DE2217781C3 - Elektronische Schaltungsanordnung zur Leistungsverstärkung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine elektronische Schaltungsanordnung zur Leistungsverstärkung zeitlich beliebig verlaufender Spannungen und oder Ströme mittels mehrerer gekoppelter Trans'Stor-Gegentaktverstäikerstufen mit jewt ils eigener Stromversorgung

In d r Leistungselektronik benutz: man /ur Erzielung hoher Ausgangsleistungen in zunehmendem Maße 1 eistungstransistoren fur du· Endstufen von Verstärkern. Der I insatz dieser Transistoren ist dabei jedoch von zwei wichtigen Umstanden eingeengt: sie erlauben keine hohe Betriebsspannung und sind durch die Verluste des Verstärkungsvorgariges selbst einer zu großen, schädlichen Erwärmung unterworfen.

Die I eistuneselektronik der Starkstromtechnik, die

z. B. nur konstant 5U Hz mit einer hohen Leistung erzielen will, verwendet Halbleiter in Gestalt von Thyristoren in sogenannten Treppenstufen-Generatorcp Bei dieser Methode ist aber die Ausgangsleistune trotz eines großen Schaltungsaufwandes mit hohen bberwellenanteilen behaftet, die im Verbraucher oft untragbar sind. Dieser Speziaifall, der im Prinzip keine Verstärkung darstellt, ist hier nur der Vollständigkeit wegen erwähnt.

ίο 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 Ervvärmungsprobleme nicht beseitigt wurden und außerdem noch die Probleme der Ansteuerung der sich auf verschiedenen Potentialen befindenden Transistoren hinzukamen.

Aus der L'S-PS 3 579 136 ist ein Leistungsverstärker bekannt, der bereits mehrere gekoppelte Gegentaktverstärkerstufen mit jeweils eigener Stromversorgung enthält. Durch in bestimmter Weise gewählte Speisespannungen der einzelnen Gegentaktstufen wird erreicht, daß mit steigender Eingangsspannung die einzelnen Stufen nacheinander wirksam werden, wobei die jeweils vorhergehende Stufe abgeschaltet wird. Dabei sind die positiven und negativen Zweige der einzelnen Gegentaktstufen untereinander parallel geschaltet. Nachteilig bei dieser Anordnung ist, daß die einzelnen Stufen zunehmend fur höhere Speisespannungen bemessen werden müssen.

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 KollekJorspannung arbeilendei Transistoren eine hohe Ausgangsleistung und oder hohe Ausgangsspannung zu erzielen, wobei insbesondere ein guter Wirkungsgrad der Schaltungsanordnung selbst gewährleistet und die Steuerspannung mögliehst formgetreu verstärkt vverden soll.

Erreicht wird dies erfindungsgemäß dadurch, daß die positiven und negativen Zweige der Gegentaktstufen mit den jeweils an der zugehörigen Stromversorgung liegenden Emitter-Kollektor-Strecken ihrer Transistoren in Serie geschaltet sind, daß die zu verstärkende Spannung gleichzeitig als Steuerspannung an sämtlichen Stufen liegt und daß die Transistoren der auf die erste Stufe folgenden Stufen im Ruhezustand jeweils durch einen Teil der Emitter-Kollektor-Spannung der Transistoren der vorhergehenden Stufe gesperrt sind und mit steigender Steuerspannung nacheinander entsperrt und wirksam werden.

Man erreicht dadurch gegenüber Schaltungen mit Thyristoren nicht nur eine formgetreuere Verstärkung der Steuerspannung, sondern auch eine besonders verlustarme Verstärkung. Besonders wichtig dabei ist, daß Transistoren mit niedriger Sperrspannung verwendet vverden können. Dabei können mit einer entsprechenden Anzahl von Gegentaktstufen hohe Aus

Bq gangsleistungen und -spannungen erzielt werden

Zweckmäßig ist es dabei, wenn die einzelnen Vcr stärkt rstufen durch AhgrifK eines gemeinsamen Nei/ttansformators über Gleichrichter gespeist ,ind. vvox-i die Teilspannungen zwischen den Abgriffen der jeweiligen Steigung des St uerspannungsverliiufes angepaßt sind. Man erreicht dadurch auf einfache Weise eine optimale Anpassung der Schaltungsanordnung .in den zu verstärkenden Spannungsverlauf und

eine «vettere Reduzierung der Leistungsverluste in den einzelnen Verstärkerstafen.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß ein zum Aufteilen der Kollektor-Emitter-Spannung jeweils vorgesehener Spannungsteiler aus einem ohmschen Festwiderstand und einer Zenerdiode besteht. Auf diese Weis«, wird gleichzeitig eine Begrenzung der Sperrspannung der jeweils folgenden Stufe erzielt, wodurch die Transistoren dieser Stufe vor Überlastung geschützt wurden.

Um selbst bei hoher Spannung am Verbraucherwiderstand den positiven und negativen Verstärkerzweig spannungsmäßig sicher voneinander zu trennen, ist es weiterhin vorteilhaft, wenn am Fußpunkt beider Zweige in Reihe mit dem Verbraucher je ein Thyristor geschaltet ist, der ebenfalls von der Steuers^annung gesteuert wird.

Zum Anlegen der Steuerspannung ist jedem Transistor zweckmäßig eine Sekundärwicklung eines gemeinsamen Steuertransformators zugeordnet.

An Hand der Zeichnung wird nun im folgenden die Erfindung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen erfindungsgemäßen dreistufigen Gegentakt-Verstärker,

Fig. 2 den positiven ansteigenden Ast einer Sinus-Ausgangsspannung in einem Zeit-Spannungsdiagramm einer insgesamt zehnstufigen erfindungsgemaßen Schaltungsanordnung.

Fig. 1 zeigt das Schaltungsprinzip einer insgesamt dreistufigen Verstärkerschaltungsanordnung, bei welcher die einzelnen Stufen I, II und III jeweils aus einem Gegentakt-Verstärker gleicher Art bestehen. Dabei besteht jedei positive Verstärkerzweig aus einem NPN-Transistor 7", einem Gegenkopplungswiderstand RG. einem EmitterWiderstand Afc sowie aus einer Steuerwicklung SW. Die negativen Zweige der einzelnen Verstärkerstufen bestehen jeweils aus einem PNP-Transistor T', einem Gegenkopplungsvviderstand RG , einem Emitter-Widerstand RE' und aus einer Sieuerwicklung SW. Gespeist werden diese einzelnen Verstärkerstufen von einem Spar-Transformator ST, welcher drei Abgriffe Al. Al und /13 aulweist und der seinerseits an eine Netz-Wechselspannung LJ angeschlossen ist.

Die Kollektor-Emitter-Speisespannung wird jeweils an Ladekondensatoren Cl, Cl. C3 bzw. CT, CT. Ci' über Trenndioden TD bzw. TD' abgenommen.

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. Die Teilspannung liegt dabei jeweils an der Basis des Transistors T bzw. T der nächsthöheren Stufe.

An den Fußpunktcr dci Verstai kerschi'itungszweige befinden sich jeweils I hyristorvn S, S'. welche von Steuerwickluigen .SH'.S bzw. .SH S" des auch die Steuerwickhingen .SH. SH enthaltenden Stiueitransformators gesteuert werden. Durch diese Thyristoren S und S' sind die positiven und negativen Zweige dei gesamten Schaltungsanordnung voneinander getrennt. Sie sind gemeinsam an den Verbraueher RV angeschlossen, dessen zweiter Pol am Null-Potential des Spar-Transformators ST liegt.

Zur Erklärung der Funktionsweise dieser in Fig. 1 dargestellten Schaltungsanordnung sei angenommen, es handle sich um die Verstärkung einer reinen Sinus-ίο spannung, die auf 360 Volt verstärkt werden soll, und es handle sich um einen insgesamt zehnstufigen Gegentakt-Verstärker mit zehn Verstärkerstufen I bis X. An Hand der Fig. 2 ist erkennbar, daß die Kollektor-Emitter-Speisespannungen der Verstärkerstufen 1 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 Kollektor-Emitter-Speisespannung aufvveisen und dem flacher werdenden Teil des Spannungsverlaufes zugeordnet sind.

Ausgehend vom Beginn der positiven Sinus-Halbwelle, 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 durchgesteuert, so daß die Spannung

. am Kondensator Cl voll am Verbrauchervviderstand R V liegt. Sobald der Transistor T der Verstärkerstufe I voll durchgesteuert 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 SW auch der Transistor 7 der zweiten Verstärkerstufe II proportional zur steigenden Steuerspannung durchgesteuert wird und danach am Verbraucher R V die Ausgangsspannung von 80 Voll anliegt. Sobald der Transistor T der zweiten Verstärkerstufe II durchgesteuert ist, ist dann auch am Abgriffspunki Pl des Spannungsteilers RZ-ZD der zweiten Verstärkerstufe Il wiederum die negative Sperrspannung aufgehoben, so daß bei weiter steigender Steuerspannung die Durchsteuerung des Transistors Tder dritten Verstärkerstufe III erfolgt usw. Sobald auch die zehnte Verstärkerstufe X (Fig. 2) voll durchgesteuert ist, liegt am Verbraucher die volle Spannung von 360 Volt. Dabei ist gleichzeitig mit Beginn der positiven Steuerspannungshalbwelle auch der Thyristor .S' geöffnet. 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 Halbvvelle werden dann nacheinander die einzelnen Verstärkerstufen im negativen Zweig auf analoge Weise durchgesteuert, wobei dann im Nulldurchgang der Thyristor S gesperrt und gleichzeitig der Thyristor S' geöffnet wird. Mi! der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ist es möglich, auch jede andere ge> ignete Spannungsform /u verstärken, wie 1. B. /erhackte Gleichspannungen.

Hierzu ? Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentanbpruche:

1. Elektronische Schaltungsanordnung zur Leistungsverstärkung zeitlich beliebig verlaufender Spannungen und oder Ströme mittels mehrerer gekoppelter Transistor-Gegentaktverstärkerstufen mit jeweils eigener Strumversorgung, dadurch gekennzeichnet, daß die positiven und negativen Zweige der Gegentaktstufen (I, II, III...) mit den jeweils an der zugehörigen Stromversorgung (S/, Dl Cl, DV CV: Dl Cl, Dl CT; Dl· C3, Dl·' Cy...) liegenden Emitter-Kollektor-Streeken ihrer Transistoren ( T, T) in Serie geschaltet sind, daß die zu verstärkende Spannung gleichzeitig als Steuerspannung an samtliehen Stufen (I, II, III...) liegt und daß die Transistoren der auf die erste Stufe (I) folgenden Stufen (II, III...) im Ruhezustand jeweils durch einen Teil der Emitter-Kollektor-Spannung der Transistoren der vorhergehenden Stufe gesperrt sind und mit steigender Steuerspannung nacheinander entsperrt und wirksam werden.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Verstärkerstufen (1, II. III...) durch Abgriffe (Al. Al, A3...) eines gemeinsamen Netztransformators (ST) über Gleichrichter (Dl, Dl: Dl. Dl' D3. D3'...) gespeist sind, wobei die Teilspannungen zwischen den Abgriffen der jeweiligen Steigung des Steuerspannungsverlaufes angepaßt sind.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein zum Aufteilen der Kollektor-Emitter-Spannung jeweils vorgesehener Spannungsteiler aus einem ohmschen Festwiderstand ( RZ) und einer Zenerdiode (ZD) besteht.

4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3. dadurch gekennzeichnet, daß am Fußpunkt beider Zweige in Reihe mit dem Verbraucher (Rl') je ein Thyristor (S bzw. S) geschaltet ist, der ebenfalls von der Steuerspannung gesteuert wird.

5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4. dadurch gekennzeichnet, daß zum Anlegen der Steuerspannung jedem Transistor ( T, T) eine Sekundärwicklung (SW, SW'...) eines gemeinsamen Steuertransformators zugeordnet ist.