DE3545772A1 - Schaltungsanordnung eines schaltstufenverstaerkers - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung eines Schaltstufenverstärkers.

Einzusetzen ist ein solcher Schaltstufenverstärker z. B. als Aktivfilter bei der Magnetstromversorgung von Teilchenbeschleunigern oder als Halbleitermodulationsverstärker bei Sendern.

Diese genannten Anwendungsbeispiele sind durch hohe Anforderungen an die Regeldynamik und an die Regelgenauigkeit gekennzeichnet.

Ein Schaltstufenverstärker besteht aus der Reihenschaltung von mehreren Verstärkerstufen. Die überwiegende Anzahl der Verstärkerstufen soll als Schaltverstärker arbeiten, eine geringe Anzahl auch als Linearverstärker.

Mit einer solchen Schaltverstärkerstufe sind in einer Stromrichtung drei Spannungszustände einzustellen, nämlich positive und negative Gleichspannung sowie die Spannung Null.

Die Zahl der Schaltstufen eines Schaltstufenverstärkers richtet sich nach den gestellten Anforderungen an die Regeldynamik und an die Regelgenauigkeit. Beim Einsatz als Aktivfilter bei der Magnetstromversorgung von Teilchenbeschleunigern ist deshalb eine große Anzahl von Verstärkerstufen notwendig.

Prinzipiell lassen sich die Schaltverstärkerstufen mit einer Schaltungsanordnung verwirklichen, die sechs steuerbare Halbleiterventile enthält. Das bedeutet jedoch einen großen Aufwand, sofern eine größere Anzahl von Verstärkerstufen benötigt wird.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung eines Schaltstufenverstärkers gemäß der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art anzugeben, bei der der Aufwand für die einzelnen Verstärkerstufen gering ist.

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

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Schaltungsanordnung nach der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Bei den als Schaltverstärker arbeitenden Stufen können vorteilhaft Abschaltthyristoren (GTO-Thyristoren) oder im Schaltbetrieb arbeitende Leistungstransistoren oder Leistungsfeldeffekttransistoren zur Anwendung kommen.

Wenn eine Verstärkerstufe als Linearverstärker ausgebildet werden soll, so sind als Halbleiterschalter kontinuierlich steuerbare Halbleiterbauelemente, wie z. B. Leistungstransistoren oder Feldeffekttransistoren einzusetzen.

Als Gleichspannungsquellen können vorteilhafterweise Umkehrstromrichter eingesetzt werden, die gleichspannungsseitig einen Kondensator aufweisen, der die Ausgangsgleichspannung des Umkehrstromrichters konstant hält.

Die Erfindung soll im folgenden anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen erläutert werden. Es zeigen

Fig. 1 das Prinzipschaltbild einer Magnetstromversorgung mit der Parallelanordnung eines Schaltstufenverstärkers als Aktivfilter,

Fig. 2 und Fig. 3 Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Schaltstufenverstärkers und

Fig. 4 die Ausbildung einer die einzelnen Schaltstufen speisenden konstanten Gleichspannungsquelle.

Gemäß Fig. 1 wir ein Stromrichter SR in Drehstrombrückenschaltung wechselspannungsseitig aus einem Drehstromnetz N gespeist. Gleichstromseitig sind dem Stromrichter SR Glättungsdrosseln L _d1, L _d2 nachgeschaltet. Der Stromrichter liefert einen Strom i _d , der infolge des Schaltverhaltens des Stromrichters oberschwingungsbehaftet ist. Die Last L, die z. B. ein Magnet eines Teilchenbeschleunigers ist, fordert jedoch einen Laststrom i _L , der bei hoher Regeldynamik und gleichzeitig bei hoher Regelgenauigkeit oberschwingungsfrei sein soll. Zu diesem Zweck ist dem Ausgang des Stromrichters ein Aktivfilter F parallelgeschaltet, der einen Strom i _F abgibt, der den oberschwingungsbehafteten Strom i _d des Stromrichters derart ergänzt, daß die Oberschwingungen kompensiert werden.

Der Aktivfilter F kann grundsätzlich auch gleichstromseitig mit dem Stromrichter SR in Reihe geschaltet sein.

Ein solcher Aktivfilter kann z. B. als Schaltstufenverstärker aufgebaut sein. Wegen der hohen Anforderungen an die Regeldynamik und an die Regelgenauigkeit sind dann viele einzelne Verstärkerstufen notwendig.

Um den Aufwand gering zu halten, ist jede der Verstärkerstufen gemäß der Erfindung als asymmetrische, aus einer Gleichspannungsquelle gespeiste Brückenschaltung mit nur zwei Halbleiterschaltern und zwei Dioden aufgebaut.

In Fig. 2 ist eine derartige Schaltungsanordnung gezeigt. Eine Linearverstärkerstufe 1 besteht aus einer asymmetrischen Brückenschaltung aus Transistoren 11, 12 und Dioden 13, 14, sowie einer Gleichspannungsquelle E 1, die die Brücke mit konstanter Gleichspannung über die Diagonalanschlüsse versorgt.

Ferner sind gemäß Fig. 2 2 . . . n Schaltverstärkerstufen vorgesehen, die jeweils aus asymmetrischen Brücken bestehen, die jeweils zwei Abschalthyristoren 21, 22 . . . n 2, n 3 sowie Dioden 23, 24 . . . n 4, n 5 aufweisen. Auch die Brücken der Schaltverstärkerstufen 2 . . . n sind in der Brücken- Diagonalen an konstante Gleichspannungsquellen E 2 . . . bis En angeschlossen.

Die Reihenschaltung der einzelnen Verstärkerstufen erfolgt durch Verbindung der Gleichspannungsanschlüsse der Brücken miteinander. Die Gesamtspannung der Reihenschaltung ist mit u _L bezeichnet, die der Spannung an der Last L gemäß Fig. 1 entspricht. Es fließt durch die einzelnen Verstärkerstufen, wie in Fig. 2 gezeigt, ein Strom i _F , der dem in Fig. 1 angegebenen Strom i _F entspricht.

Die einzelnen Schaltverstärkerstufen arbeiten wie folgt:

Die Spannung Null an den Ausgangsklemmen einer Stufe innerhalb der Reihenschaltung entsteht, wenn entweder der eine Halbleiterschalter oder der andere Halbleiterschalter angesteuert wird.

Eine positive Spannung liegt vor, wenn beide Halbleiterschalter gleichzeitig angesteuert werden.

Eine negative Spannung tritt auf, vorausgesetzt, daß der Strom i _F (in der eingezeichneten Richtung) fließt, wenn kein Halbleiterschalter angesteuert ist. In diesem Fall fließt der Strom über die beiden Dioden.

Fig. 3 zeigt eine Schaltungsanordnung, die der in Fig. 2 gezeigten Anordnung äquivalent ist. In der Funktionsweise sind allerdings beide Schaltungsanordnungen gleich. Die asymmetrischen Brückenschaltungen der Linearverstärkerstufe 1 und der Schaltverstärkerstufen 2 . . . n sind gleich aufgebaut und auch gleich beziffert wie in Fig. 2. Der Unterschied besteht gegenüber der Schaltungsanordnung nach Fig. 2 darin, daß die konstanten Gleichspannungsquellen E 1 . . . En jeweils an die Gleichspannungsanschlüsse der einzelnen Brückenschaltungen gelegt sind, während die Reihenschaltung der einzelnen Stufen dadurch erfolgt, daß sie über die Anschlüsse in der Brücken-Diagonalen miteinander verbunden sind.

Sind die Halbleiterschalter einer Verstärkerstufe eingeschaltet, so gibt die Gleichspannungsquelle Energie ab. Sind dagegen nur die beiden Dioden wirksam, d. h. sind die Halbleiterschalter gesperrt, so nimmt die Spannungsquelle Energie auf.

Bei einer Energieumkehr an der Last bleibt die Spannung in ihrer Richtung bestehen; es ändert sich also die Richtung des Stromes.

Die Gleichspannungsquellen E 1 . . . En eines Schaltstufenverstärkers sind durch einzelne Umkehrstromrichter zu verwirklichen. Eine vorteilhafte Schaltung für eine derartige Gleichspannungsquelle konstanter Spannung zeigt Fig. 4. Ein wechselspannungsseitig über einen Transformator T mit einem Netz N verbundener Umkehrstromrichter USR soll eine konstant geregelte Spannung erzeugen. Zu diesem Zweck speist der Umkehrstromrichter USR über eine Glättungsdrossel L auf einen Kondensator C, dem eine Diode D parallelgeschaltet ist und dessen Spannung auf einen konstanten Wert geregelt wird.

Claims (5)

1. Schaltungsanordnung eines Schaltstufenverstärkers aus der Reihenschaltung mehrerer Verstärkerstufen, von denen mehrere als Schaltverstärkerstufen und zumindest eine als Linearverstärkerstufe arbeiten, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Stufen als aus einer konstanten Gleichspannungsquelle (E 1 . . . En) gespeiste, asymmetrische Brückenschaltung mit zwei Halbleiterschaltern (11, 12; 21, 22; . . . n 1, n 2) und zwei Dioden (13, 14; 23, 24 . . . n 3, n 4) ausgebildet sind.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Reihenschaltung der einzelnen Stufen (1, 2 . . . n) durch Verbindung der jeweiligen Anschlüsse der Brücken-Diagonalen der über die Gleichspannungsanschlüsse aus den Gleichspannungsquellen (E 1 . . . En) gespeisten Brücken gebildet ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Reihenschaltung der einzelnen Stufen durch Verbindung der jeweiligen Gleichspannungsanschlüsse der über die Brücken-Diagonalen aus den Gleichspannungsquellen (E 1 . . . En) gespeisten Brücken gebildet ist.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterschalter (21, 22; n 1, n 2) der Schaltverstärkerstufen (2 . . . n) als GTO-Thyristoren, Transistoren oder Feldeffekttransistoren ausgebildet sind.

5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterschalter (11, 12) der Linearverstärkerstufen (1) als Transistoren oder Feldeffekttransistoren ausgebildet sind.