DE4337475A1 - Verfahren zur kontrollierten Verstärkung von elektrischen Größen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur kontrollierten Verstärkung von elektrischen Größen, die nicht in Längs­ transistorschaltungen Gleichspannungen übertragen.

Ein derartiges Verfahren ist von großem praktischen Inte­ resse, denn es ermöglicht Verstärker zu konstruieren, die von verschiedenen Einflußgrößen, wie Verstärkungselement- Streuungen, Temperaturen, nichtlinearen Übertragungseigen­ schaften unabhängig und einer ständigen Kontrolle unter­ worfen sind.

Es sind Verstärker bekannt, die in Längstransistorschal­ tungen Gleichspannungen übertragen und die Ausgangsgleich­ spannungen mit einem Sollwert vergleichen. Aus dem Ver­ gleichsergebnis wird ein Verstärker angesteuert, der den Eingang des Längstransistors auf eine Gleichspannung stellt, die dem gewünschten Ausgangsspannungswert entspricht.

Ferner sind Verstärker bekannt, die mit Hilfe von Gegen­ kopplung, Temperaturkompensation und entsprechender Bauele­ mentenauswahl hinreichend lineare oder andere gewünschte Verstärkereigenschaften erhalten. Bekannt ist auch mit Hilfe von Pulsweitenmodulation (PWM) verstärkte Signale meistens Sinusspannungen zu erzeugen. Je nach Größe des Momentanspannungswertes wird mit einem elektronischen Schalter ein entsprechend langer Puls geschaltet.

Dabei ist jedoch der Aufwand beträchtlich sowohl in bezug auf die Entwicklungsarbeit als auch auf den Umfang an Bau­ elementen. Zwischen Ausgang und Eingang wird eine unver­ änderbare Abhängigkeit geschaffen, die nur von den Elemen­ ten der Verstärkerschaltung abhängt und nicht gezielt be­ einflußbar ist. Auch kann eine Speisespannungsabhängigkeit auftreten.

Bei der PWM-Verstärkung ist das Ausgangssignal direkt von der Speisespannung abhängig, der Aufwand ist erheblich so­ wohl auf der Modulations- als auch auf der Demodulations­ seite. Außerdem treten durch die hohe Schaltfrequenz ver­ schiedene Störungen auf. Das Ausgangssignal weicht immer mehr oder weniger von dem gewünschten Wert ab.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde den Verstärker selbst so einfach wie möglich zu gestalten und die Aus­ gangsgröße von den Eigenschaften der Verstärkerbauelemente unabhängig zu machen. Das Ausgangssignal soll ständig auf seine gewünschte Größe kontrolliert werden und beliebig beeinflußbar sein. Sämtliche bekannten störenden Abhängig­ keiten sollen beseitigt werden.

Nach der Erfindung Anspruch 1.) wird daher in einer Rege­ lungsanordnung die verstärkte Größe als Istwert mit einem gewünschten Sollwert verglichen, indem Soll- und Istwert eine definierte Zuordnungsvorschrift zueinander haben und aus dem Ergebnis des Vergleichs in einer geeigneten Regler- Vorrichtung eine Stellgröße abgeleitet wird, die den Ver­ stärkereingang so ansteuert, daß am Ausgang verstärkt der Istwert erzeugt wird, der mit dem Sollwert verglichen wird.

Ein zu verstärkendes Signal wird also nicht an den Eingang des Verstärkers gelegt, sondern über einen Sollwertgenera­ tor an den Ausgang. Der Sollwertgenerator besteht aus einer geeigneten Signalquelle oder einem Nebenverstärker. Im letzteren Fall liegt am Eingang des Nebenverstärkers das zu verstärkende Nutzsignal. Diese Nebenverstärkung erfolgt genauer und einfacher als im Verstärker selbst, auf jeden Fall dann, sofern es ausreicht, nur eine Komponente des ver­ stärkten Signals als Istwert mit einem entsprechenden Soll- Wert zu vergleichen.

Am Beispiel des elektrischen Leistungsverstärkers läßt sich dieser Vorgang am einfachsten darstellen. Elektrische Leis­ tung besteht aus dem Produkt von Spannung und Strom. Ver­ gleicht man nur die Spannungsgrößen aus dem Ausgang des Ver­ stärkers mit einem entsprechenden Spannungssollwert, so be­ nötigt man nur einen sehr einfachen, genauen und billigen Nebenverstärker zum Erzeugen der Spannung als Sollwert. Gleichermaßen könnte man die Ströme vergleichen. Das Ver­ gleichsergebnis wird in einem Regler zum Erzeugen der Stell­ größe benötigt. Die Stellgröße muß man u. U. noch ver­ stärken, auf jeden Ball aber an den Eingang des Verstärkers anpassen.

Den Sollwert erzeugt eine geeignete Signalquelle, sofern nicht ein kleines Nutzsignal, wie beschrieben, zu verstär­ ken ist, sondern eine Versorgungsquelle zur Speisung von Verbrauchern benötigt wird. Praktische Anwendung stellt z. B. ein Wechselrichter dar, der in ein Netz einspeist oder ander­ weitig Energie zur Verfügung stellen muß. Der Sollwertgene­ rator wäre dann ein Oszillator der gewünschten Frequenz und Amplitude oder ein aus dem Netz abgeleitetes Signal, wenn in ein Netz eingespeist werden soll.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird gemäß An­ spruch 2. der Istwert aus dem Verstärkerausgang in eine andere physikalische Größe umgesetzt und mit einem ent­ sprechenden Sollwert verglichen. Solche Umsetzung in an­ derer physikalische Größen kann sinnvoll sein, wenn die Um­ setzung, der Vergleich, die Regler-Vorrichtung und die An­ passung an den Verstärkereingang einfacher sind. Beispiels­ weise besteht die Möglichkeit der Umsetzung in magnetische Größen, in Licht, in Wärme o. ä. Sofern das verstärkte Signal aus einem Sensor irgendeiner physikalischen Ursprungsgröße stammt, so kann es sinnvoll sein den Istwert wieder in diese physikalische Größe umzusetzen, mit der Ursprungsgröße zu vergleichen und daraus die Stellgröße für den Verstärker­ eingang zu gewinnen.

Der Verstärker kann sich bei kleinen Ausgangsspannungen (Istwerten) oder größeren Spannungswerten der Energiequelle unzulässig stark erwärmen. Die Differenz zwischen der Spann­ ung der Energiequelle und der Ausgangsspannung des Verstär­ kers liegt nämlich an den Verstärkeranschlüssen und ist proportional der Verlustwärme im Verstärker. Hierdurch treten Energieverluste auf oder der Verstärkertransistor kann sogar zerstört werden.

Um diesen Nachteil zu beseitigen, werden gemäß Anspruch 3. die Versorgungsspannungswerte und/oder -Stromwerte des Ver­ stärkers mit Hilfe einer entsprechenden Stell- oder Rege­ lungsvorrichtung ständig auf eine solche Größe gebracht, daß die an dem Leistungsverstärker abfallende Spannung geringer wird oder den geringstmöglichen Wert an der Sättigungs­ spannungsgrenze erreicht.

Die Spannung an den Verstärkeranschlüssen wird mit einem Spannungssollwert verglichen, der über der Sättigungs­ spannung des Verstärkers liegt. Das Vergleichsergebnis stellt über einen Regler einen Schalter, welcher nur soviel Strom zur Versorgungsspannung des Transistorverstärkers fließen läßt, daß die Versorgungsspanung des Verstärkers solche Größe erreicht, daß die Spannung an den Klemmen des Ver­ stärkers dem Spannungswert entspricht, der über der Sätti­ gungsspannung liegt und mit dem Spannungssollwert verglichen wird. Ist die Spannung des Sollwertes gleich der Sättigungs­ spannung an den Klemmen des Verstärkers, fällt am Ver­ stärker ein Minimum an Verlustleistung ab.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß sämtliche störenden Einflüsse auf den Verstärker­ vorgang herausgeregelt werden. Die ständige Kontrolle des verstärkten Ausgangssignals als Istwert mit dem Sollwert er­ zwingt einen genau gewünschten Ausgangsverlauf. Temperatur­ einflüsse, Versorgungsspannungsschwankungen, auch Welligkeit, Bauelementestreuungen, elektrische Störeinflüsse wie Arbeits­ punktschwankungen sind wirkungslos. Durch den einfachen Zu­ griff zum Sollwert sind beliebige Änderungen der Ausgangs­ größe des Verstärkers zu erreichen. Darüberhinaus kann der Verstärker mit einem Minimum an Verlustleistung betrieben werden. Die Entwicklung und Konstruktion werden erheblich vereinfacht. Das fertige Gerät ist kleiner und billiger und nimmt im Betrieb ein Minimum an Energie auf.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung Fig. 1 dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. 1 ist der Verstärker mit seinem Eingang 2 und den Ausgängen 4 bzw. 3. 1 kann ein NPN-Transistor sein, dann wäre 2 die Basis, 3 der Ermitter und 4 der Kollektor. 5 ist das posi­ tive Versorgungsspannungspotential des Verstärkers und 6 der positive Pol der Gleichspannungs-Energie-Quelle. 7 stellt den Arbeitswiderstand dar, in dem die Ausgangsleistung des Ver­ stärkers umgesetzt werden soll. Der Schalter für eine zu schaltende Drossel, um die Versorgungsleitung 5 mit Strom zu versorgen, ist mit 8 bezeichnet, die Drossel selbst mit 9. 10 ist die Entladungsdiode. 8, 9, 10 stellen einen Abwärts­ wandler dar. Der Kondensator 11 hat die Aufgabe Welligkeit, verursacht durch die hochfrequenten Schaltvorgänge von 8, 9, 10 zu glätten. 12 stellt die Masse dar, die auf nega­ tivem Potential liegt. 13 und 14 sind Kurzschlußbrücken. Wird der Verstärker 1, wie gezeichnet, in Emitterschaltung betrieben, ist die Brücke 14 eingelegt und 13 entfernt. Umge­ kehrt, wenn die Brücke 13 eingelegt und 14 entfernt ist, wird der Transistor in Kollektorschaltung betrieben.

An den Klemmen 15 und 16 wird der Istwert entnommen und zu den Klemmen 31, 32 einer Vergleichs- und Reglerschaltung 18 gelegt, die auf der anderen Seite an dem Sollwertgenerator 17 liegt. 33 ist ein Eingangspol zum Ansteuern von 17. Das Aus­ gangssignal aus der Reglerschaltung 18 wird im Nebenverstär­ ker 19, wenn nötig, verstärkt und in eine Spannung oder einen Strom verwandelt, der über die Leitung 20 dem Verstärker- Eingang 2 zugeführt wird. 34 ist ein Spannungssignal am Aus­ gang des Verstärkers als Istwert und 35 das Sollwertspannungs­ signal. 36 stellt das Signal aus dem Regler dar und 37 das an­ gepaßte Signal für den Verstärkereingang.

Die am Verstärker abfallende Spannung an den Klemmen 3, 4 liegt über den Widerstand 22 an der Basis und dem Emitter des Transistors 21. Der Widerstand 23 parallel zur Basis-Emitter- Strecke des Transistors 21 dient zur Einstellung der Schwell­ spannung, bei der 21 leitend wird. Der Kollektorstrom von 21 fließt über den Widerstand 24 und die Leitung 25 zur Basis des Transistors 26. Der Kollektor-Ausgang dieses Transistors wirkt über die Leitung 27 auf die Kippschaltung 28. Die Kipp­ schaltung 28 versorgt den Schwingungsversorger 29, indem bei Stromlosigkeit von 27 der Schwingungsversorger 29 anschwingt. Über die Leitung 30 versorgt 29 den Schalter 8 des Abwärts­ wandlers mit hochfrequentem Steuerstrom.

Zur Regelung des verstärkten Amplitudenverlaufs auf kontrol­ lierten Größen dienen, wie erwähnt, die Regelungsglieder 17, 18, 19 und die Leitung 20. Die Vergleichs- und Regler­ schaltung 18 wird von dem Ausgang des Sollwertgenerators 17 und von dem Ausgang des Verstärkers (Istwert) an den Klem­ men 31, 32 gespeist.

Ein Istwertsignal als Spannungsgröße ist mit 34 (negativ) und ein Sollwertsignal mit 35 (negativ) bezeichnet, wobei der Sollwertgenerator 17 am Eingang 33 angesteuert wird. Beide Signale werden in 18 verglichen, wobei der Sollwert 35 beispielsweise an dem invertierenden Eingang eines Opera­ tionsverstärkers und der Istwert 34 an dem nichtinvertieren­ den Eingang liegen. Nach dem Vergleich wird im Regler von 18 eine Spannungsstellgröße geschaffen, die am Ausgang von 18 mit 36 bezeichnet ist und positiv ist. Der Nebenverstär­ ker 19 verstärkt dieses Signal und paßt es an den Eingang 2 des Verstärkers 1 an. Dieses Ausgangssignal als Spannung oder Strom ist mit 37 (positiv) bezeichnet und wird über die Lei­ tung 20 dem Verstärkereingang 2 zugeführt. Dieses positive Eingangssignal 37 steuert den Transistor 1 so an, daß die er­ wähnte Istwertspannung 34 am Ausgang erscheint.

Sollte beispielsweise durch Temperaturerhöhung o. ä. der Ist­ wert 34 größer also negativer werden, würde auch das Vergleichs­ ergebnis negativer sein, da der Istwert am nichtinvertierenden Eingang des Op liegt.

Die positiven Signale 36 und 37 würden somit auch negativer also kleiner werden. Der Transistor 1 erhält dadurch kleineren Eingangsstrom, wodurch sich der Kollektorstrom verringert und ebenfalls dadurch die Ausgangsspannung des Signals 34, die sich also auf die Sollwertgröße 35 einstellt. Damit wäre der Temperatureinfluß kompensiert.

Der gleiche Ablauf ereignet sich, wenn der Sollwert sich ver­ kleinern sollte, wenn er also positiver würde. Da er am inver­ tierenden Eingang des Op liegt, würden die Signale 36 und 37 dadurch negativer, d. h. kleiner und somit auch der Istwert 34. Der Istwert stellt sich also auf die verkleinerte Sollwert­ amplitude ein.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird die Spannung an den Klemmen 4, 3 auf eine Größe geregelt, die dicht über der Sättigungsspannung des Transistors liegt. An diesen Klemmen liegt über dem Widerstand 22 die Basis-Emitterstrecke des Transistors 21.

Der Transistor 21 ist nichtleitend erstens nach dem Ein­ schalten und zweitens, wenn die Spannung an 3, 4 niedrig ist, also die Sättigungsgrenze des Verstärkers 1 erreicht hat. In diesem Fall ist also die Leitung 25 stromlos und damit auch der Transistor 26 und die Leitung 27. Die Kippschaltung 28 hat in diesem Zustand keinen Einfluß auf den Schwingungser­ zeuger 29, so daß also die Schwingung erzeugt und Schalter 8 inbetrieb gesetzt werden kann.

Der Abwärtswandler 8, 9, 10 liefert also jetzt Strom zur Ver­ sorgungsspannung auf die Leitung 5. Die Spannung auf 5 kann ansteigen bis dadurch auch die Spannung an dem Verstärker 4,3 ansteigt und die Basis-Emitter-Strecke von Transistor 21 leitend wird, indem der Schwellwert überschritten wurde.

In diesem Augenblick fließt ein Strom über die Emitter-Basis- Strecke des Transistors 26 über die Leitung 25, den Wider­ stand 24 zum Kollektor des Transistors 21. Infolge des Basis­ stroms von 26 fließt ein Strom aus dem Kollektor von 26 über die Leitung 27 in die Kippschaltung 28. In diesem Zustand unterdrückt die Kippschaltung 28 die Schwingungserzeugung in 29. Damit kommt der Schalter 8 zur Ruhe und der Leitung 5 wird kein Strom mehr zugeführt. Demzufolge sinkt die Spann­ ung auf der Leitung 5 wieder etwas ab, bis dadurch auch die Spannung zwischen 4, 3 des Leistungsverstärkers 1 sich so­ weit verkleinert, daß der Transistor 21 wieder stromlos wird. Hierdurch verschwindet der Strom über die Leitung 25 und auch über 27 zur Kippstufe. Die Kippstufe gibt jetzt die Schwingung zum Abwärtswandler wieder frei, so daß die Spann­ ung auf der Versorgungsleitung 5 wieder ansteigen kann.

Die Regelung der Versorgungsspannung erzeugt also einen an­ nähernd konstanten Spannungsabfall an 3, 4 des Leistungs­ verstärkers und paßt damit die Versorgungsspannung in jedem Momentanwert der verstärkten Spannungsamplitude an. Damit erreicht die Verlustleitung ein Minimum.

Da der Temperaturbeiwert der Basis-Emitter-Strecke des Transistors 21 negativ ist und ebenfalls die Sättigungs­ spannung von Transistor 1, regelt sich der Temperatur­ einfluß annähernd selbsttätig heraus.

Die Größe der Sättigungsspannung an 3, 4 ist stromabhängig. Es liegt also der Gedanke nahe noch eine Strom-Abhängigkeit der Schwellspannung am Transistor 21 vorzusehen, indem mit kleinem Strom im Leistungsverstärker auch die Schwell­ spannung für den Transistor 21 kleiner wird. Da jedoch mit kleinem Strom auch die Verlustleitung ohnehin kleiner wird, ist diese Maßnahme meistens nicht von großer Bedeutung.

Die Beschreibung bezieht sich auf einen Transistor in Emitterschaltung, dessen Ausgang am Kollektor bei 4 hoch­ ohmig ist. Diese Schaltung ist in der Lage Spannungen und Ströme zu verstärken.

Für Wechselrichter bewährt sich diese Schaltung, wenn in ein vorhandenes Netz eingespeist werden soll. In diesem Fall ist die Ausgangsamplitude des Leistungsverstärkers an den Klemmen 15, 16 durch die Parallelschaltung mit dem Netz spannungsstabil, so daß zur Kontrolle der Ausgangsleistung nur eine Regelung der Stromamplitude in Frage kommt. Zu diesem Zweck ist in Reihe des Ausgangsstroms ein kleiner Widerstand oder ein Stromwandler zu legen. Auch kann die Leitung der Klemme 16 mit der Primärwicklung eines Strom­ wandlers umschlungen werden. Die Spannungen oder Ströme die so durch die Reihenschaltungen gewonnen werden, sind an die Eingangsklemmen 31, 32 der Vergleichsschaltung zu legen, dort evtl. noch zu verstärken und mit dem Sollwert aus dem Sollwertgenerator 17 zu vergleichen.

Der Sollwertgenerator 17 muß für einen Wechselrichter für direkte Netzeinspeisung mit dem Netz synchronisiert werden. Diesem Zweck dient der Eingang 33 an 17.

Bei der Verstärkung von Tonfrequenzen oder anderen Signalen ist das zu verstärkende Signal ebenfalls an die Klemme 33 zu legen. Der Sollwertgenerator 17 wäre dann ein leistungs­ armer Nebenverstärker.

Die beschriebene Schaltung mit der eingebauten Brücke 14 und der fehlenden 13 ist, wie gesagt, in der Lage Spannungen und Ströme zu verstärken. Setzt man die Brücke 13 ein und nimmt die Brücke 14 heraus, so ist die Ausgangsleistung zwischen der Klemme 3 und der Masse 12 zu entnehmen. An diese Klemmen 3 und 12 sind jetzt die Klemmen 31 und 32 an­ zuschließen.

Die Regelung des Spannungsabfalles des Leistungsverstärkers an 3, 4 kann erhalten bleiben, so daß also der Leistungs­ verstärker ebenfalls mit einem Minimum an Verlustleistung betrieben werden kann.

Wegen des niederohmigen Emitterausgangs an Klemme 3 kann diese Schaltung vorzugsweise für Wechselrichter verwendet werden, die nicht auf ein Netz mit fester Spannung ge­ schaltet sind. Desgleichen eignet sich die Schaltung für die Leistungsverstärkung von Spannungen der Frequenzen Null bis zu irgendeiner Grenzfrequenz.

Claims (3)

1. Verfahren zur kontrollierten Verstärkung von elektri­ schen Größen, die nicht in Längstransistorschaltungen Gleichspannungen übertragen, dadurch gekennzeichnet, daß am Ausgang des Verstärkers die verstärkte Größe als Istwert mit einem gewünschten Sollwert verglichen wird, indem Soll- und Istwert eine definierte Zuordnungsvor­ schrift zueinander haben und aus dem Ergebnis des Ver­ gleichs in einer geeigneten Regler-Vorrichtung eine Stell­ größe abgeleitet wird, die den Verstärkereingang so an­ steuert, daß am Ausgang verstärkt der Istwert erzeugt wird, der mit dem Sollwert verglichen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Istwert aus dem Verstärkerausgang in eine andere physikalische Größe umgesetzt wird und mit einem ent­ sprechenden Sollwert verglichen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß bei elektrischen Leistungsverstärkern die Versorgungsspannungswerte und/oder Stromwerte des Leistungsverstärkers mit Hilfe einer entsprechenden Stell- oder Regelungsvorrichtung ständig auf eine solche Größe gebracht werden, daß die an dem Leistungsverstär­ ker abfallende Spannung geringer wird oder den geringst­ möglichen Wert an der Sättigungsspannungsgrenze erreicht.