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Schaltungsanordnung zum Schutz eines gegengekoppelten zwei-
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stufigen Verstärkers gegen Uberlastung und Kurzschluss Die Erfindung
betrifft eine Schaltungsanordnung zum Schutz eines gegengekoppelten zweistufigen
Verstärkers gegen Überlastung und Kurzschluss.
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Bei Leistungsverstärkern im Tonfrequenzbereich sind Schutzmassnahmen
gegen Überlastung und Kurzschluss am Ausgang allgemein üblich. Derartige Verstärker
und die dabei verwendeten Schaltungen sind beispielsweise in den "Schaltbeispielen
1971/72t', Siemens AG, Seiten 31 bis 41, beschrieben. Diese bekannten Anordnungen
arbeiten nach dem Prinzip eines stromgesteuerten Schwellwertschalters. Oberhalb
einer vorgegebenen Ausgangsstrom-Schwelle wird die steuernde Wechselspannung am
Eingang der zu schützenden Endstufe reduziert oder ganz abgeschaltet.
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Von Nachteil ist dabei der erforderliche Aufwand, die Temperatur-
und Bauteiletoleranzabhängigkeit der Schwelle, die ggf. einen Abgleich erforderlich
macht. Ausserdem ist mit einer gewissen Ansprechträgheit zu rechnen.
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Werden bei der Überwachung des Ausgangsstromes Gleichrichterschaltungen
verwendet, so kommen wegen der Zeitkonstanten der Siebschaltung weitere Ansprechverzögerungen
hinzu.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Schutzproblem mit möglichst
niedrigem Schaltungsaufwand bei praktisch verzögerungsfreiem Ansprechen zu lösen.
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Erreicht wird das gemäss der Erfindung dadurch, dass die Betriebsspannung
der Endverstärkerstufe aus einem strombegren-
zenden Schutzelement
zugeführt wird, dass der Ausgang der Endverstärkerstufe und ein zweiter Eingang
der Vorverstärkerstufe über eine Gegenkopplungsleitung unmittelbar verbunden sind,
dass bei Überlastung des Verstärkers herbeiführenden Schlusses am Ausgang über die
Gegenkopplungsleitung ein der jeweiligen Überlastung entsprechendes vermindertes
Gegenkopplungspotential der Vorverstärkerstufe zugeführt wird, das ihren Verstärkungsfaktor
bis zur Leerlaufverstärkung ansteigen lässt, woraufhin beide Stufen des Verstärkers
vom Verstärkungsbetrieb in den Schaltbetrieb übergehen, und die von dem strombegrenzenden
Schutzelement zugeführte Spannung an die Endverstärkerstufe auf nahezu Null Volt
vermindert wird.
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Dadurch, dass der Ausgang der Endverstärkerstufe und der Eingang der
Vorverstärkerstufe mit der Gegenkopplungsleitung unmittelbar verbunden sind, d.h.,
dass keine weiteren Bauteile, wie Gleichrichter, Kondensatoren, Widerstände und
dgl., die gegengekoppelte Spannung beeinflussen, können sie diese auch nicht verzögern
oder auf eine andere Weise verfälschen. Auch entfällt der Aufwand und der Platzbedarf
für diese Teile.
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Weil der Verstärkungsfaktor der Vorverstärkerstufe bis zur Leerlaufverstärkung
ansteigt, arbeitet der Verstärker nur noch im Schaltbetrieb. Da Verstärker im Schaltbetrieb
eine erheblich grössere Verlustleistung als im A bzw. B-Betrieb vertragen, ist dadurch
schon ein gewisser Schutz der Endverstärkerstufe gegen Überlastung erreicht.
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Ein anderer Teil der Schutzmassnahmen rührt von dem strombegrenzenden
Schutzelement her, von der die Endverstärkerstufe ihre Betriebsspannung bezieht.
Da die Transistoren der Endverstärkerstufe im Schaltbetrieb nur einen sehr geringen
Widerstand für den Laststrom darstellen, werden sie auch nur geringfügig erwärmt.
Die volle Schutzwirkung entfaltet sich jedoch erst durch das Zusammentreffen des
durch die Gegenkopplung erzielten Schaltbetriebs mit der Strombegrenzung durch das
Schaltelement.
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Gemäss einer Weiterbildung der Erfindung besteht die Vorverstärkerstufe
aus einem Operationsverstärker und die Endverstärkerstufe aus zweien als Gegentakt-B-Verstärker
arbeitenden Transistoren0 Der Operationsverstärker in der Vorverstärkerstufe hat
den Vorteil einer grossen Leerlaufverstärkung, was zu besonders steilen Flanken
beim Schaltbetrieb des Verstärkers führt.
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Da ein Operationsverstärker in der Regel bipolare Impulse abgibt,
verteilt sich die abfallende Leistung auf beide Transistoren der Endverstärkerstufe
und erwärmt diese gleich stark.
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Wird der beschriebene Verstärker als aktives Filter eingesetzt, das
beispielsweise Rechteckimpulse in nahezu sinusförmige Ausgangssignale umformt, so
wird gemäss einer Weiterbildung der Erfindung einer der Kondensatoren, der zum vorgeschalteten
Tiefpass gehört, mit der Gegenkopplungsleitung verbunden. Das hat den Vorteil, dass
dadurch die Oberwellen aus den dem Filter zugeführten Rechteckimpulsen besser herausgesiebt
werden, als mit einem herkömmlichen Tiefpass.
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Ein Beispiel der Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung beschrieben.
Während in Fig. 1 ein Prinzipschaltbild eines gegengekoppelten zweistufigen Verstärkers
dargestellt ist, zeigt Fig. 2 die Anwendung eines solchen Verstärkers in einem aktiven
Filter.
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Die Schaltungsanordnung gemäss Fig. 1 besteht aus einer Vorverstärkerstufe
V1 und einer Endverstärkerstufe V2. Der Endverstärkerstufe V2 wird die Betriebs
spannung UB über ein strombegrenzendes Schutzelement S zugeführt. Dieses Schutzelement
begrenzt dabei den Strom in dieser Stufe V2 auf zulässige Werte. Dabei kann das
Schutzelement S ein ohmscher Widerstand, eine Konstantstrom-Diode oder eine elektronische
Kontaktstromquelle bzw. eine Konstantstromsenke, je nach der Polarität der Versorgungsspannung,
sein. Solche Schutzele-
mente sind beispielsweise in der DT-OS 2
460 422 beschrieben. Da die verwendeten Schaltelemente in der Regel trägheitslos
sind, spricht dieses Schutzelement S praktisch verzögerungsfrei an.
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Die Vorverstärkerstufe V1 besitzt einen hohen Verstärkungsfaktor,
der durch die Leerlaufverstärkung ausgedrückt wird.
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Diese hohe Verstärkung wird im Normalfall nicht ausgenützt; sie beträgt
in der Regel in jeder der beiden Verstärkerstufen nur -etwa 1 : 1. Die Gesamtverstärkung
dieser Anordnung ist durch die Verstärkungsfaktoren der beiden Stufen V1 und V2
sowie durch ihre gemeinsame Gegenkopplung bestimmt und ist so ausgelegt, dass bei
maximaler Spannung am Eingang E (Vollaussteuerung) praktisch keine Verzerrungen
der Ausgangsspannung am Ausgang A auftreten.
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Durch Überlastung oder Kurzschluss am Ausgang A gegenüber Erde vermindert
sich die Gegenkopplung, die über die Leitung G vom Ausgang A zu einem zweiten Eingang
der Vorverstärkerstufe V1 gelangt, bzw. wird unwirksam. Dabei steigt die Verstärkung
der Vorverstärkerstufe V1 bis zur Leerlaufverstärkung an. Weil dabei der höchste
Wert der Verstärkung sehr schnell erreicht ist (steile Flanke), wirkt die Vorverstärkerstufe
V1 als Schalter. Dieser Schaltbetrieb wird auch der Endverstärkerstufe V2 aufgezwungen,
so dass diese die angelegte Betriebsspannung UB schaltet und es fliesst ein Kurzschlusstrom.
Dabei wird jedoch die Strombegrenzung des Schutzelementes S wirksam, so dass die
Endverstärkerstufe V2 vor einer thermischen Zerstörung geschützt ist.
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Gemäss Fig. 2 ist die Vorverstärkerstufe V1 als Operationsverstärker
und die Endverstärkerstufe V2 als Gegentakt-B-Endstufe mit zwei komplementären Transistoren
Tl und T2 in Emitterfolgeschaltung realisiert. Da der Verstärker ein symmetrisches
Signal an den Ausgang A mit dem angeschlossenen Lastwiderstand R liefern soll, sind
zwei Betriebsspannungquellen + und - vorgesehen. Diese Spannungen gelangen über
ie einen
Kollektorwiderstand RC1 bzw. RC2 zu den Kollektoren der
Transistoren T1 und T2. Diese Widerstände dienen als Schutzelement der Strombegrenzung
bei Überlastung oder im Kurzschlussfall.
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Die Basen beider Transistoren Tl und T2 sind mit dem Ausgang des Operationsverstärkers
V1 verbunden, so dass bei positiver Halbwelle der Transistor T1 und bei negativer
der Transistor T2 entsprechend geöffnet wird.
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Die Emitter beider Transistoren T1 und T2 sind mit dem Ausgang A sowie
mit der Gegenkopplungsleitung G verbunden. Diese Leitung führt einerseits zum invertierenden
Eingang EI des Operationsverstärkers V1 und andererseits zum Kondensator C1, der
zu dem aus den Widerständen Rl, R2 und den Kondensatoren C1 und C2 gebildeten RC-Netzwerk
gehört, das den Eingang E und den nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers
V1 verbindet. Der zweite Kondensator C2 ist einseitig geerdet und mit- dem anderen
Pol-mit dem gleichen Eingang des Operationsverstärkers V1 verbunden.
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Die Gegenkopplung vom Ausgang A der Endverstärkerstufe V2 zum Eingang
EI des Operationsverstärkers V1 erzeugt einen sehr niedrigen Ausgangs-Innenwiderstand,
und beseitigt fast vollständig die ohne diese Massnahme auftretenden typischen Übernahmeverzerrungen
des Gegentakt-B-Verstärkers. Das wird dadurch bewirkt, dass in den Null-Durchgängen
der Spannung am Ausgang A auch die gegengekoppelte Spannung am Eingang El in diesen
Augenblicken zuNull wird. Dabei arbeitet der Operationsverstärker V1 jeweils kurzzeitig
mit seiner vollen Leerlaufverstärkung, wodurch der zeitliche Verlauf der Ausgangsspannung
dem der Eingangsspannung entspricht. Lediglich beim Kurzschluss am Ausgang A verbleibt.
der Operationsverstärker bei seiner maximalen Verstärkung. Dadurch geht der Verstärker
aus dem B-Betrieb in beschriebener Weise in den Schalterbetrieb über und die Widerstände
RCI und RC2 übernehmen wegen des geringen
Kollektor-Emitterwiderstandes
der Transistoren T1 und T2 praktisch die gesamte Leistung, die diese Transistoren
T1 und T2 sonst zerstören würde.
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Wie schon beschrieben, werden durch die digitalen Teilerstufen des
RC-Netzwerkes die aus einen zentralen Takt erzeugten Rechtecksignale mit der Schaltungsanordnung
gemäss Fig. 2 in sinusförmige Signale umgeformt, deren Verzerrungen hauptsächlich
von der Sperrdämpfung der Filteranordnung für die Oberwellen abhängen. Diese Sperrdämpfung
lässt sich durch entsprechende Bemessung der Bauteile der Filteranordnung oder durch
eine Kettenschaltung mehrerer solcher Filter auf einfache Weise verändern.
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3 Patentansprüche 2 Figuren