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Verstärkeranlage
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Verstärkeranlage mit einem von
einem Leistungsverstärker gespeisten Lautsprecher und einer Frequenzausgleichsschaltung
(equalizing means), die von einem Audiosignal gespeist wird.
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Derartige Verstärkeranlagen sind in verschiedenen Ausführungsformen
bekannt, und zwar sowohl für ortsstabile Anlagen als auch für Anlagen in Kraftfahrzeugen.
Letzere werden üblicherweise von der 12-Volt-Autobatterie gespeist. Um eine Auslenkung
der Lautsprechermembranen aus der Mitte ihres zugeordneten Luftspaltes zu vermeiden,
werden üblicherweise große Koppelkondensatoren verwendet, welche einen Gleichstromfluß
durch den Lautsprecher bzw. dessen Schwingspule verhindern. Wenn ein Frequenzgangsausgleich
(equalization) vorgesehen ist, dann kann der Verstärker durch einzelne Komponenten
bzw. Frequenzen des Steuersignals überlastet werden, wenn diese im Ausgleichsnetzwerk
erheblich verstärkt werden; dadurch können unerwartete hörbare Verzerrungen entstehen,
bzw. es wird die akustisch abgebbare Ausgangsleistung begrenzt.
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Die Erfindung hat sich zur Aufgabe gestellt, eine insbesondere auch
für Stereoübertragungen geeignete bessere Verstärkeranlage anzugeben, bei welcher
durch neuartige schaltungstechnische Maßnahmen diese Schwierigkeiten vermieden und
eine bessere Ausnutzung der Verstärker und gleichzeitig eine verbesserte Wiedergabe
der musikalischen Darbietungen möglich wird. Die Erfindung hat sich außerdem zur
Aufgabe gestellt, durch eine neuartige Ankopplung der Lautsprecher den bisher hierfür
erforderlichen Aufwand zu verringern und dadurch Kosten und Platz zu sparen.
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Diese Aufgabe wird bei einer Verstärkeranlage der eingangs genannten
Art dadurch gelöst, daß zum Zwecke einer ausgeglicheneren Abstrahlung der Schallenergie
in dem übertragenen Frequenzbereich eine VorrichE ,g mit veränderlicher Verstärkung
vorgesehen ist, die von einem vom Leistungsverstärker abgeleiteten Rückkopplungssignal
gesteuert wird und wenigstens in einem vorgegebenen Frequenzbereich die Verstärkung
relativ zu einem anderen Frequenzbereich ändert, und daß Mittel vorgesehen sind,
welche das von dem Leistungsverstärker abgenommene Rückkopplungssignal in Abhängigkeit
von Signalkomponenten eines Frequenzbereiches innerhalb des für die Übertragung
vorgesehenen Frequenzbereiches in dem Sinne beeinflussen, daß eine im Tonsignal
hörbare Überlastung dieses Verstärkers vermieden wird.
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Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet
und werden nachstehend in Verbindung mit dem ein Ausführungsbeispiel der Erfindung
darstellenden Figuren erläutert.
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In diesen zum Teil schematisch stark vereinfacht gezeichneten Figuren
sind einander entsprechende Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Es zeigt; Fig. l in einem Blockschaltbild die erfindungsgemäße Anordnung
der Endverstärker,
Fig. 2 in einem kombinierten Block/Prinzipschaltbild
das Prinzip der erfindungsgemäßen dynamischen Frequenzgangsausgleichsschaltung (dynamic
equalization), Fig. 3 ein Schaubild, bei welchem der Frequenzgang der abgegebenen
Leistung für verschiedene Schaltzustände dargestellt ist, Fig. 4 ein kombiniertes
Block/Prinzipschaltbild einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
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In Fig. l ist in einem vereinfachten Blockdiagramm das Prinzip des
erfindungsgemäßen Stereo-Übertragungs-Systems dargestellt.
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Hierbei ist einer der sonst üblichen Koppelkondensatoren ganz eingespart,
und der andere Koppelkondensator dient zur Abblockung der Gleichspannung und hat
eine viel kleinere Kapazität und daher auch geringere Größe und ist daher billiger
als jeder der beiden in einem bisher üblichen Lautsprechersystem verwendeten Kondensatoren.
Das Lautsprechersystem enthält je einen Verstärker 10 für den linken Kanal und einen
Verstärker 11 für den rechten Kanal, zwischen denen die zugeordneten LauSprecher
12 und 13 in Reihenschaltung an die entsprechenden positiven bzw. negativen Ausgangsklemmen
des Verstärkers 10 und des Verstärkers 11 angeschlossen sind. Die anderen Ausgangsklemmen
der beiden Verstärker 10 und 11 sind geerdet.
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Ein einerseits geerdeter Kondensator 14 ist mit seiner anderen Belegung
an die Verbindung zwischen dgm linken Lautsprecher 12 und dem rechten Lautsprecher
13 angeschlossen. Der linke Lautsprecher 12 und der rechte Lautsprecher 13 haben
im wesentlichen die gleiche Impedanz, und die Verstärker 10 und 11 für den linken
Kanal bzw. rechten Kanal sind im wesentlichen identisch, so daß - wenn kein Eingangssignal
vorhanden ist - durch keinen Lautsprecher Gleichstrom fließt und die Schwingspulen
sich in der Mitte des Luftspaltes befinden. Wenn ein niederfrequentes
Signal
unterhalb der Sperrfrequenz (cutoff frequency) auftritt, ist der Kondensator 14
für dieses nicht durchlässig, so daß die Spannung an den nicht geerdeten Ausgangsklemmen
der Verstärker 10 und 11 zunimmt und Strom durch die in Reihe geschalteten Lautsprecher
12 und 13 fließt, welcher ihre Membranen gleichphasig bewegt und ein monophones
niederfrequentes Tonsignal erzeugt. Da die niederfrequenten Tonsignale praktisch
keine Richtwirkung haben und nicht nennenswert zu dem Stereoeffekt beitragen, erzeugt
diese Schaltanordnung keine hörbare Beeinträchtigung des stereophonen Klangbildes,
welches der Zuhörer empfängt.
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Für höhere Frequenzen ist der Kondensator leitend, und dadurch wird
der Verbindungspunkt zwischen den beiden Lautsprechern 12 und 13 geerdet, so daß
diese beiden Lautsprecher bei den höheren Frequenzen unabhängig voneinander gesteuert
werden und für die höheren Frequenzen ein linkes und ein rechtes Tonsignal erzeugen,
welches beim Zuhörer einen Stereoeffekt bewirkt.
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Die Übergangsfrequenz (crossover frequency), bei der die abgegebene
Leistung (response) 3 db niedriger ist als oberhalb der Übergangsfrequenz (crossover
frequency), bei welcher der Frequenzgang der abgegebenen Leistung (response) im
wesentlichen gleichförmig verläuft, entspricht im wesentlichen der Frequenz, bei
welcher der kapazitive Widerstand der halben Kapazität des Kondensators 14 gleich
ist der Impedanz der Lautsprecher 12 bzw. 13. Für eine ÜbergangsfreZuenz (crcssover
frequency) von 600 Hz und Lautsprecher mit einer Impedanz von 0,5 Ohm (typisches
Ergebnis, wenn man einen Frontlautsprecher und einen Hinterlautsprecher von 1 Ohm
für jeden Kanal parallel schaltet) beträgt die Kapazität des Kondensators 14 1000/uF,
also nur ein Zehntel des Wertes, welchen die beiden abblockenden Kondensatoren in
typischen konventionellen Lautsprechersystemen haben.
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In dem kombinierten Block/Prinzipschaltbild der Fig. 2 ist das Prinzip
der erfindungsgemäßen dynamischen Frequenzausgleich schaltung dargestellt. Ein Lautsprechersystem
21 gibt mit verhältnismäßig hoher Lautstärke das an der Eingangsklemme 22 ankommende
Eingangssignal auch bei Überlastung des Leistungsverstärkers 23 ohne hörbare Verzerrung
wieder. An die Eingangsklemme 22 ist ein Operationsverstärker mit einem feste Parameter
enthaltenden Ausgleichsnetzwerk 24 verbunden, das durch ein Schaltelement 25 mit
veränderlichem Parameter überbrückt ist, welches in den Rückkopplungsweg vom Ausgang
des Verstärkers 26 zum Verbindungselement 27 (summing junction) geschaltet ist.
Der Leistungsverstärker 23 liefert ein Rückkopplungssignal über den Rückkopplungsweg
34 an die LED Diode 32, welches dem als fotoelektrischen Widerstand ausgebildeten
Schaltelement Licht zuführt, dessen Intensität proportional de Signalamplitude des
vom Leistungsverstärker 23 gelieferten E?ückkopplungssignals ists Nachstehend wird
die Wirkungsweise näher beschrieben. In einem mit Ausgleichsnetzwerk versehenen
(equalized) Lautsprechersystem ist der Leistungsverstärker üblicherweise durch Signalkomponenten
in dem Frequenzbereich überlastet, in dem die Ausgleichswirkung (equalization gain)
am höchsten ist, üblicherweise im Baß und in sehr hohen Tonlagen (treble regions).
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Bei bekannten typischen Ausführungsformen ist ein statisches Ausgleichsnetzwerk
(equalizer) in Reihe mit einer Kompressionsschaltung (compressor) angeordnet, der
die Amplitude im Übertragungskanal unabhängig von der Frequenz verringert, wenn
die Signalamplitude zunimmt, und zwar ohne Rücksicht auf die speziellen Frequenzbereiche
(spectral components), welche die Überlastung hervorrufen. Als Beispiel sei die
Situation betrachtet, wenn ein Sänger von einer Baßtrommel begleitet wird.
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Es sei weiter angenommen, daß die von der Baßtrommel herrührenden
Signale ohne Anwendung von Kompression das Verstärker-Lautsprechersystem überlasten
würden. Um eine Überlastung zu vermeiden, verringert bei den bekannten Ausführungsformen
der Kompressor die Verstärkung des Kanals und verringert also nicht nur die Lautstärke
der Baßtrommel, sondern auch die des Sängers. Durch die Anwendung der Erfindung
werden die von der Baßtrommel verursachten Signale verringert, um eine Überlastung
des Verstärkers zu vermeiden, während die vom Sänger herrührenden Signale bzw. die
Lautstärke des Sängers im wesentlichen unverändert bleibt.
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Dieses Ergebnis wird mit der in Fig. 2 schematisch vereinfacht dargestellten
Schaltanordnung erreicht. Die höchste ausgeglichene Leistung (maximum equalized
gain) ist bei den Frequanzen vorhanden, bei denen die Leitfähigkeit des Rückkopplungsnetzwerkes
um den Verstärker 26 ein Minimum ist. Das als fotoelektrischer Widerstand 25 ausgebildete
Schaltelement hat bei Dunkelheit eine vernachlässigbare Leitfähigkeit, und die Wirkung
der Ausgleichsschaltung wird durch das fest eingestellte Netzwerk 24 bestimmt. Wenn
die LED Diode 32 als Folge einer Überlastung des Leistungsverstärkers 23 Licht emittiert,
dann nimmt die Leitfähigkeit des fotoelektrischen Widerstandes 25 genügend zu, um
die Verstärkung (equalization gain) zu verringern, bis keine Überlastung mehr vorhanden
ist.
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In dem Bereich, in dem eine erste Überlastung des Systems auftreten
würde, wird die Leitfähigkeit des fotoelektrischen Widerstandes 25 so hoch im Vergleich
zu dem fest eingestellten Ausgleichsnetzwerk 24 , daß der Frequenzgang des Übertragungskanals
im wesentlichen flach wird und die Schaltanordnung als ein Verstärker mit gleichmäßigem
Frequenzgang und zugehörigem Kompressor wirkt.
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Fig. 3 zeigt ein Schaubild, bei welchem der Frequenzgang des Ausgleichsnetzwerkes
für eine Kompression von 0 db, 5 db und 20 db durch die Kurven A bzw. B bzw. C dargestellt
ist.
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Hierbei ist bemerkenswert, daß die Kurve B für 5 db Kompression mit
einem Widerstandswert des fotoelektrischen Widerstandes 25 bei 100 kOhm im Bereich
von 20 Hz bis 8000 Hz nur ungeführ 2 db unterhalb der Kurve A (keine Kompression)
verläuft, während sie bei 50 Hz um 6 db und bei 15 kHz um 8 db niedriger verläuft.
Bei einer Kompression von 20 db - dargestellt durch Kurve C - beträgt der Widerstand
des fotoelektrischen Widerstandes 25 10 k0hm,und der Frequenzgang ist imtesentlichen
flach zwischen 50 und 15.000 Hz.
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In Fig. 4 ist das Schaltbild einer bcvorzugten Ausführungsform der
Erfindung dargestellt, wobei die Werte bzw. charakteristischen Daten der einzelnen
Schaltelemente eingetragen sind.
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Nachstehend werden einige Hinweise für die Wirkungsweise der Schaltung
gegeben.
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Transistor Q1 und die zugehörigen Schaltelemente sind mit entsprechenden
Gleichspannungsquellen verbunden. Die Klemme P16 ist üblicherweise mit der das Programm
liefernden Leitung verbunden, beispielsweise einem zugehörigen Autorundfunkempfänger
(tuner), so daß der Anschluß der Programmquelle einen Stromfluß durch den üblicherweise
nichtleitenden Transistor Q1 zur Folge hat und daher entsprechende Steuerspannungen
den einzelnen Schaltelementen und Schaltkreisen zugeführt werden, während das Potential
am Kollektor des Transistors QI infolge Wirkung der Zenerdiode D4 den Wert von 16
V nicht überschreitet. Der linke und rechte Kanal sind identisch, so daß nur der
rechte Kanal in seinen Einzelheiten dargestellt ist.
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Der üblicherweise nichtleitende Transistor Q203 wird nur leitend,
wenn der Leistungsverstärker überlastet ist. Dann zieht er Strom durch die LED Diode
32, und diese beleuchtet den fotoelektrischen Widerstand 25 proportional der jeweiligen
Überlastung. Ausgangsklemmen sind vorgesehen zum Anschluß eines Frontlautsprechers
A und eines Rückwandlautsprechers B.
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Diese beiden linken bzw. rechten Lautsprecher sind parallel geschaltet.
Die Klemme der Lautsprecheranschlüsse des linken Kanals werden mit den untereinander
verbundenen Kollektoren der Ausgangstransistoren verbunden, während die Klemmen
für die rechten Lautsprecher an die miteinander verbundenen Kollektoren der Ausgangstransistoren
Q206 und Q207 angeschlossen werden. Die -Klemmen für die linken Lautsprecher und
die Kennen für die rechten Lautsprecher werden miteinander verbunden und außerdem
mit dem Kondensator 14. Dieser Kondensator hat üblicherweise eine Kapazität von
1000/um, um eine Halbleistungs-Übergangsfrequenz von 600 Hz für ein Paar von l-Ohm-Lautsprechern
zu erzielen, die in Parallel schaltung eine Impedanz von etwa 0,5 Ohm haben. Als
bevorzugte Form eines geeigneten Lautsprechersystems (loudspeaker driver) ist das
BOSE 901 Serie III Lautsprechersystem verwendet worden, welches im US-PS 4.061.890
beschrieben ist. Es sind Eingänge für Spannungsquellen hoher Amplitude, beispielsweise
sogenannte Tuner, und solche für niedrige Amplitude, beispielsweise Köpfe für Magnetbandabtastung,
vorgesehen.
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Die vorstehend beschriebene Schaltanordnung ist hervorragend dafür
geeignet, eine hohe akustische Ausgangsleistung bei mäßigem Schaltaufwand zu erzielen.
Durch die erfindungsgemäße Schaltanordnung werden die sonst erforderlichen großen
Koppelkondensatoren vermieden, und die Verstärker können im Bedarf fall nahe ihrer
Maximalleistung für sehr verschiedenartige
Programme arbeiten mit
nahezu nicht hörbarer Verzerrung und können eine gute Balance zwischen den verschiedenen
Tönen bzw. Tonlagen aufrechterhalten.