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Hintergrund
der Erfindung
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1. Technisches
Gebiet
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Die
Erfindung betrifft allgemein ein thermisches Schutzsystem für eine Ausgangsstufe
eines Verstärkers
und insbesondere den Schutz von Ausgangsvorrichtungen einer Ausgangsstufe
eines Verstärkers.
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2. Stand der
Technik
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Es
werden bislang verschiedene Schaltungsaufbauten verwendet, um das
Problem der übermäßigen lokalen
Wärmeerzeugung
in Ausgangsvorrichtungen zu lösen. Übermäßige Wärme führt eventuell
zu einem Durchschlag und zu einer Zerstörung der Ausgangsvorrichtungen.
Ein gängiger Schaltungsaufbau
ist der V-I-Begrenzer. Die V-I-Begrenzerschaltung erfasst den Stromverbrauch
(Leistungsverbrauch) in einer Ausgangsvorrichtung durch kontinuierliches
Erfassen der Spannung und des Stromes der Ausgangsvorrichtung und
Begrenzen des Ansteuersignals der Ausgangsvorrichtung, wenn das
Produkt aus Spannung und Strom eine vorbestimmte Schwelle übersteigt.
V-I-Begrenzerschaltungen werden in dem an Klees erteilten US-Patent
mit der Nummer 3,234,453, in dem an Burwen erteilten US-Patent mit
der Nummer 3,500,218, in dem an Cambell erteilten US-Patent mit
der Nummer 3,526,846, in dem an Sondermeyer erteilten US-Patent
mit der Nummer 3,536,958 und in dem an Stanley erteilten US-Patent
mit der Nummer 3,493,879 beschrieben. Darüber hinaus offenbart das Datenblatt „MS5F4431
Intelligent Power MOSFET Specification" einen MOSFET-Transistor mit einer integrierten
Temperaturschutzschaltung.
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Der
primäre
Vorteil des Implementierens eines V-I-Begrenzers ist die Einfachheit.
Es sind keine zusätzlichen
Stromquellen zur Speisung der Schaltung erforderlich, und die Topologie
der Schaltung ist vergleichsweise einfach. Die Ausgestaltung von V-I-Begrenzern
gibt jedoch üblicherweise
Ausgangsstrom (Ausgangsleistung) her, um die Vorrichtungen unter
den schlechtesten Betriebsbedingungen (worst case) zu schützen, die
im Normalbetrieb nicht sehr häufig
auftreten. V-I-Begrenzer liefern keinen Ausgleich für die tatsächliche
Temperatur der geschützten
Ausgangsvorrichtungen, sondern werden üblicherweise unter der Annahme
konzipiert, dass die Umgebungstemperatur hoch ist. Darüber hinaus
liefern V-I-Begrenzer keinen Ausgleich für die tatsächliche Stromquellenspannung,
sondern werden anstatt dessen üblicherweise
unter der Annahme hoher Stromquellenspannungen konzipiert. Ein derartiges Overdesign
führt zu
gesteigerten Kosten aufgrund der zusätzlichen Ausgangsvorrichtungen
und Anbringungen, die benötigt
werden.
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Aufgrund
der Beschränkungen
der V-I-Begrenzer wurden Schutzschaltungen entwickelt, die die tatsächliche
Temperatur einer Ausgangsvorrichtung simulieren. Diese Schaltungen
sind unter der Bezeichnung Übergangstemperatursimulator
(junction tmperatur simulator JTS) bekannt. Eine JTS-Schutzschaltung
ist in dem an Stanley erteilten US-Patent mit der Nummer 4,330,809 beschrieben und
ist durch Bezugnahme mitaufgenommen.
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JTS-Schaltungen
arbeiten durch Überwachung
des von einer Ausgangsvorrichtung verbrauchten instantanen Stromes
(Leistung) in Abhängigkeit
von der Zeit sowie durch kontinuierliches Berechnen eines Temperaturdifferenzials
zwischen der Ausgangsvorrichtung und der zugehörigen Wärmesenke. Die instantane Wärmesenkentemperatur
wird simultan gemessen, und das Temperaturdifferenzial und die Wärmesenkentemperatur
werden summiert, um die simulierte Echtzeitausgangsvorrichtungstemperatur
zu erhalten.
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JTS-Schutzschaltungen
umfassen üblicherweise
einen Ausgangsbegrenzer, der die simulierte Temperatur der Ausgangsvorrichtung
im Betrieb überwacht.
Wird eine Schwelle für
die simulierte Temperatur erreicht, so wird das Ansteuersignal für die Ausgangsvorrichtung
durch den Ausgangsbegrenzer begrenzt. JTS-Schutzschaltungen maximieren
den Verstärkerausgang,
indem sie den Ausgang nur dann automatisch reduzieren, wenn die
vorgeschriebene maximale Ausgangsvorrichtungstemperatur erreicht
wird.
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Üblicherweise
werden JTS-Schaltungen nur in Verstärkern eingesetzt, die bei mehr
als 200 Watt betrieben werden, was von Randbedingungen herrührt, die
durch das Design der geschützten
Schaltungen und die damit einhergehenden Kosten vorgegeben sind.
Bei traditionellen Designs für
JTS-Schaltungen ist die Simulationsschaltung auf Erde bezogen und
wird von einer geregelten Stromquelle mit Gleichstromschienen von
+/–15
V gespeist. In Verstärkern,
bei denen eine JTS-Schaltung zum Einsatz kommt, sind jedoch üblicherweise
Leistungsstufen mit Schwingschienen (swinging rails) (kein Bezug
auf Erde) implementiert. Daher benötigt ein Mehrkanalverstärker mit
implementierter JTS-Schaltung eine getrennte Stromquelle für jeden
Kanal wie auch eine zusätzliche
geregelte Stromquelle für
die auf Erde bezogene JTS-Schaltung.
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Aufgrund
der Notwendigkeit einer separaten geregelten Stromquelle ist die
Implementierung einer JTS-Schaltung mit Blick auf die Kosten in
einem einfacheren kostengünstigeren
Halbbrückenverstärker nachteilig,
wo die Stromquellenschienen auf Erde bezogen sind und oftmals von
anderen Ausgangsstufen (Kanäle)
mitverwendet werden. Daher greifen kostengünstigere Verstärker, in
denen ein thermischer Schutz zum Einsatz kommt, üblicherweise auf eine V-I-Begrenzerschutzschaltung
zurück.
Wünschenswert
wäre die
Implementierung einer JTS-Schutzschaltung, ohne dass die Kosten
für die
zusätzliche im
Stand der Technik übliche
geregelte Stromquelle auftreten würden, die zusätzliche
Sekundärwindungen
an einem Leistungstransformator notwendig macht.
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Zusammenfassung
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Die
Erfindung stellt eine JTS-Schutzschaltung bereit, die nicht auf
Erde bezogen ist und daher ohne die separate im Stand der Technik übliche geregelte
Stromquelle arbeitet. Eine JTS-Schutzschaltung ist als solches praktisch
und bei kostengünstigen
Hochleistungsverstärkern
kosteneffektiv. Das Herstellen eines Verstärkers, der eine JTS-Schutzschaltung enthält, die
nicht auf Erde bezogen ist, ist teilweise durch den extensiven Gebrauch
automatischer Testgeräte
während
der Herstellung machbar. Automatische Testgeräte arbeiten üblicherweise „ungeerdet" („oft ground"), ohne dass sie
menschliche Bediener einem Risiko aussetzen würden, was ein sicheres und
effektives Testen einer derartigen JTS-Schutzschaltung ermöglicht.
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Die
JTS-Schutzschaltung kann in einem Halbbrückenverstärker zum Einsatz kommen, der eine
Verstärkergleichstromquelle
zum Speisen der Ausgangsstufe und der JTS-Schutzschaltung aufweist. Die JTS-Schutzschaltung
kann einen Stromrichter, einen Temperatursimulator, einen Ausgangsbegrenzer
und eine Vorspannungssteuerung umfassen. Der Stromrichter kann einen
Kondensator, einen Widerstand, eine Zenerdiode und einen handelsüblichen
Spannungsregler enthalten. Der Stromrichter kann mit einer positiven
Stromschiene (+Vcc) und einer negativen Stromschiene (–Vcc) der
Verstärkergleichstromquelle
und darüber
hinaus mit einem verstärkten
Wechselstromausgangssignal der Ausgangsstufe gekoppelt sein. Im
Betrieb kann der Stromrichter eine gere gelte positive Stromschiene (+Vb)
und eine negative Stromschiene (–Vb) bereitstellen, die auf
das verstärkte
Wechselstromausgangssignal der Ausgangsstufe bezogen sind. Die anderen
Komponenten der JTS-Schutzschaltung können auf das verstärkte Wechselstromausgangssignal
bezogen sein und Strom (Leistung) von den geregelten Gleichstromschienen
des Stromrichters erhalten.
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Aufgrund
der Tatsache, dass die JTS-Schutzschaltung auf das verstärkte Wechselstromausgangssignal
der Ausgangsstufe bezogen ist, kann die Größe der Spannung, die den Strom durch
die Ausgangsstufe angibt, vergleichsweise klein sein. Diejenige
Spannung, die den Strom durch die Ausgangsstufe angibt, kann von
der JTS-Schutzschaltung verwendet werden, um Temperaturen innerhalb
der Ausgangsstufe zu simulieren. Da die Größendifferenz der Spannung zwischen
den Ausgangsstufenvorrichtungen und dem verstärkten Wechselstromausgangssignal
vergleichsweise klein ist, ist die Spannung, die den Strom angibt,
ebenfalls vergleichsweise klein. Wäre demgegenüber die JTS-Schutzschaltung
auf Erde bezogen, so wäre
die Größe der Spannung,
die den Strom durch die Ausgangsstufe angibt, erheblich größer, da
hier die Spannung des verstärkten
Wechselstromausgangssignals enthalten wäre. Da die JTS-Schutzschaltung auf
das verstärkte
Wechselstromausgangssignal bezogen ist, wird eine Trennung derjenigen
Spannung, die den Strom angibt, von der sehr viel größeren Spannung
des verstärkten
Wechselstromausgangssignals vermieden.
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Weitere
Systeme, Verfahren, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung
sind oder werden einem Fachmann auf dem einschlägigen Gebiet bei Betrachtung
der nachfolgenden Figuren und der Detailbeschreibung deutlich. Es
ist beabsichtigt, dass all diese zusätzlichen in der Beschreibung
enthaltenen Systeme, Verfahren, Merkmale und Vorteile im Schutzbereich
der Erfindung enthalten und durch die beigefügten Ansprüche geschützt sind.
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Kurzbeschreibung
der Figuren
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Ein
weitergehendes Verständnis
der Erfindung ergibt sich durch Betrachtung der nachfolgenden Figuren.
Die Komponenten in den Figuren sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu
angegeben. Die Betonung liegt vielmehr auf der Darstellung der Prinzipien
der Erfindung. Darüber
hinaus bezeichnen gleiche Bezugszeichen in den Figuren entsprechende
Teile in verschiedenen Ansichten.
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1 ist
ein auf Systemniveau angegebenes Blockdiagramm eines Halbbrückenverstärkers, bei
dem eine thermische Schutzschaltung zum Einsatz kommt, die von einer
Verstärkergleichstromquelle
gespeist wird.
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2 ist
ein Blockdiagramm einer thermischen Schutzschaltung für einen
Verstärker.
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3 ist
eine schematische Darstellung einer thermischen Schutzschaltung
für einen
Verstärker.
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4 ist
eine schematische Darstellung eines Stromrichters für die thermische
Schutzschaltung.
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Detailbeschreibung
der bevorzugten Ausführungsbeispiele
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1 ist
ein auf Systemebene angegebenes Blockdiagramm eines Halbbrückenverstärkers 10.
In 1 ist eine Last 500 gezeigt, die zwischen
dem Halbbrückenverstärker 10 und
Erde eingekoppelt ist. Alternativ kann ein Vollbrückenverstärker auch
derart ausgestaltet sein, dass ein erster Halbbrückenverstärker 10 mit einem
ersten Eingang der Last 500 gekoppelt ist, während ein
zweiter Halbbrückenverstärker 10 mit
einem zweiten Eingang der Last 500 gekoppelt ist. Da die
Halbbrückenverstärker 10 eines derartigen
Halbbrückenverstärkers zueinander ähnlich sind,
wird hier nur ein derartiger Halbbrückenverstärker 10 beschrieben.
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Der
in 1 gezeigte Halbbrückenverstärker 10 empfängt ein
Eingangssignal auf einer Eingangssignalleitung 20 und stellt
ein verstärktes Wechselstromausgangssignal
auf einer Ausgangssignalleitung 30 für die Last 500 bereit.
Die Last 500 ist beispielhalber als Lautsprecher dargestellt.
Die Last 500 kann jedoch eine beliebige elektrische Vorrichtung
sein, die ein verstärktes
Wechselstromausgangssignal benötigt.
Das Eingangssignal auf der Eingangssignalleitung 20 und
das verstärkte
Wechselstromausgangssignal auf der Ausgangssignalleitung 30 können jeweils
auf Erde bezogen sein.
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Der
Halbbrückenverstärker 10 umfasst
eine Verstärkergleichstromquelle 100,
einen Eingangsfehlerverstärker 200,
eine thermische Schutzschaltung 300 und eine Ausgangsstufe 400.
Die Verstärkergleichstromquelle 100 kann
eine beliebige herkömmliche
Gleichstromquelle sein, die in der Lage ist, Gleichstromschienen
bereitzustellen, die auf Erde bezogen sind. Die dargestellte Verstärkergleichstromquelle 100 umfasst
eine erste Verstärkerstromquelle 110 und
eine zweite Verstärkerstromquelle 120.
Die erste Verstärkerstromquelle 110 kann
eine +Vcc-Stromschiene 112 für die Ausgangsstufe 400 des
Verstärkers 10 umfassen.
Die zweite Verstärkerstromquelle 120 kann
eine –Vcc-Stromschiene 122 für die Ausgangsstufe 400 des
Verstärkers 10 umfassen.
Sowohl die +Vcc-Stromschiene 112 wie auch die –Vcc-Stromschiene 122 können auf
Erde bezogen sein.
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Der
Eingangsfehlerverstärker 200 kann
eine beliebige Schaltung oder Vorrichtung zum Empfangen eines Eingangssignals
und eines Ausgangsrückkopplungssignals
und zum hieraus erfolgenden Erzeugen eines ersten und eines zweiten
Ansteuersignals zum Ansteuern der Ausgangsstufe 400 sein. Das
Eingangssignal für
den Eingangsfehlerverstärker 200 kann
das erste Eingangssignal auf der Eingangssignalleitung 20 sein,
während
das Ausgangsrückkopplungssignal
das verstärkte
Wechselstromausgangssignal auf der Ausgangssignalleitung 30 sein
kann. Der Eingangsfehlerverstärker 200 kann die
Differenz zwischen dem Eingangssignal auf der Eingangssignalleitung 20 und
dem verstärkten Wechselstromausgangssignal
auf der Ausgangssignalleitung 30 bestimmen. Diese Differenz
kann verstärkt
und von dem Eingangsfehlerverstärker 200 umgewandelt
werden, was zu einer verstärkten
Differenz führt,
die ein erstes Ansteuersignal +Drv auf der Signalleitung 40 und
ein zweites Ansteuersignal –Drv auf
der Signalleitung 50 darstellt. Das erste Ansteuersignal
+Drv und das zweite Ansteuersignal –Drv können die Ausgangsstufe 400 derart
ansteuern, dass der Fehler zwischen dem Eingangssignal auf der Eingangssignalleitung 20 und
dem verstärkten Wechselstromausgangssignal
auf der Ausgangssignalleitung 30 gesenkt wird.
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Die
Ausgangsstufe 400 kann ein Linear- oder Schaltverstärker von
Klasse A, Klasse B, Klasse AB, Klasse H, Klasse G oder einem beliebigen
anderen Typ sein. Darüber
hinaus kann die Ausgangsstufe 400 unter Verwendung einer
herkömmlichen
Verstärkerausgangstopologie,
so beispielsweise quasikomplementär, vollkomplementär oder auf ähnliche
Weise, konstruiert werden. Für
jede dieser Topologien kann die Ausgangsstufe 400 eine
Vielfalt von Stufen und Ausgangsvorrichtungen enthalten.
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Die
dargestellte Ausgangsstufe 400 umfasst eine erste Ausgangsstufe 410,
eine zweite Ausgangsstufe 420, einen ersten Stromerfassungswiderstand 412 und
einen zweiten Stromerfassungswiderstand 422. Die erste
Ausgangsstufe 410 kann einen positiven Teil des verstärkten Wechselstromausgangssignals
auf einer Ausgangssignalleitung 30 be reitstellen. Die zweite
Ausgangsstufe 420 kann einen negativen Teil des verstärkten Wechselstromausgangssignals
auf einer Ausgangssignalleitung 30 bereitstellen.
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Die
erste Ausgangsstufe 410 kann einen oder mehrere Stromverarbeitungsausgangsvorrichtungen
enthalten, so beispielsweise Halbleiter, die an einer oder mehreren
Wärmesenken
angebracht sind. Die zweite Ausgangsstufe 420 kann auf ähnliche Weise
eine oder mehrere Ausgangsvorrichtungen enthalten. Die Stromverarbeitungsausgangsvorrichtungen
können
beliebige Vorrichtungen sein, die in der Lage sind, ein Hochfrequenzschalten
einer Hochspannung und/oder eines Hochstromes vorzunehmen, so beispielsweise
eine Kombination aus bipolaren Flächentransistoren Qunction transistors)
(NPN oder PNP), Metalloxidhalbleiterfeldeffekttransistoren (MOSFETs)
oder beliebige andere Arten von Halbleitern.
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Stromsignale
(Leistungssignale), die den instantanen Strom (Leistung) darstellen,
der von der ersten Ausgangsstufe 410 und der zweiten Ausgangsstufe 420 verbraucht
wird, können
von der thermischen Schutzschaltung 300 verwendet werden. Der
instantane Strom, der von der ersten Ausgangsstufe 410 oder
der zweiten Ausgangsstufe 420 verbraucht wird, kann durch
Multiplizieren eines Spannungswertes an einer der Ausgangsstufen 410 oder 420 mit
dem Stromwert an der jeweiligen Ausgangsstufe 410 oder 420 bestimmt
werden. Die Spannung an jeder der beiden Ausgangsstufen 410 oder 420 kann
durch Subtrahieren eines Spannungswertes des verstärkten Wechselstromausgangssignals
der Ausgangsstufe 400 von der Spannung der Stromschiene
(+Vcc 112 beziehungsweise –Vcc 122) bestimmt
werden, wodurch der Strom der jeweiligen Ausgangsstufe 410 oder 420 bereitgestellt
wird.
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Der
instantane Strom kann durch Messen des Ausgangsstromes der ersten
Ausgangsstufe 410 und der zweiten Ausgangsstufe 420 bestimmt
werden. Eine Schaltung zum Erzeugen eines Stromerfassungssignals,
das den Wert des Stromes durch eine der Ausgangsstufen 410 oder 420 darstellt,
umfasst einen Stromerfassungswiderstand, der in Reihe mit dem Ausgang
der jeweiligen Ausgangsstufen 410 oder 420 verbunden
ist. Der Spannungsabfall an dem Widerstand kann das Stromerfassungssignal
tiefern. Wie in 1 gezeigt ist, kann der erste
Stromerfassungswiderstand 412 ein erstes Spannungssignal auf
einer ersten Stromerfassungssignalleitung 414 erzeugen,
das einen Wert des Stromes durch die erste Ausgangsstufe 410 darstellt.
Auf ähnliche
Weise kann der zweite Stromerfassungswiderstand 422 ein zweites
Spannungssignal für
die zweite Ausgangsstufe 420 auf der zweiten Stromerfassungssignalleitung 424 erzeugen.
Ein beliebiger Mechanismus zum Erzeugen eines Wertes, der einen
Strom durch die Ausgangsstufen 410 und 420 darstellt,
so beispielsweise ein GMR-Sensor (giant magneto resisitive GMR),
kann verwendet werden, um die Stromerfassungssignale auf der ersten
Stromerfassungssignalleitung 414 und der zweiten Stromerfassungssignalleitung 424 zu
erzeugen.
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Das
erste Spannungssignal und das zweite Spannungssignal auf der ersten
Stromerfassungssignalleitung 414 und der zweiten Stromerfassungssignalleitung 424 sind
auf das verstärkte
Wechselstromausgangssignal auf der Ausgangssignalleitung 30 bezogen.
Daher kann die Größe des ersten
Spannungssignals und des zweiten Spannungssignals vergleichsweise
klein sein, da die Spannungen zwischen den Ausgängen der ersten Ausgangsstufe 410 und
der zweiten Ausgangsstufe 420 und das verstärkte Wechselstromausgangssignal
auf der Ausgangssignalleitung 30 vergleichsweise klein
sind.
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Werden
das erste Spannungssignal und das zweite Spannungssignal anstatt
dessen auf Erde bezogen, wie dies im Stand der Technik der Fall
ist, so wären
die Größen des
ersten Spannungssignals und des zweiten Spannungssignals erheblich
größer. Dies
rührt daher,
dass das erste Spannungssignal und das zweite Spannungssignal die
Spannung des verstärkten
Wechselstromausgangssignals auf der Ausgangssignalleitung 30 enthalten
würden.
Bei einer derartigen Anordnung könnten
hochgenaue Komponenten verwendet werden, die zu einem „Abtrennen" („Separating
out") der an den
Widerständen 412 und 422 abfallenden
Spannungen von dem sehr großen
ersten und zweiten Spannungssignal in der Lage sind. Diese kleine
Spannungen können
beispielsweise jeweils kleiner als 1 V sein, während das verstärkte Wechselstromausgangssignal
bei über 100
V liegen kann.
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Die
thermische Schutzschaltung 300 ist daher auf das verstärkte Wechselstromausgangssignal auf
der Ausgangssignalleitung 30 bezogen, um das „Abtrennen" („Separating
out") der kleinen
Spannungen an den Widerständen 412 und 422 zu
fördern. Die
dargestellte thermische Schutzschaltung 300 enthält eine
Schutzschaltung 301 und einen Stromrichter 600.
Der Strom für
die thermische Schutzschaltung 300 kann von einer Verstärkergleichstromquelle 100 bereitgestellt
werden. Insbesondere kann der Stromrichter 600 einen Strom
von der +Vcc-Stromschiene 112 und der –Vcc-Stromschiene 120 aufnehmen
und eine geregelte +Vb-Stromschiene 630 und eine geregelte –Vb-Stromschiene 640 für die Stromschutzschaltung 301 bereitstellen.
Darüber hinaus
kann die Schutzschaltung 301 den Strom direkt von der +Vcc-Stromschiene 112 und
der –Vcc-Stromschiene 122 aufnehmen.
Die Eingänge der
thermischen Schutzschaltung 300 können ebenfalls das verstärkte Wechselstromausgangssignal auf
der Ausgangssignalleitung 30 sowie das erste Spannungssignal
und das zweite Spannungssignal auf der ersten Stromerfassungssignalleitung 414 und der
zweiten Stromerfassungssignalleitung 424 enthalten.
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Im
Betrieb kann die thermische Schutzschaltung 300 die Temperatur
einer oder mehrerer Stromverarbeitungsausgangsvorrichtungen der
ersten Ausgangsstufe 410 und/oder der zweiten Ausgangsstufe 420 simulieren.
Zum Schutz der Stromverarbeitungsausgangsvorrichtungen der Ausgangsstufe 400 vor Überhitzung
kann die thermische Schutzschaltung 300 das erste Ansteuersignal
+Drv auf der Signalleitung 40 und das zweite Ansteuersignal –Drv auf
der Signalleitung 50 begrenzen, wenn die simulierte Temperatur über eine
Schwelle steigt.
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2 ist
ein Blockdiagramm der thermischen Schutzschaltung 300,
die in 1 dargestellt ist. Die thermische Schutzschaltung 300 umfasst eine
Schutzschaltung 301 und einen Stromrichter 600.
Die Schutzschaltung 301 umfasst einen Temperatursensor 340,
einen ersten Temperatursimulator 302, einen zweiten Temperatursimulator 304,
einen ersten Ausgangsbegrenzer 370, einen zweiten Ausgangsbegrenzer 380 und
eine Vorspannungssteuerung 390.
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Der
Temperatursensor 340 kann eine beliebige Schaltung oder
Vorrichtung sein, die in der Lage ist, die aktuelle Temperatur beziehungsweise
die aktuellen Temperaturen wenigstens einer Wärmesenke in der Ausgangsstufe 400 zur
erfassen und ein Signal bereitzustellen, das die erfasste Temperatur
beziehungsweise die erfassten Temperaturen darstellt. Der erste
Temperatursimulator 302 und der zweite Temperatursimulator 304 der
thermischen Schutzschaltung 300 können jeweils eine Schaltung
oder eine Vorrichtung sein, die in der Lage ist, simulierte Temperaturen
einer oder mehrerer Stromverarbeitungsausgangsvorrichtungen zu erzeugen.
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Der
erste Ausgangsbegrenzer 370 und der zweite Ausgangsbegrenzer 380 können jeweils
eine Schaltung oder Vorrichtung sein, die auf Basis eines empfangenen
Temperatursignals einen Teil des Ansteuerstromes von der Ausgangsstufe 400 (1) wegleiten
kann. Die Vorspannungssteuerung 390 kann eine beliebige
Schaltung oder Vorrichtung zum Empfangen eines Temperatursignals
und zum Bereitstellen eines Vorspannungssignals sein.
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3 ist
ein Schaltschema für
die in 1 dargestellte thermische Schutzschaltung 300.
Die thermische Schutzschaltung 300 umfasst eine Schutzschaltung 301 und
einen Stromrichter 600. Die Schutzschaltung 301 umfasst
einen Temperatursensor 340, einen ersten Temperatursimulator 302, einen
zweiten Temperatursimulator 304, einen ersten Ausgangsbegrenzer 370,
einen zweiten Ausgangsbegrenzer 380 und eine Vorspannungssteuerung 390.
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Der
dargestellte Temperatursensor 340 umfasst wenigstens eine
Temperaturerfassungsvorrichtung 341, einen ersten Widerstand 342,
einen zweiten Widerstand 343, einen dritten Widerstand 344 und
einen vierten Widerstand 345. Der in 3 gezeigte
Temperatursensor 340 umfasst eine einzelne Temperaturerfassungsvorrichtung 341.
Gleichwohl kann der Temperatursensor 340 zusätzliche
Temperaturerfassungsvorrichtungen enthalten. Mehr als eine Temperaturerfassungsvorrichtung 341 kann
umfasst sein, wobei der erwartete Stromverbrauch der ersten Ausgangsstufe 410 merklich
von dem erwarteten Stromverbrauch der zweiten Ausgangsstufe 420 abweicht.
Wird nur eine Temperaturerfassungsvorrichtung 341 verwendet,
so kann die Wärmesenke der
Ausgangsstufe 400 auf eine Weise konfiguriert sein, dass
die Temperatur der ersten Ausgangsstufe 410 und der zweiten
Ausgangsstufe 420 angeglichen werden. Alternativ kann die
Temperaturerfassungsvorrichtung 341 an dem heißesten Teil
der Wärmesenke
beziehungsweise der Wärmesenken
angeordnet sein.
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Die
Temperaturerfassungsvorrichtung 341 kann eine beliebige
Schaltung oder Vorrichtung sein, die in der Lage ist, ein Wärmesenkentemperatursignal
bereitzustellen, das eine Funktion der erfassten Temperatur ist.
So kann die Temperaturerfassungsvorrichtung 341 beispielsweise
ein Thermistor, ein temperaturempfindlicher Transistor, ein Thermokoppler,
eine temperaturempfindliche integrierte Schaltung oder eine beliebige
andere Art von Vorrichtung sein, die in der Lage ist, ein Signal
bereitzustellen, das die erfasste Temperatur darstellt. Die dargestellte
Temperaturerfassungsvorrichtung 341 kann eine temperaturempfindliche
integrierte Schaltung sein, so beispielsweise die Schaltung LM35DT,
die von National Semiconductor hergestellt wird. Um Strom aufzunehmen,
kann die Temperaturerfassungsvorrichtung 341 zwischen der
geregelten +Vb-Stromschiene 630 (einem positiven Ausgang des
Stromrichters 600) und dem verstärkten Wechselstromausgangssignal
auf der Ausgangssignalleitung 30 eingekoppelt sein. Die
Temperaturerfassungsvorrichtung 341 kann ein Temperaturausgangssignal
erzeugen, das sich als Funktion der Temperatur der Wärmesenke,
an der sie angebracht ist, ändert.
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Die
Widerstände 342 und 345 können die temperaturabhängigen Ströme zu einem
ersten einer virtuellen Erde zugedachten Summierknoten 346 beziehungsweise
einem zweiten einer virtuellen Erde zugedachten Summierknoten 347 summieren.
Der erste einer virtuellen Erde zugedachte Summierknoten 346 und
der zweite einer virtuellen Erde zugedachte Summierknoten 347 können Temperaturausgangssignale
aus dem Temperatursensor 340 empfangen. Feste Ströme aus den
Widerständen 343 und 344 können gewünschte Temperatursignaloffsets
für die
Temperatursimulatoren 302 beziehungsweise 304 bereitstellen.
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Der
erste Temperatursimulator 302 und der zweite Temperatursimulator 304 können jeweils
simulierte Temperaturen für
eine oder mehrere Stromverarbeitungsausgangsvorrichtungen erzeugen.
Der erste Temperatursimulator 302 oder der zweite Temperatursimulator 304 können beispielsweise
jeweils ein Digitalcomputer oder ein Analogcomputer sein. Der erste
Temperatursimulator 302 und der zweite Temperatursimulator 304 können ein oder
mehrere Signale empfangen, aus denen die instantane Leistung, die
von der ersten Ausgangsstufe 410 oder der zweiten Ausgangsstufe 420 verbraucht wird,
berechnet werden kann. Darüber
hinaus kann das Wärmesenkentemperatursignal
von dem Temperatursensor 340 von dem ersten Temperatursimulator 302 und
dem zweiten Temperatursimulator 304 empfangen werden. Auf
Basis der empfangenen Signale können
der erste Temperatursimulator 302 und der zweite Temperatursimulator 304 eine
Einrichtung zum Erzeugen der erzeugten Temperatursignale darstellen,
die eine simulierte Temperatur einer oder mehrerer Stromverarbeitungsausgangsvorrichtungen
der ersten Ausgangsstufe 410 beziehungsweise der zweiten
Ausgangsstufe 420 darstellen.
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Der
in 3 gezeigte erste Temperatursimulator 302 enthält einen
ersten Multiplizierer 320 und eine erste Simulationsschaltung 330.
Der zweite Temperatursimulator 304 kann auf ähnliche
Weise einen zweiten Multiplizierer 350 und eine zweite
Simulationsschaltung 360 enthalten. Der erste Multiplizierer 320 und
der zweite Multiplizierer 350 können eine erste Eingangsspannung
mit einer zweiten Eingangsspannung multiplizieren und auf diese
Weise einen Ausgangsstrom bereitstellen, der das Produkt darstellt.
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Der
erste Multiplizierer 320 kann eine beliebige Schaltung
oder Vorrichtung sein, die in der Lage ist, ein Stromsignal zu erzeugen,
das einen instantanen Strom darstellt, der von der ersten Ausgangsstufe 410 verbraucht
wird, und zwar auf Basis der Spannung an der ersten Stufe 410 und
des Stromes durch die erste Stufe 410. Wie vorstehend bereits
erläutert worden
ist, kann die Spannung an der ersten Stufe 410 die Spannungsdifferenz zwischen
der Spannung des verstärkten
Wechselstromausgangssignals auf einer Ausgangssignalleitung 30 und
einer Spannung der +Vcc-Stromschiene 112 sein. Das Stromerfassungssignal,
das den instantanen Strom durch die erste Ausgangsstufe 410 angibt,
kann das erste Spannungssignal auf der ersten Stromerfassungssignalleitung 414 sein.
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Auf ähnliche
Weise kann der zweite Multiplizierer 330 eine beliebige
Schaltung oder Vorrichtung sein, die in der Lage ist, ein Stromsignal
zu erzeugen, das einen instantanen Strom angibt, der von der zweiten
Ausgangsstufe 420 verbraucht wird, und zwar auf der Basis
eines instantanen Spannungssignals und eines Stromerfassungssignals.
Der zweite Multiplizierer 350 kann auf gleiche Weise wie
der erste Multiplizierer 320 arbeiten.
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Wie
in 3 gezeigt ist, kann der erste Multiplizierer 320 ein
Zweiquadrantentranskonduktanzmultiplizierer sein. Der erste Multiplizierer 320 umfasst
ein abgeglichenes Paar bipolarer Flächentransistoren 321,
einen ersten Widerstand 322, einen zweiten Widerstand 323,
einen dritten Widerstand 324 und ein Potenziometer 325.
Das abgeglichene Paar bipolarer Flächentransistoren 321 umfasst
einen ersten Transistor 327 und einen zweiten Transistor 326.
Der erste Multiplizierer 320 kann mit Spannungen bei oder
oberhalb des verstärkten
Wechselstromausgangssignals auf der Ausgangssignalleitung 30 arbeiten.
Entsprechend können
der erste Transistor 327 und der zweite Transistor 326 PNP-Transistoren
sein.
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Der
erste Transistor 322 kann zwischen der +Vcc-Stromschiene 112 und
den gemeinsam angeschlossenen Emittern des ersten Transistors 327 und des
zweiten Transistors 326 eingekoppelt sein. Der erste Widerstand 322 kann
einen Strom für
den ersten Transistor 327 und den zweiten Transistor 326 bereitstellen,
der proportional zu derjenigen Spannung ist, die an der ersten Stromstufe 410 anliegt.
Im Betrieb kann der Widerstand 323 zwischen der ersten
Stromerfassungssignalleitung 414 und der Basis des ersten
Transistors 327 eingekoppelt sein. Der zweite Widerstand 323 kann
einen Strom erzeugen, um den ersten Transistor 327 proportional
zur Spannung des ersten Stromerfassungssignals auf der ersten Stromerfassungssignalleitung 414 anzusteuern.
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Der
dritte Widerstand 324 kann zwischen der Basis des ersten
Transistors 327 und der Ausgangssignalleitung 30 eingekoppelt
sein. Die Widerstände 323 und 324 können das
abgeglichene Paar 321 mit einer Vorspannung beaufschlagen.
Die Basis des zweiten Transistors 326 kann mit der Ausgangssignalleitung 30 gekoppelt
sein. Dies bezieht Multiplizierer 320 auf das verstärkte Wechselstromausgangssignal
auf der Ausgangs signalleitung 30. Mit anderen Worten, der
Multiplizierer 320 nimmt ein „Floating" mit dem verstärkten Wechselstromausgangssignal auf
der Ausgangssignalleitung 30 vor. Der von dem ersten Multiplizierer 320 erzeugte
Ausgang kann eine Summe von Kollektorströmen des ersten Transistors 327 und
des zweiten Transistors 326 sein. Der von dem ersten Multiplizierer 320 erzeugte
Ausgang kann ein erstes Stromsignal sein, das auf das verstärkte Wechselstromausgangssignal
auf der Ausgangssignalleitung 30 bezogen ist. Das erste
Stromsignal kann einen instantanen Strom darstellen, der von der
ersten Ausgangsstufe 410 verbraucht wird.
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Der
zweite Multiplizierer 350 kann ebenfalls ein Zweiquadrantentranskonduktanzmultiplizierer sein.
Der zweite Multiplizierer 350 umfasst ein abgeglichenes
Paar bipolarer Flächentransistoren 351,
einen ersten Widerstand 352, einen zweiten Widerstand 353,
einen dritten Widerstand 354 und ein Potenziometer 355.
Das abgeglichene Paar bipolarer Flächentransistoren 351 umfasst
einen ersten Transistor 357 und einen zweiten Transistor 356.
Der zweite Multiplizierer 350 kann mit Spannungen bei oder
unterhalb des verstärkten
Ausgangswechselstromsignals auf der Ausgangssignalleitung 30 arbeiten.
Entsprechend können
der erste Transistor 357 und der zweite Transistor 356 NPN-Transistoren sein.
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Der
zweite Multiplizierer 350 kann auf dieselbe Weise wie der
erste Multiplizierer 320 arbeiten. Der zweite Multiplizierer 350 kann
jedoch mit der –Vcc-Stromschiene 122 und
der zweiten Stromerfassungssignalleitung 424 gekoppelt
sein. Entsprechend kann der von dem zweiten Multiplizierer 350 erzeugte
Ausgang ein zweites Stromsignal sein, das einen instantanen Strom
darstellt, der von der zweiten Ausgangsstufe 420 verbraucht
wird.
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Die
abgeglichenen Paare 321 und 351 können in
wechselseitigem Zusammenspiel arbeiten, sie können jedoch nicht perfekt aufeinander
abgeglichen sein. Für
einen ausgewogenen Betrieb können
Standardpotenziometer 325 und 355 in dem ersten
Multiplizierer 320 beziehungsweise dem zweiten Multiplizierer 350 enthalten
sein, um die Basis-zu-Basis-Offsetspannung
zwischen dem ersten Transistor 327 und dem zweiten Transistor 326 des
abgeglichenen Paares 321 und dem ersten Transistor 357 und
dem zweiten Transistor 356 des abgeglichenen Paares 351 zu
trimmen.
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Die
erste Simulationsschaltung 330 kann ein erstes simuliertes
Temperatursignal erzeugen, das eine Funktion des ersten Stromsignals
ist, das von dem Multiplizierer 320 er zeugt wird, und des
ersten Temperatursignals, das von dem Temperatursensor 340 erzeugt
wird. Auf ähnliche
Weise kann die zweite Simulationsschaltung 360 ein zweites
simuliertes Temperatursignal erzeugen, das eine Funktion des zweiten
Stromsignals ist, das von dem Multiplizierer 350 erzeugt
wird, und des zweiten Temperatursignals, das von dem Temperatursensor 340 erzeugt wird.
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Die
erste Simulationsschaltung 330 und die zweite Simulationsschaltung 360 können eine
beliebige Schaltung oder Vorrichtung sein, die in der Lage ist,
die thermische Impedanz einer oder mehrerer Stromverarbeitungsausgangsvorrichtungen
der Ausgangsstufe 400 zu modellieren. Die erste Simulationsschaltung 330 umfasst
einen ersten Operationsverstärker 331,
einen zweiten Operationsverstärker 332,
einen ersten Widerstand 333, einen zweiten Widerstand 334 und
ein Rückkopplungsnetzwerk 335. Der
erste Operationsverstärker 331 kann
ein Operationsverstärker
mit hoher Verstärkung
sein. Die nicht-invertierenden Eingänge des ersten Operationsverstärkers 331 und
des zweiten Operationsverstärkers 332 können mit
der Ausgangssignalleitung 30 gekoppelt sein. Alle Eingänge und
Ausgänge
der ersten Simulationsschaltung 330 können als solche auf das verstärkte Wechselstromausgangssignal
auf der Ausgangssignalleitung 30 bezogen sein. Mit anderen
Worten erfolgt bei der ersten Simulationsschaltung 330 ein „Floating" mit dem verstärkten Wechselstromausgangssignal
auf der Ausgangssignalleitung 30.
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Der
erste Widerstand 333 und der zweite Widerstand 334 können abgeglichen
sein und ein Widerstandsnetzwerk mit einem ersten Anschlusspunkt 336,
einem zweiten Anschlusspunkt 337 und einem gemeinsamen
Knoten 338 bilden. Der erste Anschlusspunkt 336 kann
mit dem Kollektor des zweiten Transistors 326 des Multiplizierers 320,
mit dem ersten einer virtuellen Erde zugedachten Summierknoten 346 und
mit dem invertierenden Eingang des ersten Operationsverstärkers 331 gekoppelt
sein. Der zweite Anschlusspunkt 337 kann mit dem Kollektor des
ersten Transistors 327 des Multiplizierers 320 und
mit dem invertierenden Eingang des zweiten Operationsverstärkers 332 gekoppelt
sein. Der gemeinsame Knoten 338 kann mit dem Ausgang des ersten
Operationsverstärker 331 gekoppelt
sein. Der erste Operationsverstärker 331 und
das Widerstandsnetzwerk können
als Stromspiegler arbeiten, um einen kombinierten Ausgangsstrom
zu erzeugen.
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Das
Rückkopplungsnetzwerk 335 kann RC-Netzwerke
(Widerstand-Kondensator), RL-Netzwerke
(Widerstand-Spule) und/oder RLC-Netzwerke (Widerstand-Spule-Kondensator)
enthalten, um die thermische Induktanz einer oder mehrerer Stromverarbeitungs ausgangsvorrichtungen
der ersten Ausgangsstufe 410 zu modellieren. Das Rückkopplungsnetzwerk 335 ist
als RC-Netzwerk (Widerstand-Kondensator) dritter Ordnung dargestellt.
Das Rückkopplungsnetzwerk 335 kann
von beliebiger Ordnung sein, wobei jedoch eine genauere Simulation
durch den Einsatz eines Netzwerkes höherer Ordnung erreicht werden
kann.
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Das
Rückkopplungsnetzwerk 335 kann
zwischen dem Ausgang und dem invertierenden Eingang des zweiten
Operationsverstärkers 332 eingekoppelt
sein. Der zweite Operationsverstärker 332 und
das Rückkopplungsnetzwerk 335 können den kombinierten
Ausgangsstrom aus dem Stromspiegler in ein erstes Temperatursignal
auf der ersten Temperatursignalleitung 306 umwandeln. Das
erste Temperatursignal kann die Temperatur einer oder mehrerer Stromverarbeitungsausgangsvorrichtungen
der ersten Ausgangsstufe 410 darstellen.
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Ähnlich zu
der ersten Simulationsschaltung 330 umfasst die zweite
Simulationsschaltung 360 einen ersten Operationsverstärker 361,
einen zweiten Operationsverstärker 362,
einen ersten Widerstand 363, einen zweiten Widerstand 364 und
ein Rückkopplungsnetzwerk 365.
Genau wie bei der ersten Simulationsschaltung 330 erfolgt
bei der zweiten Simulationsschaltung 360 ein „Floating" mit dem verstärkten Wechselstromausgangssignal
auf der Ausgangssignalleitung 30.
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Die
zweite Simulationsschaltung 360 kann auf dieselbe Weise
wie die erste Simulationsschaltung 330 arbeiten, dies jedoch
mit der Ausnahme, dass die zweite Simulationsschaltung 360 mit
dem zweiten Multiplizierer 350 und nicht mit dem ersten Multiplizierer 320 gekoppelt
sein kann. Darüber
hinaus kann die zweite Simulationsschaltung 360 mit dem
zweiten einer virtuellen Erde zugedachten Summierknoten 347 und
nicht mit dem ersten einer virtuellen Erde zugedachten Summierknoten 346 gekoppelt
sein. Entsprechend kann der von der zweiten Simulationsschaltung 360 erzeugte
Ausgang ein zweites Temperatursignal auf der zweiten Temperatursignalleitung 308 sein,
die die Temperatur einer oder mehrerer Stromverarbeitungsausgangsvorrichtungen
der zweiten Ausgangsstufe 420 und nicht der ersten Ausgangsstufe 410 darstellt.
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Der
erste Ausgangsbegrenzer 370 und der zweite Ausgangsbegrenzer 380 können jeweils
einen Teil des Ansteuerstromes von der Ausgangsstufe 400 auf
Basis eines empfangenen Temperatursignals wegleiten. Die wegleitenden
Komponenten des ersten Ausgangsbegrenzers 370 und des zweiten
Ausgangsbegrenzers 380 können beispiels weise mechanisch
angesteuerte Potenziometer oder Rheostats (Regelwiderstände), bipolare
Flächentransistoren,
MOSFETs oder Triacs sein. Entsprechend können der erste Ausgangsbegrenzer 370 und
der zweite Ausgangsbegrenzer 380 eine Einrichtung zum Begrenzen
des Stromes sein, der von der Stromverarbeitungsausgangsvorrichtung
beziehungsweise den Stromverarbeitungsausgangsvorrichtungen der
Ausgangsstufe 400 verbraucht wird.
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Wie
in 3 gezeigt ist, umfasst der erste Ausgangsbegrenzer 370 eine
erste Diode 371, einen Widerstand 372, einen Widerstand 373,
eine zweite Diode 374 und einen zweiten Widerstand 375.
Die Anode der ersten Diode 371 kann mit der Signalleitung 40 gekoppelt
sein. Die Kathode der ersten Diode 371 kann mit dem Kollektor
des Transistors 373 gekoppelt sein. Der Emitter des Transistors 373 kann mit
der Ausgangssignalleitung 30 gekoppelt sein. Die Basis
des Transistors 373 kann mit der Kathode der Diode 374,
mit dem ersten Widerstand 372 und dem zweiten Widerstand 375 gekoppelt
sein. Die Anode der zweiten Diode 374 kann mit der Ausgangssignalleitung 30 gekoppelt
sein. Der erste Widerstand 372 kann auch mit der geregelten –Vb-Stromschiene 640, dem
negativen Ausgang des Stromrichters 600 gekoppelt sein.
Der zweite Widerstand 375 kann mit der ersten Temperatursignalleitung 306 gekoppelt
sein, die von dem Temperatursimulator 320 herkommt.
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Der
erste Widerstand 372 und der zweite Widerstand 375 sowie
die zweite Diode 374 können
als Spannungsoffset- und Dämpfungsnetzwerk
arbeiten, um die Spannungsdynamik des ersten Temperatursignals auf
der ersten Temperatursignalleitung 306 zu erhöhen. Dies
kann ein Maßschneidern
der maximalen Spannung des ersten Temperatursignals aus dem Temperatursimulator 302 ermöglichen,
um die dargestellte thermische Spannung zu erhöhen. Die erste Diode 371 kann
verhindern, dass Strom durch den Widerstand 373 in Umkehrrichtung
fließt.
Steigt das erste Temperatursignal aus dem Temperatursimulator 302 über eine
Schwellentemperatur, so kann der Transistor 373 aktiviert
werden. Die Schwellentemperatur kann eine Temperatur sein, über der
die Stromverarbeitungsausgangsvorrichtung, die gerade modelliert
wird, einen thermischen Durchschlag erfährt. Ist der Transistor 373 aktiviert,
so wird ein Teil des Stromes des ersten Ansteuersignals +Drv auf der
Signalleitung 40 von der ersten Ausgangsstufe 410 weggeleitet.
Dieses Wegleiten kann den Strom begrenzen, der von der ersten Ausgangsstufe 410 verbraucht
wird.
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Ähnlich zu
dem ersten Ausgangsbegrenzer 370 umfasst der zweite Ausgangsbegrenzer 380 eine erste
Diode 381, einen ersten Widerstand 382, einen Transistor 383,
eine zweite Diode 384 und einen zweiten Widerstand 385.
Der zweite Ausgangsbegrenzer 370 kann auf ähnliche
Weise wie der erste Ausgangsbegrenzer 370 arbeiten. Ein
Eingang des zweiten Ausgangsbegrenzers 380 kann das zweite Temperatursignal
auf der zweiten Temperatursignalleitung 308 aus dem zweiten
Temperatursimulator 304 sein. Im Betrieb kann der zweite
Ausgangsbegrenzer 380 einen Teil des Stromes des zweiten
Ansteuersignals –Drv
auf der Signalleitung 50 von der zweiten Ausgangsstufe 420 wegleiten.
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Während des
Betriebes können,
wenn die Stromverarbeitungsausgangsvorrichtungen der Ausgangsstufe 400 Strom
verbrauchen, diese wärmer und
daher stärker
leitfähig
werden. Werden sie stärker
leitfähig,
so können
die Stromverarbeitungsausgangsvorrichtungen der Ausgangsstufe 400 kleinere Ansteuersignale
+Drv und –Drv
auf den Signalleitungen 40 und 50 benötigen, um
den Fluss des Ruhestromes unter Ruhebedingungen aufrechtzuerhalten. Die
Ruhebedingungen können
vorliegen, wenn kein Eingangssignal auf der Eingangssignalleitung 20 vorhanden
ist, während
der Halbbrückenverstärker in Betrieb
ist.
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Werden
die Ansteuersignale +Drv und –Drv auf
den Signalleitungen 40 und 50 konstant gehalten, wenn
kein Signal auf der Eingangssignalleitung 20 vorhanden
ist, so kann der Ruhestrom durch die Ausgangsstufe 400 ansteigen.
Steigt der Ruhestrom durch die Ausgangsstufe 400 an, so
können
die Stromverarbeitungsausgangsvorrichtungen der Ausgangsstufe 400 mehr
Strom verbrauchen und noch wärmer
werden. Auf diese Weise können
der Ruhestrom durch die Ausgangsstufe 400 und die Temperatur
der Stromverarbeitungsausgangsvorrichtungen weiter zunehmen, wenn
kein Signal oder ein vergleichsweise kleines Signal auf der Eingangssignalleitung 20 vorhanden
ist.
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Die
Vorspannungssteuerung 390 kann die Ausgangsstufe 400 (1)
mit einem Vorspannungssignal beaufschlagen. Das Vorspannungssignal
kann auf dem ersten Temperatursignal basieren, das von dem ersten
Temperatursimulator 302 bereitgestellt wird. Im Betrieb
kann das Vorspannungssignal das erste Ansteuersignal +Drv und das
zweite Ansteuersignal –Drv
auf den Signalleitungen 40 und 50 mit einer Vorspannung
beaufschlagen. Dieses Beaufschlagen mit einer Vorspannung kann die
Ansteuersignale +Drv und –Drv
auf den Signalleitungen 40 und 50 dynamisch einstellen,
um so einen im Wesentlichen konstanten Ruhestrom durch die Ausgangsspannung 400 aufrechtzuerhalten.
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Ein
im Wesentlichen konstanter Ruhestrom minimiert das Rauschen in dem
verstärkten
Wechselstromausgangssignal und die Wärme in der Ausgangsstufe 400.
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Wie
in 3 gezeigt ist, stellt die Vorspannungssteuerung 390 eine
Einrichtung zum Vorspannungsbeaufschlagen der Ausgangsstufe 400 dar,
die einen ersten Transistor 391, einen zweiten Transistor 399,
einen ersten Widerstand 392, einen zweiten Widerstand 393,
einen dritten Widerstand 394, einen vierten Widerstand 395,
einen Kondensator 396, einen ersten Widerstand 397 und
einen Rheostat (Regelwiderstand) 398 umfasst. Der erste
Transistor 391 und der zweite Transistor 399 können ein
abgeglichenes Paar von Transistoren sein, so beispielsweise bipolare
Flächentransistoren.
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Der
erste Widerstand 392 kann zwischen der geregelten +Vb-Stromschiene 630 und
dem Emitter des ersten Transistors 391 eingekoppelt sein.
Der zweite Widerstand 393 kann zwischen der geregelten
+Vb-Stromschiene 630 und dem Emitter des zweiten Transistors 399 eingekoppelt
sein. Die Basis des ersten Transistors 391 kann mit dem
Kollektor des ersten Transistors 391, der Basis des zweiten Transistors 399,
dem Widerstand 394 und dem vierten Widerstand 395 gekoppelt
sein. Der dritte Widerstand 394 kann ebenfalls mit der
ersten Temperatursignalleitung 306 aus dem ersten Temperatursimulator 302 gekoppelt
sein. Der erste Widerstand 395 kann auch mit dem Rheostat 398 gekoppelt
sein. Der Rheostat 398 kann mit der Ausgangssignalleitung 30 gekoppelt
sein. Der Kollektor des zweiten Transistors 399 kann mit
der Signalleitung 40 gekoppelt sein, die das erste Ansteuersignal
+Drv trägt.
Der Kondensator 396 und der fünfte Widerstand 397 können zwischen
der Signalleitung 40 und der Signalleitung 50 eingekoppelt
sein.
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Der
erste Transistor 391 und der zweite Transistor 399 sowie
der erste Widerstand 392 und der zweite Widerstand 393 können als
Stromspiegler wirken. Der Stromspiegler kann eine Verstärkung aufweisen,
die gleich dem Wert des ersten Widerstandes 392 geteilt
durch den Wert des zweiten Widerstandes 393 ist. Der Eingang
des Stromspieglers kann aus einem einstellbaren, jedoch festen Widerstandsnetzwerk
aus dem ersten Widerstand 394 und dem vierten Widerstand 395 sowie
dem Rheostat 398 hergeleitet werden. Das erste Temperatursignal auf
der ersten Temperatursignalleitung 306 aus dem ersten Temperatursimulator 302 kann
bei dem Widerstandsnetzwerk über
den vierten Widerstand 394 eingestellt werden. Der Ausgang
des Stromspieglers kann eine Vorspannung für das erste Ansteuersignal +Drv
und das zweite Ansteuersignal –Drv
auf der Signalleitung 40 beziehungsweise 50 bereitstellen.
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Der
Rheostat 398 kann ein manuelles Einstellen der Vorspannung
der Ausgangsstufe 400 zum Zwecke der Minimierung des Ruhestromes
durch die Ausgangsstufe 400 ermöglichen. Der Rheostat 398 kann
beispielsweise verwendet werden, um die Vorspannung der Ausgangsstufe 400 anfänglich einzustellen,
wenn der Verstärker
erstmalig zusammengesetzt wird oder wenn die Ausgangsvorrichtungen
in der Ausgangsstufe 400 ersetzt werden. Der Widerstand 397 und
der Kondensator 396 können
als Tiefpassfilter wirken, die eine Wechselstromkreuzkopplung (crosstalk)
zwischen dem ersten Ansteuersignal +Drv und dem zweiten Ansteuersignal –Drv verhindern.
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Wie
in 3 gezeigt ist, kann der Stromrichter 600 eine
Einrichtung zum Richten des Gleichstromes sein. So kann der Stromrichter 600 beispielsweise
eine Schaltung oder Vorrichtung zum Empfangen eines Stromes von
der +Vcc-Stromschiene 112 und der –Vcc-Stromschiene 122 und
zum Bereitstellen einer geregelten +Vb-Stromschiene 630 und
einer geregelten –Vb-Stromschiene 640 sein,
die auf das verstärkte
Wechselstromausgangssignal auf der Ausgangssignalleitung 30 bezogen
sind. Wie vorstehend erläutert
worden ist, können
die Komponenten der thermischen Schutzschaltung 300, darunter
der erste Temperatursimulator 302 und der zweite Temperatursimulator 304,
der erste Ausgangsbegrenzer 370 und der zweite Ausgangsbegrenzer 380,
der Temperatursensor 340 und die Vorspannungssteuerung 390 auf das
verstärkte
Wechselstromausgangssignal bezogen sein und Strom (Leistung) aus
der geregelten +Vb-Stromschiene 630 und der geregelten –Vb-Stromschiene 640 empfangen.
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4 ist
eine schematische Darstellung des Stromrichters 600. Der
Stromrichter 600 kann einen ersten Stromrichter 610 und
einen zweiten Stromrichter 620 enthalten. Der erste Stromrichter 610 kann
eine +Vcc-Stromschiene 112 aus der ersten Verstärkerstromquelle 110 empfangen
und eine geregelte +Vb-Stromschiene 630 erzeugen. Die geregelte
+Vb-Stromschiene 620 kann auf das verstärkte Wechselstromausgangssignal
auf der Ausgangssignalleitung 30 bezogen sein. Der zweite
Stromrichter 630 kann auf ähnliche Weise eine –Vcc-Stromschiene 122 aus
der zweiten Verstärkerstromquelle 120 empfangen
und die geregelte –Vb-Stromschiene 640 erzeugen.
Die geregelte –Vb-Stromschiene 640 kann auf ähnliche
Weise auf das verstärkte
Wechselstromausgangssignal auf der Ausgangssignalleitung 30 bezogen
sein.
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Der
erste Stromrichter 610 umfasst einen Widerstand 611,
einen ersten Kondensator 620, eine Diode 613,
einen Spannungsregler 614 und einen zweiten Kondensator 615.
Der Spannungsregler 614 kann ein Spannungsregler in Form
einer integrierten Schal tung sein, so beispielsweise die Schaltung 78L15,
die von National Semiconductor hergestellt wird. Die Diode 613 kann
eine Zenerdiode mit einer Zenerdurchschlagsspannung sein, die größer als
das Minimum, jedoch kleiner als das Maximum der Eingangsnennspannung
des Spannungsreglers 614 ist.
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Der
Widerstand 611 kann zwischen der +Vcc-Stromschiene 112 und
dem Eingang des Spannungsreglers 614 eingekoppelt sein.
Die Diode 613 kann zwischen der Ausgangssignalleitung 30 und dem
Eingang des Spannungsreglers 614 eingekoppelt sein. Der
erste Kondensator 612 kann zwischen der Ausgangssignalleitung 30 und
dem Eingang des Spannungsreglers 614 eingekoppelt sein.
Der zweite Kondensator 615 kann zwischen der Ausgangssignalleitung 30 und
dem Ausgang des Spannungsreglers 614 eingekoppelt sein.
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Die
Erläuterung
des Betriebes des ersten Stromrichters 610 soll unter Verwendung
eines Beispieles mit illustrativen Spannungswerten erfolgen. Die
Spannungswerte sind zu illustrativen Zwecken angegeben. Es können auch
andere Werte zum Einsatz kommen. Im Betrieb kann der erste Stromrichter 610 einen
Strom von der +Vcc-Stromschiene 112 empfangen. Der Spannungsregler 614 kann
bei einer minimalen Eingangsspannung, so beispielsweise bei 18 V,
arbeiten, um eine geregelte Ausgangsspannung, so beispielsweise
von 15 V, aufrechtzuerhalten. Die Diode 613 kann eine Zenerdurchschlagsspannung
von beispielsweise 24 V aufweisen. Die Zenerdiode 613 kann
eine Zenerdurchschlagsspannung von 24 V über den Kondensator 612 an
den Eingang des Spannungsreglers 614 liefern. Dies erfolgt
solange, wie die Spannungsdifferenz zwischen der +Vcc-Stromschiene 112 und
dem verstärkten Wechselstromausgangssignal
auf der Ausgangssignalleitung 30 größer als ungefähr 25 V
ist.
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Aufgrund
der Tatsache, dass ein Potenzial von 24 V an dem ersten Kondensator 612 vorhanden sein
kann, kann sich der Kondensator 612 auf ein Potenzial von
24 V aufladen. Daher kann immer dann, wenn die Spannungsdifferenz
zwischen der +Vcc-Stromschiene 112 und dem verstärkten Wechselstromausgangssignal
auf der Ausgangssignalleitung 30 unter 24 V fällt, der
erste Kondensator 612 Strom in den Spannungsregler 614 entladen.
Liegt dieser Zustand vor, so kann auch der erste Kondensator 612 Strom
in die Verstärkerstromquelle 110 entladen.
Der Widerstand 611 kann umfasst sein, um diesen Stromfluss
zu begrenzen, und er kann in der Lage sein, einen bestimmten Stromverbrauch
(Leistungsverbrauch) von beispielsweise 2 oder 3 W zu verarbeiten.
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Der
erste Kondensator 612 kann größenmäßig derart bemessen sein, dass
die minimale Eingangsspannung für
den Spannungsregler 614 aufrechterhalten wird, um einen
geregelten Betrieb für eine
bestimmte Zeitspanne zu ermöglichen.
Die bestimmte Zeitspanne kann auf dem höchsten Ausgangsniveau und dem
längsten
Intervall des verstärkten
Wechselstromausgangssignals auf der Ausgangssignalleitung 30 beruhen.
Die Diode 630 kann umfasst sein, wenn die Potenzialspannungsdifferenz zwischen
der +Vcc-Stromschiene 112 und dem verstärkten Wechselstromausgangssignal
auf der Ausgangssignalleitung 30 ausreichend groß sein kann, um
den Spannungsregler 614 zu beschädigen.
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Im
Betrieb kann der Eingang des Spannungsreglers 614 mit der
Minimalspannung für
einen geregelten Betrieb mittels entweder der +Vcc-Stromschiene 112 oder
des ersten Kondensators 612 bereitgestellt werden. Der
Spannungsregler 614 kann die geregelte +Vb-Stromschiene 630 für andere Komponenten
der thermischen Schutzschaltung 300, wie vorstehend erläutert worden
ist, bereitstellen. Der Kondensator 615 kann enthalten
sein, um die Spannung der geregelten +Vb-Stromschiene 630 während kurzer
Perioden hoher Belastung aufrechtzuerhalten.
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Der
zweite Stromrichter 620 umfasst auf ähnliche Weise einen Widerstand 621,
einen ersten Kondensator 622, eine Diode 623,
einen Spannungsregler 624 und einen zweiten Kondensator 625.
Der Spannungsregler 624 kann ein in Form einer integrierten
Schaltung vorliegender Spannungsregler sein, so beispielsweise der
Spannungsregler 79L15, der von National Semiconductor hergestellt
wird. Die Diode 623 kann eine Zenerdiode mit einer Zenerdurchschlagsspannung
sein, die größer als
das Minimum, jedoch kleiner als das Maximum der Eingangsnennspannung
für den
Spannungsregler 624 ist.
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Ähnlich wie
beim ersten Stromrichter 610 kann der zweite Stromrichter 620 derart
betrieben werden, dass er einen Strom von der –Vcc-Stromschiene 122 empfängt und
eine geregelte –Vb-Stromschiene 640 erzeugt,
die auf das verstärkte
Wechselstromausgangssignal auf der Ausgangssignalleitung 30 bezogen
ist. Die geregelte +Vb-Stromschiene 640 kann auf andere
Komponenten der thermischen Schutzschaltung 300, wie vorstehend
bereits erläutert
worden ist, bezogen sein.
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Wie
in 1 bis 4 dargestellt ist, kann die
thermische Schutzschaltung 300 in einem Halbbrückenverstärker 10 mit
einer Verstärkergleichstromquelle 100 zum
Speisen der Ausgangsstufe 400 verwendet werden. Die thermische
Schutzschaltung 300 kann Strom aus der Verstärkerstromquelle 100 erhalten.
Der Stromrichter 600 in der thermischen Schutzschaltung 300 kann
einen geregelten Strom für
den ersten Temperatursimulator 302 und den zweiten Temperatursimulator 304,
den ersten Ausgangsbegrenzer 370 und den zweiten Ausgangsbegrenzer 380 und
die Vorspannungssteuerung 390 bereitstellen. Der Stromrichter 600 kann
ermöglichen,
dass die thermische Schutzschaltung 300 derart arbeitet,
dass sie auf das verstärkte
Wechselstromausgangssignal bezogen ist. Indem der Betrieb derart
erfolgt, dass sie auf das verstärkte
Wechselstromausgangssignal bezogen ist, kann die thermische Schutzschaltung 300 mit
kleineren Spannungen und Strömen
arbeiten, als wenn sie auf Erde bezogen wäre.
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Obwohl
verschiedene Ausführungsbeispiele der
vorliegenden Erfindung beschrieben worden sind, erschließt sich
einem Fachmann auf dem einschlägigen
Gebiet, dass viele weitere Ausführungsbeispiele
und Implementierungen innerhalb des Schutzumfanges der vorliegenden
Erfindung möglich sind.
Entsprechend ist die Erfindung nicht beschränkt, es sei denn im Lichte
der beigefügten
Ansprüche.