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Leistungsverstärker der Klasse D
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Die Erfindung beschäftigt sich mit Leistungsverstärkern der Klasse
D, wie sie beispielsweise in der Zeitschrift "Funkschau", Heft 4, (1977) Seiten
167 bis 169 behandelt werden. In derartigen Leistungsverstärkern werden nach dem
Impulsbreiten-(PWM)-Prinzip modulierte Rechteckimpulse verstärkt und das Audiosignal
über ein Tiefpaßfilter zurückgewonnen.
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Leistungsverstärker der Klasse D benötigen sehr schnell schaltbare
Schalter mit sehr geringen Durchlaßwiderständen (Ron), wie sie bisher kaum zur Verfügung
standen, nunmehr aber als V-Fets handelsüblich geworden sind und Schaltzeiten von
weniger als 50 nSec und Durchlaßwiderstände (Ron) zwischen 0,3 und 3 Ohm aufweisen.
Aufgrund des Fehlens von Minoritäteninjektionen sind inbesondere ihre Ausschaltzeiten
wesentlich kleiner als die von bipolaren Transistoren.
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V-Fets zeichnen sich nach der Zeitschrift "nachrichten elektronik"
1 (1978) Seiten 15 bis 18 durch eine V-förmige Vertiefung in einer Oberfläche eines
plattenförmigen Halbleiterkörpers aus, wobei auf die Randflächen der V-förmigen
Vertiefung die MOS-Gate-Elektroden aufgebracht sind und der Stromfluß vertikal zur
Flächenausdehnung des Halbleiterkörpers von der Source-Elektrode an der Oberflächenseite
der Gate-Elektrode zu der gegenüberliegenden Drain-Elektrode erfolgt, wobei sich
die Bezeichnung "V-MOS" weniger auf die V-förmige Vertiefung,als auf den "vertikalen"
Stromfluß bezieht. Ähnliche Eigenschaften weisen die soS genannten DMOS-Feldeffekttransistoren
auf, wie sie aus den Zeitschriften "Electronics" vom 25. September 1975,
Seiten
50 und 51, und "Electronics", vom 15. Februar 1971, Seiten 99 bis 105, bekannt waren.
Bei der Bestückung eines Leistungsverstärkers der Klasse D nach der Erfindung werden
vorzugsweise derartige Transistoren verwendet.
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Ein Leistungsverstärker der Klasse D, der in der Leistungsverstärkerstufe
V-FETs als Schalter enthält, wird in dem Funkschau-Sonderheft 'High-Fidelity" 2,
(1979) Seiten 27 bis 31, beschrieben. Die Erfindung betrifft einen solchen Leistungsverstärker
der Klasse D gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Aufgabe der Erfindung ist die Angabe eines Leistungsverstärkers der
Klasse D für hohe Schaltleistungen mit einem gleichen und einfach ausgelegten Netzteil.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil
des Anspruchs 1 angegebenen Maßnahmen gelöst.
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Verwebt man nämlich die gleichgerichtete Netzspannung direkt zur Versorgung
der Leistungsverstärkerstufe, dann erreicht man am Lautsprecher eine Niederfrequenzspannung
von etwa ULeff 100 V bei einer Wechselnetzspannung von 220 V, d.h. bei verschiedenen
Lautsprecher-Widerständen folgende Leistung nach der Formel U2 P = - : R RL/!2 Pmax/
soo 20 300 33 100 100 50 200 25 400 16 625 8 T wt\O' V w '
Selbstverständlich
können diese Widerstände auch durch Lautsprecherkombinationen erreicht werden, beispielsweise
von 6 Lautsprechern mit 82/30 W in Reihe, so daß sich etwa ein Wert von 50R/200
W ergibt.
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Ähnlche Verhältnisse ergeben sich für eine andersorts übliche Netzspannung
von 117 V Wechselspannung/60 Hz.
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Die Verwendung der gleichgerichteten Netzspannung zum Betrieb der
Leistungsverstärkerstufe ist nur möglich, wenn das Eingangssignal elektrisch vollkommen
von der Endstufe getrennt ist. Dazu wird beim Leistungsverstärker nach der Erfindung
ein optischer Übertragungsweg verwendet, insbesondere ein Optokoppler. Optimal wird
der Leistungsverstärker nach der Erfindung, wenn das über den Optokoppler zur übertragende
Signal keine Analoganteile enthält. Mit geeigneten flansistoren werden Wirkungsgrade
von 80 bis 97% erzielt.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand des in der Figur der Zeichnung
gezeigten Prinzipschaltbildes mit einer sehr einfachen aufgebauten VMOS-Leistungsverstärkerstufe
erläutert. Das zu verstärkende Tonfrequenzsignal wird an den Eingang E des Modulators
1 angelegt, der dieses niederfrequente Signal in ein pulsbreitenmoduliertes Signal
mit fester oder variabler Frequenz von etwa 100 bis 500 kHz mit hoher Flankensteilheit
und konstanter,Amplitude umwandelt. Dieses Signal wird über einen schnellen Optokoppler
2 auf die Leistungsverstärkerstufe 3 übertragen, die ein pulsbreitenmoduliertes
Signal mit einer konstanten Amplitude von 12 V niederohmig (RiC 5O Ohm) liefert.
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Das pulsbreitenmodulerte Signal schaltet über je eine Klemmschaltung
mit dem Kondensator C5 bzw. C4, den Widerstand R1 bzw, R2 und der schnellen Klemmdiode
D1
bzw. D2 abwechselnd den N-Kanal-Feldeffekttransistor T2 und den
P-Kanal-Feldeffekttransistor T1 ein. Die Ausgangsspannung der Treiberschaltung 3
liegt somit gleichphasig an den Gate-Elektroden der beiden in Reihe geschalteten
zueinander komplementären Feldeffekttransistoren T1 und T2. Die Source-Elektrode
S des P-Kanal-Feldeffekttransistors T1 liegt am Pulspol (+) und die Source-Elektrode
S des N-Kanal-Feldeffekttransitors T2 am Minuspol der Spannungsversorgung.
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Jeder Klemmdiode D1 bzw. D2 ist ein Widerstand R1 bzw.
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R2 parallelgeschaltet. Jede Klemmdiode D1 bzw. D2 ist ferner mit der
betreffenden Source-Elektrode S derart verbunden, daß beim P-Kanal-Feldeffekttransistor
T1 die Klemmdiode D1 in Flußrichtung zwischen der Gate-Elektrode und der Source-Elektrode
S und beim N-Kanal-Feldeffekttransistor T2 die Klemmdiode D2 in Flußrichtung zwischen
der Source-Elektrode S und der Gate-Elektrode liegen, so daß der P-Kanal-Feldeffekttransistor
T1 mit negativer und der N-Kanal-Feldeffekttransitor T2 mit positiver Spannung angesteuert
wird.
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Das Ausgangssignal wird an den miteinander verbundenen Drain-Anschlüssen
der Feldeffekttransistoren T1 und T2 abgenommen und über den Drainkondensator C3
und über den bei Schaltverstärkern üblichen 20 kHz-Tiefpaß mit der Spule I und dem
Kondensator C1 dem Lautsprecher L bzw.
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der Lautsprechergruppe zugeführt Die Stromversorgung der Leistungsverstärkerstufe
erfolgt unmittelbar über den Gleichrichter 4 mit dem Ladekondensator C2 direkt aus
dem Netz mit einer Netzspannung mit 220 V bei 50 Hz bzw.117 V bei 60 Hz.
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Die Treiberschaltung 3 benötigt maximal 12 bis 15 V/20 mA, welche
Leistung entweder über eine getrennte Wicklung dem Modulatornetzteil oder über einen
Vorwiderstand und einer Ze herdiode der Spannung am Ladekondensator C2 entnommen
werden kann.
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Für eine Netzspannung von 220 VN werden Feldeffekttransitoren mit
einer Durchbruchsspannung UD von mindestens 400 V, wie beispielsweise die Typen
IRF 300 oder 305, benötigt. Entsprechend der gewählten Schaltleistung können den
Feldeffekttransistoren jeweils mindestens ein weiterrFeldeffekttransistor gleichen
Leitungstyps des Anreicherungstyps parallelgeschaltet werden und zwar möglichst
in einer solchen Anzahl, daß der gemeinsame Durchlaßwiderstand Ron kleiner gegenüber
dem Widerstand des Lautsprechers L wird. Vorzugsweise sollen soviele N-Kanal-Feldeffekttransistoren
bzw.
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P-Kanal-Feldeffekttransitoren einander parallelgeschaltet werden,
daß der Durchlaßwiderstand Ron jeder der Parallelschaltung gleichen Leitungstyps
weniger als 1/10 des Lastwiderstandes bzw. des Widerstandes des Lautsprechers L
ist.
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Der Kapazitätswert der Kondensatoren C4 bzw. C5 beträgt beim Ausführungsbeispiel
der Figur 1OnF und der Widerstandswert der Widerstände 6 bzw. 7 100 kZL. . Als Klemmdiode
D1 bzw. D2 werden schnelle Dioden, beispielsweise BA 159, oder Schottky-Dioden verwendet.
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In einem Leistungsverstärker der Klasse D nach der Erfindung kann
auch eine andere Leistungsverstärkerstufe verwendet werden, als die Figur der Zeichnung
zeigt, obwohl die Leistungsverstärkerstufe der Figur sehr wenig aufwendig ist.
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Bei der Verwendung des Leistungsverstärkers nach der Erfindung ist
in erster Linie an eine Aktiv-Box gedacht, d.h. an eine Lautsprecherbox, welche
den Leistungsverstärker einschließlich
des Optokopplers und des
Netzteils enthält, während der Pulsbreitenmodulator im Bedienungsteil der Tonanlage
untergebracht ist.
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Ein Vorteil des Leistungsverstärkers nach der Erfindung besteht hinsichtlich
der Einsparung des gewichtigen Netzteils, da jede der Aktiv-Boxen einen eigenen
wesentlich leichteren Netzteil mit lediglich einigen Gleichrichtern und einen Ladekondensator
hoher Kapazität enthält.
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Ohne größeren Schaltungsaufwand sind Niederfrequenzleistungen von
mehreren 100 Watt bei sehr kleinen Klirrfaktoren erzielbar.
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1 Blatt Zeichnung mit 1 Figur