DE3447566A1 - Pulsstufenmodulierter schaltverstaerker - Google Patents

Description

Licentia Patent-Verwaltungs-GmbH
Theodor-Stern-Kai 1
D-6000 Frankfurt 70

Ham/schb B 84/19

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Beschreibung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Eine derartige Schaltungsanordnung ist durch die EP-OS 0 066 104 bekannt.

Schaltverstärker haben die Aufgabe, ein vorgegebenes (zum Beispiel tonfrequentes) Eingangssignal e Ct) in Spannung und Leistung zu verstärken, so daß am Ausgang des Schaltverstärkers ein der Zeitfunktion des Eingangssignals entsprechendes Signal a Ct) zur Verfügung steht bzw. durch Filterung herausgewonnen werden kann. Schaltverstärker werden zum Beispiel als Modulations-Verstärker für Rundfunksender eingesetzt. Als Schalter dienen dabei entweder Schaltröhren oder Halbleiterschalter. Die zu schaltenden Spannungen liegen im Bereich von mehreren 10 kV.

Grundsätzlich sind zwei Möglichkeiten der Arbeitsweise von Schaltverstärkern zu unterscheiden. Im einen Fall wird das Verhältnis von Ein- und Ausschaltdauer des Schalters im Schaltverstärker entsprechend der zu verstärkenden Eingangssignalamplitude variiert, so daß am Verstärkerausgang ein pulsdauermoduliertes CPDM-)Signal konstanter Amplitude zur Verfügung steht. Im anderen Fall wird das Ver-

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stärker-Ausgangssignal gebildet, indem die Amplitude stufenweise verändert wird. Dadurch weist das Ausgangssignal einen typisch treppenförmigen Verlauf auf. Dieses Verfahren, nach dem der Schaltverstärker nach der Erfindung arbeiten soll, wird auch als Pulse-Step-oder Puls-Stufen-Modulation (PSM) bezeichnet.

Bei dem Schaltverstärker gemäß der eingangs angegebenen EP-OS 0 066 904 entsteht das stufenförmig verstellbare Ausgangssignal a (t) durch Synthese der Ausgangssignale einzelner Schaltverstärkerstufen, die gemeinsam auf eine komplexe, zumeist durch einen Tiefpaßfilter und eine Wirklast gebildete Ausgangslast arbeiten. Die Schaltverstärkerstufen können zur Synthese des Ausgangssignals des Schaltverstärkers gleich oder verschieden große Ausgangssignalamplituden abgeben.

Bei dem Schaltverstärker gemäß der EP-OS 0 066 904, Fig. dient zur Spannungsversorgung der einzelnen Schaltverstärkerstufen ein Transformator mit einer der Anzahl der Schaltverstärkerstufen entsprechenden Anzahl von Sekundärwicklungen. Es ist aber auch denkbar, mehrere getrennte Transformatoren dafür zu verwenden. Es wird aber auf jeden Fall für jede Schaltverstärkerstufe eine separate, von den übrigen Stufen potentialgetrennte Wechsel- oder Drehspannungseinspeisung benötigt. Dies bedeutet, daß genau so viele Sekundärwicklungen eines oder mehrerer Transformatoren wie Schaltverstärkerstufen vorhanden sein müssen.

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Bei der Anwendung als Modulationsverstärker für amplitudenmodulierte (AM-)Sender im Leistungsbereich von 50 kW bis 5 MW werden etwa 20 bis 60 Schaltverstärkerstufen benötigt. Diese Zahl ergibt sich zum einen aus der Span— 5 nungsbeanspruchbarkeit der als Schalter in Frage kommenden Halbleiterschalter und zum anderen aus dem geforderten Auflösungsvermögen des Schaltverstärkerausgangssignals.

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Bei einer maximalen Ausgangsspannung des Schaltverstärkers von 30 kV ergibt sich bei 50 Schaltverstärkerstufen für jeden Halbleiterschalter eine Spannungsbelastung von 600 V.
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Da die obere zu übertragende Tonfrequenz bei AM-Sendern bei etwa 10 kHz liegt, müssen die (Halbleiter-)Schalter ebenfalls in dieser Frequenz schalten können. Wegen der zusätzlichen Beanspruchung des Schalters mit Schaltverlustleistung, kann die erwähnte Spannungsgrenze von 600 V auch nicht für solche Halbleiterschalter wesentlich angehoben werden, die im Prinzip über ein größeres Sperrspannungsvermögen verfugen, wie z.B. GTO-Thyristoren.

Die Herstellung eines Transformators zur Spannungsversorgung des Schaltverstärkers mit der geforderten hohen Anzahl an Sekundärwicklungen bei dem relativ hohen Isolationsvermögen ist sehr aufwendig und kostspielig, zumal bei einer Drehstrom—Einspeisung der einzelnen Schaltverstärkerstufen.

Auch das Bauvolumen des Transformators wird in vielen Fällen unakzeptabel groß ausfallen. Die mögliche Aufteilung in mehrere kleinere Transformatoren ist noch kostspieliger und platzaufwendiger.

Eine Schaltungsanordnung eines Schaltverstärkers, mit der der Aufwand für den Versorgungstransformator gering gehalten werden kann, ist durch Fig. 3 der genannten EP-OS 0 066 904 bekannt. Dabei wird zwar nur eine Spannungsversorgung, d.h. nur eine Sekundärwicklung des Transformators für zwei Schaltverstärkerstufen benötigt, jedoch tritt der prinzipbedingte Nachteil auf, daß nur Einweg-Gleichrichterschaltungen bei Wechselspannungsversorgung bzw. Stern-Schaltungen bei Drehstromversorgung eingesetzt werden können. Dadurch ergibt sich eine bedeutend höhere

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Spannungswelligkeit am Ausgang jeder eingeschalteten Schaltverstärkerstufe, die zu sehr störenden Brummfrequenzen im Tonfrequenzbereich führt. Nach DIN 41762 beträgt die Welligkeit der Spannung für eine Einweg-Gleichrichterschaltung 121 %, hingegen für eine einphasige Brückenschaltung nur 48, 3 %. Entsprechend ungünstig ist auch das Verhältnis der Welligkeiten bei Drehstrom-Gleichrichterschaltungen: Für eine beim bekannten Schaltverstärker einsetzbare Sternschaltung ergibt sich eine WeI-ligkeit von 18,3 % gegenüber einer Drehstrom-Brückenschaltung mit 4,2 %. Auch wird die erforderliche Bauleistung (Typenleistung) des (oder der) Versorgungstransformators(-en) bei dieser Art der Gleichspannungsversorgung erheblich größer. In jedem Falle ist die Versorgung von höchstens zwei Schaltverstärkerstufen über eine Sekundärwicklung möglich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art anzugeben, bei der der Transformator durch Verringerung der benötigten Sekundärwicklungen für die Stromversorgung der einzelnen Schaltverstärkerstufen weniger aufwendig gestaltet ist und trotzdem die Spannungswelligkeit durch den möglichen Einsatz von Gleichrichter-Brückenschaltungen gering ge- I

halten wird. ι

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst.

Jede Schaltverstärker stufe des Schaltverstärkers ist mithin gemäß der Erfindung aus mehreren gemeinsam mit Gleichspannung gespeisten Teilstufen aufgebaut, so daß es möglich ist, mit einer geringen Anzahl von Sekundärwicklungen des Versorgungstransformators bei gleicher Auflösegenauigkeit des Schaltverstärker-Ausgangssignals auszukommen. Eine Verschlechterung der Welligkeit der gleichgerichteten Versorgungsspannung tritt dabei nicht auf,

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weil nämlich höherpulsige Gleichrichterschaltungen (Brükkenschaltungen) eingesetzt werden können. Bei geringstmöglicher Welligkeit der Gleichspannung kann damit die Bauleistung des Transformators bzw. der Transformatoren gering gehalten werden. Weiterhin wird bei einer gegebenen Anzahl von Einspeisestellen die Spannungsbeanspruchung der einzelnen Schalter in den Schaltverstärkerstufen herabgesetzt. Dies ermöglicht außer der Senkung der Schaltverluate für die einzelnen Schalter auch die Verwendung von Halbleiterschaltern mit kleinerer Sperrspannung. Bei Feldeffekt-Transistoren läßt sich dadurch der Durchlaßwiderstand eines Schalters erheblich senken, weil bei Feldeffekt-Transistoren der Durchlaßwiderstand überproportional mit ihrer Sperrspannung zunimmt. Die Verlustleistung pro Schalter wird erheblich kleiner. Dadurch wiederum wird der Durchlaß-Widerstand ebenfalls niedrig gehalten. Bei Bipolar-Transistoren können unter Umständen sogar die sonst notwendigen, verlustbehafteten Ausschalt-Entlastungsbeschaltungen (RCD-Netzwerke) entfallen, weil die Betriebsspannung unterhalb der Sustainingspannung U_r„, -, gehalten werden kann. Müssen jedoch Ausschalt-Entlastungsbeschaltungen verwendet werden, sie sie zum Beispiel bei dem Einsatz von GTO-Thyristoren erforderlich sind, ergibt sich

zumindest für eine Schaltverstärkerstufe^veine Halbierung der Verluste in den Beschaltungsnetzwerken. Weil die Energie im Beschal tungskondensator quadratisch mit der Spannung zunimmt, ist die im Beschaltungswiderstand in Wärme umgesetzte Energie entsprechend klein.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen erläutert. ^Es zeigen Fig. 1 das Prinzipschaltbild einer Schaltungs-

anordnung eines aus mehreren Schaltver- \

stärkerstufen aufgebauten Schaltverstärkers,
Fig. 2 ein idealisiertes Ersatzschaltbild einer Schaltverstärkerstufe mit zwei Teilstufen,

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Fig. 3 den zeitlichen Verlauf einer Ausgangsspannung eines Schaltverstärkers, der jeweils aus Schaltverstärkerstufen mit zwei Teilstufen gemäß Fig. 2 besteht, Fig. 4 die Schaltzustände für die in Fig. 2 dargestellten Schalter zur Erzeugung des Spannungsverlaufs nach Fig. 3, Fig. 5 den Verlauf von Kondensatorströmen und der ausgangsspannung in Abhängigkeit von Schaltzuständen von den in

Fig. 2 gezeigten Schaltern und Fig. 6 eine Schaltverstärkerstufe mit drei Teilstufen, deren Schalter in Serie geschaltet sind.
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Gemäß Fig. 1 besteht ein Schaltverstärker aus M einzelnen Schaltverstärkerstufen SVl bis SVM. Der Schaltverstärker wird aus einer Wechselspannungsquelle E über einen Transformator gespeist. Dieser Transformator weist eine Primärwicklung wl und M, den einzelnen Schaltverstärkerstufen SVl bis SVM zugeordnete Sekundärwicklungen w21 bis w2M auf. Ausgangsseitig sind die einzelnen Schaltverstärkerstufen SVl bis SVM mit einer komplexen Ausgangslast Z , die zum Beispiel aus einem Tiefpaßfilter und einer Wirklast bestehen kann, in Reihe geschaltet. Der durch die Ausgangslast Z. fließende Strom ist mit i_z und die an der Last abfallende Spannung mit U~ bezeichnet.

Die Schaltverstärkerstufen SVl bis SVM sind identisch aufgebaut. Dabei besitzt jede Schaltverstärkerstufe jeweils eine Gleichrichteranordnung, die aus vier in Brückenschaltung angeordneten Dioden DlO bis D40 besteht. Die Brückenschaltung kann selbstverständlich aber auch aus steuerbaren Bauelementen (z.B. Thyristoren) bestehen. Wechselspannungsseitig ist die Diodenbrücke pro Schaltverstärkerstufe SVl bis SVM jeweils getrennt an eine der Sekundärwick-

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lungen w21 bis w2M des Transformators angeschlossen. Auf der Gleichspannungsseite ist der Gleichrichteranordnung ein Glättungskreis nachgeschaltet, der aus einer Glättungsdrossel Ll und drei Glättungskondensatoren Cl, C2 und C3 mit parallelgeschalteten ohmschen Widerständen Rl, R2 und R3 besteht. Die Widerstände Rl, R2 und R3 dienen in bekannter Weise der statischen Spannungsaufteilung,Sie können auch z.B. durch Z-Dioden ersetzt werden.

Jede Schaltverstärkerstufe ist hier beispielsweise aus drei Teilstufen aufgebaut, die jeweils einen als GTO-Thyristor ausgebildeten Schalter Sl, S2 und S3 besitzen und unabhängig voneinander eingeschaltet werden können. Die dritte Teilstufe weist außerdem noch einen weiteren (Hilfs-)Schalter S4 auf. Die Spannungsversorgung jeder Teilstufe erfolgt dabei über einen kapazitiven Spannungsteiler. Dazu sind die drei Glättungskondensatoren Cl, C2 und C3 in Reihe geschaltet, die gemeinsam mit der Gleichspannung der Gleichrichteranordnung (Dioden DlO bis D40) über die Glättungsdrossel Ll versorgt werden. Damit steht für jede Teilstufe im zeitlichen Mittel ein Drittel der Ausgangsspannung der Gleichrichteranordnung zur Verfügung.

Jede Teilstufe einer Schaltverstärkerstufe weist ausgangsseitig eine Ausgangsdiode Dl, D2 bzw. D3 auf. Die Ausgangsdioden aller Schaltverstärkerstufen sind gleichgepolt und mit der Ausgangslast Z in Reihe geschaltet. Um die Spannung U, auf den Ausgang einer Teilstufe einer Schaltverstärkerstufe zu schalten, wird einer der Halbleiter-Schalter Sl, S2 oder S3 eingeschaltet. Der Hilfsschalter S4

wird immer dann miteingeschaltet, wenn die Teilstufe mit dem Kondensator C3 eingeschaltet werden soll. Zusätzlich müssen die Halbleiterschalter S2, S3 und der Hilfsschalter S4 mit Rückstromdioden D4, D5, D6 überbrückt sein. 35

Soll zum Beispiel die untere Teilstufe mit dem Glättungskondensator C3 als einzige eingeschaltet werden, sind die

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beiden Schalter S3 und S4 einzuschalten. Die mittlere Teilstufe wird nur mit dem Schalter S2 eingeschaltet, ebenso ist die oberste Teilstufe nur mit dem Schalter Sl einzuschalten, wie auch bei allen weiteren, bei Bedarf noch zusätzlich anfügbaren Teilstufen.

Die Teilstufen können in beliebiger Reihenfolge und Kombination, zum Beispiel die unterste Teilstufe mit der obersten Teilstufe usw. geschaltet werden, oder es können auch alle Stufen gleichzeitig geschaltet sein. Der Laststrom ΐ_Ύ fließt dann jeweils über die Ausgangsdioden Dl, D2 bzw. D3 der nicht eingeschalteten Teilstufen. Je nachdem wie^viele Schalter eingeschaltet sind, tritt die Spannung U, oder ein Vielfaches davon am Ausgang einer Schaltverstärkerstufe auf.

In Fig. 2 ist ein Ersatzschaltbild einer Schaltverstärkerstufe aufgezeigt, die aus Gründen der Übersichtlichkeit nur zwei Teilstufen enthält . Mit U_Q ist die von der Gleichrichteranordnung zur Verfügung gestellte Gleichspannung und mit U. ist die Ausgangsspannung der Schaltverstärkerstufe bezeichnet. Der Laststrom i~ wird als konstant angenommen. Die Spannung an den beiden Glättungskondensatoren Cl, C2 ist mit U^ bzw. U_C2, die entsprechenden Ströme mit i,,,, bzw. i„p bezeichnet. Sofern die Schalter Sl bzw. S2 eingeschaltet sind, fließen über sie Ströme i^ bzw. iqp* Entsprechend sind die Ströme über die Ausgangsdioden Dl, D2 mit I^ bzw. ip» bezeichnet.

In Fig. 3 ist ein möglicher zeitlicher Verlauf des Ausgangssignals a (t) entsprechend der Ausgangsspannung U₂ des Schaltverstärkers nach der Erfindung aufgezeigt, bei dem die Schaltverstärkerstufen entsprechend der in Fig. gezeigten Ausbildung nur zwei Teilstufen aufweisen. Je nach Zuschaltung einzelner, hier jeweils als gleich angenommener Spannungen U, der Teilstufen der einzelnen Schalt-

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verstärkerstufen ergibt sich ein treppenförmiger Verlauf der Spannung, die maximal die Spannung U„, max erreichen kann, nämlich wenn sämtliche Schaltverstärkerstufen SVl bis SVM eingeschaltet sind. In Fig. 4 sind die Schaltzustände einzelner Schalter in den Schaltverstärkerstufen gezeigt, die notwendig sind, um den Spannungsverlauf U„ entsprechend Fig. 3 zu erzeugen. Dabei bedeutet für die einzelnen Schalter die Stufe 0 eine Sperrung des Schalters und die Stufe 1 den leitenden Zustand eines Schalters.

Da über die Glättungskondensatoren Cl, C2 kein Gleichstrom geführt werden kann, muß während einer längeren Einschal-.: dauer einer Teilstufe innerhalb einer Schaltverstärkerstufe auf die andere Teilstufe umgeschaltet werden. Die Häufigkeit der Umschaltung hängt von der zulässigen Ausgangsspannungsschwankung und der Kondensatorgröße bei gegebener Ausgangslast Z^ ab.

Bezugnehmend auf das Ersatzschaltbild nach Fig. 2 sind in Fig. 5 für einzelne Einschaltzeiten t_c^ bzw. t_Cp der beiden Schalter Sl bzw. S2 die auftretenden Kondensatorströme ip^ bzw. i_C2» ^^er Laststrom i~ und die Ausgangsspannung U_A in ihrem zeitlichen Verlauf gezeigt, über eine Schalt-Zyklusdauer t , ist der ursprüngliche ausgeglichene Ladungszustand der Glättungskondensatoren Cl und C2 wieder hergestellt. Die während dieser Zeit den einzelnen Kondensatoren zu- bzw. abgeführten Ladungsmengen Δ Q sind schraffiert dargestellt.

Fig. 6 zeigt in Abwandlung der Anordnung gemäß Fig. 1 eine von mehreren Schaltverstärkerstufen mit drei Teilstufen, bei der die zum Beispiel als GTO-Thyristoren ausgebildeten Schalter Sl, S2, S3 zum Schalten der Teilstufen. in Reihe mit den Glättungskondensatoren Cl, C2, C3 angeordnet sind. Gegenparallel zu den Schaltern Sl, S2, S3 ist jeweils wieder eine Rückstromdiode D4, D5, D6 geschaltet.

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Ein (Hilf-)Schalter wie der Schalter S4 in Fig. 1 wird bei dieser Anordnung nicht benötigt.

Die Teilstufen können hier ebenso frei, das heißt in beliebiger Reihenfolge und Kombination wie bei der Anordnung nach Fig. 1 geschaltet werden. Es muß lediglich bei allen Anordnungen im zeitlichen Mittel für einen Ladungsausgleich der Glättungskondensatoren Cl, C2, C3 - wie weiter oben beschrieben - gesorgt werden, um Änderungen der Kondensatorspannung U, im zeitlichen Mittel auszugleichen und so die mittlere Spannung der Teilstufen stabil zu halten.

Generell ist die Wechselspannungseinspeisung für die Schaltverstärkerstufen ein- oder mehrphasig möglich. Statt der in Fig. 1 gezeigten einen Glättungsdrossel Ll kann auch, wie schraffiert angedeutet, eine zweite Glättungsdrossel in die andere Zuleitung von der Gleichspannungsquelle gelegt werden. Ungleiche Stufenspannungen der einzelnen Schaltverstärkerstufen und ungleiche Spannungsaufteilungen innerhalb einer Schaltverstärkerstufe sind stets möglich. Das Eingangssignal des Schaltverstärkers für die (nicht gezeigte) Steuerung der Schalter kann analog oder digital vorgegeben werden.
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Claims (4)

1. Licentia Patent-Verwaltungs-GmbH
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   Pulsstufenmodulierter Schaltverstärker

   Patentansprüche

   Schaltungsanordnung für den Leistungsteil eines aus mehreren Schaltverstärkerstufen aufgebauten Schaltverstärkers, bei dem

   - Sekundärwicklungen eines primärseitig an eine Wechselspannungsquelle angeschlossenen Transformators getrennt jeweils mit einer Gleichrichteranordnung verbunden sind,

   - den Gleichrichteranordnungen jeweils eine Glättungskapazität aufweisende Glättungseinrichtungen nachgeschaltet sind,

   - Schalter vorgesehen sind, durch die an den Glättungskapazitäten anstehende Gleichspannungen an durch Ausgangsdioden überbrückte Ausgangsklemmen der Schaltverstärkerstufen legbar sind, und

   - alle Ausgangsdioden in Serie geschaltet mit einer Ausgangslast verbunden sind,

   dadurch gekennzeichnet,

   daß die Glättungskapazität jeder Schaltverstärkerstufe (SVl ... SVT-I) durch zwei oder mehr Glättungskondensatoren (Cl, C2, C3) gebildet ist, die in Reihenschaltung

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   an die Gleichrichterschaltung (DlO ... D40) angeschlossen sind und in Form eines Spannungsteilers jeweils eine Spannung (U ) bereitstellen, die über jeweils zumindest einen Schalter (Sl, S2, S3, S4) an jeweils eine Ausgangsdiode (Dl, D2, D3) schaltbar ist.
2. 2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

   daß die Schalter (Sl, S2, S3, S4) derart schaltbar sind, daß im zeitlichen Mittel jeder Glättungskondensa-

   tor (Cl, C2, C3) die gleiche Spannung an die ihm zugeordnete Ausgangsdiode (Dl, D2, D3) liefert.
3. 3. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,

   daß die Schalter S2, S3, S4) zumindest bis auf einen (Sl) durch Rückstromdioden (D4, D5, D6) zu überbrücken sind.
4. 4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,

   daß die Schalter (Sl, S2, S3) in Serie mit den Glättungs-

   _t kondensatoren (Cl, C2, C3) angeordnet sind.

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