DE1053036B

DE1053036B - Anordnung zur Verstaerkung einer elektrischen Groesse, insbesondere von Tonfrequenz- schwingungen, mittels einer aus steuer-baren Halbleiterelementen (Transistoren) gebildeten astabilen Kippschaltung mit steuerbaren Kippzeiten

Info

Publication number: DE1053036B
Application number: DES44163A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Phys Helmut Schwab; Dipl-Ing Dr Georg Sichling
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1954-12-03
Filing date: 1955-05-31
Publication date: 1959-03-19
Also published as: BE547510A; CH338220A; GB789412A; LU34323A1; FR1145219A

Description

Es sind bereits aus steuerbaren HaLbleiterelementen gebildete astabile Kippschaltungen mit steuerbaren Kippzeiten vorgeschlagen worden, bei denen durch Einstellen des Tastverhältnisses (d. h. des Verhältnisses der Durchlaßzeit zur Sperrzeit) der Halbiert er elemente eine Leistungssteuerung von an die Kippschaltung angeschlossenen Verbrauchern erfolgt.

Gemäß der Erfindung werden solche Kippschaltungen zur Verstärkung von elektrischen Größen beliebigen zeitlichen Verlaufs benutzt und hierzu das Tastverhältnis der Halbleiter in Steuerabhängigkeit von der elektrischen Größe gebracht, während die Impulsfolgefrequienz der Halbleiterelemente — das ist die Zeitspanne zwischen zwei aufeinanderfolgenden Einschaltzeitpunkfcen — größer als dife' höchste Komponente (gemäß der Fourierzerlegung) der elektrischen Größe gewählt ist. Auf diese Weise können vor allem · Sprachfrequenzschwiingungen auf einfache Weise verstärkt werden, indem diese Schwingungen als Steuergröße zur Beeinflussung des Tastverhältnissies der Halbleiterelemente benutzt werden.

Weitere Einzelheiten der Erfindung sind nachfolgend an Hand der Zeichnung erläutert.

In Fig. 1 ist eine bereits vorgeschlagene astabile Kippschaltung mit den die Verbraucherleistung steuernden Hailbleiterlementen in Foam von Transistoren 1 und 2 dargestellt. Die Emitter beider Transistoren sind geerdet, während die Kollektoren über Widerstände 3 und 4 an eine gemeinsame Speisespannung 5 angeschlossen sind, mit der über Widerstände 6 und 7 auch die Basen beider Transistoren in Verbindung stehen. Über Kondensatoren 8 und 9 sind die Kollektoren und. Basen der beiden Transistoren jeweils wechselseitig verbunden.

Die Steuerung des Tastverhältnisses der Transistoren 1 und 2 erfolgt durch den Transistor 11, welcher über die Widerstände 12 und 13 an eine Hilfsgleichspainnungsquelle 14 angeschlossen ist, deren Spannung — wie bereits vorgeschlagen ■—· von höchstens doppelter Größe, aber entgegengesetzter Polarität wie die der Spannungsquelle 5 ist. Emitter und Kollektor des Transistors 11 sind jeweils über eine Diode 16 bzw. 17 mit den Basen der Transistoren 1 und 2 verbunden. Zwischen 18 ist eine weitere Hil'fsgleichspannungsquelle eingeschaltet, deren Potential in der Größe etwa dem der Spannungsquelle 5 entspricht. Die Steuerung dos Transistors 11 erfolgt durch eine Steuerspannung 15, welche entsprechend ihrer Höhe den Transistor 11 mehr oder weniger stark öffnet. Je weiter der Transistor 11 geöffnet ist, desto höher ist das Potential am Kollektor dieses Transistors, so· daß der Transistor 2 um so länger gesperrt, der Transistor 1 um so länger geöffnet bleibt. In Abhängigkeit von der Größe der Spannunigsquclle15 werden also Anordnung zur Verstärkung einer elektrischen Größe,

insbesondere von Tonfrequenzschwingungen, mittels einer aus steuerbaren Halbleiterelementen (Transistoren) gebildeten astabilen Kippschaltung mit steuerbaren Kippzeiten

Anmelder:

Siemens-Schuckertwerke

Aktiengesellschaft,

Berlin und Erlangen,

Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50

Dipl.-Ing. Dr. Georg Sichling, Erlangen,

und Dipl.-Phys. Helmut Schwab, Nürnberg,

sind als Erfinder genannt worden

die öffnungs- und Sperrzei/ten der Transistoren 1 und 2 und damit die Längen der in den Widerständen 3 und 4 fließenden Stromimpulse so gesteuert, daß mit zunehmender Länge der Impulse im Widerstand 4 die Länge der Impulse im Widerstand 3 abklingt oder umgekehrt.

Wird nun nach der Erfindung für die Steuerspannung 15 eine Spannung mit beliebigem zeitlichem Verlauf verwendet, so schwankt die Länge der Stromimp'ulse im den Widerständen 3 und 4 entsprechend dem zeitlichen Verlauf der Steuerspannung 15. Man erhält also eine an sich bekannte Impulslängenmodulation. Eine derartige Anordnung kann vorzugsweise zur Verstärkung von Tonfrequenzen verwendet werden. In diesem Fall kann an Stelle der Widerstände 3 und/oder 4 bzw. in Reihe zu diesen Widerständen in den Kollektorkreis der Transistoren 1 und 2 die Wicklung 20 eines Lautsprechers geschaltet sein. Dieser Lautsprecher wird dann von Impulsen erregt, deren Tastverhältnis entsprechend der Frequenz der Steuerspannung 15, d. h. der Modulationsfrequenz, schwankt.

Bei der vorbeschriebenen Anordnung wird der Transistor 11 von der Steuerspannung Null heraus mit wachsender positiver Steuerspannung mehr ge-

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öffnet. Da er aber bei Null bereits vollständig gesperrt ist, kann ein weiteres Sperren mit wachsender negativer Steuerspannung nicht erfolgen, so daß bei Verwendung einer Wechselspannung als Steuerspannung 15 die Kippzeiten der Transistoren 1 und 2 währen der negativen Halbwelle nicht gesteuert werden. Man. erhält also nur in der positiven Halbwelle der Wechselspannung 15 eine Modulation der Stromimpuise in den Widerständen 3 und 4 und damit an der Lautsprecherwickiuing 20 die überlagerte Modulationsfrequenz in einer Form, wie sie sich etwa bei Verwendung eines Einweggtleichrichters ergeben würde. Um eine Modulation mit der positiven und negativen Halbwelle der Steuerspannung 15 zu erhalten, kann der Transistor 11 z. B. durch eine entsprechende Gleichvorspannung auf einen Arbeitspunkt eingestellt werden, der etwa in der Mitte der Kennlinie dieses'Transistors liegt, so daß der Transistor 11 beim Steuerspannungswert Null halb geöffnet ist. In diesem Fall wird der Transistor mit wachsenden positiven Steuerspannungen stärker und' mit wachsenden negativen Steuerispaonungen weniger weit geöffnet. Man erhält also eine Aussteuerung sowohl in positiver als auch in negativer Richtung. Im Kollektorkreis der Transistoren 1 und 2, also im den Widerständen 3 und 4, erhält man dann Stromimpulse, die mit einer Spannung moduliert sind, welche sich aus einem Gleichspanwungsanteil — hervorgerufen durch die Gleichvorspannung des Transistors 11 — und der ihr überlagerten Modulationsfrequenz der Steuerspannung 15 zusammensetzt.

Zur Kompensation der Gleichspannungskomponente kann die Lautsprecherwicklung statt in Reihe in den KoUektorkreis quer an die Kollektorpotentiale der beiden .Transistoren geschaltet sein', wie dies in der Fig. 1 durch die Lautsprecherwicklung 20 α angedeutet ist. Man erhält dann in der Lautsprecherwicklung die reine Modulationsfrequenz ohne Gleichspannungskomponente.

Eine andere Möglichkeit zur Kompensation der Gleichspannumgskomponente ist in den Fig. 2 und 3 dargestellt. Bei der Ausführtungsform nach Fig. 2, in der dieselben Bezugszeichen gewählt sind wie in Fig. 1, dient zur Lieferung· der Vorspannung eine Spannungsquelle 21. Im Kollektorstromkreis des Transistors 2 ist die Primärwicklung 22 α eines Transformators 22 angeordnet. Die den Lautsprecher 23 speisende Sekundärwicklung dieses Transformators, welche gegebenenfalls zugleich die Erregerwicklung des Lautsprechers sein kann, ist mit 22 b bezeichnet. Der Transformator ist mit einer zusätzlichen Kompensationswicklung 22c versehen, durch die ein an dem Widerstand 24 einstellbarer Kompensationsstrom fließt, welcher proportional dem von der Spannungsquelle 21 gelieferten Vorstrom einstellbar ist und die Rückmagnetisierung des Transformators und damit die Kompensation dies Gleichspannungsanteils bewirkt. Außerdem kann durch den Transformator in an sich bekannter Weise eine günstige Anpassung des Lautsprechers erreicht werden.

Eine andere Möglichkeit zur Aussteuerung mit beiden Halbwellen der Modulationsspannung ergibt sich durch zwei im Gegentakt arbeitende Steuereinrichtungen entsprechend Fig. 3. Dabei ist die Erregerwicklung 30 des Lautsprechers 23 mit je einem Kollektor-Stromkreis in der dargestellten Weise induktiv verbunden. In diesem Fall sind die beiden Steuertransistorenllo· und 11 b so angeschlossen, daß der eine .während der negativen, der andere während der positiven Halbwelle der Modulationsfrequenz geschlossen ist. Infolgedessen werden die Kippzeiten beispielsweise der Transistoren 1 α und 2 a von der positiven Halbwelle der Modulationsfrequenz gesteuert, die Kippzeiten der Transistoren Ib und 2 b von der negativen Halbwelle. Da die Erregerwicklung 30 des Lautsprechers 23 über die Primärwicklungen 22 O₁ und 22O₂ mit je einem Kollektorstromkreis induktiv verbunden ist, wird der Lautsprecher von beiden Halbwellen der Modulationsfrequenz beeinflußt.

ίο Schließlich ergibt sich zur Kompensation der Gleichstromkomponente noch die Möglichkeit, die Erregerwicklung dies Lautsprechers über einen Impulsumsetzer zu speisen, der die Gleichst rom impulse in Wechselstromirnpulse umwandelt. Ein derartiger, bereits anderweitig vorgeschlagener Impulsumsetzer kann beispielsweise aus eimern Transformator bestehen, dessen Primärwicklung mit einer Mittelanzapfung versehen ist .und bei dem eine geeignete Steuereinrichtung die Impulse wechselweise an die eine oiler andere Wicklungshälfte anschließt.

Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt. Je nach der Art der verwendeten; Kippschaltung kann statt des beschriebenen Impulslängenmodulationsverfahrens auch ein Impulslagenmodulationsverf ahren verwendet werden. Desgleichen können sowohl die modulierten Impulse eines der beiden Transistoren 1 und 2 zur Steuerung des Verbrauchers verwendet werden als auch die Impulse beider Transistoren gemeinsam. In jedem Fall wird der Mittelwert der Impulsspannung oder des Impuls-stromes entsprechend der Modulationsfrequenz schwanken.

Es ist zweckmäßig, die Impulsfolgefrequenz der Transistoren 1 und 2 oberhalb des für menschliche Ohren wahrnehmbaren Frequenzbereiches zu wählen, beispielsweise oberhalb 25 kHz. In dem Fall vernimmt man aus dem Lautsprecher nur die Modulationsfrequenz, d. h. also die den Transistor 11 steuernde Tonfrequenz.

Claims

Patentansprüche:

1. Aus steuerbaren Halbleiterelementen (z. B. Transistoren) gebildete astabile Kippschaltung mit steuerbaren Kippzeiten, bei der durch Einstellen des Tastverhältnisses (d. h. des Verhältnisses der Durchlaßzeit zur Sperrzeit) der Halbleiterelemente eine Leistungssteuerung von an die Kippschaltung angeschlossenen Verbrauchern erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verstärkung einer elektrischen Größe (15) von beliebigem zeitlichem Verlauf, insbesondere von Tonfrequenzschwingungen, das Tastverhältnis in Steuerabhängigkeit von dieser elektrischen Größe gebracht und die Impulsfolgefrequenz der Halbleiterelemente — das ist die Zeitspanne zwischen zwei aufeinanderfolgenden Einsohaltzeitpunkten — größer als' die höchste Frequenzkomponente der elektrischen Größe gewählt ist (Fig. 1).

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulsfolgefrequenz oberhalb des für das menschliche Ohr wahrnehmbaren Frequenzbereiches, z. B. oberhalb 25 kHz, liegt.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zu verstärkenden elektrischen Größe ein Gleichstrom- oder -spannungsanteil (21) überlagert ist (Fig. 2).

4. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Verbraucher die Erregerwicklung eines Lautsprechers dient.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregerwicklung an die Ausgangsspannungen der ,gesteuerten Halbleiterelemente angeschlossen ist.

6. Anordnung nach den Ansprüchen 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregerwicklung über einen Transformator an die Halbleiterelemente angekoppelt ist.

7. Anordnung nach. Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Transformator eine die Gleichstromkomponente kompensierende Wicklung (22 c) enthält, die von einem entsprechenden Strom durchflossen ist (Fig. 2).

8. Anordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwei in Gegentakt arbeitende Kippschaltungen vorgesehen sind und die Erregerwicklung des Lautsprechers induktiv mit je einem Ausgangiskreis eines Hailblerterelemenites verbunden ist (Fig. 3).

9. Anordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kompensation der Gleichstromkomponente ein Impulsttmsetzer vor dem Lautsprecher angeordnet ist, der die Gleichstromimpulse in Weehselistrominipulse umwandelt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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