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Transistorisierter Tonfrequenzverstärker Gegenstand der Erfindung
ist ein neuartiger transistorisierter Tonfrequenzverstärker, der wahlweise aus einer
vorzugsweise eingebauten Batterie kleiner Kapazität oder aus einer vorzugsweise
äußeren Batterie großer Kapazität betrieben werden kann und der mit einer in B-Schaltung
arbeitenden Gegentakt-Endstufe sowie mit einer die Endstufe über einen Treibertransformator
steuernden Treiberstufe ausgerüstet ist. Die Erfindung betrifft insbesondere die
Ausbildung der Endstufe eines solchen Tonfrequenzverstärkers.
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Mit Transistoren bestückte Tonfreque-nzverstärker werden beispielsweise
in Tonbandgeräten, tragbaren Rundfunkempfängern und ähnlichen Geräten verwendet.
Zum Betrieb des Verstärkers ist im allgemeinen in dem betreffenden Gerät eine Batterie,
z. B. aus Monozellen, oder ein kleiner Sammler eingebaut. Um das Gerät möglichst
klein und leicht zu halten, wird dabei Wert darauf gelegt, daß die eingebaute Batterie
ebenfalls möglichst klein und leicht ist. Sie kann dann aber nur eine verhältnismäßig
geringe Kapazität haben, so daß der Tonfrequenzverstärker für eine möglichst schonende
Belastung der Batterie ausgelegt sein muß und seine Endstufe nur eine recht kleine
Sprechleistung abgeben kann.
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Wenn aber ein derartiges Gerät etwa im Heim oder im Auto benutzt werden
soll, ist eine größere Sprechleistung erwünscht. Zu diesem Zweck ist häufig vorgesehen,
daß man das Gerät statt an der eingebauten Batterie an einer äußeren Batterie größerer
Kapazität, z. B. an der Autobatterie, betreiben kann. Solche äußeren Batterien haben
eine größere Kapazität, und es spielt keine so große Rolle, wenn die äußere Batterie
durch den Tonfrequenzverstärker mehr belastet wird. Auch vom Netz gespeiste Gleichspannungsquellen
können in diesem Sinne als Außenbatterien größerer Kapazität aufgefaßt werden. Der
Übergang von dem Betrieb mit eingebauter Batterie auf Betrieb mit äußerer Batterie
wird vielfach durch eine automatische Umschaltung vorgenommen, die beim Anschluß
der Außenbatterie in Tätigkeit tritt.
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Da die Endstufe von Tonfrequenzverstärkern, die wahlweise mit einer
eingebauten Batterie kleiner Kapazität oder einer äußeren Batterie größerer Kapazität
betrieben werden können, bei Betrieb mit der äußeren Batterie eine größere Sprechleistung
abgeben soll, muß diese von vornherein so ausgelegt werden, daß sie eine derartig
große Lautstärke zu liefern imstande ist. Aus diesem Grunde sieht man im allgemeinen
eine Gegentakt-Endstufe mit zwei Transistoren vor, die in B-Schaltung arbeiten.
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Der Kollektorruhestrom von in B-Schaltung arbeitenden Transistoren
ist zwar in der Theorie gleich Null, jedoch läßt sich das in der Praxis nicht verwirklichen,
weil die UB 1c-Kennlinie nichtlinear ist, sondern am unteren Ende einen erheblichen
Knick aufweist. Bei Betrieb mit Kollektorruhestrom Null würden daher zu große Verzerrungen
entstehen.
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Aus diesem Grunde ist man gezwungen, die Transistoren einer Gegentakt-B-Stufe
mit einem gewissen Kollektorruhestrom endlicher Größe zu betreiben. Je größer man
den Kollektorruhestrom macht, um so besser wird die Verzerrungsfreiheit der Endstufe.
Der Kollektorruhestrom endlicher Größe bedeutet aber eine erhebliche Belastung der
Batterie, die bei der eingebauten Batterie kleiner Kapazität sehr ins Gewicht fällt
und nach Möglichkeit vermieden werden sollte. Dazu kommt noch, daß der Arbeitspunkt
der in B-Schaltung arbeitenden Transistoren meistens durch einen parallel zu der
Batterie liegenden Spannungsteiler eingestellt wird, der die Batterie zusätzlich
belastet. Der Querstrom durch diesen Spannungsteiler muß aber groß sein gegenüber
dem Basisruhestrom des Transistors, der seinerseits wiederum um so größer ist, je
höher der Kollektorruhestrom liegt. Die Forderung nach einer möglichst großen Ausgangsleistung,
beispielsweise von 3 oder 4 Watt, bei Betrieb des Verstärkers mit der äußeren Batterie
widerspricht also der Forderung nach einer möglichst großen Schonung der eingebauten
Batterie, wenn der Verstärker mit dieser betrieben wird.
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Die Erfindung zeigt nun einen neuartigen Weg, wie ein Tonfrequenzverstärker,
der mit einer Gegentakt-Endstufe mit zwei in B-Schaltung arbeitenden Transistoren
ausgerüstet ist, durch eine einfache Umschaltung so betrieben werden kann, daß er
bei Anschluß der äußeren Batterie großer Kapazität eine große Ausgangsleistung liefert,
bei Speisung durch die eingebaute Batterie kleiner Kapazität dagegen einen äußerst
geringen Gleichstromverbrauch aufweist.
Ein transistorisierter Tonfrequenzverstärker,
der wahlweise aus einer vorzugsweise eingebauten Batterie kleiner Kapazität oder
aus einer vorzugsweise äußeren Batterie großer Kapazität betrieben werden kann und
der mit einer in B-Schaltung arbeitenden Gegentakt-Endstufe sowie mit einer die
Endstufe über einen Treibertransformator steuernden Treiberstufe ausgerüstet ist,
weist gemäß der Erfindung eine Umschaltvorrichtung auf, die den Kollektorruhestrom
der beiden Transistoren bei Betrieb mit der eingebauten Batterie auf einen Wert
bringt, der kleiner ist als bei Betrieb mit der äußeren Batterie, und die dafür
sorgt, daß die Transistoren bei Betrieb mit eingebauter Batterie vorwiegend stromgesteuert,
also mit großem Quellwiderstand der als Steuergenerator wirkenden Sekundärwicklungen
des Treibertransformators angesteuert werden, bei Betrieb mit der äußeren Batterie
dagegen durch Leistungsanpassung zwischen Ausgang der Treiberstufe und Eingang der
Gegentakt-Endstufe mit Hilfe des Treibertransformators vorwiegend spannungsgesteuert
sind.
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Auf diese Weise gelingt es, einerseits bei Betrieb mit der äußeren
Batterie eine ausreichend große Sprechleistung zu erzielen, andererseits bei Betrieb
mit der eingebauten Batterie diese möglichst wenig zu belasten.
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Da infolge der Nichtlinearität der Kollektorruhestrom-Kennlinie die
Verzerrungen einer Gegentakt-B-Endstufe um so größer sind, je kleiner der Kollektorruhestrom
ist, würden durch die Verminderung des Kollektorruhestroms allein die Verzerrungen
bei Betrieb des Verstärkers mit der eingebauten Batterie verhältnismäßig groß werden.
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Um dies zu verhindern, sollen die beiden Transistoren der Gegentakt-Endstufe
bei Betrieb mit eingebauter Batterie vorwiegend stromgesteuert werden, also mit
großem Quellwiderstand der als Steuergenerator wirkenden Sekundärwicklungen des
Treibertransformators angesteuert werden, während bei B, trieb mit der äußeren Batterie
die beidenTransistoren durch Leistungsanpassung zwischen Ausgang der Treiberstufe
und Eingang der Gegentakt-Endstufe mit Hilfe des Treibertransformators vorwiegend
spannungsgesteuert sind.
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Dieser Vorschlag nutzt die an sich bekannte Tatsache aus, daß die
für die Stromsteuerung des Transistors maßgebende IB-Ic-Kennlinie an ihrem unteren
Ende weit weniger stark gekrümmt ist als die für die Spannungssteuerung maßgebende
UB-Ic-Kennlinie. Im allgemeinen werden in bekannten Verstärkern die Transistoren
der Gegentakt-B-Endstufe spannungsgesteuert, weil bei der Spannungssteuerung Leistungsanpassung
zwischen der Treiberstufe und der Endstufe vorhanden ist, die Endstufe also mit
dem besten Wirkungsgrad arbeitet und daher die größere Ausgangsleistung liefern
kann.
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Dementsprechend sieht die Erfindung auch die Spannungssteuerung für
den Betrieb des Tonfrequenzverstärkers an der äußeren Batterie vor, weil es hier
auf eine größere Sprechleistung ankommt und die Belastung der Batterie keine Rolle
spielt.
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Dagegen werden bei Betrieb an der eingebauten Batterie die Transistoren
der Gegentakt-B-Endstufe stromgesteuert. Das hat einmal zur Folge, daß trotz des
stark verminderten Kollektorruhestromes die Verzerrungen der Endstufe klein bleiben;
andererseits wird nicht die Ausgangsleistung erreicht, die bei Betrieb mit der äußeren
Batterie möglich ist, was aber nicht als Nachteil angesehen werden kann, da zwecks
Schonung der eingebauten Batterie sowieso auf größere Ausgangsleistungen verzichtet
wird. Aus diesem Grunde spielt es auch keine entscheidende Rolle, daß die Endstufe
bei der Stromsteuerung nicht mit dem optimalen Wirkungsgrad arbeitet, was durch
die bei Stromsteuerung erforderlich; Fehlanpassung zwischen Treiberstufe und Endstufe
verursacht wird. Die Fehlanpassung kommt dadurch zustande, daß der hochohmige Ausgang
der Treiberstufe oder des Treibertransformators durch den kleinen Eingangswiderstand
der Gegentakt-B-Endstufe nahezu kurzgeschlossen wird und die für eine Vollaussteuerung
der Endstufe notwendige Steuerleistung nicht aufbringen kann.
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Es kann der Übergang von der vorwiegenden Stromsteuerung zur vorwiegenden
Spannungssteuerung bzw. umgekehrt durch Veränderung des übersetzungsverhältnisses
des Treibertransformators, beispielsweise mittels einer Anzapfung der Primärwicklung
und eines entsprechenden Schaltkontaktes der Umschaltvorrichtung, herbeigeführt
werden.
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Wie die Änderung des Kollektorruhestromes beim Obergang von der einen
Betriebsart zu der anderen im einzelnen bewerkstelligt wird, ist für das Wesen der
Erfindung von untergeordneter Bedeutung. Im allgemeinen wird man den den Kollektorruhestrom
bestimmenden Arbeitspunkt der Transistoren bestimmenden Schaltungselemente, z. B.
den Emitterwiderstand, verändern. Vorwiegend wird aber der Arbeitspunkt der in B-Schaltung
arbeitenden Transistoren einer Gegentakt-Endstufe durch einen parallel zur Batterie
liegenden Spannungsteiler festgelegt. Der Arbeitspunkt der Transistoren und damit
der Kollekturruhestrom wird dann einfach in der Weise verschoben, daß man das Verhältnis
der beiden Widerstände des Basisspannungsteilers verändert.
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Demgemäß besteht eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung darin,
daß durch die Umschaltvorrichtung das Verhältnis der Ohmwerte der beiden Widerstände
des Spannungsteilers verändert wird.
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Wie schon erwähnt, wird aber die Batterie nicht nur durch den Kollektorruhestrom,
sondern auch durch den durch den Spannungsteiler fließenden Strom belastet. Da das
Wesen der Erfindung darin besteht, dem Kollektorruhestrom und damit auch den Basisruhestrom
bei Betrieb mit der eingebauten Batterie auf einen kleineren Wert zu bringen als
bei Betrieb mit der äußeren Batterie, ist es jetzt möglich, den durch den Spannungsteiler
fließenden Querstrom bei Betrieb mit der eingebauten Batterie zu verkleinern. In
Weitergestaltung des Erfindungsgedankens ist es daher zweckmäßig, daß durch die
Umschaltvorrichtung außerdem der Gesamtwiderstand des Spannungsteilers so verändert
wird, daß er bei Betrieb mit der eingebauten Batterie größer ist als bei Betrieb
mit der äußeren Batterie.
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Die Bedienung des Gerätes bzw. des Tonverstärkers läßt sich wesentlich
vereinfachen, wenn man den Obergang von dem einen zu dem anderen Wert des Kollektorruhestromes
sowie den Übergang von der einen zu der anderen Steuerungsart derart selbsttätig
und zwangläufig gestaltet, daß der Benutzer des Gerätes überhaupt nichts dafür zu
tun braucht. Das läßt sich beispielsweise in der Weise erreichen, daß die Umschaltvorrichtung
zwangläufig durch eine Steckvorrichtung betätigt wird, die zur elektrischen Verbindung
der
äußeren Batterie mit dem Verstärker vorgesehen ist.
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Zur weiteren Erläuterung der Erfindung dient das in der Zeichnung
dargestellte Ausführungsbeispiel. Die Zeichnung zeigt einen Ausschnitt der Schaltung
eines erfindungsgemäßen Tonfrequenzverstärkers, der nur die Treiberstufe 1 und die
mit den Transistoren 2 und 3 bestückte Gegentakt-Endstufe enthält. Vor der Treiberstufe
1 kann ein Spannungsverstärker beliebiger Schaltung und mit beliebig vielen Stufen
vorgesehen sein. Da dieser Spannungsverstärker im Rahmen der Erfindung ohne Bedeutung
ist, wurde er in der Zeichnung fortgelassen.
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Die Treiberstufe 1 steuert die Gegentakt-Endstufe mit den in B-Schaltung
arbeitenden Transistoren 2 und 3 über einen Treibertransformator 8, indem sein Kollektorstrom
über die Primärwicklung 11 des Treibertransformators 8 fließt, während die Basen
der Transistoren 2 und 3 mit dem oberen bzw. unteren Ende der Sekundärwicklung 10
des Treibertransformators 8 verbunden sind. Der Arbeitspunkt der Transistoren 2
und 3, also ihr Basisruhestrom und damit ihr Kollektorruhestrom, wird durch einen
Spannungsteiler festgelegt, der parallel zu der bei 19 und 20 anzuschließenden Batterie
liegt und aus den Widerständen 4 und 6 bzw. 4-5 und 6-7 besteht. An die Kollektoren
der Endtransistoren 2 und 3 ist ein Ausgangstransformator 17 mit einem Lautsprecher
18 angeschlossen.
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Gemäß der Erfindung sind eine aus Schaltern 15 und 16 bestehende Umschaltvorrichtung
sowie ein weiterer Schalter 12 vorgesehen. Die drei Schalter 12, 15 und 16 sind,
wie durch die gestrichelte Linie angedeutet sein soll, mechanisch so miteinander
gekoppelt, daß sie alle gleichzeitig betätigt werden. Diese drei Schalter sind erfindungsgemäß
für den Wechsel der Betriebsart des Verstärkers vorgesehen. Die Zeichnung gibt die
Stellung der Schalter 12, 15 und 16 bei Betrieb mit eingebauter Batterie wieder.
Bei Betrieb mit einer äußeren Batterie werden alle drei Schalter in die andere Stellung
gebracht.
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Durch die aus den Schaltern 15 und 16 bestehende Umschaltvorrichtung
wird der Arbeitspunkt und damit der Kollektorruhestrom der Transistoren 2 und 3
bei Wechsel der Betriebsart geändert. Bei der gezeichneten Stellung der Schalter
15 und 16, also bei Betrieb mit eingebauter Batterie, besteht der Spannungsteiler,
der den Arbeitspunkt der Transistoren 2 und 3 und damit deren Kollektorruhestrom
festlegt, aus den beiden Widerständen 4 und 6. Das Verhältnis der Ohmwerte der Widerstände
4 und 6 ist so gewählt, daß der für den Betrieb mit eingebauter Batterie erwünschte
Kollektorruhes-trom sehr kleinen Wertes fließt. Die Basisvorspannung wird darum
nur verhältnismäßig klein sein. Außerdem sind die Widerstände 4 ° und 6 so hochohmig,
daß durch den Spannungsteiler gerade noch der geringstzulässige Querstrom fließt,
der ja noch groß gegen den Basisruhestrom sein muß. Sowohl durch den niedrigen Kollektorruhestrom
als auch durch den kleinen Querstrom, der durch den Spannungsteiler 4 bis 6 fließt,
wird die eingebaute Batterie nur minimal belastet.
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Wenn der Verstärker mit einer äußeren Batterie großer Kapazität betrieben
werden soll, werden die Schalter 15 und 16 in die andere, nicht gezeichnete Stellung
gelegt. Dadurch wird dem Widerstand 4 des Spannungsteilers ein weiterer Widerstand
5 und dem Widerstand 6 des Spannungsteilers ein weiterer Widerstand 7 parallel geschaltet.
Die zugeschalteten Widerstände 5 und 7 sind so gewählt, daß der Arbeitspunkt der
Transistoren 2 und 3 auf der Kollektorruhestrom-Kennlinie nach oben, und zwar zweckmäßigerweise
bis etwa in den linearen Teil der Kennlinie, verschoben wird. Durch die Zuschaltung
der Widerstände 5 und 7 muß deshalb das Verhältnis der Ohmwerte des oberen Teils
des Spannungsteilers und des unteren Teils des Spannungsteilers so geändert werden,
daß sich die Basisvorspannung der Transistoren 2 und 3 in entsprechender Weise ändert.
Gleichzeitig muß aber durch die Zuschaltung der Widerstände 5 und 7 auch der Gesamtwiderstand
des Spannungsteilers so weit herabgesetzt werden, daß der durch den Spannungsteiler
fließende Strom jetzt groß gegen den erhöhten Basisruhestrom der Transistoren 2
und 3 ist. Die Widerstände 5 und 7 sind daher erheblich kleiner als die Widerstände
4 und 6. Außerdem ist, wie schon erwähnt, das Verhältnis der Ohmwerte
der Widerstände 5 und 7 anders als das der Widerstände 4 und 6.
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Selbstverständlich kann auch die Änderung des Teilungsverhältnisses
sowie auch die Änderung des Gesamtwiderstandes des Spannungsteilers auf beliebig
andere Weise vorgenommen werden.. Beispielsweise könnten die Widerstände 4 und 6
des Spannungsteilers aus je zwei hintereinandergeschalteten Einzelwiderständen,
vorzugsweise ungleicher Größe, bestehen, von denen jeweils der eine kurzgeschlossen
wird, wenn der Verstärker mit der äußeren Batterie betrieben werden soll. Eine andere
Möglichkeit besteht einfach darin, daß man durch die Schalter 15 und 16 der Umschaltvorrichtung
statt der Widerstände 4 und 6 andere Widerstände abweichender Ohmwerte in den Spannungsteiler
einschaltet.
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Wie schon früher auseinandergesetzt wurde, sieht die Erfindung bei
Übergang von einer Betriebsart zur anderen nicht nur eine Verschiebung des Arbeitspunktes
und damit eine Änderung des Kollektorruhestromes der Transistoren 2 und 3 vor, sondern
auch eine Änderung in der Art der Steuerung dieser beiden Transistoren. Diese Änderung
wird durch den Schalter 12 herbeigeführt.
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In der gezeichneten Stellung, also bei Betrieb mit eingebauter Batterie,
verbindet der Schalter 12 den Minuspol der Batterie mit einer Anzapfung 11 der Primärwicklung
9 des Treibertransformators B. Hierdurch soll eine Fehlanpassung zwischen dem Ausgang
der Treiberstufe 1 und der Endstufe mit den Transistoren 2 und 3 in der Weise verursacht
werden, daß die beiden Hälften der Sekundärwicklung 10 des Treibertransformators
8 die Transistoren 2 und 3 mit großem Quellwiderstand ansteuern. Da die Treiberstufe
1 im allgemeinen schon von sich aus einen großen Ausgangswiderstand haben wird,
braucht der Treibertransformator 8 nur diesen hohen Widerstand von der Primärseite
auf die Sekundärseite zu übertragen. Das Übersetzungsverhältnis wird daher ungefähr
bei 1 : 1 liegen, d. h., die Windungszahl des zwischen der Anzapfung 11 und
dem unteren Ende 14 liegenden Abschnittes der Primärwicklung 9 wird ungefähr gleich
der Windungszahl einer Hälfte der Sekundärwicklung 10 sein. Es kann jedoch in manchen
Fällen zweckmäßig sein, von dem Übersetzungsverhältnis 1:1 nach oben oder unten
abzuweichen, wenn man den Ausgangswiderstand der Treiberstufe 1 etwas herabsetzen
oder gar noch erhöhen will. In letzterem Falle kann man die Windungszahl einer
Hälfte
der Sekundärwicklung 10 größer machen als die Windungszahl des zwischen den Punkten
11 und 14 liegenden Abschnittes der Primärwicklung 9.
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Während in der gezeichneten Stellung des Schalters 12, also bei Betrieb
mit eingebauter Batterie, die Transistoren 2 und 3 durch Fehlanpassung zwischen
der Endstufe 2 und 3 und der Treiberstufe 1 vorwiegend stromgesteuert werden, herrscht
in der anderen Stellung des Schalters 12 Leistungsanpassung, so daß die Transistoren
2 und 3 in der üblichen Weise spannungsgesteuert werden. Zu diesem Zweck ist in
bekannter Weise die jetzt wirksame Primärwicklung 9 zwischen ihren Enden 13 und
14 im Verhältnis zu den beiden Hälften der Sekundärwicklung 10 so dimensioniert,
daß das Untersetzungsverhältnis mindestens ungefähr der Ausgangsimpedanz der Treiberstufe
1 zu der Eingangsimpedanz der Endtransistoren 2 und 3 entspricht.