SE426762B - Forsterkare - Google Patents

Description

8105111-2 2 Uppfinningen grundar sig på principen att'män genom att in- sätta en "tröskelspänning" mellan styrena i två transistorer Q1 och Q2 åstadkommer att, den ena, Q1, alltid leder full ström då den andra, Q2, kan styras ut, linjärt och kontinuer- ligt. Ãvenså kan Q1 styras ut linjärt och kontinuerligt, om, och när, Q2 är spärrad. Detta kombineras med känd teknik: att ínsätta en resistans, R1, i serië med Q1 för att reducera 7 värmeutvecklingen i Q1. Detta medför dock att den resulteran- f de resistansen ej kunde bli lägre än värdet av R1 om Q2 ej fanns. Då anordningen skall användas som variabel resistans, och värdet av denna skall kunna sänkas till O ohm, åstadkommer Q2 detta. Dess värmeutveckling minskas genom att en väsentlig del av strömmen går genom Q1 och R1, särskilt när spänningen över anordningen är hög. När spänningen är låg är effektutveck- lingen ändå låg i Q2. Med bipolära transistorer är denna styr- ning med en tröskelspänning omöjlig att genomföra då ingången på Q1 skulle utgöra en kortslutning av tröskelspänningen, även kallad "förspänningen“ från ett "konstantulikspänningsgenere- rande nätverk". För uppfinningens utförande hänvisas till pa- tentanspråken.

Uppfinningens verkningssätt illustreras av fíg 1 - 5. Fig 1 visar dess koppling, som i stort sett är ekvivalent med den enkla transistor, som kopplingen ersätter. Fig 2 visar dess insättning i en arbetskrets, som dessutom omfattar spännings- matning (PS1), last (ZL) och drivförstärkare (F1). Fig 3 visar utström/styrspänningskarakteristik. Fig 4 visar ett utförande av förspänningen. Fig 5 visar transistorernas strömmar under en halv sinusvåg i belastningsresistansen (ZL).

Uppfinningens princip visas i Fig 1, Den innebär att transistor- funktionen uppdelas på två stycken transistorer, Q1 och Q2, varav den ena, Q1, är seriekopplad med ett motstånd, R1. Dess- utom finnes en spänningskälla, VB, inkopplad mellan styrena och polariserad så att Q2 spärras före Q1 - och detta till så- dan grad att Q2 ej börjar leda ström förrän Q1 leder full ström . Ingående styrspänning kan angripa på Q1=s eller Q2:s styre, likgiltigt vilket. 3 8105111-2 Det kan synas vara en komplikation att använda fyra komponen- ter i stället för en, men följande beskrivning visar att: dels är komponenterna enkla, dels uppnås en minskning av värmeut- vecklingen med teoretiskt 75% - praktiskt med 65-70%, dels sker värmeutvecklingen aldrig samtidigt i Q1 och Q2 varför de kan monteras på samma kylkropp. W Enligt uppfinningen minskas alltså transistoreffekten till 1/3 - 1/Å , medan de extra komponenterna endast betingar en bråkdel av transístorkostnaden. Givetvis ökas effekten i motsvarande grad i motståndet R1, men detta betingar endast en bråkdel av transistorernas pris.

Särskilt markant blir förbättringen vid växelström och reaktiv belastning. Verkningssättet är då komplicerat, och kan ej be- skrivas i detalj här.

Verkningsättet framgår av Fig å och 3. Antag att MOS-effekt- transistorerna är av anriknings-N-kanaltyp . Dessa marknads- föres under olika affärsbeteckningar, som VMOS, SIPMOS etc.

Vid spänningen VGS = 0 V är de strömlösa, oavsett spänningen D-S, (så länge D är positiv, vilket är N-kanaltypens normala arbetspolaritet). Då VGS göres positiv ökas strömmen kvadra- tiskt över en viss spänning, "cut-off"-spänningen. Enligt Fig 2 kommer därvid först transistor Q1 att leda ström, och sedan styr-spänningen Vg ökats med beloppet VB leder C22 samma ström.

Därvid har strömmen Å Q1 ökats ytterligare och överstiger, vid riktig dimensionering, märkströmmen. (IQ1 norm.) Resistansen R1 i serie med Q1 begränsar strömmen till ett värde, som är lägre än som anges av kurvan i Fig 5. Ytterligare ström kan ledas genom Q2, till det värde, som bestäms av externa impedanser och av drivspänningen Vg. w...

Enligt uppfinningen består den enkla styranordníngen av: 1) en ingång till styret på Q1 eller Q2, 2) en spänningskälla VB, som är inställd så att Q2 leder ingen eller obetydlig ström under det intervall då Q1 leder en ström av storleken noll-märkström, d.v.s. noll till en given ström av samma storleksordning som maximal utgångsström. Denna spänningskälla definieras i patent- Q 81iO5111-2 -4- anspråket som ett "konstantxlikspänningsgenererande nätverk".

Ovanstående gäller transistorernas strömförmåga, vilken ej är synonym med deras verkliga ström. Strömmen i Q1 kan be- gränsas av R1 genom att spänningen över Q; minskas under ett visst värde, nära noll. Under denna förutsättning sker en ytterligare strömökning via (22 , om styrspänningen, Vg, ytter- ligare ökas. Enligt uppfinningen är det möjligt att öka styr- spänningen utan att tillföra elektrisk effekt och utan att spänningskällan VB behöver vara annat än statisk, t.ex. en laddad kondensator.

Den höga inimpedansen hos HOS-transistorn är alltså en förut- sättning för uppfinningen.

Ett utförande av det "konstant likspänningsgenererande nät- verket" illustreras av Fig 4, som visar en spänningskälla be- stående av D1, R3 och eventuellt G1. Via resistansen R3, som kan vara mycket högohmig och som därför ej belastar styr- spänningen Vg, erhålles en spänning över zenerdioden D1. Genom att styrena på Q1 och Q2 är isolerade kan styret på Q1 göras positiv - mera än som behövs för att Q, skall leda full ström, något som ej är möjligt vid en bipolär transistor. Överstyr- ningemsker utan någon strömbelastning på D1 eller G1, utom den som kommer via R3. Styrningen, och överstyrningen, är alltså effektlös.

Denna uppfinning möjliggör också modularisering av förstärkare i olika effektklasser. Grundutförandet kan innefatta endast Q1.

Ett större utförande utbygges helt enkelt med Q2 (på samma kylkropp), R1 samt D1, RB och C1. Därvid kan uteffekten 3-till U-faldigas.

Uppfinningens grundtanke är alltså att kombinera Q1, Q2 och R1 i en i och för sig känd koppling, med en förspänningsanordning eller konstant likspänningsgenererande nätverk, VB, så att den önskade intervall-indelningen av strömmen sker, varvid denna anordning blir synnerligen enkel, genom att transistorernas styren är isolerade. -ßf s1os111-2 ~ Genom att likströmbelastningen på VB blir noll, kan spänningen konstanthållas med kondensatorn G1, även vid så stora spännings- exoursioner att spänningen polvänder över Rs. Enbart spänningens medelvärde över R3 är avgörande.

Givetvis finns andra sätt att bygga upp förspänningskällan VB.

Dioden D1 kan utbytas mot en transistor eller annat olinjärt element. Källan kan vara självgenererande, d.v.s. spänningen åstadkommes med impedanser kopplade till jordpotential via dioder. Den kan även åstadkommas genom vanlig likriktarekopp- ling, eller t.o.m. genom användning av torrbatterier, då den ej förbrukar någon ström. Möjligheterna är oräkneliga och kan ej alla redovisas här.

I växelströmsförstärkare användes två sådana anordningar, som visas i Fig 2 - delen till vänster om klämmorna till ZL - båda anslutna till samma klämmor, men med motsatt polaritet (+ i stället för -) och motsatt ledningsslag (N-kanal i stället för P-kanal). Vardera åstadkommer sin polaritet av utgångsströmmen.

Vid sinusformad utgångsström och resistiv last, ZL, erhålles strömmarna enligt Fig 5, som på ett enekelt sätt åskådliggör verkningssättet: I början ökas utströmmen IL och är identisk med strömmen i Q1, eftersom Q2 ej leder någon ström. Strömmen i Q2 börjar ej förr- än strömmen i Q1 uppnått sitt fulla värde, eller förrän Q1 ej förmår lämna önskad utström. En sinusformad utström lineariseras via en förutsatt negativ återkoppling. Vid ca % märkström, punkt A (om R1 = ZL) blir spänningen över Q1<& 0. Spänningen från PS1 fördelar sig då lika över R1 och ZL. Ytterligare ök- ning av strömmen genom Q1 är ej möjlig. Via den negativa åter- kopplingen (som endast är en förutsättning för lineariteten - ej för funktionen) signaleras behovet av mera ström IL. Styr- spänningen ökas då ytterligare och efter en viss ökning börjar Q2 leda ström (streckat i Fig 5). Q2 ser en växelströmsmässig parallellkoppling av R1 och ZL, varför dess ström växer dubbelt så fort och blir dubbelt så stor, allteftersom strömmen i Q1 sjunker, därför att spänningen över R1 sjunker. ...fi-a; ...a-a Ma-mflnw-.r .

Claims (1)

. 1 __ . 81051112 “ Det framgår att Q1 och Q2 ej har både spänning ooh ström sam-' tidigt. Maximala effektutvccklingen i Q1 blir 1/4 av effekt- utvecklingen i H1. Effektutvecklingen i 92 bör begränsas genom någon form av ström- begränsning. För att avkänna strömmen kan strömshunten R? i Fig 2 användas. Olika möjligheter finns för strëmkarakteristi- cen. Själva strëmbegränsarens utförande är känd i olika ut- föranden från förstärkare-tekniken. En stor fördel med uppfinningen är att begränsning vid konstant ("rak") ström kan användas utan exessiv värmeutveckling i tran- sistorerna. Denna strtmbegränsning skyddar även vid kortslut- ning (ZL = O). ïid kortslutning blir spänningen över 01 = O. Hela spänningen från PS1 lägger sig över R1. Samtidigt blir strömmen i Q, = 0, om strömmen är på lämpligt sätt begränsad (lika med den ström, som maximalt kan flyta genom R4). Vid kortslutning sker ingen värmeutveckling i Q eller Q2 utan en- dast i R1. Samtieigt tillåter en "rak" strömbegränsning för- stärkaren att lämna lika stor reaktiv strfim, som aktiv strñm, med endast obetydligt ëkaï vFrmeutveckling i transistorerna. Särskilt vid reaktiv belastning kommer en anordning enligt upp- finningen att minska värmeutvecklingen i transistorerna, i jäm- förelse med den i en konventionell förstärkare. Användningsområdet är främst i effektfïrstärkare, men även inom andra områden då man behöver en variabel resistans, t.ex. i reglerade likspänningsaggregat. Endast en utíöringsform har visats, men flèra möjligheter finnes att åstadkomma det likspänningsgenererande nätverket, VB, sär- skilt sådana där det är inbyggt i drivförstärkaren. Likaså har endast två transistorer visats, ehuru dessa kan utgöras av grupper av transistorer, som kopplats parallellt. Patentkrav

1. Förstärkare bestående av två MOS-effekttransistorer G1 och Q, och ett motstånd R¶ kopplade i en tvåpol mellan en lik- 'z -v- 8105111-2 snënnin skälla PS och en belastnínfi Z _ å a 11 C La kännetecknad av att i ändamål att undvika skadlig inverkan på förstärkaren orsakad av värmeutveckling till följd av belastningsströmmen, a) Q1:s och Q2:s emittrar bildar ena polen i tvåpolen, och att R1 och att R1 andra pol, och :s ena ände är kopplad i serie med Q1:s kollektor :s andra ände, jämte Q?:s kollektor utgör dess b) Rfis resistans är av samma storleksordning som ZL, och c) ett i huvudsak konstantlíkspänníngsgenererande nätverk, VB, är kopplat mellan styrena på Q1 och Q2, med sådan po- larítet att det gär G2 mindre ledande än Q1 och med så- dan spänning att Q2 ej bërjar leda ström förrän Q1 leder, eller tenderar att leda, full märkström, d.v.s. en ström i samma storleksordning som maximal utgångström, och d) förstërkaringången är kopplad till styret på Q1 eller till styret på Q2 eller till någon annan punkt på nämnda nätverk VB. Förstärkare enligt patentkrav 1 kännetecknad av: ägt nämnda konstantlikspänningsgenererande nätverk utgöres av en ïeneräiod D1, ev. parallellkopplad med en kondensator, C1, samt strömmatat med ett högohmigt motstånd R5 anslutet till motsatt styre mot det, som drivsteget är anslutet till och ätt zenerspïnuíngen är av samma storleksordning som den spän- ning, som krävs på styret for att driva en trensistor från nflltülmükfifim.