DE2501927A1 - Anordnung zum schutz gegen ueberlastung oder kurzschluss eines audioverstaerkers - Google Patents

Description

Dr. W. P. Radi
Dipl.-Ing.RE. finkene»
' Dipl.4rg. W. Hmesti

Bochum

NOVANEX AUTOMATION N.V.,

Nieuwe Weg 267, Wijehen, Niederlande

Anordnung zum Schutz gegen Ueberlastung oder Kurzschluss eines Audioverstärkers.

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Schutz gegen Ueberlastung oder Kurzschluss eines Audioverstärkers, der mit einem Endverstärker, der einen oder mehrere Stromverstärkerzweige mit darin aufgenommenen Endtransistoren enthält, und einem Vorverstärker zum Steuern des Endverstärkers versehen ist.

Mit Halbleitereinrichtungen versehene Audioverstärker können bekanntlich mit entweder einer komplementären oder einer quas!komplementären Endstufe ausgebildet werden, welche Endstufe dann entweder in Klasse B, bei der die Stufe ohne Eingangssignal fast stromlos ist, oder in Klasse AB, bei, der ohne Eingangssignal ein bestimmter Ruhestrom fliesst, eingestellt sein kann.

Solche mit Halbleitereinrichtungen versehenen Verstärker haben gegenüber. Verstärkern, in denen Elektronenröhren angewendet sind, den grossen Vorteil, dass sie äusserst einfach und sehr betriebssicher sind. Daneben haben solche mit Halbleitereinrichtungen versehenen Verstärker aber auch einen deutlichen

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Nachteil. Wenn nämlich am Ausgang eine Ueberlastung oder ein Kurzschluss auftritt, auch wenn dies nur vorübergehend ist, hat dies zur Folge, dass die in der Endstufe "befindlichen Endtransistoren unmittelbar zerstört werden. Ausserdem ist die Gefahr gross, dass andere, diesen Endtransistoren vorgeschaltete Transistoren dabei bleibend defekt werden. Wenn man in Betracht zieht, dass der Ersatz eines defekt gewordenen Transistors in der Regel mehr Verwicklungen mit sich bringt als der Ersatz einer defekten Elektronenröhre, kann eine Ueberlastung oder ein Kurzschluss am Ausgang zu zeitraubenden und verwickelten Ersatzarbeiten führen.

Die Erwägung, dass Kurzschluss oder Ueberlastung im Ausgangskreis eines Transistorverstarkers der eingangs beschriebenen Gattung erst dann zur Folge haben kann, dass Transistoren defekt werden, wenn am Eingang ein Eingangssignal von genügender Grosse anwesend ist, hat zu der auf diesem Gebiet der Technik bekannten Massnahme geführt, dass für die Stromverstärkerzweige der Endstufe solche Vorkehrungen getroffen werden, dass der Strom in jedem Zweig zu einem noch zulässigen Maximalwert begrenzt wird.

Obwohl es mit dieser bekannten Technik möglich ist, kurzschlusssichere Verstärker zu verwirklichen, hat eine solche Lösung, wie nachstehend näher erläutert wird, einen grossen Nachteil.

Für einen Endtransistor wird ausser einem maximalen Stromwert auch ein maximaler Dissipationswert angegeben. Vorzugsweise wird die Speisespannung der Endtransistoren so gewählt, dass der bei voller Aussteuerung erzeugte Maximalstrom im Normalbetrieb und bei einer gegebenen Ausgangs impedanz den angegebenen Wert nicht übersteigen kann, während ausserdem die dann auftretende Dissipation den Maximalwert nicht überschreitet. Bei einer solchen Anordnung ist die Höchstdissipation sogar bei einer Aussteuerung, die niedriger ist als die volle Aussteuerung anwesend.

In der Regel sind Endtransistoren gemäss den genannten Verhältnissen konstruiert, so dass bei spezifizierten Maximalströmen deutlich begrenzte Höchstdissipationen angegeben werden. Wenn man versucht, einen solchen Transistorverstärker zur vollen Leistung der darin aufgenommenen Endtransistoren zu benutzen, entstehen Schwierigkeiten, wenn die genannte Strombegrenzungseinrichtung verwendet wird. Dies lässt sich folgendermassen erklären:

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Wenn der Verstärker so dimensioniert ist, dass "bei voller Aussteuerung der maximal zulässige Strom nicht und auch auf keinen Fall die Höchstdissipation überschritten wird, kann die Strombegrenzungseinrichtung so eingestellt werden, dass der Verstärker bei voller Aussteuerung noch gerade unter dem eingestellten Maximalstrom arbeitet und also nich oder kaum verzerrt. Wenn nun am Ausgang eine Ueberlastung oder ein Kurzschluss entsteht, vird durch Wegfall des vorgeschriebenen Ausgangsimpedanzwerts eine entsprechende Steigung der durch die Endtransistoren fliessenden Ströme auftreten. Die Strombegrenzungseinrichtung wird dann wirksam und wenn sie richtig eingestellt ist, werden die auftretenden Strome tatsächlich die vorgeschriebenen Werte nicht überschreiten. Anders geht es aber mit den Dissipationen, die in diesem Fall (Ueberlastung oder Kurzschluss am Ausgang) auftreten. Wenn nämlich die volle Speisespannung an den Transistoren steht, ohne dass die ursprüngliche Ausgangsimpedanz damit in Serie geschaltet ist, vird die Dissipation einen Wert haben, der dem Produkt des eingestellten Maximalstroms und der Speisespannung sehr nahekommt.

Dieses Produkt liegt nun als Regel über dem Wert, der für die gebrauchlichen Endtransistoren üblich ist. Um dieses Uebel zu vermeiden, wird man also gezwungen sein, die Höchstleistung des Verstärkers auf einen solchen niedrigen Wert herabzusetzen, dass erst bei Kurzschluss oder Ueberlastung am Ausgang die Dissipation der Endtransistoren so zunimmt, dass,der spezifizierte Maximalwert nicht überschritten wird.

Dies bedeutet aber, dass die Endtransistoren unter normalen Betriebsbedingungen nur zu einem Teil der dafür spezifizierten Höchstleistung belastet werden. In der Praxis stellt sich heraus, dass dieses Verhältnis deutlich unter 0,5 liegt.

Wenn man bedenkt, dass bei einer solchen Ausführung auch die Kütileinrichtung der Endtransistoren doch auf die im KurζSchlussfall bewirkte Höchstdissipation abgestimmt werden muss, bedeutet dies, dass ein auf diese Weise geschützter Verstärker nur die Hälfte der Leistung abgibt, die faktisch geliefert werden könnte.

Mit der Erfindung wird bezweckt, diese Nachteile zu beseitigen und eine . Anordnung zu schaffen, die ermöglicht, dass solche Verstärker tatsächlich

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diese volle Leistung abgeben können, während sie dennoch vollständig vor Ueberlastung oder Kurzschluss geschützt sind.

Mehr insbesondere bezweckt die Erfindung eine Anordnung, bei der nicht der mit den üblichen Anordnungen dieser Art verbundene Nachteil auftritt, dass bei Sperrung des Vorverstärkers in der Endstufe oft noch ein Rest(brumm)-signal anwesend bleibt, bei dem noch Ströme auftreten können. Bei der Erfindung spielt ausserdem noch die Erwägung eine Rolle, dass ausser einem abrupten und vollständigen Kurzschluss unter bestimmten Umständen auch ein fluktuierender Kurzschluss auftreten kann. Ausgehend von dieser Erwägung ist es bei solchen Schutzanordnungen also von Bedeutung, dass man sich vorstellt, dass die auftretenden Ströme ,sehr schnell variieren können, da die Ausgangsimpedanz während kürzerer oder längerer Zeit ganz wegfallen kann.

Die Art der durch Ueberlastung oder Kurzschluss auftretenden Stromschwankungen hängt auch von dem dem Verstärker zugeleiteten Eingangssignal ab. Stromschwankungen mit steilen Flanken können durch Endtransistoren besonders schwer verarbeitet werden. Hinzu kommt, dass die üblichen Stromregeleinrichtungen in diesem Zusammenhang ebenfalls Probleme mit sich bringen, da solche Stromregeleinrichtungen die Neigung haben, einigermassen verzögert zu reagieren. ■ .

Es kommt also darauf an, dafür zu sorgen, dass die Endtransistoren bei Kurzschluss oder Ueberlastung solchen Erscheinungen möglichst kurz ausgesetzt werden. Hierauf stützt sich die bestehende Erkenntnis, dass der Stromregeleinrichtung noch eine andere Einrichtung hinzugefügt werden soll, die den Verstärker schnell abschaltet. Um die Gefahr eines Kurzschlusses möglichst zu beschränken, wird bevorzugt, dass die Endtransistoren nur einmal pro Transistor einer solchen schnellen Stromzunahme, wie diese durch Kurzschluss oder Ueberlastung entstehen kann, ausgesetzt werden. Hierdurch erreicht man auch einen passenden Anschluss an eine physikalische Eigenschaft fast aller Halbleitereinrichtungen, nämlich, dass für diese während eines Zyklus ein bedeutend höherer Maximalstrom bzw. eine bedeutend höhere Höchstdissipation zugelassen werden können als bei Fortsetzung dieser Ströme und Dissipationen. Die angegebenen Strom- und Dissipationswerte nehmen stark ab, je nachdem die Zahl der Zyklen zunimmt, und schliesslich erreicht man

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die Werte, die für Dauerbetrieb gelten. Endtransistoren sind daher in der Regel geeignet für einen erheblich höheren Maximalstrom "bzw. Höchstdissipation, wenn der-"betreffende Transistor wenigstens nur während weniger Zyklen, vorzugsweise während eines Zyklus^ diesen ausgesetzt wird.

Die erfindungsgemässe Anordnung ist dazu mit Mitteln versehen, den Strom anlässlich einer Stromzunahme, die den durch einen Endtransistor fliessenden Strom den zulässigen Wert übersteigen lässt, auf den betreffenden zulässigen Wert zu begrenzen, und mit Mitteln, den Endverstärker unmittelbar nachdem in einem der Stromverstärkerzweige des Endverstärkers eine solche Stromüberschreitung stattfindet, unabhängig von der Tatsache, ob die Stromüberschreitung in dem einen oder in dem anderen Stromverstärkerzweig auftritt, zu entkoppeln.

Die Dimensionierung kann so gewählt werden, dass die Endtransistoren innerhalb der am schnellsten auftretenden halben Sinuswelle, die in einem Audioverstärker vorkommen kann und auf 10 bis 20 Mikrosekunden geschätzt wird, entkoppelt werden. ■ ,

Die Erfindung wird jetzt unter Hinweis auf die Zeichnung, in der eine Ausführungsform der erfindungsgemässen Anordnung wiedergegeben ist, näher erläutert.

Der in der Zeichnung dargestellte Verstärker enthält einen Endverstärker mit Endtranistoren 1 und 2 mit zugehörigen Emitter-Basis-Widerständen 5 und 6, die durch Steuertransistoren 3 und k gesteuert werden. Die Endtransistoren liefern ihren Strom über Messwiderstände 7 und 8 einem gemeinsamen Ausgang, in dem eine Drosselspule 10 und ein Lautsprecher 9 die Verbindung mit dem Nulleiter O herstellen.

Der Ausgang ist durch ein RG-Glied 11, 12 überbrückt. Die Basen der Transistoren 3 und U sind mit einem Widerstand 13 verbunden, an dem durch eine Stromquelle, die durch die Transistoren ¹Ik und 16 und die Widerstände 15 und 3^ gebildet wird, eine konstante Spannung unterhalten wird. Die Steuertransistoren 3 und h werden weiter durch einen Transistor 17 gesteuert, der im Normalfall als Verstarkertransistor arbeitet, aber bei Ueberlastung

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oder Kurzschluss mit einem Transistor 19 und Widerständen 18 und 20 bei Uebersteuerung eine Stromquelle bildet ₃ die, wenn der Wert des Widerstands 18 gleich der Hälfte des Werts des Widerstands 15 gewählt wird, maximal einen Strom liefern kann, der zweimal so gross ist als der Strom der Stromquelle I**, 15, 16, 3U.

Letzteres ist notwendig, um den Verstärker in zwei Richtungen gleich weit aussteuern zu können. Der Transistor 17 wird über einen Hilfstransistor 21 mit zugehörigem Damfungswiderstand 22 in der Kollektorbahn und dem Emitter-Basis-Widerstand 23 durch Differentialverstärker 2h und 25 gesteuert, die dass Eingangssignal, das über einen Kondensator 26 auf einem Widerstand 27 erscheint, mit dem über Widerstände 28 und 29 geteilten Aus gangs signal vergleichen.

Der Teil ist über einen Kondensator 30 mit dem Nulleiter 0 verbunden. Von dem Ausgang her regeln Strombegrenzungstransistoren hk und U5 den maximal über die Messwiderstände 7 und 8 auftretenden Strom. Wenn nämlich ein zu grosser Strom über den Widerstand 7 auftritt, wird eine solche Spannung an diesem Widerstand 7 entstehen, dass über einen Widerstand U6 der Transistor kk ausgesteuert wird und die Basis des Transistors 3 verhindert, den Transistor 3 weiter entgegen dem Strom, der durch die Stromquelle mit dem Transistor ^k geliefert wird, auszusteuern. Wenn der Strom über den Messwiderstand 8 zu gross wird, wird die Spannung an diesem Widerstand 8 so zunehmen, dass über einen Widerstand ^ 7 der Transistor U 5 ausgesteuert wird, der über eine Diode k8 die Basis des Transistors h weiter entgegen dem Strom, der maximal über den dann als Stromquelle dienenden Transistor 17 entstehen kann, aussteuert.

In den Fällen aber, dass über die Widerstände 7 oder 8 ein zu grosser Strom fliesst und also Spannungen entstehen (was nie gleichzeitig geschieht), wird auch ein Transistor 35 über einen Widerstand 36 ausgesteuert und über einen Begrenzungswiderstand 37 ein Thyristor 38 gezündet. Dieser Thyristor 38 ist zwischen den Emittern der Stromquelletransistoren 17 und 1^ verbunden. Der Widerstand 39 sorgt für eine gute Sperrung in Ruhestellung, Wenn der Thyristor 38 gezündet wird, entsteht über einen Widerstand kO ein Strom, der über die Widerstände 15 und 18 abfliesst, und über einen Widerstand kA ein Strom, der nur über den Widerstand 18 zusätzlich abfliesst. Wenn man

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für die Widerstände lh und h] gleiche Werte wählt, fliesst der Thyristorstrom ganz über den Widerstand 18 und zur Hälfte über den Widerstand 15 ab. Dadurch werden die Transistoren 17 und 1U gleichzeitig gesperrt, während die durch die beiden Stromquellen abgegebenen Strome während dieses Prozesses abnehmen und schliesslich einen Wert 0 annehmen. Die Endtransistoren 1 und "schweben" nun und können nahezu ohne dass sie Strom führen wollen "frei" zwischen nahezu der positiven und· der negativen Spannung + und - bewegen und also auch, kurzgeschlossen auf dem Potential der Nulleitung 0 gesperrt werden.

Wie im vorigen schon erwähnt ist, unterscheidet sich die Erfindung in dieser Beziehung also grundsätzlich von allen Systemen, in denen der Vorverstärker gesperrt wird: Es bleibt bei solchen Systemen oft noch ein Rest(brumm)signal in der Endstufe bestehen, bei dem noch Ströme auftreten können.

Erfindungsgemäss wird also in überraschender Weise die Tatsache benutzt, dass die Stromrichtung in den beiden Widerständen 7 und 8 dieselbe ist, vobei wechselweise in diese Widerstände ein Strom fliesst, der Information über die Belastung der zugehörigen Endverstärkerzweige erteilt. Die an den Widerständen 7 und 8 erscheinenden Höchstspannungen wechseln sich also ab, besitzen aber eine einzige Richtung.

Wenn mit dem Transistor 35 die Spannung zwischen der Oberseite des Widerstands 7 und der Unterseite des Widerstands 8 ausgelesen wird Und man sich vergegenwärtigt, dass diese Widerstände 7 und 8 in bezug auf die Eingangsimpedanz des Transistors 35 mit zugehörigem Basiswiderstand 36 sehr klein sind, erhält man wechselweise Information über den Belastungsgrad der beiden Endverstärkerstufen.

Es hat sich herausgestellt, dass die Drosselspule 10 nicht wesentlich ist, aber theoretisch mit dem RC-Glied 11, 12 die Betriebssicherheit durch Begrenzung des in den Endtransistoren maximal auftretenden di/dt vergrössert.

Die Zündung des Thyristors 38 kann mit einer Lampe oder einer LED (light emitting diode) sichtbar gemacht werden, wenn man diese mit den Widerständen· 1*0 oder U1 in Serie schaltet, oder beide verbindet und den Widerstand entsprechend anpasst.

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Der Widerstand U1 kann verfallen, wenn der Wert des Widerstands HO halbiert wird. Dies führt aber zu einer sehr grossen Belastung der Basis des Transistors 16. .

Die im vorigen beschriebene Thyristorschaltung kann auch dazu verwendet werden, die Endstufe bei einer zu hohen Netzspannung .!stromlos zu schalten, wenn zwischen der Steuerelektrode· des Thyristors 38 und der Nulleitung oder zwischen der Steuerelektrode und der positiven Leitung + eine Zenerdiode verbunden wird. Man erhält dann eine scharf umrissene Definition.

Weiter stellt sich heraus, dass die Transistoren kk und 1+5 bei einigem Ueberwert der Endtransistoren 1, 2, 3 und k nicht mehr wesentlich sind, wenn man einen genügend schnellen Transistor 35 und Thyristor 38 einsetzt.

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Claims (3)

1. Ansprüche:

   ( 1.!Anordnung zum-Schutz gegen Ueberlastung oder Kurzschluss eines Audioverstärkers, der mit einem Endverstärker, der einen oder mehrere Stromverstärkerzweige mit darin aufgenommenen Endtransistoren enthält, einem Vorverstärker zum' Steuern des Endverstärkers und mit Mitteln versehen ist, den durch die "betreffenden Endtransistoren fliessenden Strom auf einen zulässigen Wert zu begrenzen, gekennzeichnet durch Mittel, den Strom anlässlich einer Stromzunahme, die den durch einen Endtransistor fliessenden Strom den genannten zulässigen Wert übersteigen lässt, auf den betreffenden zulässigen Wert zu begrenzen, und durch Mittel, den Endverstärker unmittelbar nachdem in einem der Stromverstärkerzweige des Endverstärkers eine solche Stromüberschreitung stattfindet, unabhängig von der Tatsache, ob die Stromüberschreitung in dem einen oder in dem anderen Stromverstärkerzweig auftritt, zu entkoppeln.
2. 2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet j dass parallel zu in Serie geschalteten, zwischen dem Kollektor des einen Endtransistors und dem Emitter des.anderen Endtransistors befindlichen Messwiderständen (7j 8) die Bahn zwischen der Basis und einer Elektrode eines Transistors (35) verbunden ist, dessen andere Elektrode mit der Steuerelektrode eines Thyristors (38) gekoppelt ist, dessen eine Elektrode mit einer Elektrode eines zu dem -einen Stromverstärkerzweig gehörenden Stroinquelletransistors (17) und die andere Elektrode über einen Widerstand (UO) mit der entsprechenden Elektrode eines zu dem anderen Stromverstärkerzweig gehörenden Stromquelletransistors (1U) verbunden ist.

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3. 3. Anordnung nach Anspruch 1-2, dadurch gekennzeichnet, dass parallel zu dem Widerstand (Ho) ein Widerstand (M) geschaltet ist.

   h. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Widerstand (Uo) oder dem parallelgeschalteten Widerstand (1*1) ein visueller Indikator in Serie geschaltet ist.

   5· Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich— net, dass zwischen der Steuerelektrode des Thyristors (38) und der NuI-leitung (θ) oder der positiven Leitung (+) der Anordnung eine Zenerdiode vorgesehen ist.

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