DE2659044B2

DE2659044B2 - Schaltungsanordnung zum Schutz eines gegengekoppelten zweistufigen Verstärkers gegen Überlastung und Kurzschluß

Info

Publication number: DE2659044B2
Application number: DE19762659044
Authority: DE
Inventors: Heinz 8000 Muenchen Posselt
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1976-12-27
Filing date: 1976-12-27
Publication date: 1980-10-30
Also published as: DE2659044A1; DE2659044C3

Description

einer Überlastung den Verstärkungsfaktor der Vorverstärkerstufe bis zur Leerlaufverstärkung ansteigen läßt, woraufhin beide Stufen des Verstärkers vom Verstärkungsbetrieb in den Schaltbetrieb übersehen und die über das strombegrenzende Stützelement der Endverstärkerstufe zugeführte Spannungen auf nahezu Null Volt vermindert wird.

Dadurch, daß der Ausgang der Endverstärkc-stufe 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 odes· auf eine andere Weise verfälschen. Auch entfällt der Aufwand und der Platzbedarf für diese Teile.

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. fi-Betrieb vertragen, ist dadurch schon ein gewisser Schutz der Endverstärkerstufe gegen Überlastung erreicht

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.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung besteht die Vorverstärkerstufe aus einem Operationsverstärker und die Endverstärkerstufe aus zweien als Gegentakt- B-Verstärker arbeitenden Transistoren. Der Operationsverstärker in der Vorverstärkerstufe hat den Vorteil einer großen Leerlaufverstärkung, was zu besonders steilen Flanken beim Schaltbetrieb des Verstärkers führt

Da ein Operationsverstärker in der Regel bipolare Impulse abgibt, verteilt sich die abfallende Leistung auf beide Transistoren der Endverstärkerstufe und erwärmt diese gleich stark.

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.

Ein Beispiel der Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung beschrieben. Während in

F i g. 1 ein Prinzipschaltbild eines gegengekoppelten zweistufigen Verstärkers dargestellt ist, zeigt

F i g. 2 die Anwendung eines solchen Verstärkers in einem aktiven Filter.

Die Schaltungsanordnung gemäß F i g. 1 besteht aus einer Vorverstärkerstufe Vl und einer Endverstärkerstufe V2. Der Endverstärkerstufe V2 wird die Betriebsspannung UB über ein strombegrenzendes Schutzelement S zugeführt. Dieses Schutzelement begrenzt dabei den "trorn in dieser Stufe V2 auf zulässige Werte. Dabei kann das Schutzelement 5 ein ohmscher Widerstand, eine Konstantstrom-Diode oder eine elektronische Kontaktstromquelle bzw. eine Konstantstromsenke, je nach der Polarität der Versorgungsspannung, sein. Solche Schutzelemente sind beispielsweise in der DE-OS 24 60 422 beschrieben. Da die verwendeten Schaltelemente in der Regel trägheitslos sind, spricht dieses Schutzelement S praktisch verzögerungsfrei an.
Die Vorverstärkerstufe Vl besitzt einen hohen

ίο Verstärkungsfaktor, der durch die Leerlaufverstärkung ausgedrückt wird. 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 Vl 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.

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 Vi gelangt, bzw. wird unwirksam. Dabei steigt die Verstärkung der Vorverstärkerstufe Vl bis zur Leerlaufverstärkung an. Weil dabei der höchste Wert der Verstärkung sehr schnell erreicht ist (steile Flanke), wirkt die Vorverstärkerstufe Vl als Schalter. Dieser Schaltbetrieb wird auch der Endverstärkerstufe V 2 aufgezwungen, so daß diese die angelegte Betriebsspannung UB schaltet und es fließt ein Kurzschlußstrom. Dabei wird jedoch die Strombegrenzung des Schutzelementes 5 wirksam, so daß die Endverstärkerstufe V2 vor einer thermischen Zerstörung geschützt ist.

Gemäß Fig.2 ist die Vorverstärkerstufe Vl als Operationsverstärker und die Endverstärkerstufe V2 als Gegentakt-B-Endstufe mit zwei komplementären Transistoren Π und 72 in Emitterfolgeschaltung realisiert. Da der Verstärker ein symmetrisches Signal an den Ausgang A mit dem angeschlossenen Lastwiderstand R liefern soll, sind zwei Betriebsspannungsquellen + und — vorgesehen. Diese Spannungen gelangen über je einen Kollektorwiderstand RCi bzw. RC 2 zu den Kollektoren der Transistoren 7Ί und T2. Diese Widerstände dienen als Schutzelement der Strombegrenzung bei Überlastung oder im Kurzschlußfall.

Die Basen beider Transistoren Tl und T2 sind mit dem Ausgang des Operationsverstärkers Vl verbunden, so daß bei positiver Halbwelle der Transistor Ti und bei negativer der Transistor T2 entsprechend geöffnet wird.

Die Emitter beider Transistoren Ti und T2 sind mit dem Ausgang A sowie mit der Gegenkopplungsleitung G verbunden. Diese Leitung führt einerseits zum invertierenden Eingang Ei des Operationsverstärkers Vl und andererseits zum Kondensator Cl, der zu dem aus den Widerständen R1, R2 und den Kondensatoren Ci und C2 gebildeten ÄC-Netzwerk gehört, das den Eingang E und den nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers Vl verbindet. Der zweite Kondensator Cl ist einseitig geerdet und mit dem anderen Pol mit dem gleichen Eingang des Operationsverstärkers Vl verbunden.

Die Gegenkopplung vom Ausgang A der Endverstärkerstufe V2 zum Eingang £"1 des Operationsverstärkers Vl erzeugt einen sehr niedrigen Ausgangs-Innenwiderstand. und beseitiet fast vollständie die ohne

diese Maßnahme auftretenden typischen Übernahmeverzerrungen des Gegentakt-ß-Verstärkers. Das wird dadurch bewirkt, daß in den Null-Durchgängen der Spannung am Ausgang A auch die gegengekoppelte Spannung am Eingang Et in diesen Augenblicken zu Null wird. Dabei arbeitet der Operationsverstärker Vl 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 ß-Betrieb in beschriebener Weise in den Schalterbetrieb über und die Widerstände RCi und RC2 übernehmen wegen des geringen

Kollektor- Ernitterwiderstandes der Transistoren Tt und T2 praktisch die gesamte Leistung, die diese Transistoren TX und T2 sonst zerstören würde.

Wie schon beschrieben, werden durch die digitalen Teilerstufen des ÄC-Netzwerkesdie aus einen zentralen Takt erzeugten Rechtecksignale mit der Schaltungsanordnung gemäß F i g. 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.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zum Schutz eines gegengekoppelten zweistufigen Verstärkers gegen Oberlastung und Kurzschluß, bei der der Ausgang der Gegentakt-Endverstärkerstufe mit einem der Anschlüsse der Vorversiärkerstufe über die Gegenkopplungsleitung verbunden ist, wodurch bei Überlastung des Verstärkers, beispielsweise durch einen Kurzschluß am Ausgang, über die Gegenkopplungsleitung ein der jeweiligen Überlastung entsprechendes geändertes Gegenkopplungspotential der Vorverstärkerstufe zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Betriebsspannung (UB) der Endverstärkerstufe (V2) aus einem strombegrenzenden Schutzelement (S) zugeführt wird, daß die Gegenkopplungsleitung (G)den Ausgang (A)der Endverstärkerstufe (V2) unmittelbar, d. h. ohne Zwischenschaltung von zusätzlichen Bauelementen, und einen der beiden Anschlüsse (Ei) im Signaleingang der Vorverstärkerstufe (V 1) verbindet, daß das Gegenkopplungspotential im Fall einer Überlastung den Verstärkungsfaktor der Vorverstärkerstufe (Vi) bis zur Leerlaufverstärkung ansteigen läßt, woraufhin beide Stufen des Verstärkers vom Verstärkungsbetrieb in den Schaltbetrieb übergehen und die über das strombegrenzende Schutzelement (S) der Endverstärkerstufe (V2) zugeführte Spannung auf nahezu Null Volt vermindert wird.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorverstärkerstufe (Kl) aus einem Operationsverstärker und die Endverstärkerstufe (V2) aus zweien, in Emitterfolgeschaltung verbundenen, als Gegentakt-ß-Verstärker arbeitenden Transistoren (Ti, T2) besteht, daß die Kollektoren der beiden Transistoren (Ti, T2) der Endverstärkerstufe (V2) an je ein strombegrenzendes Schutzelement entgegengesetzter Polarität ( + , —) angeschlossen sind, daß die beiden Emitter der Transistoren (Tl₁ T2) der Endverstäikerstufe (V2), die zusammengeschlossen sind, den Ausgang ^des Verstärkers sowie das eine Ende der Gegenkopplungsleitung (G) bilden, daß das andere Ende der Gegenkopplungsleitung (G) an den invertierenden Eingang (—, Ei) des Operationsverstärkers (Vl) angeschlossen ist, und daß der andere Pol des Einganges (E) sowie des Ausganges (A) mit Massepotential verbunden sind.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung des Verstärkers als aktives Filter, das der Umformung der dem Eingang (E) zugeführten Rechteckimpulse in nahezu sinusförmige Ausgangssignale dient, die dem Ausgang (A) entnehmbar sind, dem Verstärker ein aus zwei Λ-C-Gliedern bestehendes Netzwerk (Ri, R 2, CI₁ C2) vorgeschaltet ist, daß die beiden Widerstände (Ri, R 2) dieses Netzwerkes den Eingang der Schaltung mit dem nichtinvertierenden Eingang ( + ) des Operationsverstärkers (Vi) verbinden, daß der eine Kondensator (Ci) des Netzwerkes, der an den Verbindungspunkt der beiden Widerstände (R 1, R 2) angeschlossen ist, mit de- anderen Seite mit der Gegenkopplungsleitung (G) verbunden ist, und daß der andere Kondensator (C2) des Netzwerkes einerseits am nichtinvertierenden Eingang ( + ) des Operationsverstärkers (Vi) und andererseits am Massepotential angeschlossen ist.

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Schutz eines gegengekoppelten zweistufigen Verstärkers gegen Überlastung und Kurzschluß, bei der der Ausgang der Gegentakt-Endverstärkerstufe mit einem der Anschlüsse der Vorverstärkerstufe über die Gegenkopplungsleitung verbunden ist, wodurch bei Überlastung des Verstärkers, beispielsweise durch einen Kurzschluß am Ausgang, über die Gegenkopplungsleitung ein der jeweiligen Überlastung entsprechendes

ίο geändertes Gegenkopplungspotential der Vorverstärkerstufe zugeführt wird.

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 1971/72«, 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 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.

Werden bei der Überwachung des Ausgangsstromes Gleichrichterschaltungen verwendet, so kommen wegen der Zeitkonstanten der Siebschaltung weitere

Ansprechverzögerungen hinzu.

Aus der US 39 12 981 ist auch schon eine Schaltungsanordnung zum Schütze eines Verstärkers bekannt. Zwischen dem Ausgang des Verstärkers und den Transistoren der Endverstärkerstufe sind jeweils niederohmige Widerstände angeordnet, an denen bei Überlastung des Verstärkers ein Spannungsabfall entsteht Dieser Spannungsabfall wird einer komplizierten Überwachungsschaltung zugeleitet, die bei Überschreitsn eines vorgegebenen Schwellwertes eine zusätzliche Schaltstufe betätigt Diese Schaltstufe ist zwischen der Vorverstärkerstufe und der Endverstärkerstufe angeordnet und dient dazu, den Zutritt des zu verstärkenden Signalstromes zur Endverstärkerstufe wie eine elektronische Sicherung zu unterbinden und

damit die Endverstärkerstufe vor einer Überlastung zu schützen. Sowohl die Überwachungsschaltung als auch die zusätzliche Schaltstufe enthalten eine Vielzahl von aktiven und passiven Bauteilen, die den Verstärker verkomplizieren, verteuern und gegen Störungen anfälliger machen. Eine weiterhin vorgesehene Gegenkopplungsleitung zwischen dem Verstärkerausgang und einem Seiteneingang des Vorverstärkers enthält eine Parallelschaltung eines Kondensators und eines Widerstandes und ist weder mit der Überwachungsschaltung noch mit der Schaltstufe verbunden, so daß sie diese nicht beeinflussen kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Schutzproblem mit möglichst niedrigem Schaltungsaufwand bei praktisch verzögerungsfreiem Ansprechen zu lösen.

Erreicht wird das gemäß der Erfindung dadurch, daß die Betriebsspannung der Endverstärkerstufe aus einem strombegrenzenden Schutzelement zugeführt wird, daß die Gegenkopplungsleitung den Ausgang der Endver stärkerstufe unmittelbar, d. h. ohne Zwischenschaltung von zusätzlichen Bauelementen, und einen der beiden Anschlüsse im Signaleingang der Vorverstärkerstufe verbindet, daß das Gegenkopplungspotential im Fall