DE4410498A1

DE4410498A1 - Leistungsverstärker

Info

Publication number: DE4410498A1
Application number: DE19944410498
Authority: DE
Inventors: Mamoru Sekiya; Yutaka Nakamura
Original assignee: Tekuno Esu KK
Current assignee: Tekuno Esu KK
Priority date: 1993-03-30
Filing date: 1994-03-25
Publication date: 1994-10-06
Also published as: JPH06291559A

Description

Die Erfindung betrifft einen Leistungsverstärker, der für Musikanlagen, Videogeräte, Lautsprecher elektronische Musikinstrumente Wiedergabeeinrichtungen und dergleichen verwendet wird.

Unter den konventionellen Ton-Leistungsverstärkern verwen den HiFi-Verstärker eine SEPP-(Single End Push-Pull-/Ein takt-Gegentakt-) Verstärkerschaltung. Falls kein Verlust an den Schaltungselementen auftritt, wird die Ausgangsleistung solch einer Schaltung durch die nachfolgende Gleichung 1 ausgedrückt,

P_out = (V_cc)² : (8 × R1), Gleichung 1

wobei P_out die Ausgangsleistungs (W), V_cc die Versorgungs spannung (V) und R1 den Lastwiderstand (Ω) darstellt.

Wie es aus Gleichung 1 ersichtlich ist, wird die Ausgangs leistung P_out durch die Versorgungsspannung V_cc bestimmt. Es ist daher notwendig, ein Netzgerät zu verwenden, das eine hohe Spannung erzeugt, um ein großes Ausgangssignal zu erhalten.

Dies bedingt beim Herstellen eines Verstärkers, der eine hohe Ausgangsleistung erzeugt, die nachfolgenden Probleme.

(1) Da die Versorgungsspannung hoch ist, wird eine große Wärmemenge selbst dann erzeugt, wenn die Ausgangsleistung gering ist, was einen großen Energieverlust bewirkt.
(2) Große und besondere Bauteile müssen für eine Netzgerät schaltung verwendet werden, um die hohe Versorgungsspannung zu erzeugen.
(3) Es ist schwierig, ein solches Gerät kompakt und mit ei nem geringen Gewicht herzustellen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Leistungsverstärker die Wärmeerzeugung durch eine Verbes serung der Leistungsfähigkeit bei tatsächlicher Verwendung zu unterdrücken und die in der Energieversorgungsschaltung (Netzgerätschaltung) verwendeten Bauteile klein zu machen, so daß das Gerät einen kompakten Aufbau und ein geringes Gewicht aufweist.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Da der Schaltkreis der Verstärkerschaltung ein Signal zu führt, dem die an den Kondensatoren anliegende Spannung überlagert wird, wenn der Signalpegel den vorbestimmten Wert überschreitet, kann die Verstärkerschaltung eine Aus gangsspannung erzeugen, die größer als die Ausgangsspannung der Energieversorgungsschaltung ist. Theoretisch gleicht die Spannung, die an den Kondensatoren anliegt, der Aus gangsspannung der Energieversorgungsschaltung und die Spannung, die durch das Überlagern dieser erzeugt wird und der Verstärkerschaltung angelegt wird, entspricht dem Zweifachen der Ausgangsspannung der Energieversorgungs schaltung. Dies macht es möglich, eine vierfach größere Ausgangsleistung als die zu erhalten, die durch einen konventionellen Leistungsverstärker erzeugt wird, der die Ausgangsspannung einer Energieversorgungsschaltung direkt an eine Verstärkerschaltung anlegt. Auf experimentelle Weise wurde eine dreifach größere Ausgangsleistung als beim Stand der Technik erzielt.

Mit anderen Worten, die Ausgangsspannung einer Energiever sorgungsschaltung kann im Vergleich zum Stand der Technik halbiert werden, um die gleiche Ausgangsleistung zu erhal ten. Dies beseitigt die vorstehenden Probleme, auf die man beim Beschaffen der Versorgungsspannung stößt und ermög licht es, Wärmeerzeugung durch Verbesserung der Leistungs fähigkeit bei tatsächlicher Verwendung zu unterdrücken und die in der Energieversorgungsschaltung verwendeten Bauteile klein zu halten, so daß sich ein Gerät mit kompaktem Aufbau und geringem Gewicht herstellen läßt.

Die Erfindung wird nachstehend beispielsweise anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Schaltungsdiagramm für einen Verstärker eines Ausführungsbeispiels,

Fig. 2 das Verhältnis zwischen der Vorspannung und der Ausgangsspannung einer erfindungsgemäßen Verstär kerschaltung bei großem Ausgangssignal,

Fig. 3 das Verhältnis zwischen der Vorspannung und der Ausgangsspannung einer konventionellen Verstär kerschaltung bei großem Ausgangssignal,

Fig. 4 das Verhältnis zwischen der Vorspannung und der Ausgangsspannung einer erfindungsgemäßen Verstär kerschaltung bei kleinem Ausgangssignal und

Fig. 5 das Verhältnis zwischen der Vorspannung und der Ausgangsspannung einer konventionellen Verstär kerschaltung bei kleinem Ausgangssignal.

Das Schaltbild einer komplementären SEPP- (Single End Push- Pull-/Eintakt-Mehrtakt-) Verstärkerschaltung 1 ist in der Fig. 1 schematisch dargestellt. Transistoren Q1 und Q2 be finden sich an der Endausgangsstufe der Verstärkerschaltung 1. Die Emitter des Transistors Q1 vom NPN-Typ und des Tran sistors Q2 vom PNP-Typ sind miteinander verbunden, um eine Ausgangsklemme P1 der Verstärkerschaltung 1 zu bilden, die über einen Lastwiderstand R1, beispielsweise einen Laut sprecher, geerdet ist.

Wenn man annimmt, daß der Strom, der durch den Lastwider stand R1 fließt, I_o ist und die Spannung, die an der Aus gangsklemme P1 anliegt, V_o ist, genügen I_o und V_o der Be ziehung V_o = I_o × R1. An den Kollektoren der Transistoren Q1 und Q2 liegen Vorspannungen V1a bzw. V1b an. Zur Verein fachung der Erläuterung wird angenommen, daß das Eingangs- und das Ausgangssignal der Verstärkerschaltung 1 gleich phasig sind.

Eine Energieversorgungsschaltung in Form einer Netzgerät schaltung liefert elektrische Leistung zu der Verstärker schaltung 1, die eine positive und eine negative Spannung V2a bzw. V2b ausgibt, die der Beziehung V2a = -V2b genügen.

Eine positive Ausgangsklemme wird mit dem Bezugszeichen P2 und eine negative Ausgangsklemme mit dem Bezugszeichen P3 bezeichnet.

Eingangsklemmen P4 und P5 von Schaltkreisen 3 bzw. 4 sind mit der Ausgangsklemme P1 der Verstärkerschaltung 1 verbun den.

Der Schaltkreis 3 besteht aus einer Zenerdiode D1 zum Er zeugen einer Bezugsspannung, einer Diode D2 zum Verhindern eines Gegenstroms, einer Diode D3, einem Widerstand R2, ei nem Transistor Q4 vom NPN-Typ und einem Transistor Q5 vom PNP-Typ.

Die Eingangsklemme P4 des Schaltkreises 3 ist mit der Kathode der Zenerdiode D1 verbunden. Die Anode der Zener diode D1 ist mit der Anode der Diode D2 verbunden und die Kathode der Diode D2 ist über den Widerstand R2 geerdet. Die Kathode der Diode D2 ist mit den Basen der Transistoren Q4 und Q5 verbunden. Der Kollektor des Transistors Q4 steht mit der positiven Ausgangsklemme P2 der Netzgerätschaltung 2 und der Anode der Diode D3 in Verbindung. Der Emitter des Transistors Q4 ist mit dem Emitter des Transistors Q5 ver bunden und der Kollektor des Transistors Q5 ist geerdet. Die Kathode der Diode D3 steht mit dem Kollektor des Tran sistors Q1 der Verstärkerschaltung 1 in Verbindung.

Eine positive Signalspannung wird an die Eingangsklemme P4 angelegt, um einen Strom zu erzeugen, der über die Zener diode D1, die Diode D2 und den Widerstand R2 zur Erde fließt. Es wird angenommen, daß die Spannung, die an der Eingangsklemme P4 auftritt, wenn die Zenerdiode D1 in einem Zenerspannungsbereich liegt, die Bezugsspannung V3 ist. Der Widerstandswert des Widerstands R2 ist so gewählt, daß die über den Widerstand R2 erzeugte Spannung durch diesen Strom den Transistor Q4 ein- und den Transistor Q5 ausschaltet. Wenn die Spannung an der Eingangsklemme P4 unter der Bezugsspannung V3 liegt, ist der Transistor Q4 aus- und der Transistor Q5 eingeschaltet. Als Zenerdiode D1 wird ein Bauteile ausgewählt, das einen solchen Zenerspannungswert aufweist, daß ein Strom im Zenerspannungsbereich fließt, wenn die Spannung an der Eingangsklemme P4 gleich oder hö her der Bezugsspannung V3 ist. Die Diode D2 soll einen Strom verhindern, wenn die Zenerdiode D1 durch eine nega tive Signalspannung, die an die Eingangsklemme P4 angelegt wird, durch die Sperrvorspannung gesperrt wird. Die Diode D2 verhindert einen Stromfluß, falls die Zenerdiode D1 durch eine negative Signalspannung, die an die Eingangs klemme P4 angelegt wird, in Sperrichtung vorgespannt wird.

Andererseits wird der Schaltkreis 4 durch eine Zenerdiode D4, eine Diode D5 zum Verhindern eines Gegenstroms, eine Diode D6, einen Widerstand R3, einen Transistor Q6 vom PNP- Typ und einen Transistor Q7 von NPN-Typ gebildet.

Die Eingangsklemme PS des Schaltkreises 4 ist mit der Anode der Zenerdiode D4 verbunden. Die Kathode der Zenerdiode D4 steht mit der Kathode der Diode D5 in Verbindung. Die Anode der Diode D5 ist über den Widerstand R3 geerdet. Die Anode der Diode D5 ist mit den Basen der Transistoren Q6 und Q7 verbunden. Der Kollektor des Transistors Q6 ist mit der ne gativen Ausgangsklemme P3 der Netzgerätschaltung 2 und der Kathode der Diode D6 verbunden. Der Emitter des Transistors Q6 steht mit dem Emitter des Transistors Q7 in Verbindung. Der Kollektor des Transistors Q7 ist geerdet. Die Anode der Diode D6 steht mit dem Kollektor des Transistors Q2 der Verstärkerschaltung 1 in Verbindung.

Der Schaltkreis 4 ist eine Schaltung, die den gleichen Be trieb durchführt, wie der Schaltkreis 3, mit jedoch umge kehrter Phase. Da gleiche Teile in den entsprechenden Stellen dieser Schaltungen verwendet werden, wobei die Transistoren vom PNP-Typ und NPN-Typ vertauscht sind, wird im einzelnen der Transistor Q6 ein- und der Transistor Q7 ausgeschaltet, wenn die negative Bezugsspannung V3 zur Spannung an der Eingangsklemme P5 hinzugefügt wird und der Transistor Q6 wird aus- und der Transistor Q7 eingeschal tet, wenn die Spannung an der Eingangsklemme P4 geringer als die negative Bezugsspannung V3 ist.

Der positive Anschluß eines Leistungskondensators C1 ist mit der Kathode der Diode D3 und sein negativer Anschluß mit dem Emitter des Transistors Q4 verbunden. Der negative Anschluß eines Leistungskondensators C2 ist mit der Anode der Diode D6 und sein positiver Anschluß mit dem Emitter des Transistors Q6 verbunden.

Die Funktionsweise des Ausführungsbeispiels wird nun nach folgend, beginnend mit der des Schaltkreises 3 beschrieben.

Die Bezugsspannung V3 des Schaltkreises 3 ist im wesentli chen gleich oder geringfügig geringer eingestellt als die Spannung V2a der Ausgangsklemme P2 der Netzgerätschaltung 2.

Nachfolgend wird angenommen, daß ein positives Signal am Eingang der Verstärkerschaltung 1 angelegt wird, um eine Spannung V_o zu erzeugen, die geringer als die Bezugsspan nung V3 an der Ausgangsklemme P1 der Verstärkerschaltung 1 ist.

Die Spannung V_o wird an die Eingangsklemme P4 des Schalt kreises 3 angelegt. Da die Spannung V_o geringer als die Bezugsspannung V3 ist, fließt kein Strom über die Zener diode D1. Deshalb ist der Transistor Q4 aus- und der Tran sistor Q5 eingeschaltet. Demzufolge wird die Spannung V2a an der Ausgangsklemme P2 der Netzgerätschaltung 2 als die Vorspannung V1a über die Diode 3 an den Kollektor des Transistors Q1 der Verstärkerschaltung 1 angelegt. Da der negative Anschluß des Leistungskondensators C1 über den Transistor Q5 geerdet ist und sein positiver Anschluß über die Diode D3 mit der Ausgangsklemme C2 der Netzgerätschal tung 2 in Verbindung steht, wird der Leistungskondensator C1 durch die Ausgangsspannung V2a der Netzgerätschaltung 2 aufgeladen.

Als nächstes wird angenommen, daß ein größeres positives Signal dem Eingang der Verstärkerschaltung 1 zugeführt wird, um eine Spannung V_o zu erzeugen, die gleich oder größer der Bezugsspannung V3 an der Ausgangsklemme P1 der Verstärkerschaltung 1 ist. Die Spannung V_o wird an die Eingangsklemme P4 des Schaltkreises 3 angelegt. Da die Spannung V_o gleich der Bezugsspannung V3 oder größer als diese ist, fließt ein Strom über die Zenerdiode D1, wodurch der Transistor Q4 ein- und der Transistor Q5 ausgeschaltet wird.

Das Einschalten des Transistors Q4 bewirkt, daß die Spannung, die an den Kollektor des Transistors Q1 der Verstärkerschaltung 1 als die Vorspannung V1a angelegt wird, einen Wert gleich der Emitterspannung des Transistors Q4 zuzüglich der Spannung am Leistungskondensator C1 an nimmt. Die Emitterspannung des Transistors Q4 entspricht einem Wert, der durch das Abziehen der Zenerspannung der Zenerdiode D1, der Vorwärtsspannung P2 und der Spannung an der Basis und dem Emitter des Transistors Q4 von der Spannung V_o an der Ausgangsklemme P1 der Verstärkerschal tung 1 erhalten wird. Die Werte der Zenerspannung an der Zenerdiode DI, der Vorwärtsspannung der Diode D2 und der Spannung an der Basis und dem Emitter des Transistors Q4 sind im wesentlichen unabhängig vom Wert der Spannung an der Ausgangsklemme P1 konstant.

Deshalb nimmt die Spannung, die an den Kollektor des Tran sistors Q1 der Verstärkerschaltung 1 als die Vorspannung V1a angelegt wird, einen Wert an, der gleich der Spannung am Leistungskondensator C1 zuzüglich der Spannung ist, die durch das Subtrahieren eines vorbestimmten Wertes von der Spannung V_o an der Ausgangsklemme P1 der Verstärkerschal tung 1 erhalten wird. Demzufolge variiert sie, um der Spannung V_o an der Ausgangsklemme nachzufolgen, was wichtig ist und bemerkt werden sollte.

Die Spannung am Leistungskondensator C1 ist gleich der Aus gangsspannung V2a der Netzgerätschaltung 2, falls der Kon densator aufgrund des Ladens durch die Ausgangsspannung V2a genügend aufgeladen ist. Deshalb entspricht die Vorspannung V1a dem Doppelten der Ausgangsspannung V2a der Netzgerät schaltung 2 an deren Maximum.

Die Diode D3 wird nichtleitend, da sie durch die Spannung am Kondensator C1 in Sperrichtung betrieben wird, wodurch die über die Diode D3 erfolgende Verbindung des Kollektors des Transistors Q1 und der Ausgangsklemme P2 der Netzgerät schaltung 2 unterbrochen wird.

Ferner nimmt man an, daß dann ein negatives Signal an den Eingang der Verstärkerschaltung 1 angelegt wird, um eine negative Spannung V_o an der Ausgangsklemme D1 der Verstär kerschaltung 1 zu erzeugen.

In diesem Fall ist die Funktionsweise gleich der im vorste henden Fall, insofern als ein positives Signal dem Eingang der Verstärkerschaltung 1 zugeführt wird, um eine Spannung V_o zu erzeugen, die kleiner als die Bezugsspannung V3 an der Ausgangsklemme P1 der Verstärkerschaltung 1 ist. Der Unterschied besteht lediglich in der Tatsache, daß der Strom dazu neigt, über die Zenerdiode D1 in umgekehrter Richtung zu fließen, jedoch demzufolge nicht fließt, da die Diode D2 damit in Reihe geschaltet ist und in Sperrichtung betrieben wird.

Nachfolgend wird von einer Beschreibung der Funktionsweise des Schaltkreises 4 abgesehen, da sie die gleiche ist, wie die des Schaltkreises 3, jedoch mit umgekehrter Phase.

Andere Vorteile werden nun beschrieben.

Die Wellenformdiagramme in den Fig. 2 bis 4 stellen ledig lich die positive Hälfte der Wellenformen dar.

Die Fig. 2 stellt das Verhältnis zwischen der Vorspannung und der Ausgangsspannung der Verstärkerschaltung bei einem großem Ausgangssignal dar. Die Fig. 3 stellt das Verhältnis zwischen der Vorspannung und der Ausgangsspannung einer konventionellen Verstärkerschaltung bei großem Ausgangs signal dar. Die schraffierten Bereiche zeigen die Verlust anteile der Schaltungen. Es ist ersichtlich, daß die erfin dungsgemäße Schaltung einen geringeren Verlust aufweist. Die Fig. 4 stellt das Verhältnis zwischen der Vorspannung und der Ausgangsspannung der erfindungsgemäßen Verstärker schaltung bei kleinem Ausgangssignal dar. Die Fig. 5 stellt das Verhältnis zwischen der Vorspannung und der Ausgangs spannung einer konventionellen Verstärkerschaltung bei kleinem Ausgangssignal dar. Die schraffierten Bereiche zei gen wiederum die Verlustanteile der Schaltung. Die konven tionelle Schaltung weist einen größeren Verlust auf, da die Vorspannung auf einem hohen Pegel verbleibt, wenn die Schaltung ein kleines Ausgangssignal erzeugt. Andererseits weist der erfindungsgemäße Verstärker einen geringeren Verlustanteil auf, da er mit einer geringen Vorspannung be trieben wird, wenn die Ausgangsspannung gering ist.

Während des Betriebs ändern sich die Vorspannungen V1a und V1b abhängig vom Ausgangssignal, wenn ein Signal verstärkt wird, das gleich oder größer der Bezugsspannung V3 ist. Demzufolge ist die Spannung (V_ce) am Kollektor und Emitter des Transistors der Verstärkerschaltung konstant. Dies bringt die nachfolgenden Vorteile mit sich.

A. Da der Betrieb nicht selten außerhalb des sicheren Arbeitsbereichs (SOAR) des Transistors durchgeführt wird, wird die Zuverlässigkeit verbessert.
B. Die Eingangskapazität der Transistoren verändert sich abhängig von der Spannung V_ce, ändert sich jedoch nicht, falls die Spannung V_ce konstant ist. Dies ermöglicht eine Verstärkung mit einer geringen Verzerrung. Ferner wird die Stabilität des Betriebs verbessert, da die Eingangskapazität stabil ist.

Ein Beispiel, bei dem die vorliegende Schaltung für einen Musikanlagenverstärker zum Verstärken eines Musiksignals verwendet wird, wird nun betrachtet. Der Unterschied zwi schen einem Spitzenpegel eines Musiksignals und einem Effektivwert beträgt 15 dB bis 25 dB. Jedoch beträgt der Anteil der Zeit, zu dem große Spitzenpegel auftreten 0,1% oder weniger, während das Ausgangssignal zum größten Teil einen geringeren Wert aufweist. Dies zeigt, daß die Schaltung für einen Verstärker für Musikwiedergabe geeignet ist.

Obwohl ein Beispiel eines Verstärkers mit zweifacher, d. h. positiver und negativer Spannungszufuhr beim vorstehenden Ausführungsbeispiel beschrieben wurde, ist darin keine Beschränkung der Erfindung zu sehen, da sie auch auf einen Verstärker mit einfacher Leistungszufuhr angewendet werden kann. Obwohl der Eingangssignalpegel durch die Ausgangs klemme P1 der Verstärkerschaltung 1 erfaßt wird, ist dies nicht in einer beschränkenden Weise zu betrachten. Die Erfassung kann auch an der Eingangsseite oder in der Mitte der Verstärkerschaltung 1 durchgeführt werden.

Claims

Leistungsverstärker mit einer Verstärkerschaltung (1), einer Energieversorgungsschaltung (2), Kondensatoren (C1, C2) und Schaltkreisen (3, 4), die abhängig von einem Signalpegel schalten, wobei die Schaltkreise (3, 4) das Laden der Kondensatoren (C1, C2) durch die Energieversorgungsschaltung (2) bewirken, wenn der Signalpegel einen vorbestimmten Wert nicht überschreitet, und das Signal, dem die Spannung an den Kondensatoren (C1, C2) darauf überlagert ist, der Verstärkerschaltung (1) zuführen, wenn der Signalpegel den vorbestimmten Wert überschreitet.