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Die vorliegende Erfindung betrifft ein kapazitives Element mit einem Signaleingang und einem Signalausgang und mit zwei Kondensatoren, wobei der Signaleingang mit der ersten Elektrode des ersten Kondensators, die zweite Elektrode des ersten Kondensators mit der ersten Elektrode des zweiten Kondensators und die zweite Elektrode des zweiten Kondensators mit dem Signalausgang verbunden ist.
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Kondensatoren sind elektrische Energiespeichervorrichtungen und bestehen im wesentlichen aus zwei leitenden Elektroden, die durch einen Isolator (Dielektrikum) voneinander getrennt sind. Legt man an die beiden Elektroden des Kondensators eine Spannungsdifferenz an, so lädt sich der Kondensator auf. Der Wert der Kapazität der Kondensatoren hängt von der Größe der Elektroden der Kondensatoren, dem Abstand zwischen ihnen und dem dielektrischen Material zwischen den Elektroden ab. Kondensatoren können miteinander parallel oder in Reihe geschaltet werden oder sie können mit anderen Bauelementen kombiniert werden. Als kapazitives Element im Sinne der vorliegenden Anmeldung wird jede Baugruppe verstanden, die eine Kapazität aufweist.
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Ideale Kondensatoren weisen zwei voneinander beabstandete Elektroden, d.h. in der Regel Platten, auf, zwischen denen sich Vakuum als Isolator befindet. Solche Vakuumkondensatoren erreichen jedoch nur dann ausreichend hohe Kapazitäten, wenn ihre Platten eine sehr große Ausdehnung aufweisen. Die Dielektrizitätskonstante von Vakuumkondensatoren beträgt eins. Durch Einfügen eines Dielektrikums zwischen die Platten des Kondensators erhält man eine höhere Dielektrizität, so daß die Kapazität des Kondensators bei gleicher Fläche der Platten größer ist. Nachteil solcher Dielektrika zwischen den Platten des Kondensators ist, daß sie eine Nichtlinearität in das kapazitive Element einfügen. Diese Nichtlinearität wird in erster Linie vom nichtlinearen Verhalten der elektrischen Polarisation in Abhängigkeit vom angelegten elektrischen Feld hervorgerufen. Darüber hinaus weist die elektrische Polarisation in Abhängigkeit vom angelegten elektrischen Feld eine Hysterese auf, so daß das Verhalten der Polarisation davon abhängt, ob sich der Kondensator in einem Prozeß mit zunehmenden oder abnehmenden Felde befindet.
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Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Typen von Kondensatoren bekannt. Die bekanntesten darunter sind sogenannten Elektrolytkondensatoren und Keramikkondensatoren. Grundsätzlich haben Kondensatoren keine bevorzugte Einbaurichtung. Aus Gründen der einfacheren Bezugnahme ist in dieser Anmeldung von Signaleingang und -ausgang die Rede. Es versteht sich jedoch, daß das erfindungsgemäße kapazitive Element im allgemeinen in beiden Richtungen verwendet werden kann. Es ist daher auch möglich eine Wechselspannung an den Signalausgang anzulegen und ein entsprechend verändertes (z. B. gefiltertes) Signal am Signaleingang abzugreifen.
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In der HiFi-Technik, insbesondere beim Bau von Filtern, führen die Nichtlinearitäten der Kondensatoren zu Verzerrungen im Klangbild der mit den kapazitiven Elementen ausgestatteten HiFi-Komponenten.
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Aus diesem Grund werden im Stand der Technik für hochwertige HiFi-Komponenten die Kondensatoren bewußt so ausgewählt, daß sie sowohl eine möglichst geringe Hysterese als auch geringe nichtlineare Effekte in ihren Kennlinien aufweisen. Dabei ist die Auswahl der Kondensatoren in erster Linie auf die Wahl des dielektrischen Materials beschränkt. Selbst bei Wahl eines Kondensators mit geringer Hysterese und fast nicht mehr meßbarer Nichtlinearität der Feld-Polarisations-Kennlinie wirken sich die verbleibenden Effekte merklich nachteilig auf die Signalcharakteristik und damit auf das Klangbild aus. Darüber hinaus sind hochwertige Kondensatoren sehr teuer, was ihre breite Verwendung aus wirtschaftlicher Sicht einschränkt.
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Aus der
US 2003/0006738 A1 ist ein kapazitives Element mit zwei polarisierten, d.h. richtungsabhängigen, Kondensatoren bekannt. Die Kondensatoren sind entgegengesetzt in Reihe geschaltet und mindestens eine Gleichspannungsquelle ist vorgesehen, um die beiden Kondensatoren in Vorwärtsrichtung vorzuspannen, während sie einem Wechselspannungssignal ausgesetzt sind.
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Aus der
US 4,672,290 A ist eine Schaltkreisanordnung bekannt, in der ein kapazitives Element für einen Wechselspannungsbetrieb mit einer Wechselspannungslast in Reihe geschaltet ist. Eine Verlängerung der Lebensdauer der Kapazitäten kann erreicht werden, indem das kapazitive Element aus zwei Kondensatoren besteht, die in Reihe miteinander geschaltet sind und indem eine gesonderte Gleichrichterdiode parallel mit jedem der Kondensatoren geschaltet ist. Beide Gleichrichterdioden sind mit ihrer Vorwärtsrichtung entgegengesetzt zueinander miteinander verschaltet. Dies verhindert eine umgekehrte Polarisationsspannung und reduziert den Lastzyklus um 50 %.
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Gegenüber diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein kapazitives Element bereitzustellen, welches keine oder nur sehr geringfügige Verzerrungen des Signals bewirkt, zuverlässig arbeitet und zudem sehr preisgünstig zu verwirklichen ist.
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Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß ein kapazitives Element bereitgestellt wird, mit einem Signaleingang und einem Signalausgang und mit zwei Kondensatoren, wobei der Signaleingang mit der ersten Elektrode des ersten Kondensators, die zweite Elektrode des ersten Kondensators mit der ersten Elektrode des zweiten Kondensators und die zweite Elektrode des zweiten Kondensators mit dem Signalsausgang verbunden ist, wobei Mittel zum Ändern des Potentials der miteinander verbundenen zweiten Elektrode des ersten Kondensators und der ersten Elektrode des zweiten Kondensators vorgesehen sind, wobei die Mittel zum Ändern des Potentials einen Spannungsvervielfacher und einen Transformator (TR) aufweisen, wobei der Transformator (TR) den Spannungsvervielfacher treibt und die Mittel zum Ändern des Potentials an eine Eingangsspannung des kapazitiven Elements koppelt.
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Im Folgenden wird unter der Änderung des Potentials der miteinander verbundenen Elektroden der Kondensatoren verstanden, daß Ladungen auf die miteinander verbundenen Elektroden auffließen oder von diesen abfließen, so daß deren mittleres Potential gegenüber dem Potential des Signaleingangs oder Signalausgangs, d.h. der ersten Elektrode des ersten Kondensators oder der zweiten Elektrode des zweiten Kondensators angehoben oder abgesenkt wird.
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Unabhängig von diesem mittleren Potential ändert sich die Ladungsverteilung zwischen der zweiten Elektrode des ersten Kondensators und der ersten Elektrode des zweiten Kondensators aufgrund von Influenzladungen bei Anlegen eines Wechselspannungssignals zwischen Signaleingang und Signalausgang des kapazitiven Elements.
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Der erste und der zweite Kondensator des kapazitiven Elements können diskrete Bauelemente oder aber in einem einzigen Element kombiniert sein. Ein solcher integrierter Doppel-Kondensator kann beispielsweise aus einem Impulskondensator mit Koppelfolie bestehen, wobei die Koppelfolie kontaktiert und mit dem Mittel zum Ändern des Potentials fest verbunden ist.
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Durch das Anheben oder Absenken des Potentials der beiden miteinander verbundenen Elektroden der Kondensatoren werden beide Kondensatoren mit einer entsprechenden Spannung vorgespannt. Das Dielektrikum zwischen den Elektroden der Kondensatoren wird so in einer Richtung polarisiert. Legt man nun zwischen Signaleingang und Signalausgang ein Wechselspannungssignal an, beispielsweise das Ausgangssignal eines Verstärkers, so wird diese Polarisation lediglich von einer Halbwelle des Signals teilweise kompensiert. Es hat sich gezeigt, daß auf diese Weise die Kondensatoren auch beim Anlegen eines Wechselspannungssignals in einem Bereich betrieben werden können, in dem die Größe der Nichtlinearität der Polarisation der Kondensatoren verglichen mit der Größe der Nichtlinearität ohne Vorspannung, d. h. wenn die Kondensatoren während des Betriebes umgepolt werden, gering ist. Darüber hinaus ist in Bereichen mit höherem elektrischen Feld auch der Effekt der Hysterese geringer.
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Es ist dank des erfindungsgemäßen kapazitiven Elements nun möglich, in bestehenden Schaltungen Kondensatoren im Signalübertragungsweg durch das kapazitive Element zu ersetzen. Mit anderen Worten wird hierzu der ursprüngliche Kondensator durch zwei in Reihe geschaltete Kondensatoren ersetzt, deren Kapazitäten so gewählt sind, daß der Kehrwert der Summe der reziproken Kapazitäten der in Reihe geschalteten Kondensatoren der Kapazität des ursprünglichen Kondensators entspricht, und die beiden in Reihe geschalteten Kondensatoren vorgespannt bzw. polarisiert.
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Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform der Erfindung, bei welcher die Mittel zum Ändern des Potentials so eingerichtet sind, daß sie das Potential der miteinander verbundenen Elektroden um einen Wert ändern, welcher größer oder gleich dem erwarteten maximalem Eingangssignals am Signaleingang ist. Mit anderen Worten werden die Kondensatoren mit einer Spannung Vbias vorgespannt, die größer als die maximale Eingangsspannung ist. Auf diese Weise findet auch bei angelegter Signalspannung keine Umpolung der Kondensatoren bzw. kein Nulldurchgang des elektrischen Feldes in den Kondensatoren mehr statt.
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Zweckmäßig ist es, wenn die beiden Kondensatoren des kapazitiven Elements im wesentlichen die gleiche Kapazität haben.
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In einer besonders bevorzugten alternativen Ausführungsform des kapazitiven Elements weisen die Mittel zum Ändern des Potentials ausschließlich passive Schaltungselemente auf. Auf diese Weise lassen sich die Abmessungen des kapazitiven Elements stark beschränken und dieses kann in einem einzigen Bauelement mit zwei Anschlüssen wie ein herkömmlicher Kondensator realisiert werden. Darüber hinaus bedeutet der Verzicht auf eine aktive Spannungsquelle, daß kein weiteres Rauschen, beispielsweise aufgrund eines Netzteils eingeführt wird und keine Batterien in regelmäßigen Wartungsintervallen gewechselt werden müssen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weisen die Mittel zum Ändern des Potentials eine Diode auf, die parallel zum ersten Kondensator und zwischen Signaleingang und den beiden miteinander verbundenen Elektroden geschaltet ist. Eine solche Diode dient als Halbwellengleichrichter für die am Signaleingang anliegende Wechselspannung. Je nach Orientierung der Diode können Ladungsträger, d.h. in der Regel Elektronen, auf die beiden miteinander verbundenen Elektroden der beiden Kondensatoren fließen bzw. von ihnen abfließen. Die beiden miteinander verbundenen Elektroden laden sich auf diese Weise sukzessive positiv oder negativ auf bis die Vorspannung bzw. das Potential der Scheitelwertsspannung des Eingangssignal entspricht. Ein Ausgleich des aufgebauten Potentials, z.B. bei Umkehr des Vorzeichens des angelegten Signals, wird durch die Sperrichtung der Diode wirksam verhindert.
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Alternativ dazu kann die Diode auch parallel zum zweiten Kondensator und zwischen Signalausgang und den beiden miteinander verbundenen Elektroden geschaltet sein. Auch auf diese Weise kommt es sukzessive zu einer Vorspannung der Kondensatoren.
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Darüber hinaus kann es zweckmäßig sein, wenn das kapazitive Element eine Masseleitung aufweist und die Mittel zum Ändern des Potentials eine Diode aufweisen, die zwischen Masse und den beiden miteinander verbundenen Elektroden geschaltet ist. Bei dem auf diese Weise aufgebauten Drei-Drahtbauteil wird die Spannung bzw. der Strom für die Vorspannung der miteinander verbundenen Elektroden direkt zwischen dem Signaleingang und der Masse abgegriffen.
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Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform bei der sowohl eine Diode (erste Diode), die parallel zum ersten Kondensator und zwischen Signaleingang und den beiden miteinander verbundenen Elektroden geschaltet ist, als auch eine Diode (zweite Diode), die parallel zum zweiten Kondensator und zwischen Signalausgang und den beiden miteinander verbundenen Elektroden geschaltet ist (zweite Diode), vorhanden. Mit dieser Anordnung kann die Änderung des Potentials doppelt so schnell erfolgen, wie in einer Anordnung mit nur einer der beiden Dioden. Entscheidend für die Funktion des kapazitiven Elements ist, daß bei Vorhandensein von zwei Dioden die beiden Dioden so orientiert sind, daß entweder keine Ladungen von den miteinander verbundenen Elektroden abfließen oder keine Ladungen auf diese auffließen können.
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Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform der Erfindung, bei der ein Begrenzungswiderstand vorgesehen ist, der zwischen erster Diode und Signaleingang oder zwischen erster Diode und den beiden miteinander verbundenen Elektroden angeordnet ist.
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Darüber hinaus ist es vorteilhaft, wenn ein Begrenzungswiderstand, der zwischen zweiter Diode und Signalausgang oder zwischen zweiter Diode und den beiden miteinander verbundenen Elektroden geschaltet ist, vorgesehen ist.
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Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der zwischen dem Signalausgang und der zweiten Diode ein dritter Kondensator vorgesehen ist und wobei parallel zu dem ersten Kondensator ein vierter Kondensator vorgesehen ist, der den Signaleingang mit den miteinander verbundenen Elektroden verbindet. Gegenüber den zuvor diskutierten Ausführungsformen der Erfindung weist diese Ausgestaltung den Vorteil auf, daß sie eine Anhebung oder Absenkung des Potentials der beiden miteinander verbundenen Elektroden über die Maximalspannung am Signaleingang bzw. -ausgang hinaus ermöglicht. Die erfindungsgemäße Schaltung ist ein Spannungsverdoppler, welcher die beiden miteinander verbundenen Elektroden auf ein Potential legt, welches in etwa doppelt so hoch ist wie die Amplitude des Spannungssignals welches an dem Spannungsein- bzw. -ausgang anliegt.
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Da die exakte Spannung, welche an die beiden miteinander verbundenen Elektroden angelegt wird, gleich der doppelten Signalamplitude der Eingangsspannung abzüglich der zweifachen Diodenspannung ist, ist eine Ausführungsform der Erfindung bevorzugt, bei der eine Spannungsvervielfacherschaltung vorgesehen ist, welche die Eingangsspannung mit einem Faktor 4, 6, 8 oder einem anderen ganzzahligen Vielfachen von 2 multipliziert. Auf diese Weise kann - auch bei sehr kleinen Amplituden des Eingangssignal - das mittlere Potential der beiden miteinander verbundenen Elektroden auf ein Niveau gehoben werden, welches in jedem Fall verhindert, daß beim Anlegen eines Wechselspannungssignals über das kapazitive Element ein Nulldurchgang bzw. eine Richtungsumkehr des elektrischen Feldes in den Kondensatoren auftritt. Eine solche Spannungsvervielfacherschaltung mit einer Vervielfachung um einen Faktor 4 oder höher wird dadurch bereitgestellt, daß die dritte Diode über mindestens eine weitere Diode mit den ersten Anschlüssen mindestens eines weiteren Paares von parallel geschalteten Dioden, deren Durchlaßrichtungen einander entgegengesetzt sind, verbunden ist, wobei die zweiten Anschlüsse der weiteren Dioden mit den miteinander verbundenen Elektroden verbunden sind und wobei die zweiten Anschlüsse der weiteren Diodenpaare über einen weiteren Kondensator miteinander verbunden sind.
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Darüber hinaus ist eine Ausführungsform der Erfindung bevorzugt, bei der die Dioden über eine zusätzliche Diode mit geringem Rückflußstrom, beispielsweise einer Zenerdiode, mit den miteinander verbundenen Elektroden verbunden sind.
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Das kapazitive Element weist einen Transformator auf, über den die Mittel zum Ändern des Potentials an die Eingangsspannung des kapazitiven Elements gekoppelt werden. Auf diese Weise können die Spannungsvervielfacher mit einer ausreichend hohen Spannung getrieben werden.
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Das kapazitive Element gemäß der vorliegenden Erfindung ist besonders geeignet für Hochpaßfilter, jedoch kann es ebenso vorteilhaft in anderen Filterschaltungen oder Frequenzweichen verwendet werden. Aufgrund seiner Beschaffenheit als Zwei- oder Dreidrahtelement ist es geeignet allgemein Kondensatoren herkömmlicher Bauart zu ersetzen.
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Weitere Merkmale, Vorzüge und Anwendungen der vorliegenden Erfindung werden anhand der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie der dazugehörigen Figuren deutlich.
- 1 zeigt eine erste Ausführungsform mit aktiver Spannungsquelle,
- 2 zeigt eine alternative Ausführungsform mit aktiver Spannungsquelle,
- 3 zeigt eine Ausführungsform, wobei die Mittel zum Ändern des Potentials ausschließlich passive Schaltungselemente aufweisen,
- 4 zeigt eine alternative Ausführungsform aus 3,
- 5 zeigt eine Ausführungsform mit Spannungsverdoppler,
- 6 zeigt eine alternative Ausführungsform mit Spannungsverdoppler,
- 7 zeigt eine Ausführungsform mit Spannungsvervierfacher,
- 8 zeigt eine Ausführungsform mit Spannungsversechsfacher,
- 9 zeigt eine alternative Ausführungsform der Ausführungsform aus 8,
- 10 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung mit Transformator,
- 11 zeigt eine alternative Ausführungsform der Erfindung mit Transformator und
- 12 zeigt einen erfindungsgemäßen Koppelkondensator.
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In 1 ist in Form eines Schaltkreisdiagramms eine erste Ausführungsform dargestellt, welche zugleich in anschaulicher Weise das Funktionsprinzip der vorliegenden Erfindung in abstrakter Weise erläutert.
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Dargestellt ist ein mit einer Signalleitung IN verbundener Hochpaßfilter, welcher aus zwei in Serie geschalteten Kondensatoren CB1 und CB2 und einer dazu ebenfalls in Reihe geschalteten Impedanz RL gebildet wird. Die hier dargestellte Impedanz RL ist die Impedanz einer Lautsprecherlast. Sie könnte jedoch in alternativen Ausführungsformen eine diskrete Impedanz eines Filterelements sein. Die Lautsprecherlast ist mit ihrem zweiten Anschluß mit Masse verbunden. Die Kondensatoren CB1, CB2 sind so gewählt, daß ihre Kapazitäten eine Gesamtkapazität bilden, welche zusammen mit der Lautsprecherlast den benötigten Frequenzgang des Hochpaßfilters bereitstellt.
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In der in 1 dargestellten Ausführungsform sowie allen weiteren Ausführungsformen weist das kapazitive Element im Sinne der Erfindung einen Signaleingang 1, einen Signalausgang 6, einen ersten Kondensator C2 mit einer ersten und einer zweiten Kondensatorplatte 2, 3 sowie einen zweiten Kondensator C2 mit einer erste Kondensatorplatte 4 und einer zweiten Kondensatorplatte 5 auf. Die zweite Kondensatorplatte 3 des ersten Kondensators sowie die erste Kondensatorplatte 4 des zweiten Kondensators sind miteinander verbunden. In der in 1 gezeigten Ausführungsform sind die beiden miteinander verbundenen Platten bzw. Elektroden 3, 4 über einen hochohmigen Widerstand Rbias mit einer Gleichspannungsquelle Vbias verbunden. Der zweite Anschluß der Gleichspannungsquelle Vbias ist mit Masse verbunden. In alternativen Ausführungsformen kann die Kombination aus Vbias und Rbias auch durch eine sehr hochohmige Spannungsquelle ersetzt sein.
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Die Spannungsquelle Vbias bewirkt, daß die beiden miteinander verbundenen Elektroden 3,4 der Kondensatoren zunächst auf ein konstantes Potential gelegt werden, welches vom mittleren Potential des Signaleingangs bzw. -ausgangs verschieden ist. Auf diese Weise werden die Kondensatoren C1, C2 mit einer Gleichspannung gegen den Signaleingang bzw. -ausgang vorgespannt. Die Dielektrika in den Kondensatoren erfahren daher zunächst eine konstante Polarisation. Der Grad der Vorspannung bzw. Polarisation hängt von der von Vbias bereitgestellten Spannung ab. Ist die Amplitude des am Signaleingang 1 anliegenden elektrischen Wechselspannungssignals geringer als die Vorspannung der Spannungsquelle Vbias, so werden die Kondensatoren C1, C2 während des Betriebs des Filters nicht umgepolt. Auf diese Weise behält das Dielektrikum in den Kondensatoren trotz des am Signaleingang 1 angelegten Wechselspannungssignals eine Polarisation in einer Richtung bei.
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Mit anderen Worten erfährt das elektrische Feld in den Kondensatoren keine Feldumkehr. Auf diese Weise werden die Kondensatoren immer in einem Bereich betrieben, in dem die Abhängigkeit der Polarisation des Dielektrikums vom angelegten elektrischen Feld weniger von einem ideal linearen Verhalten abweicht als am und um den Nullpunkt des elektrischen Feldes herum. Auch ist die Hysterese in diesem Bereich deutlich geringer ausgeprägt als bei einem Nulldurchgang des Feldes. Aus dieser Verbesserung der Linearität der Kondensatoren C1, C2 folgt eine geringere Verzerrung des Ausgangssignals des Filters und daher im dargestellten Beispiel eine verbesserte Klangcharakteristik des Lautsprechers RL .
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In 2 ist eine alternative Ausführungsform dargestellt, bei der die Kombination aus Spannungsquelle Vbias und Vorspannungswiderstand Rbias durch eine hochohmige Spannungsquelle Vbias high ersetzt ist. Darüber hinaus ist der zweite Anschluß der Vorspannungsquelle Vbias high nicht, wie in 1 dargestellt, mit Masse sondern mit dem Signaleingang 1' des kapazitiven Elements verbunden. In einer alternativen Ausführungsform kann die Spannungsquelle Vbias high statt mit dem Signaleingang 1' mit dem Signalausgang 6' des kapazitiven Elements verbunden sein.
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In 3 ist eine alternative Ausführungsform des kapazitiven Elements dargestellt, die ausschließlich passive Komponenten zum Anheben des Potentials der beiden miteinander verbundenen Elektroden 13, 14 des ersten bzw. zweiten Kondensators CB1, CB2 aufweist. Die Impedanz der Last ist in der dargestellten Ausführungsform mit RL gekennzeichnet. Parallel zum ersten Kondensator CB1 ist eine Diode D1 und ein Ladewiderstand R1 geschaltet. Diese Reihenschaltung aus Diode D1 und Ladewiderstand R1 verbindet den Signaleingang 11 bzw. die erste Elektrode 12 des ersten Kondensators CB1 mit den miteinander verbundenen Elektroden 13, 14 des ersten bzw. zweiten Kondensators. In der dargestellten Ausführungsform wirkt die Diode D1 als Halbwellengleichrichter für das am Signaleingang 11 anliegende Spannungssignal. Auf diese Weise können Ladungsträger auf die miteinander verbundenen Elektroden 13, 14 des ersten bzw. zweiten Kondensators fließen und das mittlere Potential der beiden Elektroden 13, 14 gegenüber dem Signaleingang 11 bzw. dem Signalausgang 16 anheben. Das Anheben des Potentials erfolgt bis zu einem Wert, welcher einer Vorspannung gegen den Signaleingang 11 bzw. Signalausgang 16 entspricht, die etwas kleiner ist als die Amplitude der Signalspannung am Signaleingang 11.
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Die in 4 dargestellte Ausführungsform des kapazitiven Elements weist zwei Dioden D1, D2 auf, welche den Signaleingang 11 bzw. den Signalausgang 16 über einen Ladewiderstand R1 mit den beiden miteinander verbundenen Elektroden 13, 14 der Kondensatoren CB1 und CB2 verbinden. Die Dioden sind jeweils so orientiert, daß keine Ladungen von den miteinander verbundenen Elektroden 13, 14 abfließen können. Mit Hilfe der dargestellten Schaltung wird eine Aufladung der miteinander verbundenen Elektroden 13, 14 auf ein Potential erreicht, welches den gleichen Betrag hat wie das von der in 3 dargestellten Ausführungsform aufgebaute Potential, jedoch erfolgt die Aufladung doppelt so schnell wie in der in 3 dargestellten Ausführungsform, da nun abwechselnd über die beiden Dioden entsprechend der jeweiligen Halbwelle des Eingangssignals, Ladungsträger zugeführt werden.
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Demgegenüber ermöglicht die in 5 dargestellte Schaltung eine Aufladung der beiden miteinander verbundenen Elektroden 13, 14 auf ein Potential, welches einer Vorspannung entspricht, die geringfügig kleiner ist als die doppelte der Spannungsamplitude des Signals am Signaleingang 11. Die Polarisationsspannung der beiden Kondensatoren CB1 und CB2 ist hier größer als die Amplitude der Signalspannung. Die Kondensatoren werden so in einem Bereich des elektrischen Feldes betrieben, welcher ein wesentlich lineareres Verhalten der Polarisation des Dielektrikums zeigt als um den Nullpunkt des elektrischen Feldes herum.
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Die in 5 dargestellte Schaltung entspricht einem klassischen Spannungsverdoppler, wobei die Ladungsträger über die Widerstände R1 bzw. R2 vom Signaleingang 11 und Signalausgang 16 her über Dioden D1 und/oder D2 auf die miteinander verbundenen Elektroden 13, 14 gebracht werden können.
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Besonders vorteilhaft ist in der dargestellten Ausführungsform, daß das kapazitive Bauelement, welches alle zwischen dem Signaleingang 11 und dem Signalausgang 16 angeordnete Bauelemente umfaßt, ein klassisches Zwei-Draht-Bauelement ist, welches gleich einem herkömmlichen Kondensator mit zwei Anschlüssen in eine bestehende elektronische Schaltung eingebaut werden kann.
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Dem gegenüber handelt es sich bei der in 6 dargestellten Ausführungsform um ein Drei-Draht-Bauteil, bei welchem der zweite Spannungsabgriff nicht am Signalausgang 16 erfolgt, sondern hinter der Last RL an der Bezugsmasse IN2. Auf diese Weise wird die Spannung zum Polarisieren der Kondensatoren direkt von den Ausgangsklemmen eines Verstärkers bzw. den Eingangsklemmen einer Last RL, z.B. eines Lautsprechers abgegriffen.
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Die 7 bzw. 8 zeigen Weiterentwicklungen der in 5 dargestellten Schaltung für ein kapazitives Element, wobei 7 einen Spannungsvervierfacher und 8 einen Spannungsversechsfacher zeigt. Dabei wurden die Dioden D1 und D2 sowie die Kondensatoren C1 und C2 dupliziert, um jeweils eine weitere Spannungsverdopplung zu erreichen.
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Zu beachten ist, daß obwohl von einer Spannungsverdopplung, -vervierfachung bzw. - versechsfachung die Rede ist, sich unter der Voraussetzung, daß die Dioden D1 bis D6 identisch sind, Spannungswerte ergeben, welche der doppeltem, der vierfachen bzw. der sechsfachen Signalamplitude abzüglich der doppelten, der vierfachen bzw. der sechsfachen Diodenspannung über D1 entsprechen.
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Die in 9 dargestellte Ausführungsform weist gegenüber der aus 8 eine zusätzliche Diode D7 auf. Diese Diode D7 ist deshalb vorteilhaft, da in der dargestellten Ausführungsform die Signalspannung am Signaleingang 11 sehr niedrig ist, so daß die Dioden D1 bis D6 nur eine geringe Flußspannung aufweisen. Solche Dioden mit geringer Flußspannung, d.h. der Spannung, ab der ein Ladungsträgerfluß in Durchlaßrichtung auftritt, weisen vergleichsweise hohe Rückflußströme auf. Um dennoch einen Rückfluß der Ladungsträger von den aufzuladenden Elektroden 13, 14 zu verhindern, ist zusätzlich zwischen die Dioden D1 bis D6 und die beiden Elektroden 13, 14 eine weitere Diode D7, mit geringem Rückflußstrom angeordnet, um die Aufladung der beiden Elektroden 13, 14 möglichst konstant zu halten.
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Bei den in den 10 und 11 dargestellten Ausführungsformen der Erfindung wird der Spannungsversechsfacher über einen Transformator TR1, welcher den Kondensatoren CB1 und CB2 parallel geschaltet und mit dem Signaleingang 11 und dem Signalausgang 16 verbunden ist, mit einer zum Betrieb des Spannungsvervielfachers ausreichenden Sekundärspannung versorgt. Die notwendige Stromversorgung für den Transformator TR1 wird bei der in 10 dargestellten Ausführungsform am Signaleingang 11 bzw. Signalausgang 16 des kapazitiven Elements abgegriffen. Demgegenüber stellt 11 wieder ein klassisches Drei-Draht-Bauelement dar, wobei der Signaleingang mit an die Signalspannung angelegt wird, der Signalausgang 16 an die Last RL und der zweite Versorgungsanschluß des Transformators TR1 an die Masse.
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Die in den 10 und 11 dargestellten Ausführungsformen können ohne Einschränkung auch mit Spannungsvervielfachern mit einer anderen Vervielfachung als sechs kombiniert sein. Ebenso ist es möglich den Transformator mit einem einfachen Halbwellengleichrichter zu kombinieren.
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Die Orientierung der Dioden in den dargestellten Ausführungsformen ist willkürlich gewählt. Diese kann ohne Einschränkung der Funktion geändert werden, solange die Orientierungen aller Dioden gleichzeitig geändert wird.
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Die Kondensatoren C2 bzw. CB1 und CB2 in den dargestellten Ausführungsformen sind diskrete Elektrolytkondensatoren. Es können jedoch ebenso gut auch kompakte Koppelkondensatoren, wie in 12 dargestellt, mit einer Koppelfolie verwendet werden. Dabei wird die Koppelfolie 100 zwischen den Elektroden 101 und 102 mit den Mitteln zum Ändern des Potentials verbunden. Auf diese Weise entsteht ein Drei-Drahtbauelement, wobei die Koppelfolie 100 die miteinander verbundenen Elektroden des ersten und des zweiten Kondensators ersetzt. Auch für den Fall, daß man die diskreten Kondensatoren der Ausführungsformen aus 1 bis 11 durch einen Koppelkondensator ersetzt, wird das Ersatzschaltbild des entsprechenden kapazitiven Elements von den Schaltungen aus 1 bis 11 widergegeben.
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Für Zwecke der ursprünglichen Offenbarung wird darauf hingewiesen, daß sämtliche Merkmale, wie sie sich aus der vorliegenden Beschreibung, den Zeichnungen und den Ansprüchen für einen Fachmann erschließen, auch wenn sie konkret nur im Zusammenhang mit bestimmten weiteren Merkmalen beschrieben wurden, sowohl einzeln als auch in beliebigen Zusammenstellungen mit anderen der hier offenbarten Merkmalen oder Merkmalsgruppen kombinierbar sind, soweit dies nicht ausdrücklich ausgeschlossen wurde oder technische Gegebenheiten derartige Kombinationen unmöglich oder sinnlos machen. Auf die umfassende, explizite Darstellung sämtlicher denkbarer Merkmalskombinationen wird hier nur der Kürze oder Lesbarkeit der Beschreibung wegen verzichtet.
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Bezugszeichenliste
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- IN1
- Signalleitung
- IN2
- Bezugsmasse
- CB1
- Kondensator
- CB2
- Kondensator
- D1-D7
- Dioden
- R1
- Ladewiderstand
- R2
- Widerstand
- RL
- Impedanz der Last
- TR
- Transformator
- 1, 1', 11
- Signaleingang
- 2, 2', 12
- Elektrode
- 3, 3', 13
- Elektrode
- 4, 4', 14
- Elektrode
- 5, 5', 15
- Elektrode
- 6, 6', 16
- Signalausgang
- 100
- Koppelfolie
- 101, 102
- Elektroden
- Vbias
- Gleichspannungsquelle
- Rbias
- Widerstand
- Vbias high
- Gleichspannungsquelle mit hohem Innenwiderstand