DE4244722A1 - Verlustleistungsreduzierung an Gegentaktverstärkern durch Unterdrückung von Teilen der Versorgungsspannung - Google Patents

Description

Beschreibung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Verlustleistungsreduzierung an Gegentaktverstärkern durch Unterdrückung von Teilen der Versorgungsspannung.

Bild 10 zeigt eine "Versorgungsspannungsunterdrückung 1. Ordnung" (Netzspannungsunterdrückung). Diese stellt eine Schaltautomatik dar, mit deren Hilfe dafür gesorgt wird, daß der nahezu konstante und relativ geringe Mindestversorgungsspannungsbedarf der Gegentaktstufen Ta und Tb lückenlos gedeckt bleibt, in Bezug auf ihre Sättigungsspannungen (<=Usat). Diese Usat, zuzüglich aussteuerungsabhängiger Spannungsabfälle an den Netzwerken der Quellenelektroden (Emitter von Ta und Tb) sind dem Ausgangssignal U_L überlagert.

Aufgrund dieser Tatsache ergibt sich die Möglichkeit, auf diejenigen Versorgungsspannungsanteile, sowohl auf der positiven, als auch auf der negativen Anschlußseite, zu verzichten, die zur einwandfreien Aussteuerung eines Gegentaktverstärkers nicht unbedingt nötig sind.

Eine "Schaltmaßnahme 1. Ordnung" in diesem Sinne besteht darin, daß bei Verwendung eines bipolaren Netzteils (U_B+ und U_B- mit Mittenpotential als Masse) während einer positiven Spannungs-Halbwelle die negative Polseite automatisch abgeschaltet, bzw. "unterdrückt" wird und umgekehrt.

Diese Maßnahme ist zwar hinsichtlich einer Verringerung der Verlustleistung bei ohmscher Last wirkungslos, doch gewinnt sie dann an Bedeutung, wenn während einer Spannungshalbwelle ein gegenpolig fließender Laststrom - I_L auftritt, der jeweils von der anderen, bei ohmscher Last passiven Gegentaktstufe, übernommen werden muß, wie aus Bild 7a ersichtlich. Dies ist dann der Fall, wenn es sich um eine Last handelt, die einen Blindanteil aufweist (Z_L = R_L + j X_L;). Ungünstig ist dabei, daß gerade diese stromführende Seite von dem weitaus größeren Spannungsabfall beaufschlagt ist, der als Faktor, zusammen mit dem gegenpolig fließenden Scheinstrom während eines Teilabschnittes einer Periode, eine hohe Verlustleistung erbringt, wie aus Bild 7b ersichtlich.

Die Umschaltautomatik sorgt für das rechtzeitige Einschalten der für die Darstellung der aktuellen Spannungspolarität des Ausgangssignals erforderlichen Versorgungsspannungshälfte, bzw. für ein erlaubtes Abschalten der anderen Polhälfte im zulässigen Pegelabstand, zwecks Reduzierung der Verlustleistung, mit Hilfe der Schaltelemente Sa, bzw. Sb, wobei der abgeschaltete Pol vorübergehend über die zuständigen Koppeldioden D4, bzw. D5 an das Mittenpotential des bipolaren Netzteils (Masse) angebunden wird. Diese Funktionen werden mit Hilfe von Schwellwertschaltern realisiert, indem die für die jeweils bevorstehende Halbperiode benötigte Polarität des Netzteils mit Sa bzw. Sb "voreilend" eingeschaltet, bzw. nacheilend abgeschaltet wird. Der Schaltvorgang ist in Bild 11 dargestellt.

Das Ergebnis dieser Maßnahme zeigt Bild 12a, wo der Verlauf der Verlustleistungen an Ta, bzw. Tb, im Vergleich zur Verlustleistung ohne Versorgungsspannungsunterdrückung dargestellt ist, sowohl bei Betrieb mit Blindlast (Phi = 90°), als auch bei einer Phasendrehung um 180°.

So läßt sich hierdurch die Verlustleistung auf etwa die Hälfte reduzieren.

Damit auch beim Betrieb mit ohmscher Last die Verluste reduziert werden können, sind Schaltmaßnahmen "höherer Ordnung" notwendig im Sinne einer Aufteilung der positiven und negativen Versorgungsspannungshälften in mehrere Teilbereiche, die in Reihe geschaltet sind.

Der um das Nullpotential (Mittenpotential Masse) schwingende Spannungspegel des Verstärkerausgangs U_L durchwandert nun der Reihe nach diese Teilspannungsbereiche, wobei alle an den jeweils aktuellen Teilbereich angrenzenden Versorgungkaskaden automatisch weggeschaltet werden.

Im Übergang des Ausgangspegels von einem Versorgungsbereich in den jeweils angrenzenden, ist es aber unumgänglich, daß beide benachbarte Kaskadenspannungen solange wirksam sind, bzw. bleiben, bis der Mindestspannungsbedarf von Ta und Tb vom neuen Versorgungsbereich abgedeckt ist.

Das gleiche gilt auch für das Zurückwechseln, wodurch kurzzeitig die Leistungsreduzierung nicht voll ausgeschöpft werden kann.

Eine Schaltmaßnahme im Sinne einer "Versorgungsspannungsunterdrückung 2. Ordnung", wobei es sich in diesem Falle um eine 2-Teilung der Versorgungsspannungspole eines Netzteils handelt, also um 4 Versorgungskaskaden (4 × U_B/2 in Serie mit Mittenpotential als Bezugsmasse), zeigt Bild 10a.

In Bild 23 sind die Möglichkeiten für Schaltmaßnahmen "höherer Ordnung" im Sinne von Bild 10a veranschaulicht.

Anhand des Schaltbeispiels 2. Ordnung nach Bild 10a werden mit Hilfe des bipolaren Konstantspannungsgebers (Vk), dessen Spannungswerte dem Mindestversorgungsspannungsbedarf (Usat) angepaßt sind, die Schwellwertschalter V1, V3, V5, (Bild 23: V1 bis Vn) anregt, die ihre zugeordneten Schaltelemente S1, S3, S5 (Bild 23: S1 bis Sn) bedienen und zwar abhängig von dem Momentanpegel der oberen Konstantspannung Uko (+Uk), die dem Ausgangssignal U_L überlagert ist, während S2, S4, S6 (Bild 23: Sn1 bis Sm) durch die untere Konstantspannung Uku (-Uk) bedient werden.

Die zugehörigen Dioden D11 bis D16 (Bild 23: D1 bis Dm und Dm+1 bis D_l) dienen zur Entkopplung der Schaltvorgänge untereinander.

Der Schaltvorgang ist in Bild 11a dargestellt.

Die "Versorgungsspannungsunterdrückung 2. Ordnung" und aller höheren ist im Sinne einer Verringerung der Leistungsverluste auch bei ohmscher Last wirksam.

Die mit der Schaltung 2. Ordnung zu erreichende Reduzierung der Verlustleistung gegenüber Normalbetrieb (Bipolares Netzteil) ist für ohmsche Last in Bild 12b und für Blindlast in Bild 12c dargestellt.

Der Wirkungsgrad kann verbessert werden

bei ohmscher Last von
ca. 79% auf ca. 84%,
bei Blindlast Phi = 90° von	ca. 44% auf 76%
und bei Phasendrehung um 180° von	ca. 31% auf 68%.

Vorteile der Schaltung

Gegenüber bekannten Methoden zur Reduzierung der Verlustleistung an Gegentaktverstärkern, wie sie in den Patentschriften
H03 F3/20 vom 20. 9. 79;
U. S. Pat. Nr. 3,428,908/B. N. Locanthi vom 18. 2. 69;
U. S. Pat. Nr. 4,401,954/Suzuki vom 13. 8. 83
erklärt sind, hat die Erfindung folgende Vorteile:

• 1. Es liegt eine komplette Umschaltautomatik vor, die an separate Gegentaktverstärker, welche die mit Bild 10a (Bild 23) beschriebenen Grundeigenschaften aufweisen, angeschlossen werden kann.
• 2. Die erfindungsgemäße "Versorgungsspannungsunterdrückung 2. Ordnung" läßt sich durch mehrfache Unterteilung der Netzteil-Pole auf noch wirksamere Schaltmaßnahmen "höherer Ordnung" erweitern, hinsichtlich der Verlustleistungsreduzierung an den Gegentaktstufen.
• 3. Die Umschaltautomatik ist als Produkt integrierfähig, ggfs. einschließlich der Netzgleichrichtersätze.
• 4. Der externe Beschaltungsaufwand besteht aus gleichartigen Spannungsversorgungselementen, zuzüglich der Verstärkeranschlüsse (C+, C-, A oder Ea, Eb) und des Optimierungsabgleichs (externe Z-Dioden oder Widerstände an +Uk, -Uk).
• 5. Hochkapazitive Glättungskondensatoren werden mit niedriger Nennspannung als +-U_Bmax betrieben.
• 6. Alle Sekundärwicklungen eines Netztrafos können gleichartig sein. Sie werden paarweise, ggfs. je 2 Reihenwicklungen mit Mittelabgriff, an eine Brücken-Dopplerschaltung (100 Hz) angeschlossen (handelsübliche Gleichrichtersätze).
• 7. Die Voreilung der Kaskadenbereichsumschaltung kann durch individuelle Anpassung der Konstantspannungen +Uk und -Uk an den Mindestspannungsbedarf der Endstufen eines Verstärker-Typs optimal vorgenommen werden.

Claims (8)

1. Verlustleistungsreduzierung erster Ordnung an Gegentaktverstärkern durch Unterdrückung von Teilen der Versorgungsspannung, die aus einem bipolaren Netzteil besteht (+-U_B), dessen Mittenpotential (Nullspannung) als Bezugsmasse definiert ist, dadurch gekennzeichnet, daß im Rahmen einer Umschaltautik die Polelektroden (+-U_B) an je einen steuerbaren Schalter (Sa, Sb) angeschlossen sind, dessen Strompfad jeweils mit einer Versorgungselektrode der Steuerstufen (Ta und Tb) verbunden sind, wobei jeder der Schalter von einem, ihm zugeordneten Schwellwertschalter (Va, Vb) angeregt werden kann, die beim Überschreiten des Potentials, das am Verbindungspunkt der Netzteilhälften ansteht, durch das Ausgangssignal des Verstärkers ansprechen, der eine Schwellwertschalter bei höherer (positiverer) und der andere bei niedrigerer (negativer) Spannung, als das Nullpotential der Bezugsmasse. Die Steuerelektroden der Schwellwertschalter sind über Netzwerke mit den Ausgängen eines bipolaren Konstantspannungsgebers (+-Uk Uko und Uku) verbunden, der mittig am Verstärkerausgang oder getrennt je an den Quellenelektroden der Steuerstufen angeschlossen werden kann, potentialmäßig dem Ausgangssignal des Verstärkers überlagert ist. Dabei sind die Verstärkeranschlüsse, die am steuerbaren Schalter anliegen, über entkoppelnde Dioden (Bild 10: D4, D5 Bild 23: D1, Dm+1) mit dem Verbindungspunkt der beiden Netzhälften, die in diesem Fall Bezugsmasse ist, verbunden.

2. Verlustleistungsreduzierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch Aufteilung der Polhälften des Netzteils in mehrere Kaskadenabschnitte eine Verlustleistungsreduzierung zweiter oder höherer Ordnung möglich sind, wobei jeweils die Potentiale an den Verbindungspunkten der Kaskadenteile als Schaltkriterien benutzt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die darauf bezogenen Schwellwertschalter (Bild 10a: V1 bis V6, Bild 23: V1 bis V_m) ihnen zugeordnete Leistungsschalter (Bild 10a: S1 bis S6, Bild 23: S1 bis S_m) ansteuern, deren Strompfade zu je einer Entkopplungsdiode (Bild 10a: D13 bis D16, Bild 23: D1 bis D_m-1 und D_m+1 bis D_l-1) in Reihe geschaltet sind, mit Ausnahme der Schalter, die die Eckspannungen (+U_Bmax, -U_Bmax) der Kaskade betreffen (Bild 10a: S1, S2, Bild 23: S1, S_n+1). Diese Anordnung ist in zwei Schaltgruppen aufgeteilt, eine mit positivem Ausgang, die die positive Steuerstufe versorgt (Bild 10a: S1, S3, S5, D12 an Kollektor von Ta, Bild 23: C+ an Ta) und eine mit negativem Ausgang (Bild 10a: S2, S4, S6, D11 an Kollektor von Tb, Bild 23: C- an Tb), derart, daß die Kathoden aller Entkopplungsdioden der Schaltgruppe mit positivem Ausgang an der positiven Versorgungselektrode des Verstärkers (C+) angeschlossen sind, einschließlich der schalterlosen Diode (Bild 10a: D12, Bild 23: D_m), die am vorletzten negativen Kaskadenpol anliegt, wie auch des diodenfreien Schalters (S1), der an der positiven Eckspannung der Kaskade anliegt (also S1 und D1 bis D_m), während die Anoden aller Entkopplungsdioden der Schaltgruppe mit negativem Ausgang an der negativen Versorgungselektrode des Verstärkers (C-) angeschlossen sind, einschließlich der schalterlosen Diode (D11, bzw. D_l), die am vorletzten positiven Kaskadenpol anliegt, wie auch des diodenfreien Schalters (S2, bzw. S_n1), der an der negativen Eckspannung der Kaskade anliegt (also S_n+1 und D_m1 bis D_l).

3. Bipolarer Konstantspannungsgeber nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die positive Elektrode (+Uk) an alle Steuereingänge der Schwellwertschalter (V1 bis V5 V_n) angeschlossen ist, die über ihre zugeordneten Leistungsschalter (S1 bis S5 S_n) ein "voreilendes Eröffnen" und ein "nacheilendes Wegschalten" der Kaskadenspannungen bewirken, die die positive Versorgungselektrode des Verstärkers (C+) betreffen, während die negative Geberelektrode (-Uk) mit allen Steuereingängen der Schwellwertschalter (V_n+1 bis V_m) verbunden ist, die über ihre zugeordneten Leistungsschalter (S_n1 bis S_m) die Versorgung der negativen Verstärkerelektrode (C-) betreffen.

4. Bipolarer Konstantspannungsgeber nach den Ansprüchen 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Betrag je einer seiner Spannungshälften einem Endstufentransistor des Verstärkers zugeordnet sind (+Uk zu Ta und -Uk zu Tb), wobei ihre Spannungswerte die Schaltpunkte bestimmen (vergl. Bild 11) für die Zu- oder Wegschaltung einer angrenzenden Kaskadenversorgungsspannung, wodurch das Unterschreiten der erforderlichen Mindestversorgungsspannung für die Steuertransistoren (Usat von Ta und Tb) verhindert wird.

5. Bipolarer Konstantspannungsgeber nach den Ansprüchen 1, 2, 3, 4, dadurch gekennzeichnet, daß seine Polhälften durch Z-Dioden oder Spannungsteiler realisiert sind.

6. Leistungsschalter (S1 bis S_m) nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß es sich um komplementäre Transistoren, Darlingtons oder Feldeffekttransistoren handeln kann.

7. Entkopplungsdioden nach den Ansprüchen 1, 2, dadurch gekennzeichnet, daß es sich um schnelle Schaltdioden handeln kann.

8. Schwellwertschalter nach den Ansprüchen 1, 2, 3, dadurch gekennzeichnet, daß es sich um passive oder aktive Netzwerke handeln kann, wie Transistoren, Operationsverstärker (IC's) oder optoelektronische Bauelemente.