im Nullbereich.
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Während es grundsätzlich möglich ist, diese gleichgerichtete Vorspannung
durch eine entsprechende Schaltungsanordnung von der Steuerspannung abzuleiten,
ist es doch vorteilhafter, diese Vorspannung von der Speisespannung des Netzteiles
abzuleiten.
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Anhand der Zeichnung wird nun im folgenden die Erfindung näher erläutert.
Es zeigt: Fig. 1 einen erfindungsgemäßen dreistufigen Gegentakt-B-Verstärker, Fig.
2 eine Schaltungsanordnung zur Erzeugung einer Vorspannung im positiven Zweig der
niedrigsten Verstärkerstufe, Fig. 3 den positiven ansteigenden Ast einer Sinus-Ausgangsspannung
in
einem Zeit-Spannungsdiagramm einer insgesamt zehnstufigen erfindungsgemåßen Schaltungsanordnung.
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Fig. i zeigt das Sehaltungsprinzip einer insgesamt dreistufigen Verstärkerschaltungsanordnung,
bei welcher die einzelnen Stufen I, II und III jeweils aus einem Gegentakt-B-Verstärker
gleicher Art bestehen. Dabei besteht jeder positive Verstärkerzweig aus einem NPN-Transistor
T, einem Gegenkopplungswiderstand RG, einem Emitter-Widerstand RE sowie aus einer
Steuerficklung SW1, SW2 und SW3.
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Die negativen Zweige der einzelnen Verstärkerstufen bestehen jeweils
aus einet PNP-Transistor T', einem Gegenkopplungswiderstand RG' einem Emitter-Widerstand
RE' und aus einer Steuerwicklung SW1', SW2', SW3' Gespeist werden diese einzelnen
Verstarkerstuçen von einem Spar-Transformator ST, welcher drei Abgriffe Al, A2 und
A3 aufweist und der seinerseits an eine Netz-Wechselspannung von 220 Volt angeschlossen
ist.
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Die Kollektor-Emitter-Speisespannung wird jeweils an Ladekondensatoren
Ci, C2, C3 bzw. Ci', C2', C3' über Trenndioden TD bzw. TD' abgenommen.
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Die Kopplung der einzelnen Verstärkerstufen erfolgt durch
Teilung
der Kollektor-Emitter-Spannungen der einzelnen Stufen mittels Spannungsteilern,
die jeweils aus einem Festwiderstand RZ und einer Zenerdiode ZD im positiven Zweig
bzw. RZ' und ZD' im negativen Zweig bestehen und jeweils auf die Basis des Transistors
T bzw. T' der nächst höheren Stufe II bis III ... geschaltet sind.
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An den Fußpunkten der beiden Verstärkerschaltungszweige befinden sich
jeweils Thyristoren S, S', welche von Steuerwicklungen SWS bzw. SWS' des auch die
Steuerwicklungen SW1, SW2, SW3 und SWl', SW2', SW3' enthaltenden Steuertransformators
gesteuert werden. Durch diese Thyristoren S und S' sind die beiden positiven und
negativen Zweige der gesamten Schaltungsanordnung voneinander getrennt.
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Sie sind gemeinsam an den Verbraucher RV angeschlossen, dessen zweiter
Pol am Null-Potential des Spar-Transformators ST liegt.
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Zur Erklärung der Funktionsweise dieser in Fig. 1 dargestellten Schaltungsanordnung
sei angenommen, es handle sich um die Verstärkung einer reinen Sinusspannung, die
auf 360 Volt verstärkt werden soll, und es handle sich um einen insgesamt zehnstufigen
Gegentakt-B-Verstärker mit zehn Verstärkerstufen I bis X. Anhand der Fig. 3 ist
erkennbar, daß die Kollektor-Exitter-Speisespannung
der Verstärkerstufen
I bis VIII jeweils gleich groß sind und 40 Volt betragen. Diese Verstärkerstufen
I bis VIII sind dem steileren Teil des Spannungsverlaufes zugeordnet, während die
beiden obersten Verstärkerstufen IX und X jeweils 20 Volt Sollektor-Emitter-Speisespannung
aufweisen und dem flacher werdenden Teil des Spannungsverlaufes zugeordnet sind.
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Ausgehend vom Beginn der positiven Sinus-Haibwelle, bei dem noch alle
Transistoren T des positiven Zweiges mit Ausnahme desjenigen der niedrigsten Stufe
I gesperrt sind, wird zunächst der Transistor T der Verstärkerstufe I proportional
zur steigenden Steuerspannung durchgeschaltet, so daß dessen Sollektor-Emitter-Spannung
voll am Verbraucherwiderstand RV wirksam wird. Sobald der Transistor T der Verstärkerstufe
I voll durchgeschaltet ist, ist am Punkt Pl des Spannungsteilers RZ-ZD das den Transistor
T der zweiten Verstärkerstufe II sperrende negative Potential aufgehoben, so daß
bei weiter steigender Steuerspannung in der Wicklung SW2 auch der Transistor T der
zweiten Verstärkerstufe II proportional zur steigenden Steuerspannung durchgeschaltet
wird und danach am Verbraucher RV die Ausgangsspannung von 80 Volt anliegt. Sobald
der Transistor T der zweiten Verstärkerstufe II durchgeschaltet ist, ist dann auch
am Abgriffspunkt P2 des Spannungsteilers RZ-ZD der zweiten Verstärkerstufe II wiederum
die negative Sperrspannung aufgehoben, so daß bei weiter
steigender
Steuerspannung die Durchsteuerung des Transistors T der dritten Verstärkerstufe
III erfolgt usw.
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Sobald auch die zehnte Verstärkerstufe X (Fig. 3) voll durchgeschaltet
hat, herrscht am Verbraucher die volle Spannung von 360 Volt, wobei noch zu erwähnen
ist, daß gleichzeitig mit Beginn der positiven Steuerspannungshalbwelle auch der
Thyristor S geöffnet wurde. Während des absteigenden Teiles der ersten positiven
Halbwelle werden dann in analoger Weise von oben nach unten die einzelnen Verstärkerstufen
X bis I nacheinander wieder abgeschaltet. Mit Beginn der negativen Halbwelle werden
dann nacheinander die einzelnen Verstärkerstufen im negativen Zweig auf analoge
Weise durchgeschaltet, wobei dann im Nulldurchgang der Thyristor S gesperrt und
gleichzeitig der Thyristor S' geöffnet wird.
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Die schraffierten Dreiecksflä.chen der Fig. 3 stellen dabei die Leistungsverluste
in den einzelnen Verstärkerstufen dar. Sie sind - wie leicht erkennbar ist - sehr
gering im Vergleich zu den jeweils darüber liegenden Rechtecksflächen, die den Verlusten
der bekannten Verstärkerschaltungen mit entsprechender Ausgangsleistung entsprächen.
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Zur Vermeidung einer Durchschaltverzögerung, die insbesondere
bei
der niedrigsten Verstärkerstufe 1 wichtig ist ist in Fig. 2 eine Schaltungsanordnung
zur Erzeugung einer Basis-Emitter-Vorspannung dargestellt, bei der diese Vorspannung
aus der Steuerspannung der Steuerwicklung SW abgeleitet wird. Dic Schaltung besteht
aus einem Einweg-Gleichrichter G1 mit Spannungsteiler St, einem Überbrückungskondensator
CD und einem Ladekondensator CL.
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Außerdem besitzt sie eine Steuerdiode DS.
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Diese Schaltungsanordnung kann selbstverständlich in jeder Verstärkerstufe
eingebaut sein. Um die Vorspannung jedoch unabhängig von der Steuerspannung erzeugen
zu können, ist es vorteilhaft und zweckmäßigs sie mit einer analogen Schaltung statt
von der Steuersicklung SW von einer nicht dargestellten Zusatzwicklung des Spar-Transformators
ST abzuleiten.
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Während es grundsätzlich möglich ist, die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung
mit beliebig vielen Verstärkerstufen zu versehen, wird man jedoch in der Praxis
die Anzahl der Steuerstufen unter Berücksichtigung wirtschaftlicher Gesichtspunkte
so wählen, daß die einzelnen Verstärkerstufen insgesamt eine den Erfordernissen
jeweils optimal angepaßte Formtreue des zu verstärkenden Spannungsverlaufes mit
den noch tragbaren aber an sich geringen Leistungsverlusten ergeben.
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Es ist selbstverständlich möglich, mit der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
nicht nur sinusförmige Steuerspannungen zu verstärken sondern auch jede andere zur
Verstärkung geeignete Spannungsform, wozu auch zerhackte Gleichspannungen gehören.