DE3744112A1

DE3744112A1 - Verstaerkeranordnung

Info

Publication number: DE3744112A1
Application number: DE19873744112
Authority: DE
Inventors: Carl Spitzenberger
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1987-12-01
Filing date: 1987-12-24
Publication date: 1989-06-15
Also published as: DE3744112C2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Verstärkeranordnung gemäß Oberbegriff Patentanspruch 1.

Neben sogenannten Schaltverstärkern sind auch linear arbei tende Verstärker oder Verstärkeranordnungen, speziell auch solche für hohe Leistungen bekannt. Linear arbeitende Verstärker oder Verstärkeranordnungen haben zwar den Vorteil, daß sie ein dem Eingangssignal analoges verstärktes Ausgangs signal im wesentlichen auch ohne Störspannungen liefern, die insbes. bei hohen Leistungen aus den unterschiedlichsten Gründen nicht erwünscht sind. Nachteilig ist bei den bekann ten linearen bzw. analogen Verstärkern oder Verstärkerein richtungen aber, daß in den dort verwendeten Verstärkerele menten, die in der Regel von Transistoren oder Transistor- Gruppen, auch von solche in Form von integrierten Schalt kreisen gebildet sind, hohe Verlustleistungen auftreten, die unter Berücksichtigung der durch die Verstärkerelemente fließenden Ströme aus den insbes. auch bei hohen Leistungen sehr hohen Versorgungsspannungen resultieren, die temporär voll oder zu einem großen Teil an den Verstärkerelementen (Transistoren) anliegen. Diese hohe Verlustleistung kann bei einer am Ausgang einer solchen Verstärkeranordnung anliegen den komplexen Last noch durch den Blindstromanteil dann verstärkt werden, wenn dieser über ein Verstärkerelement fließt, an welchem eine hohe Versorgungsspannung bzw. eine hohe Versorgungsrestspannung anliegt.

Bekannt ist weiterhin auch, insbes. Verstärker oder Verstär keranordnungen für hohe Leistungen als Gegentakt- oder Vierquadranten-Verstärker auszubilden.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Verstärkeranordnung aufzuzeigen, die unter Beibehaltung der Vorteile eines linearen, bzw. analogen Verstärkers wesentlich geringere Verlustleistungen an den verwendeten Verstärkerelementen (z. B. Transistoren oder Transistorgruppen, auch in integrier ter Form) ermöglicht.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist eine Verstärkeranordnung entsprechend dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 ausgebildet.

Da bei der erfindungsgemäßen Verstärkeranordnung die Versor gungsspannung dem jeweiligen Verlauf des Ausgangssignales folgend bei ansteigendem Ausgangssignal wenigstens einmal von einer niedrigeren Versorgungsspannung auf eine höhere Versorgungsspannung bzw. bei abfallendem Ausgangssignal wenigstens einmal von der höheren Versorgungsspannung wieder auf eine niedrigere Versorgungsspannung umgeschaltet wird, was bei einem periodischen, beispielsweise sinusförmigen Ausgangssignal sowohl in der positiven Halbperiode, als auch in der negativen Halbperiode erfolgt, werden die an den Verstärkerelementen der Verstärkereinrichtungen anliegende Versorgungsspannung bzw. der entsprechende Versorgungsspan nungsrest klein gehalten, so daß sich schon allein hierdurch im Vergleich zu bekannten Verstärkeranordnungen sehr geringe Verlustleistungen an den Verstärkerelementen ergeben. Da das zeitliche Umschalten von einer Versorgungsspannung auf eine andere Versorgungsspannung bei den wenigstens zwei Verstär kereinrichtung zeitlich versetzt bzw. überlappend erfolgt, ist auch während der jeweiligen Umschaltphase bzw. während des jeweiligen Umschaltmodus ein linear bzw. analog zum Eingangssignal verlaufendes Ausgangssignal sichergestellt, so daß das Ausgangssignal keine oder im wesentlichen keine Störspannungen aufweist. Die erfindungsgemäßen Verstärker anordnung ermöglicht es auch, die von komplexen Lasten herrührenden, in die Verstärkeranordnung zurückfließenden Ströme (Rückströme) über solche Verstärkerelemente zu leiten, an denen zu dem betreffenden Zeitpunkt keine Versorgungs spannung anliegt, was ebenfalls zur Reduzierung der Verlust leistung beiträgt.

Weiterhin ermöglicht die erfindungsgemäße Verstärkereinrich tung zu einem Zeitpunkt bzw. in einem Betriebszustand, in der die Verstärkereinrichtungen bzw. deren Verstärkerelemente mit einer höheren Versorgungsspannung betrieben werden, eine Rückspeisung der von einer komplexen Last herrührenden Ströme in die zur Erzeugung der jeweils niedrigeren Versorgungs spannung dienende Spannungsquelle, womit es möglich ist, zumindest einen Teil der Energie des Blindwiderstandes der komplexen Last zurückzugewinnen, was ebenfalls zur Reduzie rung der Verlustleistung beiträgt.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind die Verstärker einrichtungen jeweils von zwei nach Art eines Gegentaktver stärkers bzw. Vier-Quadranten-Verstärkers in Serie liegenden Verstärkerelementen (z. B. Transistoren) gebildet.

Das Umschalten der Umschalteinrichtung und damit der Versor gungsspannungen erfolgten Abhängigkeit von dem Eingangssignal oder dem Ausgangssignal der Verstärkeranordnung bevorzugt immer dann, wenn das Ausgangssignal eine vorgegebene Schwell spannung überschreitet oder unterschreitet, wobei diese Schwellspannung bevorzugt jeweils der Wert der jeweils niedrigeren Versorgungsspannung ist.

Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteran sprüche.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren an Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 das Blockdiagramm einer Verstärkeranordnung gemäß der Erfindung;

Fig. 2 zur Erläuterung der Arbeitsweise den zeitlichen Verlauf der Ausgangsspannung der Verstärkeranordnung;

Fig. 3 in vereinfachter Darstellung das elektrische Schalt bild einer Verstärkeranordnung gemäß der Erfindung;

Fig. 4a-4d jeweils die Schaltung nach Fig. 3, und zwar in unterschiedlichen Betriebszuständen der von einer Vielzahl von Tyristoren gebildeten Versorgungsspannungs-Umschalteinrichtung, wobei zum besseren Verständnis in den einzelnen Betriebszuständen nur die dort jeweils aktivier ten bzw. leitenden Tyristoren wiedergegeben sind;

Fig. 5 den zeitlichen Verlauf der Spannung sowie des Stromes am Ausgang der Verstärkeranordnung bei angenommener induktiver Last am Ausgang der Verstärkeranordnung.

Wie in der Fig. 1 dargestellt ist, besteht die Verstärkeran ordnung aus zwei Verstärkereinrichtungen 1 und 2, die mit ihren Ausgängen an einen gemeinsamen Ausgang 3 der Verstär keranordnung angeschlossen sind und demnach auch gemeinsam, d. h. im Zusammenwirken die an den Ausgang 3 angeschlossene Last 4 ansteuern, welche entweder eine rein ohmsche, kapazi tive oder induktive Last sein kann, in der Regel jedoch eine komplexe Last mit einem ohmschen Anteil und einem Blindanteil (kapazitiven oder induktiven Anteil) ist.

Zur Ansteuerung der Verstärkereinrichtungen 1 und 2, die bevorzugt einen Vierquadranten-Verstärker bilden, dient das Eingangs- bzw. Ansteuersignal S _A, welches dem Eingang 5 einer Ansteuerstufe 6 zugeführt wird, die an ihren beiden Ausgängen 7 und 8 zwei von dem Signal SA abgeleitete Signale S′ und S′′ liefert, von denen das Signal S′ dem Eingang 9 der Verstär kereinrichtung 1 und das Signal S′′ dem Eingang 10 der Verstärkereinrichtung 2 zugeführt werden. Die beiden Signale S′ und S′′ werden in der Ansteuerstufe 6 aus dem Signal S _A unter Berücksichtigung der jeweils am Ausgang 3 bzw. an der Last 4 anliegenden Spannung U _L gewonnen, und zwar dadurch, daß diese Spannung UL oder ein hiervon abgeleitetes Signal über eine Leitung 11 ebenfalls der Ansteuerstufe 6 zugeführt wird. Bei einer praktischen Ausführung der Verstärkeranord nung weist die Ansteuerstufe 6 eine Komparatorschaltung auf, die das Signal SA mit dem über die Leitung 11 rückgeführten Signal vergleicht und dann aufgrund dieses Vergleichs an ihren Ausgängen die Signale S′ und S′′ in der entsprechenden Größe liefert.

Zur Spannungsversorgung der beiden Verstärkereinrichtungen 1 und 2 dient eine Spannungsversorgungseinrichtung 12, die wenigstens zwei Versorgungsspannungen U ₁ und U ₂ unterschied licher Größe liefert und mit einer Versorgungsspannungsum schalteinrichtung 13 verbunden ist. Die Versorgungsspannungs umschalteinrichtung 13 besitzt zwei Ausgänge 14 und 15, von denen der Ausgang 14 die Versorgungsspannungen für die Verstärkereinrichtungen 1 und der Ausgang 15 die Versorgungs spannungen für die Verstärkereinrichtung 2 liefert. In der Fig. 1 sind die beiden Ausgänge 14 und 15 der einfacheren Darstellung wegen jeweils nur von einem einzigen Anschluß gebildet. In der Praxis könen diese Ausgänge jedoch auch mehrere Anschlüsse aufweisen, und zwar dann, wenn die Verstärkereinrichtungen 1 und 2 positive und negative Versorgungsspannungen benötigen, wie dies bei der in der Fig. 3 dargestellten, speziellen Ausführung der erfindungsgemäßen Verstärkeranordnung der Fall ist. Mit Hilfe der Umschaltein richtung 13 werden die beiden Versorgungsspannungen U 1 und U 2 nach einem bestimmten Schaltmodus an die Ausgänge 14 und 15 bzw. an die Verstärkereinrichtungen 1 und 2 angelegt. Hierfür enthält die Umschalteinrichtung 13 mehrere elektrisch steuerbare Schaltelemente, die bei der jeweiligen, konkreten Ausbildung der Verstärkeranordnung von unterschiedlichsten elektrischen Bauelementen oder Baugruppen gebildet sein können und bei der in Fig. 3 dargestellten Ausführungs form Tyristoren sind. Diese elektrischen Schaltelemente werden entsprechend dem Schaltmodus der Umschalteinrichtung 13 durch Signale angesteuert, die von einem in der Umschalt einrichtung 13 vorgesehenen Steuerteil 13′ erzeugt werden, und zwar aufgrund eines der Umschalteinrichtung 13 an deren Steuereingang 16 zugeführten Steuersignales S _S. Das Signal S _S ist entweder das Signal S _A oder ein hiervon abgeleitetes Signal oder aber das Ausgangssignal U _L oder ein hiervon abgeleitetes Signal, so daß das Umschalten der Umschaltein richtung 13 synchron mit dem Eingangssignal S _A bzw. mit dem Ausgangssignal U _L der Verstärkeranordnung und/oder in Abhängigkeit von dem Verlauf des Eingangssignales oder Ausgangssignales erfolgt.

Bei der in der Fig. 1 dargestellten Ausführung weist die Umschalteinrichtung 13 während jeder vollen Periode des Ausgangsignals U _L vier unterschiedliche Betriebszustände auf, die in der Fig. 2 mit den dortigen Bereichen I-IV angegeben sind. Der Betriebszustand I liegt jeweils am Anfang sowie am Ende jeder positiven Halbperiode des Ausgangssigna les U _L vor. Am Anfang sowie am Ende jeder negativen Halb periode des Ausgangssignales U _L befindet sich die Umschalt einrichtung 13 jeweils im Betriebszustand III. Wie der Fig. 2 weiterhin zu entnehmen ist, besitzt die Umschalteinrichtung 13 während der positiven Halbperiode des Ausgangssignales U _L und zwischen den beiden Betriebszuständen I den Betriebszu stand II und während der negativen Halbperiode des Ausgangs signals U _L und zwischen den beiden Betriebszuständen III den Betriebszustand IV. Die Übergänge Ü 1 und Ü 2 zwischen den Betriebszuständen I und II bzw. II und I befinden sich dort, wo das Ausgangssignal U _L während der positiven Halbperiode eine Schwellspannung U _S überschreitet bzw. unterschreitet. In ähnlicher Weise befinden sich die Übergänge Ü 3 und Ü 4 zwischen den Betriebszuständen III und IV bzw. IV und III dort, wo die Ausgangsspannung U _L während der negativen Halbperiode eine negative Schwellspannung US unterschreitet bzw. überschreitet. Die positive sowie negative Schwellspan nung US ist gleich dem Wert der kleineren Versorgungsspannung U 1.

Die Arbeitsweise der Verstärkeranordnung läßt sich, wie folgt, beschreiben:

Es wird davon ausgegangen, daß das Ausgangssignal U _L am Anfang einer Periode gerade den ersten positiven Null-Durch gang aufweist, d. h. die Umschalteinrichtung 13 befindet sich in dem ersten Betriebszustand I. In diesem Betriebszustand liegt an beiden Ausgängen 14 und 15 der Umschalteinrichtung die kleinere Versorgungsspannung U 1 an, d. h. beide Verstär kereinrichtungen 1 und 2 arbeiten gemeinsam mit dieser kleineren Versorgungsspannung U 1 auf den gemeinsamen Ausgang 3. Erreicht das Ausgangssignal U _L die positive Schwellspan nung US, so wird der nachfolgende Umschaltmodus in drei Stufen durchgeführt.

Stufe 1

Einer der beiden Ausgänge 14 und 15, beispielsweise der Ausgang 14 wird von der kleineren Versorgungs spannung U 1 abgetrennt, wodurch die Verstärkerein richtung 1 abgeschaltet wird und nunmehr ausschließ lich die Verstärkereinrichtung 2 das Ausgangssignal U _L liefert.

Stufe 2

Der Ausgang 14 wird mit der höheren Versorgungsspan nung U 2 verbunden. Gleichzeitig oder unmittelbar vorher oder nachher wird der Ausgang 15 von der niedrigeren Versorgungsspannung U 1 abgetrennt, wodurch die Verstärkereinrichtung 2 abgeschaltet ist und das Ausgangssignal U _L somit zunächst allein von der mit der größeren Versorgungsspannung U 2 betrie benen Verstärkereinrichtung 1 geliefert wird.

Stufe 3

Anschließend wird der Ausgang 15 für eine Verbindung mit der höheren Versorgungsspannung U 2 vorbereitet und mit dieser dann auch verbunden, so daß dann während des Betriebszustandes II beide Verstärker einrichtungen 1 und 2 mit der höheren Versorgungs spannung U 2 gemeinsam auf den Ausgang 3 arbeiten.

In umgekehrter Weise erfolgt am Übergang Ü 2 das Umschalten in zwei Stufen von dem Betriebszustand II in den Betriebszustand I, d. h. hier wird wiederum zunächst eine der beiden Verstär kereinrichtungen, d. h. beispielsweise die Verstärkereinrich tung 1 bzw. der zugehörige Ausgang 14 von der höheren Versorgungsspannung U 2 abgetrennt, so daß das Ausgangssignal U _L momentan nur von der Verstärkereinrichtung 2 geliefert wird. Anschließend wird der Ausgang 14 an die niedrigere Versorgungsspannung U 1 angelegt und der Ausgang 15 von der höheren Versorgungsspannung U 2 abgetrennt, so daß das Ausgangssignal U _L vorübergehend nur von dem mit der niedri geren Versorgungsspannung U 1 arbeitenden Verstärkereinrich tung 1 geliefert wird, und zwar solange, bis dann auch der Ausgang 15 an die niedrigere Versorgungsspannung U 1 ange schlossen ist, so daß während des Betriebszustandes I am Ende der positiven Halbperiode des Ausgangssignals U _L wiederum beide Verstärkereinrichtungen 1 und 2 mit der niedrigeren Versorgungsspannung U 1 auf den gemeinsamen Ausgang 3 arbei ten. In analoger Weise erfolgt das Umschalten der Eingänge 14 und 15 von der niedrigeren Versorgungsspannung zur höheren Versorgungsspannung am Übergang Ü 3 bzw. von der höheren Versorgungsspannung auf die niedrigere Versorgungsspannung am Übergang Ü 4, wobei bei jedem Umschaltmodus das Umschalten der Versorgungsspannungen der Verstärkereinrichtungen 1 und 2 zeitlich nacheinander bzw. zeitlich überlappend in der Weise erfolgt, daß eine der beiden Verstärkereinrichtungen 1 und 2 in den vor dem jeweiligen Umschaltmodus vorliegenden Be triebszustand weiter arbeitet, bis die andere Verstärkerein richtung in den auf dem jeweiligen Umschaltmodus folgenden Betriebszustand umgeschaltet ist, und daß erst dann das Umschalten der einen Verstärkereinrichtung in den auf den jeweiligen Umschaltmodus folgenden neuen Betriebszustand erfolgt. Hierdurch wird ein Umschalten zwischen den einzelnen Betriebszuständen I-IV ohne einen Störsignalanteil im Ausgangssignal U _L erreicht, d. h. der angestrebte, beispiels weise sinusförmige Verlauf des Ausgangssignals U _L wird nicht beeinträchtigt. Da die Verstärkereinrichtungen 1 und 2 bei kleiner Amplitude des Ausgangssignals U _L (Betriebszustände I und III) mit der niedrigeren Versorgungsspannung U 1 betrieben werden und die größere, für die maximale Amplitude des Ausgangssignals U _L notwendige höhere Versorgungsspannung U 2 erst dann verwendet wird (Betriebszustände II und IV), wenn die Amplitude des Ausgangssignals U _L die Schwellspannung US überschreitet, die Versorgungsspannung für die Verstärkerein richtungen 1 und 2 also dem Verlauf der Ausgangsspannung U _L folgend an diese angepaßt wird, ergibt sich für die Verstär kereinrichtungen 1 und 2 bzw. für die erfindungsgemäße Verstärkeranordnung eine extrem niedrige Verlustleistung, d. h. diese Verlustleistung ist auf jeden Fall wesentlich kleiner als bei herkömmlichen, linear arbeitenden Verstär kern. Während der jeweiligen Umschaltphase ist es bei der erfindungsgemäßen Verstärkeranordnung auch bei hohen Lei stungen möglich, daß eine der beiden Verstärkereinrichtungen 1 und 2 vorübergehend das Ausgangssignal U _L allein liefert, da während dieser Umschaltphase die momentane Verlustleistung an dieser einen Verstärkereinrichtung ohnehin sehr niedrig ist.

Bei der vorstehenden Erläuterung der Arbeitsweise wurde davon ausgegangen, daß in jeder Umschaltphase die Verstärkerein richtung 2 zunächst mit der ursprünglichen Versorgungsspan nung weiterbetrieben wird, bis die Verstärkereinrichtung 1 umgeschaltet wurde. Grundsätzlich ist es aber auch möglich, die Verstärkeranordnung so auszubilden, daß sie selbst nach bestimmten Kriterien diejenige Verstärkereinrichtung 1 bzw. 2 frei auswählt, die bis zum Umschalten der anderen Verstärker einrichtung auf die neue Versorgungsspannung vorübergehend allein das Ausgangssignal U _L liefert. Als Kriterium hierfür kann beispielsweise die Temperatur bzw. Junction-Temperatur der die Verstärkereinrichtungen 1 und 2 bildenden Transisto ren dienen, d. h. es wird dann in jeder Umschaltphase zunächst die Verstärkereinrichtung 1 bzw. 2 abgeschaltet, deren Transistoren die höhere Temperatur aufweisen.

Bei der in der Fig. 3 dargestellten Ausführungsform sind die beiden Verstärkereinrichtungen 1 und 2 jeweils von zwei MOS-Feldeffektleistungstransistoren 17 und 18 (Verstärker einrichtung 1) bzw. 19 und 20 (Verstärkereinrichtung 2) gebildet, die jeweils nach Art eines Vierquadranten-Verstär kers in Serie zwischen einem positiven Anschluß 14′ bzw. 15′ und einem negativen Anschluß 14′′ bzw. 15′′ für die Versor gungsspannung liegen, und zwar die Transistoren 17 und 18 zwischen den Anschlüssen 14′ und 14′′, die den Ausgang 14 der Umschalteinrichtung 13 bilden, und die Transistoren 19 und 20 zwischen den Anschlüssen 15′ und 15′′, die den Ausgang 15 der Umschalteinrichtung 13 bilden. Jeder Transistor 17-20 liegt auch in Serie mit einem Schutz- bzw. Ausgleichswiderstand 21. Die Steuerelektroden (Gates) der Transistoren 17 und 18 bilden den Eingang 9 und die Steuerelektroden (Gates) der Transistoren 19 und 20 den Eingang 10, wobei das Signal S′ den Steuerelektroden der Transistoren 17 und 18 und das Signal S′′ den Steuerelektroden der Transistoren 19 und 20 jeweils gegenphasig zugeführt wird. Der Ausgang 3 der Verstärkereinrichtung ist von den beiden Anschlüssen 3′ und 3′′ gebildet, von denen der Anschluß 3′ an die Verbindungs punkte zwischen den Widerständen 21 der oberen Transistoren 17 und 19 und der Drainelektrode der unteren Transistoren 18 und 20 angeschlossen ist. Der Anschluß 3′′ des Ausgangs 3 ist mit einem Mittelanschluß 22 der Spannungsversorgungseinrich tung 12 verbunden, der (Anschluß) beispielsweise auch die Schaltungsmasse bildet.

Die Spannungsversorgungseinrichtung 12 weist bei der darge stellten Ausführungsform vier Gleichspannungsquellen 23-26 auf, von denen die direkt mit dem Anschluß 22 bzw. mit einem Schaltungspunkt 46 verbundene Spannungsquelle 23 die kleinere Versorgungsspannung U 1 als positive Spannung, die ebenfalls mit dem Anschluß 22 direkt verbundene Spannungsquelle 25 die kleinere Versorgungsspannung U 1 als negative Spannung liefern, und zwar jeweils bezogen auf den Anschluß 22.

Die in Serie mit der Spannungsquelle 23 liegende Spannungs quelle 24 liefert eine Zusatz-Gleichspannung U _Z, die sich zusammen mit der Spannung der Spannungsquelle 23 zu der größeren Versorgungsspannung U 2 als positive Spannung addiert. In gleicher Weise liefert die Spannungsquelle 26 eine Spannung UZ, die sich zusammen mit der Spannung der Spannungsquelle 25 zu der größeren Versorgungsspannung U 2 als negativen Spannung addiert, und zwar wiederum jeweils bezogen auf den Anschluß 22.

Die Schaltelemente der Umschalteinrichtung 13 sind bei der in der Fig. 3 dargestellten Ausführungsform von einer Vielzahl von Thyristoren 27-34 sowie 35-42 gebildet, von denen die Thyristoren 27-34 dazu dienen, während der einzelnen Be triebszustände I-IV die von den Transistoren 17-20 gebildeten Verstärkereinrichtungen 1 und 2 an die unterschiedlichen Versorgungsspannungen U 1 und U 2 anzuschließen, und von denen die Thyristoren 35-42 für die bei komplexer Last 4 auftreten den Rückströme I _Z notwendig sind. In der Fig. 3 ist als Last 4 eine zwischen den Anschlüssen 3′ und 3′′ liegende Serien schaltung aus dem Ohmschen Widerstand 43 und der Induktivität 44 angenommen. Die in der Umschalteinrichtung 13 auch vorgesehene Ansteuereinrichtung 13′ für die Thyristoren 27-42 ist in der Fig. 3 nicht dargestellt. Diese Ansteuereinrich tung 13′ kann mit herkömmlichen Mitteln realisiert sein und steuert die einzelnen Thyristoren 27-42 in der Weise an, wie dies nachfolgend im Zusammenhang mit den Fig. 4a-4d beschrieben wird.

Die Fig. 4a-4d zeigen die Schaltzustände, die die Thyristoren 27-42 in den jeweiligen Betriebszuständen I-IV aufweisen, und zwar zu dem Zeitpunkt, an dem nach einem Übergang zwischen einem Betriebszustand und einem nachfolgenden Betriebszustand beide Verstärkereinrichtungen 1 und 2 an die diesem nachfol genden Betriebszustand entsprechende Versorgungsspannung U 1 bzw. U 2 angeschlossen sind.

Die Fig. 4a-4d sind im einzelnen folgenden Betriebszustän den zuzuordnen:

Fig. 4a Betriebszustand I
Fig. 4b Betriebszustand II
Fig. 4c Betriebszustand III
Fig. 4d Betriebszustand IV.

In den Fig. 4a-4d sind weiterhin jeweils nur diejenigen Thyristoren 27-42 dargestellt, die in dem jeweiligen Be triebszustand I-IV aktiviert und auch unter Berücksichtigung der vorliegenden Spannungs- und Last- bzw. Stromverhältnisse leitend sind.

In den Betriebszuständen I (Fig. 4a) ist die Drain-Elektrode des Transistors 17 bzw. der Anschluß 14′ über den Thyristor 27 und die Drain-Elektrode des Transistors 19 bzw. der Anschluß 15′ über den Thyristor 28 mit dem zwischen den Spannungsquellen 23 und 24 liegenden Schaltungspunkt 45 verbunden. Der Anschluß 14′′ ist über den Thyristor 36 und der Anschluß 15′′ über den Thyristor 36 an den zwischen den Spannungsquellen 23 und 24 liegenden Schaltungspunkt 46 bzw. an den Anschluß 22 angeschlossen. Die von der Serienschaltung der Transistoren 17 und 18 bzw. 19 und 20 gebildeten Ver stärkereinrichtungen 1 und 2 liegen somit über die vorge nannten Thyristoren an der kleineren, positiven Versorgungs spannung U 1, wobei die Source-Anschlüsse der Transistoren 17 und 19 über die Last 4 auch mit dem Schaltungspunkt 46 verbunden sind, also letztlich die Transistoren 17 und 19 über die Last von der kleineren, positiven Versorgungs spannung U 1 (abzüglich der an der Last 4 anliegenden Aus gangsspannung U _L) betrieben werden. Der von der komplexen Last 4 bzw. von dem der Ausgangsspannung U _L nacheilenden Strom I (durch die Last 4) verursachte Rückstrom I _X fließt von der Induktivität 44 über die ebenfalls angesteuerten Transistoren 18 und 20, die Thyristoren 35 und 36 und den Widerstand 43 zurück an die Induktivität 44 (Pfeile I _X) und wird dabei teilweise in den Transistoren 18 und 20, aber auch teilweise in den Transistoren 21 und 43 in Verlustleistung umgesetzt. Da während des Rückstroms I _X an den Transistoren 18 und 20 im wesentlichen nur die Spannung der Induktivität 44 anliegt und nicht gleichzeitig auch eine Versorgungs spannung, erzeugt der Strom I _X in diesen Transistoren nur eine verhältnismäßig geringe Verlustleistung.

Im Betriebszustand II (Fig. 4b) liegt der Anschluß 14′ über den Thyristor 29 und der Anschluß 15′ über den Thyristor 30 an dem positiven Anschluß 24′ der Spannungsquelle 24, an welchem (Anschluß 24′) bezogen auf den Schaltungspunkt 46 die größere, positive Versorgungsspannung U 2 anliegt. Die Anschlüsse 14′′ und 15′′ sind über die Thyristoren 37 bzw. 38 an dem Schaltungspunkt 45 angeschlossen. Hierdurch liegen die von der Serienschaltung der beiden Transistoren 17 und 18 bzw. 19 und 20 gebildeten Verstärkereinrichtungen 1 und 2 über die vorgenannten Thyristoren letztlich an der von der Spannungsquelle 24 gelieferten positiven Spannung U _Z, wobei die Transistoren 17 und 19 über die Last 4 mit ihren Source- Anschlüssen aber auch mit dem Schaltungspunkt 46 verbunden sind und somit die Transistoren 17 und 19 auch mit der größeren positiven Versorgungsspannung U 2 (abzüglich der an der Last anliegenden Ausgangsspannung U _L) betrieben werden. Der nacheilende, am Beginn des Betriebszustandes II noch negative Strom fließt vom Anschluß 3′ über die Transistoren 19 und 20, die Thyristoren 37 und 38 an den Schaltungspunkt 45 und von dort über die Spannungsquelle 23 an den Anschluß 3′′ zurück, so daß durch diesen Strom eine Rückspeisung eines Teils der Blindleistung in die Spannungsquelle 23, bei spielsweise in einen dort vorhandenen Ladekondensator erfolgt, wie dies mit den Pfeilen I _X in der Fig. 4 angedeutet ist. Dies bedeutet, daß mit der erfindungsgemäßen Verstärker anordnung nicht nur eine erhebliche Reduzierung der Verlust leistung an den Transistoren 17-20, sondern bei der in der Fig. 5 wiedergegebenen Phasenverschiebung zwischen der Spannung U _L und dem Strom I in dem durch die schraffierte Fläche 47 angegebenen Bereich eine Rückspeisung eines Teils der Blindleistung bzw. der Energie des Blindwiderstandes (Induktivität 44) möglich ist.

Der in der Fig. 4c wiedergegebene Betriebszustand III entspricht dem in der Fig. 4a wiedergegebenen Betriebszustand I, wobei während des Betriebszustandes III allerdings der Anschluß 14′′ über den Thyristor 31 und der Anschluß 15′′ über den Thyristor 32 an dem zwischen den beiden Spannungs quellen 25 und 26 vorgesehenen Schaltungspunkt 48 liegen, an welchem (Schaltungspunkt 48) bezogen auf den Schaltungspunkt 46 die kleinere, negative Versorgungsspannung U 1 anliegt. Der Anschluß 14′ ist über den Thyristor 39 und der Anschluß 15′ über den Thyristor 40 an den Schaltungspunkt 46 angeschlossen, so daß letztlich die von der Serienschaltung der Transis toren 17 und 18 bzw. 19 und 20 gebildeten Verstärkerein richtungen 1 und 2 über die vorgenannten Thyristoren an der kleineren, negativen Versorgungsspannung U 1 anliegen, wobei die Drain-Anschlüsse der Transistoren 18 und 20 über die Last 4 gleichzeitig auch mit dem Schaltungspunkt 46 verbunden sind und somit die Transistoren 18 und 20 über die Last 4 auch von der kleineren, negativen Versorgungsspannung U 1 (abzüglich der an der Last 4 anliegenden Spannung) betrieben werden. Bei negativem Ausgangssignal U _L und positivem nacheilenden Strom kann der Rückstrom I _X von der Induktivität 44 über die Transistoren 39 und 40, über die beiden ebenfalls ange steuerten Transistoren 17 und 19 sowie über den Widerstand 43 an die Induktivität 44 zurückfließen, wie dies mit den Pfeilen I _X angedeutet ist. Dieser Rückstrom wird dabei in Verlustleistung umgesetzt, und zwar teilweise in den Transis toren 17 und 19, teilweise aber auch in den Widerständen 21 und 43. Hierbei gilt ebenfalls, daß die in den Transistoren 17 und 19 auftretenden Verlustleistungen gering sind, da an diesen Transistoren wiederum im wesentlichen nur die Spannung der Induktivität 44 anliegt.

Bei dem in der Fig. 4d dargestellten Betriebszustand IV liegt der Anschluß 14′′ über den Thyristor 33 und der Anschluß 15′′ über den Thyristor 34 an dem Anschluß 26′ der Spannungsquelle 26, an welchem (Anschluß 26′) bezogen auf den Schaltungspunkt 46 die größere, negative Versorgungsspannung U 2 anliegt. Der Anschluß 14′ ist über dem Thyristor 41 und der Anschluß 15′ über den Thyristor 42 an den Schaltungspunkt 48 angeschlos sen, so daß insoweit die von der Serienschaltung der Transis toren 17 und 18 bzw. 19 und 20 gebildeten Verstärkerein richtungen 1 und 2 über die vorgenannten Thyristoren an der negativen Spannung U _Z der Spannungsquelle 26 anliegen, wobei die Drain-Anschlüsse der Transistoren 18 und 20 über die Last 4 auch mit dem Schaltungspunkt 46 verbunden sind und die beiden Transistoren 18 und 20 somit von der größeren nega tiven Versorgungsspannung U 2 (abzüglich der an der Last 4 anliegenden Ausgangsspannung U _L) betrieben werden. Ein bei negativem Ausgangssignal U _L noch positiver Strom I kann dann vom Anschluß 3′′ über die Spannungsquelle 25, die Thyristoren 41 und 42 sowie die beiden Transistoren 17 und 19 an den Anschluß 3′ zurückfließen (Pfeile I _X), so daß hier eine Rückspeisung eines Teils der Energie der Induktivität 44 in die Spannungsquelle 25 erfolgt, und zwar in dem in der Fig. 5 schraffiert angedeuteten Bereich 49. Die in den Bereichen 47 und 49 erfolgende Rückspeisung ist bei der dargestellten Ausführungsform umso größer, je größer die Phasenverschiebung zwischen U _L und I ist. Auch kann die Rückspeisung immer nur dann erfolgen, wenn auf eine höhere Versorgungsspannung umgeschaltet worden ist, und zwar dann jeweils in die Spannungsquelle für die niedrigere Versorgungsspannung. Allerdings ist es bei einer entsprechenden größeren Anzahl von unterschiedlichen, jeweils positiven und negativen Versorgungsspannungen und damit bei einer entsprechend größeren Anzahl von Betriebszuständen möglich, eine Energie rückspeisung in der beschriebenen Weise auch bei kleineren Phasenverschiebungen zwischen Ausgangsspannung U _L und Ausgangsstrom I zu erreichen.

Aus den Fig. 4a-4d ergibt sich auch, daß bei der darge stellten Ausführungsform bei jedem Nulldurchgang der Spannung U _L ein weiterer Übergang Ü 5 bzw. Ü 6 vorliegt, bei dem von dem Betriebszustand I auf den Betriebszustand III bzw. von dem Betriebszustand III auf den Betriebszustand I umgeschaltet wird, wobei diese Umschaltung jeweils für beide Verstärker einrichtungen gleichzeitig erfolgen kann.

Um das Umschalten und insbes. auch das überlappende Um schalten der Versorgungsspannungen zu erreichen, bilden die Thyristoren 27 und 28, 29 und 30, 31 und 32 sowie 33 und 34 jeweils ein Thyristorpaar, wobei die Thyristoren 27 und 28 schaltungstechnisch mit ihren Anoden mit der kleineren, positiven Versorgungsspannung U 1, die Thyristoren 29 und 30 mit ihren Anoden mit der größeren positiven Versorgungsspan nung U 2, die Thyristoren 31 und 32 mit ihren Kathoden mit der kleineren negativen Versorgungsspannung U 1 und die Thyristo ren 33 und 34 mit ihren Kathoden mit der größeren, negativen Versorgungsspannung U 2 verbunden sind. Die Kathoden der Thyristoren 27 und 29 sind schaltungstechnisch an den Anschluß 14′ sowie die Kathoden der Thyristoren 28 und 30 an den Anschluß 15′ angeschlossen, während die Anoden der Thyristoren 31 und 33 an den Anschluß 14′′ und die Anoden der Thyristore 32 und 34 an den Anschluß 15′′ angeschlossen sind.

Die Thyristoren 35 und 36 sind jeweils schaltungstechnisch mit ihren Kathoden und die Thyristoren 39 und 40 mit ihren Anoden mit dem Schaltungspunkt 46 verbunden. Die Thyristoren 37 und 38 sind schaltungstechnisch mit ihren Kathoden mit dem Schaltungspunkt 45 und die Thyristoren 41 und 42 mit ihren Anoden mit dem Schaltungspunkt 48 verbunden. Die Anoden der Thyristoren 36 und 37 sind jeweils schaltungstechnisch an den Anschluß 14′′ und die Anoden der Thyristoren 35 und 38 an den Schaltungspunkt 15′′ angeschlossen, während die Kathoden der Thyristoren 39 und 41 an den Schaltungspunkt 14′ und die Kathoden der Thyristoren 40 und 42 an den Schaltungspunkt 15′ angeschlossen sind.

Die Erfindung wurde voranstehend an einem Ausführungsbeispiel beschrieben. Es versteht sich, daß Änderungen sowie Abwand lungen möglich sind, ohne daß dadurch der der Erfindung zugrundeliegende Erfindungsgedanke verlassen wird.

Claims

1. Verstärkeranordnung, mit wenigstens zwei auf einen gemeinsamen Ausgang für ein verstärktes Ausgangssignal arbeitenden und durch ein Eingangssignal angesteuerten Verstärkereinrichtungen sowie mit einer die Betriebsspan nungen für die Verstärkereinrichtungen liefernden Spannungsversorgungseinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Spannungsversorgungseinrichtung (12) und den Verstärkereinrichtungen (1, 2) eine elektrisch steuerbare Schaltelemente (27, 34; 35-42) aufweisende Umschalteinrichtung (13) vorgesehen ist, die für jede der wenigstens zwei Verstärkereinrichtungen (1, 2) einen gesonderten Versorgungsspannungsausgang (14, 15) aufweist und die Abhängigkeit von dem Ausgangssignal (U _L) und/oder dem zu verstärkenden Eingangssignal (S _A) die an den Versorgungsspannungsausgängen (14, 15) bzw. an der Verstärkereinrichtungen (1, 2) anliegenden Versorgungs spannungen stufenweise derart ändert, daß diese Versor gungsspannungen (U ₁, U ₂) dem Verlauf des Ausgangssignals (U _L) folgend bei ansteigendem Ausgangssignal wenigstens einmal von einer kleineren Versorgungsspannung (U ₁) auf eine größere Versorgungsspannung (U ₂) und bei abnehmendem Ausgangssignal wenigstens einmal von einer größeren Versorgungsspannung (U 2) auf eine kleinere Versorgungs spannung (U 1) umschaltet, wobei diese Umschaltung der Versorgungsspannungen (U 1, U 2) für die wenigstens zwei Verstärkereinrichtungen (1, 2) zeitlich versetzt erfolgt.

2. Verstärkeranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Umschaltung der Versorgungsspannungen (U 1, U 2) zeitlich derart versetzt erfolgt, daß während jedes Umschaltmodus eine der wenigstens zwei Verstärker einrichtungen von der Versorgungsspannung abgeschaltet wird, während die andere der wenigstens zwei Verstärker einrichtungen (1, 2) mit der vor dem Umschalten anliegen den alten Versorgungsspannung (U 1, U 2) weiterbetrieben wird, daß die eine Verstärkereinrichtung (1) an die neue, nach dem Umschalten anliegende Versorgungsspannung (U 2, U 1) angeschaltet wird und anschließend ein Abschalten der anderen Verstärkereinrichtung (2) von der alten Versor gungsspannung (U 1, U 2) sowie ein Anschalten dieser anderen Verstärkereinrichtung an die neue Versorgungs spannung (U 2, U 1) erfolgt, so daß in dem nach dem Umschalten erhaltenen Betriebszustand (I-IV) wieder beide Verstärkereinrichtungen (1, 2) mit der neuen Versorgungsspannung (U 2, U 1) arbeiten.

3. Verstärkeranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Reihenfolge, in der die Ver stärkereinrichtungen bei jedem Umschaltmodus zeitlich versetzt von der alten auf die neue Versorgungsspannung umgeschaltet werden, durch eine die Schaltelemente (27- 34; 35-42) der Umschalteinrichtung (13) ansteuernde Steuereinrichtung (13′) fest vorgegeben ist.

4. Verstärkeranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine die Schaltelemente (27-34; 35- 42) der Umschalteinrichtung (13) ansteuernde Steuerein richtung (13′) nach besonderen, den jeweiligen Bela stungszustand der Verstärkereinrichtungen (1, 2) berück sichtigenden Kriterien die Reihenfolge der Verstärkerein richtungen (1, 2) beim Umschalten von der alten Versor gungsspannung (U 1, U 2) auf die neue Versorgungsspannung (U 2, U 2) frei auswählt.

5. Verstärkeranordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich net, daß als Kriterium für die Auswahl der Reihenfolge die momentane Temperatur der die Verstärkereinrichtungen (1, 2) bildenden elektrisch steuerbaren Verstärkerelemente, z. B. Transistoren (17-20) und dabei bevorzugt die Junction-Temperatur dieser Transistoren (17-20) verwendet wird.

6. Verstärkeranordnung nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem einen positiven und einen negativen Verlauf aufweisenden Ausgangssignal (U _L) die Umschaltung der Versorgungsspannungen (U ₁, U ₂) sowohl während des positiven Verlaufs, als auch während des negativen Verlaufs des Ausgangssignals erfolgt.

7. Verstärkeranordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich net, daß bei einem periodisch verlaufenden Ausgangssignal (U _L), beispielsweise bei einem sinusförmigen Ausgangs signal die Umschaltung der Versorgungsspannungen (U 1, U 2) während jeder positiven Halbperiode wenigstens einmal von einer kleineren positiven Versorgungsspannung (U 1) auf eine größere, ebenfalls positive Versorgungsspannung (U 2) und im Anschluß daran von dieser wieder auf die kleinere positive Versorgungsspannung (U 1) erfolgt, und daß in analoger Weise während der negativen Halbperiode der Ausgangsspannung (U _L) die Umschaltung der Versorgungs spannung wenigstens einmal von einer kleineren negativen Versorgungsspannung (U 1) auf eine größere, ebenfalls negative Versorgungsspannung (U 2) und anschließend von dieser zurück auf die kleinere negative Versorgungsspan nung (U 1) erfolgt.

8. Verstärkeranordnung nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, bei einem periodischen Ausgangssignal (U _L), beispielsweise bei einem sinusför migen Ausgangssignal in jeder Halbperiode dieses Signals sowohl das Umschalten der positiven Versorgungsspannungen als auch das Umschalten der negativen Versorgungsspan nungen erfolgen.

9. Verstärkeranordnung nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens zwei Ver stärkereinrichtungen (1, 2) jeweils von mindestens zwei nach Art eines Gegentakt- bzw. Vier-Quadranten-Ver stärkers in Serie liegenden Verstärkerelementen, vorzugs weise Transistoren (17-20) gebildet sind, und daß die Spannungsversorgungsanschlüsse (14, 15) der Umschaltein richtung (13) für jede Verstärkereinrichtung (1, 2) einen ersten Anschluß (14′, 15′) für die positive Versorgungs spannung und einen zweiten Anschluß (14′′, 15′′) für eine negative Versorgungsspannung (U 1, U 2) aufweisen.

10. Verstärkeranordnung nach einem der Ansprüche 1-9, dadurch gekennzeichnet, daß die Umschalteinrichtung (13) wenigstens zwei Gruppen von elektrisch steuerbaren Schaltelementen (27-34; 35-42) aufweist, von denen die erste Gruppe (27-34) zum Umschalten der Versor gungsspannungen dient und die zweite Gruppe (35-42) in den jeweiligen Betriebszuständen (I-IV) bei komplexer Last (4) am Ausgang (3) der Verstärkeranordnung einen Rückstrom (I _X) in die Verstärkeranordnung ermöglichen.

11. Verstärkeranordnung nach Anspruch 10, dadurch gekenn zeichnet, daß die elektrisch steuerbaren Schaltelemente (35-42) der zweiten Gruppe derart gesteuert sind, daß sie bei einem Betriebszustand (I, III) mit der jeweils niedrigsten Versorgungsspannung für den Rückstrom (I _X) einen geschlossenen, über die Verstärkerelemente (17-20) der Verstärkereinrichtungen führenden und die Last (4) einschließenden Stromkreis bilden.

12. Verstärkeranordnung nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Schaltele mente (35-42) der zweiten Gruppe bei einem Betriebs zustand (II, IV) mit einer größeren Versorgungsspannung (U 2) für den Rückstrom (I _X) einen geschlossenen Strom kreis bilden, der über eine zur Erzeugung der niedrigeren Versorgungsspannung (U 1) dienende Spannungsquelle (23, 24) führt.

13. Verstärkeranordnung nach einem der Ansprüche 9-12, dadurch gekennzeichnet, daß in jeder Halbperiode des Ausgangssignals (U _L) jeweils nur an dem ersten oder zweiten Anschluß (14′, 15′; 14′′, 15′′) der Umschalt einrichtung (13) eine Versorgungsspannung (U 1, U 2) anliegt, und zwar während der positiven Halbperiode eine positive Versorgungsspannung (U 1, U 2) an den ersten Anschluß (14′, 15′) und während der negativen Halbperiode eine negative Versorgungsspannung (U 1, U 2) an dem zweiten Anschluß (14′′, 15′′), und daß die elektrischen Schalt elemente (35-42) der zweiten Gruppe derart gesteuert sind, daß der Stromkreis für den Rückstrom (I _X) über die jeweils nicht an eine Versorgungsspannung angeschlossenen Verstärkerelemente (17-20) führt.

14. Verstärkeranordnung nach einem der Ansprüche 1-13, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsversorgungsein richtung (12) zwei Gruppen von jeweils wenigstens zwei in Serie liegenden Spannungsquellen (23-26) aufweist, von denen eine erste Spannungsquelle (23-25) jeder Gruppe die kleinere positive bzw. negative Versorgungsspannung (U 1) liefert und von denen eine zweite Spannungsquelle (24, 26) zusammen mit der ersten Spannungsquelle (23, 25) die größere positive bzw. negative Versorgungsspannung (U 2) liefert, und daß jede erste Spannungsquelle (23, 24) über jeweils ein erstes Schaltelement (27, 28; 31, 32) mit einem der ersten Anschlüsse (14′, 15′) bzw. mit einem der zweiten Anschlüsse (14′′, 15′′) sowie jede Serien schaltung (23, 24; 25, 26) aus wenigstens zwei Spannungs quellen über jeweils ein zweites Schaltelement (29, 30; 33, 34) ebenfalls mit jeweils einem ersten Anschluß (14′, 15′) bzw. einem zweiten Anschluß (14′′, 15′′) verbunden ist.

15. Verstärkeranordnung nach einem der Ansprüche 1-14, dadurch gekennzeichnet, daß ein zwischen den beiden Gruppen der Spannungsquellen (23-26) liegender Schal tungspunkt (46) jeweils über ein drittes Schaltungs element (35, 36; 39, 40) mit jeweils einem der beiden ersten Anschlüsse (14′, 15′) der Umschalteinrichtung bzw. mit einem der beiden zweiten Anschlüsse (14′′, 15′′) der Umschalteinrichtung (13) schaltungstechnisch verbunden ist, und daß ein zwischen den beiden Spannungsquellen (23, 24; 25, 26) jeder Gruppe der Spannungsquellen (23- 26) liegender Schaltungspunkt (45, 48) über jeweils ein viertes Schaltungselement (37, 38; 41, 42) mit einem der zweiten Anschlüsse (14′, 15′′) bzw. mit einem der ersten Anschlüsse (14′, 15′) der Umschalteinrichtung (13) schaltungstechnisch verbunden ist.

16. Verstärkeranordnung nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß eine von den Verstärkereinrichtungen (1, 2) angesteuerte Last (4) zwischen dem Ausgang (3, 3′) dieser Verstärkereinrichtungen (1, 2) und einem Schaltungspunkt (46) liegt, der zwischen den beiden Gruppen von in Serie liegenden Spannungsquellen (23, 26) gebildet ist, daß in jedem Betriebszustand die Verstär kereinrichtungen (1, 2) mit ihren ersten und zweiten Anschlüssen (14′, 15′; 14′′, 15′′) durch die Schaltele mente (27-34; 35-42) an eine der Spannungsquellen (23, 26) angeschlossen sind, und daß beim Wechseln von einem Betriebszustand mit einer positiven oder negativen Versorgungsspannung in einen Betriebszustand mit einer anderen positiven oder negativen Versorgungsspannung, beispielsweise beim Wechseln von einem Betriebszustand mit einer kleineren positiven oder negativen Versorgungs spannung (U 1) in einem Betriebszustand mit einer größeren, positiven oder negativen Versorgungsspannung (U 1), die ersten und zweiten Anschlüsse (14′, 15′; 14′′, 15′′) von einer Spannungsquelle (23, 25), die bezogen auf den erwähnten Schaltungspunkt (46) die eine Versorgungs spannung (U 1) liefert, zeitlich versetzt an eine andere Spannungsquelle (24, 26) umgeschaltet werden, die bezogen auf den erwähnten Schaltungspunkt (46) die andere Versorgungsspannung (U 2) liefert.