DE2407629C2

DE2407629C2 - Niederfrequenzleistungsverstärker

Info

Publication number: DE2407629C2
Application number: DE19742407629
Authority: DE
Inventors: Günter Dipl.-Ing. 7500 Karlsruhe Kallina
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1974-02-18
Filing date: 1974-02-18
Publication date: 1982-09-30
Also published as: DE2407629A1

Description

1.

Der Regelkreis ist von der Struktur her selbstschwingend, und zwar mit der Kreisfrequenz

40

2.

T₂ T₃ '

Der Klirrfaktor des so realisierten Verstärkers ist stets kleiner als

0,21

50

3. Der Frequenzgang ist in dem Frequenzbereich

von 0 bis — konstant; 4

4. Die Spannungsverstärkung des Verstärkers ist

J_ A₁ K R_e

8. Verstärker nach Anspruch 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß bei auftretender Totzeit im elektronischen Schalter (1; 10; 100) die Zeitkonstan- μ te (T₃) durch Veränderung der Werte der sie bestimmenden Glieder (A₃ und/oder C₃) so veränderbar ist daß die Frequenz der Selbstschwingung der gewünschten entspricht.

9. Verstärker nach Anspruch 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer auftretenden Totzeit

von mehr als—im elektronischen Schalter (1; 10;

2 ω

100) nach Weglassung des Verzögerungsgliedes (30c,-300c) die Frequenz der Selbstschwingung durch Veränderung der Zeitkonstante (T₃=R₃Q) des Verzögerungsgliedes (30b; 300b) auf den gewünschten Wert gebracht wird.

50. Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Verzögerungsglieder (30a, 30b, 30c; 300a, 3006, 300c,) aktiv und/oder passiv realisiert sind

11. Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch seine Anwendung als Stellglied zum Beispiel für einen Gleichstrommotor, als Pulslängenmodulator, als Wechselrichter und als Spannungswandler bzw. stabilisiertes Netzgerät wobei im letzten Fall auf die negative Versorgungsspannung V- verzichtet und der untere Leistungsschalter LS durch eine Freilaufdiode zwischen dem Ausgang des oberen Leistungsschalten; LS und Masse mit der Anode an Masse ersetzt werden kann.

Die Erfindung betrifft einen Niederfrequenzleistungsverstärker hohen Wirkungsgrades, der im Schalterbetrieb arbeitet und als selbstschwingender Regelkreis aufgebaut ist

Bei einem Niederfrequenzleistungsverstärker ist man bestrebt, einen möglichst hohen Wirkungsgrad zu erzielen. Mit den heute gebräuchlichen Verstärkern mit B-Gegentaktendstufen läßt sich unter der Voraussetzung, daß ideale Bauelemente verwendet werden und der Verstärker voll mit einem Sinussignal ausgesteuert wird, höchstens ein Wirkungsgrad von ca. 78% erreichen. Ist der Verstärker nicht voll ausgesteuert so ist der Wirkungsgrad noch erheblich schlechter, im Mittel ca. 10%.

Eine erhebliche Verbesserung ^es Wirkungsgrades, bis nahe 100%, läßt sich erreichen, wenn man die Gegentaktendstufe im Schalterbutrieb betreibt daß heißt wenn die beiden Endstufentransistoren bzw. -Röhren abwechselnd geschaltet werden, siehe DE-AS 10 30 393, DE-AS 10 97 486 und DE-AS 12 89 570. Diese bekannten Verstärker haben jedoch den Nachteil, daß sie als Steuerung aufgebaut sind, das heißt, Störungen, die durch das schlechte Schaltverhalten der Schaltelemente, z. B. Transistoren, und durch Einbrüche der Versorgungsspannang verursacht werden, können nicht mehr ausgeregelt werden. Das führt dann dazu, daß der Klirrfaktor dieser Verstärker sehr groß ist und sie somit als NF-Verstärker nicht oder nur für bescheidene Ansprüche verwendet werden können.

Eine Verringerung des Klirrfaktors läßt sich dadurch erreichen, daß man den im Schalterbetrieb arbeitenden Verstärker als selbstschwingenden Regelkreis aufbaut Ein Verstärker dieser Art ist in der DE-AS 15 62 321 beschrieben. Er hat jedoch folgende Nachteile: Der Klirrfaktor bleibt nur bei geringer Aussteuerung klein, während er bei einer größeren Aussteuerung stark anwächst; die Frequenz der Selbstschwingung ist nicht konstant, sondern hängt stark vom Momentanwert des Eingangssignals ab; der Frequenzgang des Verstärkers ist nicht konstant

Der Erfindung liegt in Behebung der genannten Nachteile die Aufgabe zugrunde, einen Verstärker der anfangs genannten Art in einfacher Weise und unter Verwendung üblicher Bauelemente so weiterzubilden,

daß der Klirrfaktor auch bei einer großen Aussteuerung gegenüber den bekannten Verstärkern deutlich, theoretisch bis auf den Wert Null, verringert ist, die Frequenz der Selbstschwingung in erster Näherung unabhängig von der Aussteuerung und außerdem der Frequenzgang konstant ist

Diese Aufgabe ist durch die in Anspruch 1 genannte Erfindung gelöst Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unter&nsprüchen genannt

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Beispielen näher erläutert:

Bild 1 zeigt eine erste beispielsweise Ausführungsform der Erfindung.

Bild 2 zeigt eine weitere mögliche Ausführungsform der Erfindung.

Bild 3 zeigt eine mögliche praktische Ausführung der in B i 1 d 2 dargestellten Struktur.

Bild 4 zeigt Einzelheiten des in B i 1 d 3 dargestellten elektronischen Schalters und anhand von

Bild 5 wird dessen Wirkungsweise erläutert

InBiId 1 ist mit 1 ein Schalter bezeichnet dessen Kennlinie durch 2 angedeutet ist Mit 3 ist ein lineares Teilsystem L(s) bezeichnet das zusammen mit dem vorzugsweise elektronischen Schalter 1 einen Regelkreis bildet wie durch die Wirkungslinien 4 und 5 angedeutet ist Über einen Tiefpaß, der aus der Induktivität L und dem Kondensate r C besteht ist der Verbraucher, z. B. ein Lautsprecher 6, mit dem Ausgang von 1 verbunden. Das niederfrequente Eingangssignal, das von einer beliebigen Quelle, z. B. einer Klangregelstufe, kommen kann, ist mit Wbezeich.net

Der elektronische Schalter 1 schaltet entsprechend der Ansteuerung durch das lineare Teilsystem 3, also im Takt der Selbstschwingung, zwischen den beiden Versorgungsspannungen V₊ und V-, wie durch 2 angedeutet hin und her. Das lineare Teilsystem 3 ist wie weiter unten anhand von Bild 2 erläutert wird, so zu wählen, daß folgende Forderungen erfüllt sind:

1. Der Regelkreis soll selbstschwingend sein. Die Frequei .ι der Selbstschwingung muß dabei mindestens um den Faktor Vier über der höchsten zu verstärkenden Niederfrequenz liegen. Als günstig für einen NF-Verstärker erweisen sich 80 kHz.

2. Die Beziehung zwischen Ein- und Ausgangsgröße des Verstärkers soll möglichst linear sein, woraus ein kleiner Klirrfaktor resultiert Die Ausgangsgröße ist bei diesem Verstärker der zeitliche Mittelwert der Rechteckschwingung am Ausgang des elektronischen Schalters 1.

3. Der Frequenzgang des Verstärkers soll in dem zu übertragenden Bereich von z. B. 0 bis 16 kHz konsta.it sein.

Mit Hilfe der in [Kaliina, G.: »Harmonische Balance verschleifter Systeme mit Nichtlinearitäten«, Dissertation an der Universität Karlsruhe, Dezember 1973, Seite 97-105] beschriebenen Theorie ist es möglich, lineare Teilsysteme zu bestimmen, die die obigen drei Forderungen erfüllen. Als besonders günstig erweist sich zum Beispiel die in B i 1 d 2 abgebildete Struktur. Sie erfüllt die obigen drei Forderungen und ist außerdem leicht realisierbar. Das lineare Teilsystem besteht in diesem Fall aus den drei Verzögerungsgliedern erster Ordnung, 30a, 30b und 30c. Auf Grund der genannten Theorie lassen sich für diesen aus den Übertragungsgliedern 10, 30a, 306 und 30c gebildeten Regelkreis folgende Ausi igen machen:

1. Der Regelkreis ist von der Struktur her selbslschwingend, und zwar mit der Kreisfrequenz

2. Der Klirrfaktor des so realisierten Verstärkers ist stets kleiner als

Klirrfaktor < 0,21

3. Der Frequenzgang ist in dem Frequenzbereich

von 0 bis — konstant;
4

I R

4. Die Spannungsverstärkung ist — · —^L (R₁ und R_r siehe Bild 3). ^{K R}'

Die Frequenz der Selbstschwingung und damit der zu übertragende Frequenzbereich wird also durch T₂ und T3 bestimmt Der Klirrfaktor kann dann durcn eine genügend große Wahl von T₁ beliebig klein gemacht werden.

Tritt bei der Realisierung des elektronischen Schalters 1 bzw. 10 bzw. 100 eine Totzeit auf, so bewirkt diese nur, daß infolge der zusätzlichen Phasenverschiebung die Frequenz der Selbstschwingung kleiner als die berechnete wird. Sonstige Verstärkereigenschaften werden nicht verändert Diese zusätzliche Phasenverschiebung kann nachträglich durch Verkleinern der Zeitkonstante 7} so kompensiert werden, daß die Frequenz der Selbstschwingung wieder der gewünschten (z.B. 8OkHz) entspricht Bei Totzeiten über den

Wert—(=1 psec bei einer Selbstschwingfrequenz von 2ω

80 kHz) ist das Verzögerungsglied erster Ordnung 30c ganz wegzulassen, und die gewünschte Frequenz durch Verändern der Zeitkonstante Ti einzustellen.

Die Funktionsweise des Verstärkers ist folgende: Der Verstärker ist selbstschwingend, das heißt s.m Ausgang des elektronischen Schalters 1 bzw. 10 bzw. 100 liegt eine Rechteckschwingung mit der Kreisfrequenz ω an. Diese Rechteckschwingung wird von der Eingangsgröße W so pulslängenmoduiiert, daß der zeitliche Mittelwert der Rechteckschwingung (Ausgangsgröße), gemittelt jeweils über eine Periodendauer der Schwingung, unabhängig vom schlechten Schaltverhalten des elektronischen Schalters und Einbrüchen der Versorgungsspannungen V₊ und V_ proportional zur Eingangsgröße W bleibt Abweichungen von der strengen Linearität zwischen Ein- und Ausgangsgröße werden nur durch das lineare Teilsystem 30, 30/j und 30c verursacht und können durch eine entsprechende Wahl des linearen Teilsystems beliebig klein gemacht werden, siehe die zum Klirrfaktor genannte Formel:

Klirrfaktor < 0,21

T₁T, Ά

Wählt man zum Beispiel Tür 7] = 400μ5ες. Pur T₂ = Ty = 2 μδβε und K = 1 so hat der nach diesem Prinzip gebaute Verstärker folgende Daten:

Frequenz der Selbstschwingung:

ω = 500 ■ 10-'

= 8OkIIz

sec
Klirrfaktor: < 0,105%

Übertragbarer Frequenzbereich: 0 bis 20 kHz
Spannungsverstärkung: —.

In B i I d 3 ist eine mögliche Form der elektronischen Realisierung angegeben. Die beiden Verzögerungsglieder 3006und 300cmit den Zeitkonstanten

sind hier passiv realisiert, während das Verzögerungsglied 300a mit der Zeitkonstanten

hier aktiv mit Hilfe eines beschalteten Operationsverstärkers realisiert wurde. Es ist auch möglich, alle drei Verzögerungsglieder passiv zu realisieren.

Der elektronische Schalter 100 besteht aus einem offenen Operationsverstärker Op 2, dem zwei gleiche Leistungsschalter LS, LS nachgeschaltet sind. Da es die Funktionsweise des Verstärkers nicht verschlechtert, wenn die Leistungsschalter LS, LS etwas verzögert ansprechen, also eine Totzeit auftritt, kann vor den beiden Leistungsschaltern LS, LS eine tote Zone 101 eingebaut sein, die in B i 1 d 4 einzeln dargestellt ist

Diese tote Zone wird durch einen npn- und einen pnp-Transistor T₁ bzw. T₂ geschaffen, deren Emitter auf Massepotential liegen und deren Basen gemeinsam von dem offenen Operationsverstärker Op 2 angesteuert werden. In einem Bereich von zum Beispiel ±0,7 V ist dann keiner der beiden Transistoren T₁ bzw. T₂ durchgesteuert Durch diese Anordnung erreicht man, daß beim Umschalten des Operationsverstärkers Op 2 zunächst der eine Transistor 7Ί bzw. T₂ abgeschaltet wird, dann eine gewisse Zeit vergeht, in der die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers Op 2 den Streiten ±0,7 V durchläuft und dann erst der andere Transistor Ti bzw. T₁ durchgesteuert wird. Der zeitliche Verlauf der Ausgangsspannung des Operationsverstärkers Op 2 und der entsprechende Verlauf der Kollektorströme der Transistoren 7Ϊ und T₂ ist für einen Umschaltvorgang in Bild 5 aufgezeichnet Man erkennt daß in der Zeit, in der die Ausgangsspannung Uopi des Operationsverstärkers Op 2 die tote Zone ±0,7 V durchläuft keiner der Transistoren T₁ und T₂ durchgeschaltet ist Durch diese tote Zone 101 wird erreicht, daß mit Sicherheit nie beide Transistoren Γι und T₂ und somit beide Leistungsschalter LS, LS gleichzeitig durchgeschaltet sind.

Durch Einfügen einer Diode oder Zenerdiode jeweils zwischen Emitter und Masse der Transistoren 7Ϊ und T₂ ■j kann der Bereich der toten Zone noch weiter vergrößert werden.

Bei allen Bildern dienen die Induktivität L und die Kapazität C als Zwischenspeicher der Energie und als Tiefpaßfilter für Frequenzen oberhalb von 16 kHz. ίο Der erfindungsgemäße Verstärker hat folgende Vorzüge:

1. Die Funktionsweise ist weitgehendst unabhängig von äußeren und inneren Parametern (Versor-

ii gungsspannung, Driften der Operationsverstärker, Änderung von Verstärkungsfaktoren und Zeitkonstanten). Das Schaltverhalten des elektronischen Schalters braucht nicht ideal zu sein. Es sind Totzeiten (auch lastabhängiee) und Überschwinger

2(i beim Umschalten zulässig. Störungen dieser Art werden so schnell ausgeregelt, daß sie akustisch nicht in Erscheinung treten.

2. Der Klirrfaktor ist sehr klein, bis Null möglich, je nach Wahl der Zeitkonstanten des linearen Teilsystems.

3. Der Frequenzgang ist in dem zu übertragenden

Bereich von 0 bis 7 konstant.
4

4. Die Frequenz der Selbstschwingung ist in erster jo Näherung konstant

5. Der Wirkungsgrad des Verstärkers liegt nahe bei 100%. Er wird nur durch etwaiges mangelhaftes Schaltverhalten der beiden Endtransistoren Γ4 und Th beeinträchtigt Sowohl der Strom- als auch der Kühlblechbedarf des Verstärkers liegt also erheblich unter dem eines herkömmlichen B-Verstärkers.

Die vorstehend für einen Niederfrequenzverstärker erläuterten Anordnungen lassen sich unter Beibehaltung des grundsätzlich gleichen Aufbaues und lediglich unter Dimensionierungsänderungen der beiden elektronischen Schalter LS, LS auch für andere Zwecke anwenden, z. B. als Stellglied für Gleichstrommotore, als Pulslängenmodulator, als Wechselrichter (die Eingangsgröße W ist hierbei eine Sinusspannung) und als Gleichspannungswandler bzw. stabilisiertes Gleichstromversorgungsgerät (die Eingangsgröße W ist hierbei konstante Spannung). Im letzten Fall kann gegebenenfalls auf die Versorgungsspannung V_ verzichtet und der untere Leistungsschalter LS durch eine Freilaufdiode zwischen dem Ausgang des oL;ren Leistungsschalters LS und Masse mit der Anode an Masse ersetzt werdea

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Niederfrequenzverstärker hohen Wirkungsgrades, der im Schalterbetrieb arbeitet und als selbstschwingender Regelkreis aufgebaut ist, dadurch gekennzeichnet, daß der selbstschwingende Regelkreis aus einem an sich bekannten elektronischen Schalter (1; 10; 100) und einem linearen Teilsystem (3) aufgebaut ist

2. Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekenn- ι ο zeichnet, daß der elektronische Schalter (1; 10; 100) eine Serienschaltung eines offenen Operationsverstärkers (OpT), einer toten Zone (101) und zweier Leistungsschalter (IS, LSJist

3. Verstärker nach Anspruch 2, dadurch gekenn- iä zeichnet, daß die tote Zone (101) durch einen npn- und einen pnp-Transistor(71, T₂) hergestellt ist

4. Verstärker nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die tote Zone (101) herstellenden Transistoren (T₁, T₂) mit ihren Emittern auf Massepolcatial liegen und ihre Basen gemeinsam vom offenen Operationsverstärker (Op 2) ansteuerbar sind.

5. Verstärker nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Emitter und Masse der Transistoren (T_u T₂) eine Diode oder Zenerdiode gelegt ist

6. Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das lineare Teilsystem (3) aus drei Verzögerungsgliedern erster Ordnung (30a, 30b, 30c) gebildet ist

7. Verstärker nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Pat ameter der Verzögerungsglieder (30a, 306, 3OqJ enuprechend den gewünschten Verstärkerdaten aus folgend η Beziehungen bestimmt werden: