DD301753B5 - Leistungsverstaerker hoher Ausgangsleistung - Google Patents

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft einen Leistungsverstärker hoher Ausgangsleistung. Derartige Verstärkerwerden in der magnetischen Meßtechnik und zur Prüfung von Stromwandlern für Schutzzwecke nach den IEC-Vorschriften eingesetzt. Darüber hinaus finden derartige Verstärker Einsatz als Leistungsverstärker in Bürdenkreisen nichtkonventioneller Meßwandler.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

In der Meßtechnik werden Leistungsverstärker benötigt, die in der Lage sein müssen, hohe Ausgangsleistungen abgeben zu können, auch für den Fall einer komplexen Belastung.

Es ist bekannt, die eigentliche Endstufe durch die Parallelschaltung mehrerer Leistungstransistoren zu realisieren/1/. Hierbei werden über Ausgleichswiderstände, die im Emitterkreis der Transistoren angeordnet sind, die Ströme gleichmäßig auf die Transistoren aufgeteilt. Nachteilig bei diesen Lösungen ist, daß die erforderlichen Treiberstufen auf die Endstufenkonfiguration angepaßt sein müssen. Eine nachträgliche Erweiterung der Ausgangsleistung durch Parallelschaltung weiterer Endstufen ist nicht gegeben. Ebenso ist es kritisch, derartige Endstufen modular aufzubauen, weil über die erforderlichen Steckverbinder relativ große Ströme fließen und somit infolge des nicht zu vernachlässigbaren Kontaktwiderstandes der Steckverbinder Spannungsabfälle auftreten, die zu einer inhomogenen Stromaufteilung innerhalb der Endstufe führen.

Speziell für die Anwendung in der Meß- und Prüftechnik sind Verstärker erforderlich, die auch bei Einspeisung von Energie in den Ausgang noch stabil arbeiten. Diese Schaltungen sind bekannt und werden als rückspeisefeste Verstärker bezeichnet. In DD-WP 215 902 ist z. B. ein Leistungsverstärker in Gegentaktschaltung für nichtkonventionelle Wandler vorgeschlagen. Dieser besteht aus einer Endstufenschaltung mit komplementären Transistoren, deren Kollektoren miteinander verbunden sind und die ein Netzwerk zur Gegenkopplung aufweisen, welches zwischen dem Ausgang der Leistungsendstufe und der Treiberstufe angeordnet ist. Eine Parallelschaltung von Leistungsendstufen ist ohne weiteres nicht möglich.

Verstärker in der Meßtechnik werden oft außerhalb des Nennbereiches betrieben. Dauerkurzschlüsse und die Belastung der Endstufen durch vom Meßobjekt hervorgerufene Überspannungen sind nicht ausgeschlossen. Somit kann es trotz sorgfältiger Dimensionierung zur Beschädigung einzelner Endstufentransistoren kommen, die dann zum Gesamtausfall der Endstufe führen und zumeist noch Folgeschäden in den Treiberstufen nach sich ziehen. Bei bekannten Konzepten/2/ ist eine Selektion schadhafter Stufen ohne Unterbrechung des Betriebes nicht möglich. Daraus ergibt sich ein hoher Reparatur- und Wartungsaufwand.

Charakteristisch für Meßverstärker ist die Aussteuerung in einem großen Dynamikbereich. Besonders bei kleinen Aussteuerungen muß die Endstufe ohne Verzerrung arbeiten, was durch einen Ruhestrom durch die Endstufe realisiert wird.

Es ist bekannt, Endstufen mit unterschiedlichen Ruheströmen parallel zu schalten und somit einen verzerrungsfreien Betrieb bei kleinen Aussteuerungen und großem Aussteuerbereich zu realisieren. Auch hier ist von Nachteil, daß diese Stufen nicht ohne weiteres in Modulbauweise realisierbar sind und eine Selbstüberwachung nicht erfolgt.

Aus DD 157 587 ist ein NF-Gegentaktverstärker mit symmetrischer Stromversorgung bekannt, dessen Aufgabe darin besteht, hohe Ausgangsspannungen abzugeben, die Summierung beliebig vieler Eingangssignale zu ermöglichen und der gleichzeitig die an einen verzerrungsarmen Niederfrequenz-Gegentaktverstärker zu stellenden Forderungen erfüllt.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch Zusammenschaltung des Ausgangs eines Operationsverstärkers mit den Widerständen des Basisspannungsteilers der Endstufe. Die Ausgangsspannung vom Lastwiderstand, der mit den Kollektoren der dazugehörigen Transistoren und dem Masseanschluß verbunden ist, wird über eine Rückführleitung mit dem zugehörigen Widerstand auf den Eingang des Operationsverstärkers geschaltet.

Aus DE 3 727 248 ist ein Leistungsverstärker für eine induktive Last bekannt, dessen Aufgabe darin besteht, eine konstante Spannung für eine induktive Last mit veränderlicher Impedanz Z_L bereitzustellen, wobei das Verhältnis zwischen Widerstand R und Blindwiderstand L der Last ohne Beeinträchtigung der Spannungskonstanz frei gewählt werden kann.

Die Rückspeiseleitung führt vom Summationspunkt der Widerstände 9,9' direkt auf den Summationspunkt der Widerstände 3, 3' durch den Modul ohne zusätzliche Teiler hindurch, was letztlich einen modularen Aufbau nicht zuläßt.

IM Seifart, Manfred: „Analoge Schaltungen" Verlag Technik Berlin 1987. S. 162-168.

121 Borgelt; Kiebusch: „Hochleistungsverstärker LV 1 200- neu konzipiert", radio-fernseh-elektronik (rfe) 29 (1980) Heft 10 S. 670-674.

Ziel der Erfindung ist ein Leistungsverstärker hoher Ausgangsleistung, der sich in seiner Ausgangsleistung beeinflussen läßt und einfach zu warten und reparieren ist.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, bei modularem Aufbau des Verstärkers, die durch die Kontaktwiderstände der Steckverbinder verursachte inhomogene Stromaufteilung innerhalb der Endstufe zu homogenisieren.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß unter Verwendung eines Vorverstärkers und einer oder mehrerer Endstufen, wobei die Endstufen eine Gegenkopplungsschaltung aufweisen, der Vorverstärker auf mehrere Module arbeitet.

Jedes Modul enthält zwei Transistoren unterschiedlicher Leitfähigkeit, deren Emitter in an sich bekannter Weise über Widerstände miteinander verbunden sind. Die Widerstände arbeiten auf einen gemeinsamen Widerstand, der mit der Gegenkopplungsschaltung der Endstufe verbunden ist. Mit diesem Widerstand kann der Grad der Gegenkopplung und somit die homogene Stromaufteilung zwischen den Endstufenmodulen eingestellt werden. Die Basiselektroden der Transistoren werden über weitere Widerstände vom Vorverstärker gesteuert. Im Kollektorkreis der Transistoren ist über weitere Widerstände jeweils ein Netzwerk zur Aussteuerungsbegrenzung eingeschaltet, dem die Leistungsendstufen folgen. Die Ausgänge der Module sind untereinander verbunden.

Es ist zweckmäßig, wenn wenigstens ein Modul ein Netzwerk enthält, welches einen Stromfluß durch die Leistungsendstufe bei der Aussteuerung gleich Null ermöglicht.

Die Ausgangsspannung ist über ein weiteres Netzwerk auf den Vorverstärker zurückgeführt, womit die Verstärkung festgelegt ist. Der Leistungsverstärker enthält Mittel, die zur Abschaltung von Modulen bei Ausfall oder beim Nichtbenötigen vorgesehen sind. Bei Aussteuerung des Vorverstärkers ändern sich die Kollektorströme der als Stromquelle geschalteten Transistoren entsprechend, was zur Folge hat, daß die Endstufentransistoren angesteuert werden.

Die Aussteuerbarkeit der Endstufentransistoren wird durch mehrere Mittel begrenzt, was durch die Stromergiebigkeit der angesteuerten Stromquellen und durch Pegelbegrenzer erreicht wird.

Der Verstärker kann durch Zufügen oder Freischalten von Modulen in seiner Ausgangsleistung verändert werden, wobei die Funktion des Verstärkers erhalten bleibt. Der gleichzeitige Defekt aller Module im Fehlerfall ist nicht möglich. Die Wartung und Reparatur des Verstärkers sind unkompliziert. Mit der erfindungsgemäßen Lösung ist ein Leistungsverstärker mit niedrigem oder hohem Aussteuerbereich realisierbar, der eine unterschiedliche Bebürdung ermöglicht und in einem weiten Frequenzbereich arbeitet.

Ausführungsbeispiel

Die Zeichnung zeigt eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung mit zwei Modulen.

Ein Vorverstärker 1 besteht aus einem Operationsverstärker, der ausgangsseitig mit einer Pegelanpaßstufe abgeschlossen ist und auf Module 12 und 13 arbeitet. Die Pegelanpaßstufe ist eine Reihenschaltung von Widerständen 2 und 3 sowie Dioden 4 und 5. Am nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers liegt die Eingangsspannung U₆ des Leistungsverstärkers an. Die Verstärkung ist durch ein erstes Netzwerk 6 mit den Widerständen 7 und 8 einstellbar, welches zwischen dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers und den Ausgangsklemmen 9,10 des Verstärkers angeordnet ist. Parallel zum Netzwerk 6 liegt ein komplexer Lastwiderstand 11 und ein weiteres Netzwerk 29, bestehend aus Widerständen 30 und 31. Die Eingangsklemmen 14,15 bzw. 16,17 der Module 12 und 13 sind an die Verbindungspunkte der Dioden 2 mit dem Widerstand 4 bzw. der Diode 3 mit dem Widerstand 5 angeschlossen. Die Module 12 und 13 sind identisch aufgebaut, lediglich die Dimensionierung der Bauelemente ist kennzeichnend für den Betrieb mit oder ohne Ruhestrom. Im Sinne der Erfindung ist eine Dimensionierung der Bauelemente mit einem sehr kleinen oder sehr großen Wert möglich. Die Transistoren 19 und 20 sind über je einen Widerstand 24 bzw. 25 mit den Eingangsklemmen 14 und 16 verbunden. Zwischen den Basiselektroden der Transistoren 19 und 20 sind die Dioden 18 und 21 angeschlossen.

Im Emitterkreis der Transistoren 19 und 20 sind Widerstände 22 bzw. 23 eingeschaltet, die über einen weiteren Widerstand 26 mit dem Gegenkopplungseingang 27 des Moduls verbunden sind. Die Gegenkopplungseingänge 27 und 28 der Module 12 und 13 sind an das Netzwerk 29 angeschlossen. Ein Modul 12 oder 13 enthält einen Widerstand, der parallel zu den Widerständen 22 bzw. 23 liegt und einen Stromfluß durch die Leistungsendstufe bei der Aussteuerung gleich Null ermöglicht. Die Kollektoren der Transistoren 20,19 sind über weitere Widerstände 32 bzw. 33 mit einer Begrenzerschaltung verbunden, die aus den Widerständen 34 bzw. 35 und dazu parallel liegende Dioden 36 bzw. 37 besteht. Außerdem sind an diesen Punkten die Basiselektroden der Endstufentransistoren 38 bis 41 angeschlossen. Die Emitter dieser Transistoren sind über die Widerstände 42/43 bzw. 44/45 und jeweils ein strombegrenzendes Mittel 46 bzw. 47 an die positive bzw. negative Versorgungsspannungsklemme 48 bzw. 49 angeschaltet. Die Kollektoren der Endstufentransistoren 38 bis 41 sind über einen Schalter 50 mit der Ausgangsklemme 9 verbunden. Der Schalter wird von den strombegrenzenden Mitteln 46 und 47 gesteuert.

Bei Aussteuerung des Operationsverstärkers ändert sich das Potential an der Anode der Diode 2 bzw. das Potential an der Kathode der Diode 3. Somit ändern sich die Kollektorströme der als Stromquellen geschalteten Transistoren 20 und 19 entsprechend, was zur Folge hat, daß sich die Spannungsabfälle über den Widerständen 34 und 35 ändern und somit die Endstufentransistoren 38 bis 41 angesteuert werden. Die Ausgangsspannung ist über das Netzwerk 6 auf den Vorverstärker 1 zurückgeführt, womit die Verstärkung festgelegt ist. Außerdem wird die Ausgangsspannung über das Netzwerk 29 an die Gegenkopplungseingänge 27 und 28 zurückgeführt.

Für alle Module ist eine zusätzliche Gegenkopplung geschaltet, die unter Umgehung des Vorverstärkers 1 direkt auf die Transistoren 19 und 20 wirkt. Mit dem Widerstand 26 kann der Grad der Gegenkopplung und somit die homogene Stromaufteilung zwischen-den Endstufenmodulen eingestellt werden.

Die Aussteuerbarkeit der Endstufentransistoren wird durch mehrere Mittel begrenzt. Durch die Spannungsabfälle über den Dioden 4 und 5 sowie den Dioden 18 und 21 wird der Kollektorstrom der Transistoren in Verbindung mit den Widerständen und 23 limitiert. Die Dioden 20 und 21 führen gleiches thermisches Potential wie die Endstufentransistoren 38 bis 41 und beeinflussen somit den Strom durch die Transistoren bei Temperaturänderung. Ebenso kann der Strom durch die Endstufentransistoren nur so groß werden, wie dies der Spannungsabfall über den Widerständen 34 und 35, der durch die Dioden 36 und 37 begrenzt wird, in Verbindung mit den Emitterwiderständen 42 bis 45 der Endstufentransistoren 38 bis 42 zuläßt. Somit wirkt die Strombegrenzung für jedes Modul autonom, und der Gesamtkurzschlußstrom der Anordnung wird durch die Summe der Teilkurzschlußströme bestimmt.

Wird ein Modul durch den Schalter 50 abgetrennt, so findet keine Beeinflussung des Verhaltens der übrigen Module statt. Dieser Fall tritt auch bei Defekt eines Endstufentransistors ein. Hierdurch wird der Schalter 50, gesteuert durch die strombegrenzenden Mittel 46 und 47, beeinflußt. Findet durch eine Störung keine Beeinflussung statt, so wird der entsprechende Endstufenzweig durch das strombegrenzende Mittel (z. B. Abschmelzen einer Sicherung) freigeschaltet. Zwar übernimmt noch ein Teil der Endstufen einen Beitrag zum Gesamtstromftuß, das Übertragungsverhalten wird jedoch infolge der Gegenkopplung über das Netzwerk 6 hierdurch nicht beeinträchtigt.

Die Rückwirkung eines Kurzschlusses in den Endstufentransistoren infolge eines Defekts auf die übrigen Bauelemente ist durch die Strombegrenzung mit den Widerständen 24, 25 und 33 ausgeschlossen.

Claims (1)

1. Leistungsverstärker hoher Ausgangsleistung, der aus einem Vorverstärker und wenigstens einer Endstufe mit Gegenkopplungsschaltung besteht, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorverstärker (1) auf mehrere Module (12,13) arbeitet, jedes Modul zwei Transistoren unterschiedlicher Leitfähigkeit (19, 20) enthält, deren Emitter in an sich bekannter Weise über Widerstände (22, 23) miteinander verbunden sind, über einen gemeinsamen Widerstand (26) an der Gegenkopplungsschaltung (29 bis 31) anliegen, die Basiselektroden der Transistoren (19, 20) über Widerstände (24,25) vom Vorverstärker (1) gesteuert sind, die Kollektoren der Transistoren (19, 20) über weitere Widerstände (32 bzw. 33) und jeweils ein Netzwerk (34,36 bzw. 35, 37) an den Leistungsendstufen (38 bis 40) angeschaltet und die Ausgänge (9,10) der Module (12,13) untereinander verbunden sind.

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