DE2939365A1 - Leistungsverstaerker der klasse d - Google Patents

Leistungsverstaerker der klasse d

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Günter 7809 Denzlingen Peltz
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    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03FAMPLIFIERS
    • H03F3/00Amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements
    • H03F3/20Power amplifiers, e.g. Class B amplifiers, Class C amplifiers
    • H03F3/21Power amplifiers, e.g. Class B amplifiers, Class C amplifiers with semiconductor devices only
    • H03F3/217Class D power amplifiers; Switching amplifiers
    • H03F3/2171Class D power amplifiers; Switching amplifiers with field-effect devices

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Amplifiers (AREA)

Description

  • Leistungsverstärker der Klasse D
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Aufgabe der Erfindung ist die Angabe eines Leistungsverstärkers der Klasse D für hohe Schaltleistungen mit einem gleichen und einfach ausgelegten Netzteil.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Maßnahmen gelöst.
  • 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.
  • Ähnlche Verhältnisse ergeben sich für eine andersorts übliche Netzspannung von 117 V Wechselspannung/60 Hz.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Jeder Klemmdiode D1 bzw. D2 ist ein Widerstand R1 bzw.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Ohne größeren Schaltungsaufwand sind Niederfrequenzleistungen von mehreren 100 Watt bei sehr kleinen Klirrfaktoren erzielbar.
  • 1 Blatt Zeichnung mit 1 Figur

Claims (6)

  1. Patentansprüche Leistungsverstärker der Klasse D für ein Tonfrequenzsignal, dessen Amplitude über einen Pulsbreitenmodulator in ein pulsbreitenmoduliertes Signal umgesetzt wird, das an den Eingang einer Treiberschaltung angelegt wird, deren Ausgangsspannung an den Eingang einer Leistungsverstärkerstufe angelegt wird, dadurch gekennzeichent, daß das pulsbreitenmodulierte Signal über einen optischen Obertragungsweg an den Eingang der Treiberschaltung (3) angelegt wird und daß als Betriebsspannung der Leistungsverstärkerstufe unmittelbar die gleichgerichtete und geglättete Netzspannung verwendet wird.
  2. 2. Leistungsverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsspannung der Treiberschaltung (3) an die Gate-Rektrien zweier zueinander komplementärer Feldeffekttransistoren (T1, T2) vom Anreicherungstyp angelegt wird.
  3. 3. Leistungsverstärker nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die SouravElektrode (S) des P-Kanal-Feldeffekttransistors (T1) am Pluspol (+) und die Sourceelektrode (S) des N-Kanal-Feldeffekttransistors (T2) am Minuspol der Spannungsversorgung liegen, daß bei jedem der Feldeffekttransistoren (T1, T2) die Gate-Elektrode über je eine Klemmdiode (D1, D2) und einem dazu parallelgeschalteten Widerstand (R1, R2) mit der Source-Elektrode (S) derart verbunden ist, 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.
  4. 4. Leistungsverstärker nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einem der FeldeffekttransiForen (T1, T2) mindestens ein weiterer Feldeffekttransistor gleichen Leitungstyps und des Anreicherungstyps parallelgeschaltet ist.
  5. 5. Leistungsverstärker nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß soviele N-Kanal-Feldeffekttransistoren bzw. P-Kanal-Feldeffekttransitoren parallelgeschaltet sind, daß der Durchlaßwiderstand Ron jeder Parallelschaltung der Feldeffekttransistoren gleichen Leitungstyps weniger als 1/10 des Lastwiderstandes bzw. des Lautsprecher-Widerstandes ist.
  6. 6. Leistungsverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das pulsbreitenmodulierte Signal über einen Optokoppler(2) an dem Eingang der Treiberschaltung angelegt wird.
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DE3239653A1 (de) * 1981-10-22 1983-05-11 Kollmorgen Technologies Corp., 75201 Dallas, Tex. Vorrichtung zum betrieb einer elektrischen last

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