DE2753888C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Verstärker, ent­ sprechend dem Oberbegriff des Anspruches 1, für ein in der Impulsbreite moduliertes Signal.

Durch die US-PS 39 76 955 ist bereits ein im wesentlichen dem Oberbegriff des Anspruches 1 entsprechender Verstärker für ein in der Impuls­ breite moduliertes Signal bekannt, bei dem ein Detektorkreis eine Schutzschaltung steuert, die im Fehlerfall die Zuführung des demodulierten Ausgangssignales zum Signalausgang verhindert. Bei dieser bekannten Schaltung erfaßt der Detek­ torkreis das Gleichspannungssignal am Ausgang.

Ist nun bei einem Verstärker für ein in der Im­ pulsbreite moduliertes Signal die Frequenz des Ausgangssignales sehr niedrig oder verringert sich die Lastimpedanz aufgrund eines Kurzschlusses, so tritt in dem Tiefpaßfilter, über das das de­ modulierte Ausgangssignal dem Signalausgang zuge­ führt wird, ein großer Strom auf. Er verursacht eine übermäßige Ladung des Glättungskondensators der Gleichrichterschaltung, die die Gleichspannung für den Verstärker liefert. Der Gleichspannungs­ pegel der Stromversorgungsschaltung steigt daher in einem solchen Falle so stark an, daß die Gefahr einer Zerstörung des Glättungskondensators oder einer Beschädigung der Verstärkerschaltelemente besteht.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Verstärker der im Oberbegriff des Anspruches 1 vorausgesetzten Art so auszubilden, daß auch im Falle einer Null-Last (Kurzschluß) die Glättungs­ kondensatoren der Stromversorgungsschaltung sowie die Verstärkerschaltelemente nicht beschädigt werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kenn­ zeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst.

Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Fig. 1 bis 3 beispielsweise erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Schaltbild einer Ausführungsform des Verstärkers für ein impulsbreitenmoduliertes Signal und

Fig. 2A bis 2D und Fig. 3A bis 3D den Verlauf von Signalen zur Erläuterung der Arbeitsweise des Verstärkers der Fig. 1.

Fig. 1 zeigt, daß der Verstärker für ein impulsbreiten­ moduliertes Signal aus einer Gleichspannungsquelle 1 mit einem Leistungstransformator 2, einem Gleichrichter 3 und einem Konstantspannungskreis 4, einem Verstärkerkreis 5 und einem Detektorkreis 6 besteht.

Die Gleichspannungsquelle 1 der gezeigten Ausführungsform hat einen Leistungstransformator 2 mit einer Primärwick­ lung 2 a und einer Sekundärwicklung 2 b. Eine Netzwechsel­ spannung von 100 V wird der Primärwicklung 2 a zwischen ihren Eingängen T 01 und T 02 zugeführt. Die Sekundärwick­ lung 2 b ist an ihrem Mittelpunkt geerdet und an ihren gegenüberliegenden Enden mit dem Gleichrichter 3 verbunden, der aus Gleichrichterkreisen 3 A und 3 B besteht, die eine positive und eine negative Gleichspannung abgeben. Der Gleichrichterkreis 3 A besteht aus Gleichrichterdioden D 1 und D 2 und einem Glättungskondensator C 1 a, so daß eine positive Gleichspannung an einem Ausgang T 11 erhalten werden kann. In gleicher Weise besteht der Gleichrichter­ kreis 3 B aus Gleichrichterdioden D 3 und D 4 und einem Glättungskondensator C 1 b, so daß eine negative Gleich­ spannung am Ausgang T 12 erhalten werden kann. Der Ver­ bindungspunkt zwischen den Glättungskondensatoren C 1 a und C 1 b ist geerdet.

Der Gleichrichter 3 ist an seinem Ausgang mit einem Kon­ stantspannungskreis 4 verbunden, der aus zwei Spannungs­ regelkreisen 4 A und 4 B besteht. Der Spannungsregelkreis 4 A besteht aus zwei NPN-Spannungsregeltransistoren Q 1 a und Q 2 a in Darlington-Schaltung, einem NPN-Vergleichs­ transistor Q 3 a, einer Zenerdiode Dz, die als Bezugs­ spannungselement dient, und einer Serienschaltung von Widerständen R 1 und R 2, die als Lastspannungs-Detektor­ kreis dienen.

Der Kollektor von Q 1 a ist mit dem Ausgang T 11 und dessen Emitter ist mit einem Gleichspannungsausgang T 21 ver­ bunden. Die Basis von Q 2 a ist mit dem Kollektor von Q 3 a und der Emitter von Q 3 a ist mit der Kathode der Zener­ diode Dz verbunden, deren Anode geerdet ist. Die Reihen­ schaltung der Widerstände R 1 und R 2 ist zwischen den Gleichspannungsausgang T 21 und Ende geschaltet und der Verbindungspunkt der Widerstände R 1 und R 4 ist mit der Basis von Q 3 a verbunden. Zwischen den Ausgang T 21 und Erde ist außerdem ein Glättungskondensator C 2 a geschal­ tet, so daß am Ausgang T 21 eine positive konstante Gleichspannung erhalten werden kann.

Der Spannungsregelkreis 4 B besteht aus zwei PNP-Span­ nungsregeltransistoren Q 1 b und Q 2 b in Darlington-Schaltung, einem PNP-Vergleichstransistor Q 3 b und einer Reihenschal­ tung von Lastspannungs-Detektorwiderständen R 3 und R 4. Der Kollektor von Q 1 b ist mit dem Ausgang T 12 und dessen Emitter ist mit dem Gleichspannungsausgang T 22 verbunden. Die Basis von Q 2 b ist mit dem Kollektor von Q 3 b verbun­ den und der Emitter von Q 3 b ist geerdet. Die Reihenschal­ tung der Widerstände R 3 und R 4 ist zwischen die Aus­ gänge T 21 und T 22 geschaltet, und der Verbindungspunkt der Widerstände R 3 und R 4 ist mit der Basis von Q 3 b verbunden. Zwischen den Ausgang T 22 und Erde ist ein Glättungskondensator C 2 b geschaltet, so daß eine negative konstante Gleichspannung am Ausgang T 22 erhalten werden kann.

In den Verstärkerkreis 5 ist ein Eingang 7 zur Aufnahme eines impulsbreitenmodulierten Signals (eines Rechteck­ signals), wie es Fig. 2A und Fig. 3A zeigen, vorgesehen.

Das ankommende Signal wird über einen Eingang 7 einem Ansteuerkreis 8 zugeführt, um positive und negative Halbperiodensignale zu erhalten, die den Steuerelektroden von P- und N-Kanal-Verstärkungs-FETs Q 9 a und Q 9 b zuge­ führt werden, um diese abwechselnd ein- und auszuschalten. Die Sourceelektroden der FETs Q 9 a und Q 9 b sind mit den Gleichspannungsausgängen T 21 und T 22 verbunden, um an diesen positive und negative Gleichspannungen der Gleichspannungsquelle 1 zu erhalten, und die Drain­ elektroden der FETs Q 9 a und Q 9 b sind zusammen mit einem Tiefpaßfilter 9 verbunden, das aus einer Spule 10 und einem Kondensator 11 besteht. Das demodulierte Ausgangs­ signal des Tiefpaßfilters 9, das ein Audiosignal sein kann, soll einer Last L z. B. in Form eines Lautsprechers über einen Signalausgang 12 zugeführt werden.

Der Detektorkreis 6 zur Ermittlung des Pegels der von dem Gleichrichter 3 der Gleichspannungsquelle 8 abge­ gebenen Gleichspannung enthält eine Reihenschaltung aus Widerständen R 5 und R 6, die zwischen die Ausgänge T 21 und T 22 geschaltet ist. Der Verbindungspunkt der Widerstände R 5 und R 6 ist mit der Basis eines NPN-Transistors Q 4 und dem Emitter eines NPN-Transistors Q 5 verbunden. Ein Widerstand R 7 ist zwischen Erde und die Bais von Q 4 geschaltet, um durch dessen Widerstandswert die Ermitt­ lungsempfindlichkeit zu bestimmen. Der Emitter von Q 4 und die Basis von Q 3 sind zusammen mit Erde verbunden. Die Kollektoren Q 4 und Q 5 sind zusammen mit der Basis eines PNP-Transistors Q 8 verbunden. Zwischen den Ausgang T 21 und Erde ist eine Reihenschaltung aus Widerständen R 9 und R 10 verbunden, um eine Vorspannung zu erzeugen, und deren Verbindungspunkt ist über einen Widerstand R 8 mit dem Kollektor von Q 8 und der Basis eines PNP-Transistors Q 6 verbunden. Die Emitter von Q 6 und Q 8 sind zusammen mit dem Ausgang T 21 verbunden. Ein Kondensator C 3 ist zwischen den Emitter und die Basis von Q 6 geschaltet. Der Kollektor von Q 6 ist mit der Basis eines NPN-Transistors Q 7 und die Basis von Q 6 ist mit dem Kollektor von Q 7 verbunden, um eine Thyristor­ schaltung zu schaffen.

In dem Verstärkerkreis 5 zwischen dem Tiefpaßfilter 9 und dem Signalausgang 12 ist ein Kontakt 14 eines Relais 13 vorgesehen, und der Emitter von Q 7 ist über die Spule 15 des Relais 13 geerdet.

Es wird nun die Arbeitsweise des Verstärkers der Fig. 1 anhand der Fig. 2A bis 2D und 3A bis 3D beschrieben.

Wenn angenommen wird, daß ein unmoduliertes Impulssignal mit einem Taktverhältnis von 50%, wie es Fig. 2A zeigt, dem Eingang 7 des Verstärkerkreises 5 zugeführt wird, fließt ein Strom I 1 durch die Source-Drain-Strecke des FETs Q 9 a, der einen dreieckigen Verlauf mit symmetrischen positiven und negativen Anteilen hat, wie Fig. 2B zeigt, und zwar nur während jedes Intervalls, wenn das Impuls­ signal der Fig. 2A positiv ist. In gleicher Weise fließt ein Strom I 2 durch die Source-Drain-Strecke des FETs Q 9 b und hat einen dreieckigen Verlauf mit symmetrischen positiven und negativen Anteilen, wie Fig. 2C zeigt, und zwar nur während jedes Intervalls, wenn der Impuls der Fig. 2A negativ ist. Daher fließt ein dreieckiger Signal­ strom I 3 mit symmetrischen positiven und negativen An­ teilen, wie Fig. 2D zeigt, durch die Spule 10 des Tief­ paßfilters 9. Dieser Signalstrom I 3 ergibt, wenn er von dem Tiefpaßfilter 9 integriert wird, Null, so daß kein Signalstrom durch die Last L fließt.

Wenn l die Induktivität der Spule 10, i der durch die Spule 10 fließende Strom El die Spannung über der Spule 10 ist, erhält man die folgende Gleichung:

Der Stromzunahmefaktor wird daher wie folgt ausgedrückt:

Wenn keine Modulation auftritt, wird El gleich der Spannung E 1 der Gleichspannungsquelle.

Wenn der Eingang 7 ein Signal erhält, dessen Impulsbreite durch ein positives Audiosignal moduliert wird, hat sein Verlauf ein von 15% abweichendes Tastverhältnis, wie Fig. 3A zeigt. Daher sind die Ströme I 1 und I 2, die durch die Source-Drain-Strecke des FETs Q 9 a und Q 9 b fließen, bezüglich ihrer positiven und negativen Anteile asymme­ trisch, wie Fig. 3B und 3C zeigen, d. h., jeder Strom I 1 und I 2 hat einen relativ großen positiven Anteil bei diesem Beispiel. Der Strom I 3, der durch die Spule 10 des Tiefpaßfilters 9 fließt, ist ebenfalls asymmetrisch bezüglich seiner positiven und negativen Anteile, wie Fig. 3D zeigt, d. h., der Strom I 3 hat einen dreieckigen Verlauf mit größeren positiven als negativen Anteilen, wenn das auf den Eingang 7 gegebene Signal durch ein positives Audiosignal in der Impulsbreite moduliert ist. Wenn daher der dreieckige Strom I 3 der Fig. 3D durch das Tiefpaßfilter 9 integriert wird, wird der Last L ein positiver Gleichstrom zugeführt. Wenn E 0 die Gleichspannung über der Last L ist, erhält man die folgende Beziehung während eines positiven Intervalls des Impulssignals der Fig. 3A:

E _l = E₁ - E₀

und während eines negativen Intervalls des Impulssignals der Fig. 3A:

E _l = - (E₁ + E₀).

Wenn die Frequenz des dem Eingang 7 zugeführten impuls­ breitenmodulierten Signals sehr niedrig ist, z. B. in der Größenordnung von 20 Hz, und/oder wenn die Last der Lastimpedanz verringert wird, fließt ein großer Strom, in diesem Falle ein positiver Gleichstrom, durch die Last L. Wenn das Impulssignal von einem positiven Audio­ signal moduliert ist, wird der durch den FET Q 9 a, der mit dem positiven Gleichspannungsausgang T 21 verbunden ist, fließende Strom in der Vorwärtsrichtung erhöht, während der durch den FET Q 9 b, der mit dem negativen Gleichspannungsausgang T 22 verbunden ist, fließende Strom in der Rückwärtsrichtung erhöht wird, wie Fig. 3B und 3C zeigen. Daher wird der Glättungskondensator C 2 b, der dem Gleichrichterkreis 3B zur Erzeugung der negati­ ven Gleichspannung zugeordnet ist, geladen, so daß die Spannung zwischen den Ausgängen T 21 und T 22 erhöht wird. Die gleiche Situation ergibt sich, wenn ein negativer Gleichstrom durch die Last L fließt. In beiden Fällen, wenn die absolute Größe der positiven Gleichspannung am Ausgang T 21 ansteigt oder die absolute Größe der negativen Gleichspannung am Ausgang T 22 ansteigt, wird diese Tatsache von Kreis 6 ermittelt, d. h., der Transistor Q 4 oder Q 5 wird eingeschaltet, um den Transistor Q 8 zu öffnen. Normalerweise ergibt die elektrische Ladung an dem Kondensator C 3 eine bestimmte Spannung zwischen dem Emitter und der Basis von Q 6, um ihn leitend zu halten. Der Kondensator C 3 wird von der Emitter-Kollektor­ strecke von Q 8 kurzgeschlossen, wenn Q₈ eingeschaltet ist, so daß der Kondensator C 3 entladen wird und damit Q 8 aus­ geschaltet wird. Daher wird auch Q 7, der im leitenden Zustand ist, ausgeschaltet, und damit wird die Spule 15 des Relais 13 entregt, so daß ihr Kontakt 14 geöffnet wird. Das Öffnen des Kontakts 14 verhindert das Auftre­ ten des demodulierten Ausgangssignals des Tiefpaßfilters 9 am Signalausgang 12.

Im normalen Arbeitszustand des Verstärkers, d. h., wenn die Gleichspannungen an den Ausgängen T 21 und T 22 einen bestimmten Wert nicht überschreiten, sind Q 4, Q 5 und Q 8 ausgeschaltet und Q 6 und Q 9 eingeschaltet, so daß die Spule 15 des Relais 13 erregt wird, der Kontakt 14 ge­ schlossen ist und dadurch das demodulierte Ausgangssignal zum Signalausgang 12 übertragen wird.

Beim Einschalten der Gleichspannungsquelle 1 wirken der Kondensator C 3 und der Widerstand C 8 des Gleichrichter­ kreises 6 als Unterdrückungskreis. Der Kondensator C 3 und der Widerstand R 8 bilden einen Zeitkonstantenkreis, um das Einschalten von Q 6 und damit von Q 7 zu verzögern, bis der Kondensator C 3 geladen worden ist. Bis zu diesem Zeitpunkt bei der Ladung von C 3 nach dem Einschalten der Gleichspannungsquelle 1 bleibt die Relaisspule 15 ent­ regt, so daß der Kontakt 14 geöffnet ist und dadurch die Übertragung des Ausgangssignals zum Ausgang 12 verhindert wird.

Bei der zuvor beschriebenen Ausführungsform wird, wenn die Gleichspannung des Gleichrichters 3, die über den Konstantspannungskreis 4 auf die Ausgänge T 21 und T 22 gegeben wird, einen bestimmten Wert überschreitet und durch den Detektorkreis 6 ermittelt wird, eine Beschädi­ gung der Glättungskondensatoren C 2 a, C 2 b oder der Ver­ stärkungsschaltelemente Q 9 a, Q 9 b dadurch verhindert, daß der Kontakt 14 in Abhängigkeit von dem Detektorkreis 6 verhindert wird, um das Anlegen des Ausgangssignals vom Verstärkerkreis 5 an die Last L zu verhindern. Die Kompensatoren C 2 a, C 2 b und die Verstärkungsschaltelemente bzw. FETs Q 9 a und Q 9 b können in gleicher Weise dadurch an einer Beschädigung gehindert werden, daß der Detektor­ kreis 6 veranlaßt wird, wenn er eine übermäßige Gleich­ spannung am Ausgang T 21 oder T 22 feststellt, die Gleich­ spannung des Gleichrichters 3 in geeigneter Weise ver­ ringert oder die Quelle des impulsbreitenmodulierten Signals vom Eingang 7 des Verstärkerkreises 5 trennt oder den Betrieb des Ansteuerkreises 8 sperrt.

Claims (6)

1. Verstärker für ein in der Impulsbreite modulier­ tes Signal, enthaltend

• a) eine Stromversorgungsschaltung zur Gleichrich­ tung einer Wechselspannung in eine Gleich­ spannung, wobei zwei Glättungskondensatoren zwischen einen positiven und einen negativen Gleichspannungsausgang und Masse geschaltet sind,
• b) eine Verstärkerschaltung mit einem Signalein­ gang für ein in der Impulsbreite moduliertes Signal, durch die Gleichspannung betätigten Verstärkerelementen, einem mit dem Sig­ naleingang verbundenen Ansteuerkreis zur Steue­ rung der Verstärkerelemente entsprechend dem in der Impulsbreite modulierten Signal, einem Signalausgang sowie mit einem mit den Verstärkerelementen verbundenen Tief­ paßfilter zur Zuführung eines demodulierten Ausgangssignales zum Signalausgang,
• c) eine von einem Detektorkreis gesteuerte Schutzschaltung, die beim Ansprechen die Zuführung des demodulierten Ausgangssignals zum Signalausgang verhindert,
  dadurch gekennzeichnet,
• d) daß der Detektorkreis (6) zur Überwachung des Pegels der Gleichspannung dient,
• e) und daß die Schutzschaltung dann anspricht, wenn der Pegel der Gleichspannung einen bestimmten Wert überschreitet.

2. Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Detektorkreis (6) einen ersten und einen zweiten Transistor (Q₄ bzw. Q₅) enthält, wobei die Basis des ersten Transistors (Q₄) und der Emitter des zweiten Transistors (Q₅) an den Verbindungspunkt zweier Widerstände (R₅, R₆) angeschlossen ist, wobei ferner der Emitter des ersten Transistors (Q₄) und die Basis des zweiten Transistors (Q₅) an ein Bezugspotential angeschlossen sind und die Kollektoren beider Transistoren (Q₄, Q₅) miteinander verbunden sind und ein Detek­ torsignal erzeugen, wenn der positive oder negative Pegel der Gleichspannung den vorbe­ stimmten Wert überschreitet.

3. Verstärker nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Detektorkreis (6) weiter­ hin einen Widerstand (R₇) enthält, der zwischen dem Verbindungspunkt der beiden Widerstände (R₅, R₆) und dem Bezugspotential angeordnet ist.

4. Verstärker nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Schutzschaltung vom Detek­ torkreis (6) gesteuerte Betätigungselemente (Q₈, Q₇, Q₆, R₈, R₉, R₁₀) enthält, die bei Nichtvorhandensein des Detektorsignals ein Betätigungssignal erzeugen, und daß zwischen dem Tiefpaßfilter (9) und dem Signalausgang (12) ein Schutzschaltelement (14, 15) vorgesehen ist, das das demodulierte Ausgangssignal nur dann dem Signalausgang (12) zuführt, wenn das Schutzschaltelement (14, 15) durch das Betäti­ gungssignal geschlossen ist.

5. Verstärker nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Betätigungselemente der Schutzschaltung an einen dritten, vierten und fünften Transistor (Q₈, Q₇, Q₆) sowie Vor­ spannungswiderstände (R₈, R₉, R₁₀) umfassen, wobei die Emitter des dritten und vierten Transistors (Q₈ bzw. Q₆) miteinander sowie mit dem einen Gleichspannungsausgang verbunden sind, wobei ferner die Kollektoren des dritten und fünften Transistors (Q₈ bzw. Q₇) und die Basis des vierten Transistors (Q₆) miteinander sowie mit den Vorspannungswiderständen (R₈, R₉, R₁₀) verbunden sind, wobei weiterhin der Kollektor des vierten Transistors (Q₆) und die Basis des fünften Transistors (Q₇) mit­ einander verbunden sind, wobei ferner die Basis des dritten Transistors (Q₈) mit dem Detektor­ signal gespeist wird und der Emitter des fünften Transistors (Q₇) mit dem Schutzschalt­ element (14, 15) verbunden ist und diesem das Betätigungssignal zuführt.

6. Verstärker nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Betätigungselemente weiterhin einen Kondensator (C₃) enthalten, der zwischen Emitter und Kollektor des dritten Transistors (Q₈) angeordnet ist.