-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren
zum Messen von Strom in einer vierpoligen Schalter-Schaltung, deren
erster Satz Anschlüsse
mit einem Satz Anschlüsse
einer Rauschunterdrückungsschaltung verbunden
ist, wobei ein zweiter Satz Anschlüsse der Schalter-Schaltung
einen Schalteranschluß aufweist, der
eingerichtet ist, um zwischen den Anschlüssen des Satzes von Anschlüssen der
Rauschunterdrückungsschaltung
umgeschaltet zu werden.
-
Die Erfindung betrifft weiterhin
eine Schaltung zum Messen von Strom in einer vierpoligen Schalter-Schaltung,
deren erster Satz Anschlüsse mit
einem Satz Anschlüsse
einer Rauschunterdrückungsschaltung
verbunden ist, wobei die Schalter-Schaltung einen zweiten Satz Anschlüsse aufweist,
der einen Schalteranschluß hat,
der zwischen den Anschlüssen
des Satzes von Anschlüssen
der Rauschunterdrückungsschaltung
umgeschaltet werden kann.
-
Die Erfindung betrifft schließlich die
Verwendung der Schaltung.
-
Traditionelle Strommessungen in geschalteten
Verstärkern
erfordern einen Widerstand im Signalweg zur Last oder zur Spannungsversorgung
des Verstärkers.
Die Verwendung eines solchen Meßwiderstands
in einem geschalteten Verstärker,
welcher aus mehreren Halbbrücken
besteht und zur Audioverstärkung
verwendet wird, führt
zu einer verschlechterten Audio-Funktionsweise
und einer geringeren Gesamtwirksamkeit des Verstärkers. Weiterhin muß die am
Widerstand gemessene Spannung sehr klein sein, um einen niedrigen
Leistungsverlust zu erhalten, aus der sehr niedrigen Spannung ergibt sich
jedoch ein Bedarf an einem Meßverstärker und damit
eine höhere
Komplexität
des Audioverstärkers zum
Verstärken
des Signals, bevor es in Standard-Audioverstärkerschaltungen verwendet werden kann,
in denen Schaltungsspannungen von bis zu 5 Volt üblich sind. Es ist auch bekannt,
daß geschaltete Verstärker ein
sehr schnelles Reaktionsstrom-Schutzsystem benötigen, um das Beschädigen des
Verstärkers
zu verhindern, wenn der Ausgang kurzgeschlossen wird. Dies bedeutet,
daß die Strommeßschaltung
sehr schnell sein muß,
also eine hohe Bandbreite haben muß. Es ist von früheren Konstruktionen
her bekannt, daß es
eine komplizierte Aufgabe ist, gleichzeitig eine hohe Bandbreite
der Schaltung zu verwirklichen, falls die Strommeßschaltung
auf einem Meßwiderstand
und einem Meßverstärker mit
einer hohen Verstärkung
beruht.
-
Andererseits müssen handgeschaltete Verstärker vor
zerstörerisch
hohen und schnell ansteigenden Strömen, beispielsweise infolge
des Kurzschließens
des Verstärkerausgangs,
geschützt
werden. Es wurde daher seit langem versucht, ein Prinzip zum Messen
des Stroms zu finden, welches es ermöglicht, daß der Strom ohne die vorstehend
erwähnten
Nachteile gemessen werden kann.
-
Das Prinzip des geschalteten Verstärkers besteht
darin, daß zwei
oder mehr Schalter in einer Halbbrücke oder eine Vielzahl davon
für einen
Zeitraum, abhängig
von der Amplitude eines Signals in der Art eines dem Verstärker zugeführten Audiosignals,
leitend bzw. nichtleitend geschaltet wird. Die Informationen im
Audiosignal werden hierdurch in eine Anzahl von Impulsen umgewandelt
(das Signal wird impulsmoduliert), welche sorgfältig den nützlichen Informationen des
Audiosignals entsprechen. Zum Gewährleisten einer guten Linearität des geschalteten Verstärkers müssen die
Impulse sehr gut definiert sein.
-
Impulsmodulierte Verstärker sind
theoretisch sehr linear und haben geringe Leistungsverluste bei einer
geringen Verzerrung und einer Wirksamkeit von 100%, es wurde jedoch
in der Praxis herausgefunden, daß sie wegen Nichtlinearitäten und
viel geringeren Wirksamkeiten zur Verwendung in Hifi-Verstärkern ungeeignet
sind, wobei der Grund dafür
in erster Linie darin besteht, daß es praktisch nicht möglich ist, ideale
Impulse, eine hohe Wirksamkeit und eine hohe Zuverlässigkeit
des Verstärkers
gleichzeitig bereitzustellen.
-
Einer der Gründe dafür, daß die Impulse nicht ideal erzeugt
werden können,
besteht in der Spannungsversorgung der Schalter. Die Impulshöhen variieren
infolge von Schwankungen der Versorgungsspannung, und es ist daher wünschenswert, eine
sehr gut definierte Versorgungsspannung zu haben, es ist jedoch
infolge der sich über
den Meßwiderstand ändernden
Spannung, wenn ein Strom gezogen wird, nicht möglich, eine wohldefinierte
Versorgungsspannung zu erhalten, wenn ein Meßwiderstand zwischen der Spannungsversorgung
und der Ausgangsstufe des geschalteten Verstärkers eingefügt ist.
-
Es ist weiterhin ersichtlich, daß wenn ein Meßwiderstand
zwischen der Ausgangsstufe und der Last eingefügt wird, die Ausgangsimpedanz
des Verstärkers
ansteigt. Bei Verstärkern
mit Rückkopplung ist
es möglich,
die Ausgangsimpedanz des Verstärkers
durch Erhöhen
der Rückkopplung
zu verringern, dies läßt sich
bei Verstärkern
mit einer offenen Regelschleife oder begrenzter Rückkopplung
in der Art echter Digitalverstärker
und geschalteter Verstärker im
allgemeinen jedoch nicht erreichen.
-
Es ist weiterhin ersichtlich, daß die Wirksamkeit
des Verstärkers
abnimmt, wenn ein Widerstand in den Signalweg, entweder zwischen
der Ausgangsstufe und der Spannungsversorgung oder der Last eingefügt wird,
weil im Widerstand Stromverluste auftreten. Bei früher verwendeten
Verstärkern
der Klassen A und AB wurde dies infolge der geringen Wirksamkeit
der Ausgangsstufen der Verstärker
als eine geringere Verlustquelle akzeptiert. Bei geschalteten Verstärkern, bei
denen sehr hohe Wirksamkeiten erhalten werden können, können die in einem Meßwiderstand
erhaltbaren Leistungsverluste die Gesamtleistungsverluste des Verstärkers jedoch
leicht um mehr als 50% erhöhen.
-
Im Stand der Technik wurden große Anstrengungen
darauf gerichtet, die Stromverluste im Meßwiderstand zu verringern,
und es wurde unter den angebotenen Lösungen ein Widerstand mit einem
sehr niedrigen Widerstandswert verwendet, was natürlich zu
einer niedrigen Spannung am Meßwiderstand führt, die
von einem Meßverstärker hoher
Verstärkung
verstärkt
werden muß,
bevor sie in Schaltungen verwendet werden kann, die bei Spannungspegeln von
bis zu 5 Volt arbeiten. Es kann eine hohe Verstärkung sehr kleiner Spannungen
mit begrenzten Bandbreiten in Schaltungen mit niedrigem Rauschen
in der Art von Verstärkern
der Klassen A und AB erhalten werden, es ist jedoch infolge von Rauschen,
das durch sehr schnelle Anstiegsraten an Spannungs- und Stromquellen
im Verstärker
erzeugt wird, sehr schwierig, in der Umgebung eines geschalteten
Verstärkers
auch nur ein verstärktes
Signal begrenzter Bandbreite zu erhalten. Wie vorstehend erwähnt wurde,
besteht bei geschalteten Verstärkern
infolge der Natur ihrer Ausgangsstufe ein Bedarf an schnell reagierenden
Stromschutzsystemen, und die Strommeßschaltungen wurden bei früheren Konstruktionen mit
einem Meßwiderstand
mit einem höheren
Widerstand und damit höheren
Verlusten verwirklicht.
-
Eine Aufgabe der Erfindung besteht
dementsprechend darin, ein Verfahren bereitzustellen, das in der
Lage ist, den Strom in der Ausgangsstufe eines geschalteten Verstärkers zu
messen und das gemessene Signal mit einer hohen Bandbreite bei dem
gewünschten
Spannungspegel bereitzustellen, ohne daß im Signalweg des Verstärkers ein
Meßwiderstand
verwendet wird und ohne daß eine
Verstärkerschaltung
erforderlich wäre,
um das gemessene Signal zu verstärken.
-
Die Aufgabe der Erfindung wird durch
das Verfahren gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1 gelöst,
welcher dadurch gekennzeichnet ist, daß die Strommessung als eine
transiente Messung während der
Schaltfolgen in der Schalter-Schaltung durchgeführt wird und daß die Messung über eine
Impedanz der Rauschunterdrückungsschaltung
durchgeführt wird,
wobei die Impedanz parallel zur Schalter-Schaltung bereitgestellt
ist.
-
Es ist eine Schaltung vorgesehen,
die es ermöglicht,
ein verwendbares Stromsensorsignal beim gewünschten Spannungspegel zu erhalten,
ohne daß ein
Verluste und Verzerrungen erzeugender Strommeßwiderstand entweder im Ausgangsanschluß oder im
Spannungsversorgungsanschluß der geschalteten
Schaltung hinzugefügt
wird.
-
Zweckmäßige Ausführungsformen des Verfahrens
sind in den Ansprüchen
2 und 3 definiert.
-
Wie erwähnt wurde, betrifft die Erfindung auch
eine Schaltung des im Oberbegriff des Anspruchs 4 definierten Typs.
-
Diese Schaltung ist dadurch gekennzeichnet,
daß man
den Strom in der Schalter-Schaltung während der Schaltfolge in einer
Meßimpedanzschaltung
in der Rauschunterdrückungsschaltung fließen läßt.
-
Wie in Anspruch 5 dargelegt ist,
besteht die Meßimpedanzschaltung
zweckmäßigerweise
aus einer Induktivität,
die zwischen einen Anschluß des ersten
Satzes von Anschlüssen
der Schalter-Schaltung und einen Anschluß eines Eingangstors der Rauschunterdrückungsschaltung
geschaltet ist und ist eine Reihenschaltung eines Kondensators und
eines Meßwiderstands
parallel zum ersten Satz Anschlüsse
der Schalter-Schaltung geschaltet.
-
Wenn, wie in Anspruch 9 ausgesagt
wird, der gemessene Strom einer Steuerschaltung zugeführt wird,
die dafür
eingerichtet ist, den Schalteranschluß der Schalter-Schaltung sofort
auszuschalten, wird der zusätzliche
Effekt erreicht, daß die
Steuerschaltung die Schalter sofort bei einem vorbestimmten Stromwert
trennen kann, so daß diese
vor einer Zerstörung
durch einen Überstrom
geschützt
sind.
-
Andere zweckmäßige Ausführungsformen der Schaltung
sind in den abhängigen
Ansprüchen definiert.
-
Schließlich betrifft die Erfindung,
wie erwähnt,
die Verwendung des Verfahrens und der Schaltung.
-
Diese Verwendung ist in Anspruch
12 definiert.
-
Es ist bei dieser Verwendung möglich, eine Halbbrücke für Audioanwendungen
mit geringem Rauschen mit einer geringen Impulsverzerrung sowie
einen viel einfacheren und schnelleren Schutz der Schalter als mit
traditionellen Schutzschaltungen für Halbbrücken bereitzustellen.
-
Es sei bemerkt, daß die Prinzipien
der Erfindung sehr dafür
geeignet sind, in Verbindung mit einer Rauschunterdrückungsschaltung
verwendet zu werden, die vollständiger
in WO 99/59241 beschrieben ist, welche mit der gleichen Priorität wie die
vorliegende Anmeldung eingereicht wurde.
-
Die Erfindung wird nun vollständiger mit
Bezug auf eine in der Zeichnung dargestellte Ausführungsform
der Erfindung erklärt,
wobei
-
1 den
Grundaufbau der Erfindung in Form eines Blockdiagramms zeigt,
-
2 mögliche Verwendungen
der Erfindung in Form eines Blockdiagramms zeigt,
-
3 eine
als Beispiel dienende Ausführungsform
mit einer passiven Rauschunterdrückungs-
und Stromsensorschaltung in Diagrammform zeigt,
-
4 ein
Beispiel einer anderen Ausführungsform
der Erfindung in Diagrammform zeigt,
-
5 Spannungen
in und um die geschaltete Schaltung während des Verbindens und Trennens der
Schalter zeigt,
-
6 eine
Ausführungsform
der Schaltungen 1, 2 und 18 in den 1 oder 2 zeigt und
-
die 7a–7g verschiedene Zustände von Stromflüssen in
den Schaltungen aus 6 zeigt.
-
In 1 bezeichnet
die Bezugszahl 1 eine Rauschunterdrückungsschaltung, deren Anschlüsse 5 und 6 mit
den Anschlüssen
eines Tors einer vierpoligen Schalter-Schaltung 2 verbunden
sind. Das andere Tor der Schalter-Schaltung weist zwei Anschlüsse 7, 8 auf,
von denen ein Schalteranschluß 17 zwischen
die Anschlüsse 5 und 6 geschaltet
werden kann, während
der andere Anschluß 8 mit
dem Anschluß 6 verbunden
ist. Die nachstehend beschriebene Rauschunterdrückungsschaltung weist Einrichtungen,
durch die der Strom in der Schalter-Schaltung gemessen werden kann,
und einen Ausgang 19, in dem ein dem Strom in der Schalter-Schaltung
folgendes Signal vorhanden ist, auf. Dieser Ausgang 19 ist
mit einer Steuerschaltung 18 verbunden, die in der Lage
ist, die Schalter in den Schalter-Schaltungen 2 über einen
Ausgang 20 sehr schnell zu unterbrechen.
-
2 zeigt
ein grundlegendes Beispiel dafür,
wie die Rauschunterdrückungsschaltung 1,
die Steuerschaltung 18 und die Schalter-Schaltung 2 mit externen Schaltungen 9 und 10 verbunden
werden können.
Eine externe Schaltung 9 ist mit den Anschlüssen 3 und 5 der
Rauschunterdrückungsschaltung
verbunden, und die andere externe Schaltung 10 ist über einen
Anschluß 8 und
eine Induktivität 11 mit
dem Anschluß 7 der
Schalter-Schaltung verbunden. Die externen Schaltungen 9 und 10 können durch
eine Spannungsversorgung bzw. eine Last gebildet sein. Die externen
Schaltungen 9 und 10 können alternativ durch eine
Last bzw. eine Spannungsversorgung gebildet sein.
-
3 zeigt
ein Beispiel dafür,
wie die Rauschunterdrückungsschaltung 1 verwirklicht
werden kann. Die Rauschunterdrückungsschaltung 1 weist
eine Induktivität 13,
die zwischen den Anschlüssen 3 und 5 eingefügt ist,
und eine Reihenschaltung eines Kondensators 14 und eines
Meßwiderstands 15 auf.
Eine aus einer Diode 16, einem Meßkondensator 21 und
einem Widerstand 24 bestehende Strommeßschaltung ist parallel zum
Meßwiderstand 15 eingefügt. Die
Anode der Diode 16 ist mit dem gemeinsamen Punkt zwischen
dem Meßwiderstand 15 und
dem Kondensator 14 verbunden, und ihre Kathode ist mit
einem Anschluß 19 und
dem einen Anschluß des
Meßkondensators 21 verbunden, während der
andere Anschluß des
Meßkondensators mit
dem Anschluß 6 verbunden
ist. Ein Widerstand 24 ist parallel zum Meßkondensator 21 eingefügt und dient
dem Entladen des Meßkondensators 21 mit
einer geeigneten Zeitkonstanten. Das Meßsignal wird auf diese Weise
am Meßkondensator 21 und
am Widerstand 24 als ein Differenzsignal zwischen den Anschlüssen 6 und 19 bereitgestellt.
Das Meßsignal kann
durch Einfügen
der Diode in entgegengesetzter Leitungsrichtung mit entgegengesetzter
Polarität
bereitgestellt werden.
-
4 zeigt
ein anderes Beispiel dafür,
wie die Rauschunterdrückungsschaltung 1 verwirklicht werden
kann. Die Rauschunterdrückungsschaltung 1 weist
eine Induktivität 13,
die zwischen den Anschlüssen 3 und 5 eingefügt ist,
und eine Reihenschaltung des Kondensators 14 und des Meßwiderstands 15 auf.
Eine aus der Diode 16, dem Meßkondensator 21 und
den Widerständen 22, 23 und 24 bestehende
Strommeßschaltung
ist parallel zum Meßwiderstand 15 eingefügt. Die
Widerstände 22 und 23 sind
in einer Reihenschaltung zwischen dem gemeinsamen Punkt des Meßwiderstands 15 und
des Kondensators 14 und dem Anschluß 6 eingefügt. Die
Anode der Diode 16 ist mit dem gemeinsamen Punkt zwischen
den Widerständen 22 und 23 verbunden, während ihre
Kathode mit dem Anschluß 19 und
dem einen Anschluß des
Meßkondensators 21 verbunden ist.
Der andere Anschluß des
Kondensators ist mit den Anschlüssen 4 und 6 verbunden.
Der Widerstand 24 ist parallel zum Meßkondensator eingefügt, um den
Meßkondensator
mit einer geeigneten Zeitkonstanten zu entladen. Das Meßsignal
wird auf diese Weise am Meßkondensator 21 und
am Widerstand 24 als ein Differenzsignal zwischen den Anschlüssen 6 und 19 bereitgestellt.
Das Meßsignal
kann durch Einfügen
der Diode in entgegengesetzter Leitungsrichtung mit entgegengesetzter
Polarität
bereitgestellt werden.
-
5 zeigt
ein Beispiel, wie die Spannung 25 am Meßwiderstand 15 während der
Schaltfolgen aussehen kann. Die Spannungsspitzen 27 sind
durch den Strom in der Schalter-Schaltung 2, multipliziert mit
dem Wert des Widerstands 15, wenn der Schalteranschluß 17 bei
einem positiven Strom in den Anschluß 7 vom Anschluß 6 auf
den Anschluß 5 geschaltet
wird, gegeben. Die Spannungsspitzen 36 sind durch den Strom
in der Schalter-Schaltung 2, multipliziert mit dem Wert
des Widerstands 15, wenn der Schalteranschluß 17 bei
einem positiven Strom in den Anschluß 7 vom Anschluß 5 auf
den Anschluß 6 geschaltet
wird, gegeben. Die Bezugszahl 26 bezeichnet den Verlauf
der Spannung am Meßkondensator 21,
und es wird verständlich
werden, daß die mittlere
Spannung am Meßkondensator
einen Wert annimmt, der zum Spitzenstrom im Meßwiderstand proportional ist.
-
6 zeigt
ein Beispiel dafür,
wie die Schaltungen 1 und 2 in 1 oder 2 verwirklicht
werden können,
wobei die Last zwischen die Anschlüsse 7 und 8 geschaltet
werden kann und die Spannungsversorgung zwischen die Anschlüsse 3 und 4 geschaltet
werden kann. Die Strommeßschaltung 37, die
aus den Komponenten 22, 23, 16, 21 und 24 besteht,
ist parallel zum Widerstand 15 geschaltet, wobei der Anschluß 4 die
gemeinsame Masse der Schaltungen 1 und 37 ist
und der Anschluß 19 eine Spannung
bereitstellt, die zum im Widerstand 15 laufenden Spitzenstrom
proportional ist.
-
Der Stromfluß in den Schaltungen 1 und 2 wird
nun mit Bezug auf die 7a–7g in näheren Einzelheiten erklärt, um zu
zeigen, wie die Strommessung vorgenommen werden kann.
-
Demgemäß zeigen die 7a–7g Stromflußgraphen
der Schaltungen 1 und 2, wobei die Stromflußgraphen
in sechs Zustände
der Schaltungen 1 und 2 unterteilt sind, wie in 7a bis 7g dargestellt ist. Es wird angenommen,
daß die
Strommeßschaltung 37 keinen
Einfluß auf
den Stromfluß in den
Schaltungen 1 und 2 hat, und sie ist daher nicht dargestellt.
-
7a zeigt
einen Zustand, in dem der Schalter 35 einen positiven Laststrom
leitet und der Strom im Dämpfungsinduktor 13 und
den zwei Parasitärinduktoren 30 und 31 fließt.
-
7b zeigt
die Schaltungen 1 und 2, wobei der Schalter 35 gerade
ausgeschaltet worden ist und der Schalter 34 gerade eingeschaltet
worden ist, so daß der
im Dämpfungsinduktor 13 fließende Strom und
die in den Parasitärinduktoren 30 und 31 fließenden Ströme sich
nicht gleichzeitig ändern
können
und die Ströme
im Kondensator 14 und im Widerstand 15 fließen, bis
die in den Induktoren 13, 30 und 31 enthaltenen
Energien null werden. Bei realisierten Entwürfen der Schaltungen 1 und 2 ist
die im Induktor 13 enthaltene Energie viel größer als
die in den Induktoren 30 und 31 enthaltene Energie,
weshalb der im Induktor 13 fließende Strom längere Zeit
im Widerstand 15 fließt,
wie in 7c dargestellt
ist.
-
7c zeigt
die Schaltungen 1 und 2 gleich nachdem die Energie
in den Parasitärinduktoren
null ist, und es ist ersichtlich, daß der Laststrom durch den Schalter 34 und
seine Parasitärinduktivitäten 28 und 29 fließt. Es ist
weiterhin ersichtlich, daß der Strom,
der sich im Induktor 13 befand, noch im Kondensator 14 und
im Widerstand 15 fließt,
bis die Energie im Induktor 13 null ist. Es ist daran ersichtlich, daß der im
Induktor 13 fließende
Strom in erster Linie die Spannung am Widerstand 15 festlegt
und daß die am
Widerstand 15 erzeugte Spitzenspannung dadurch, daß der Strom
im Induktor kurz vor dem Schalten der Last gleich dem Laststrom
war, zum Laststrom proportional ist. Durch Wählen der richtigen Werte für die Komponenten 16, 21, 22, 23 und 24 in der
Strommeßschaltung 37 ist
es möglich,
eine Spannung am Anschluß 19 zu
erhalten, die auf einem gewünschten
Pegel und bei einer gewünschten Bandbreite
liegt, welche zum Laststrom proportional ist. Es sei bemerkt, daß die Spannung
am Widerstand 15 das gleiche Vorzeichen wie der Laststrom aufweist,
wenn die in 7 angegebenen
Definitionen verwendet werden.
-
In 7d sind
die Schaltungen 1 und 2 in einem Zustand dargestellt,
in dem das Umschalten vom Schalter 35 zum Schalter 34 abgeschlossen
ist und 34 einen positiven Laststrom leitet und der Strom im
Schalter 34 selbst und in den zwei Parasitärinduktoren 28 und 29 fließt.
-
7e zeigt
den Stromfluß in
den Schaltungen 1 und 2 beim Schalten der Last
vom Schalter 34 zum Schalter 35, und es ist ersichtlich,
daß der
Strom von der Last im Kondensator 14 und im Widerstand 15 fließt. Es sei
bemerkt, daß die
Spannung am Widerstand 15 ein zum Laststrom entgegengesetztes Vorzeichen
aufweist, wenn die in 7 angegebenen
Definitionen verwendet werden.
-
7f zeigt
den Stromfluß in
den Schaltungen 1 und 2 nach dem Umschalten vom
Schalter 34 zum Schalter 35, wobei der Laststrom
durch den Dämpfungsinduktor 13 vom
Kondensator 14 und vom Widerstand 15 übernommen
wurde.
-
7g zeigt
den folgenden Stromfluß der Schaltungen 1 und 2,
und es ist ersichtlich, daß der Stromfluß mit demjenigen
aus 7a identisch ist, womit
der Stromflußgraph
abgeschlossen ist.
-
Wie anhand des vorstehend Erwähnten verständlich geworden
sein wird, sieht die Erfindung eine Rauschunterdrückungsschaltung
vor, welche einen Laststrom mißt
und die Halbleiter bei einem geschalteten Strom vor Überströmen schützt, wobei
es möglich
ist, daß die
Rauschdämpfungsschaltung eine
sehr geringe Komplexität
aufweist.