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Vorstufenschaltung für Gegentaktleistungsverstärker mit Transistoren
Gegenstand des Hauptpatentes ist eine Vorstufenschaltung für Gegentaktleistungsverstärker
mit Transistoren für A- oder B-Betrieb, bei der die Vorstufe aus einem zweistufigen
über einen Vorübertrager gegenphasig gespeisten Gegentaktverstärker besteht, der
mit der Gegentaktendstufe galvanisch niederohmig gekoppelt ist, derart, daß die
der Gegentaktendstufe zugekehrte Gegentaktvorstufe als Kollektor-Basis-Schaltung
und die eingangsseitige Gegentaktvorstufe als Emitter-Basis-Schaltung ausgebildet
ist, und bei der die gegenphasig arbeitenden Verstärkerzüge der Vorstufenschaltung
je für sich gleich-und wechselstromgegengekoppelt sind und wobei je eine wechselseitige
Mitkopplung vorhanden ist vom Ausgang der Kollektor-Basis-Stufe des einen Verstärkerzuges
zum Eingang der Emitter-Basis-Stufe des anderen gegenüberliegenden Verstärkerzuges,
wobei hier davon ausgegangen wird, daß sich jedes Transistorsystem in einem eigenen
Gehäuse befindet.
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Zur Symmetrierung derartiger Gegentaktleistungsverstärker werden Emitterwiderstände
verwendet, obwohl es bekannt ist, daß diese einem B-Betrieb durch Strombegrenzung
entgegenwirken. Der gleiche Nachteil tritt auf, wenn zur stabilen Einstellung des
Ruhearbeitspunktes von Gegentaktverstärkern Emitterwiderstände benutzt werden.
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Die an den Endtransistoren eines Verstärkers entstehende Verlustleistung
hat eine Temperaturerhöhung zur Folge, die ein Ansteigen des Emitterstromes bewirkt,
wodurch die Verlustleistung weiter ansteigt. Diese durch Temperaturänderungen verursachte
Mitkopplung kann durch unzulässige hohe Erwärmung zur Zerstörung der Endstufentransistoren
führen. Um diesen Nachteil zu vermeiden, muß dafür gesorgt werden, daß die Basisspannung
an die Temperaturerhöhung angepaßt wird. Die gleichen Gesichtspunkte gelten auch
für Vorstufentransistoren, jedoch ist hier durch die Größe des Arbeitswiderstandes,
d. h. bei kleiner Kollektorspannung und geringem Arbeitsstrom, die Eigenerwärmung
unkritisch. Bei gleichstromgekoppelten Transistorleistungsverstärkern, die der Erfindung
zugrunde liegen, ist das Problem der Stabilisierung von besonderer Bedeutung, da
schon relativ kleine Temperaturänderungen die Stabilität der Schaltung erheblich
beeinflussen können.
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Es ist bereits bekannt, in einem zweistufigen gleichstromgekoppelten
Transistorverstärker in Emitter-Basis-Schaltung, bei dem eine Vergrößerung des Kollektorstromes
einer Stufe eine Verminderung des Kollektorstromes in der folgenden Stufe bewirkt,
die Transistoren dieser Stufe untereinander mittels wärmeleitender Brücken, z. B.
metallische Bänder oder Hülsen, thermisch so eng zu koppeln, daß zwischen den Transistoren
ein unmittelbarer Wärmeausgleich stattfindet. Die Folge einer solchen engen thermischen
Kopplung ist eine unvermeidliche kapazitive Kopplung, die bei Verstärkern für höhere
Frequenzen zu einer unzulässigen internen Gegenkopplung führt und die Stabilität
des Verstärkers beeinflussende Phasendrehungen verursacht. Außerdem verbietet sich
die unmittelbare wärmeleitende Kopplung von Transistoren mittels metallischer Bänder
od. dgl. auch in solchen Fällen, in denen die Kollektorelektroden der Transistoren
mit dem Gehäuse elektrisch leitend verbunden sind.
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Diese Nachteile werden bei Verstärkern gemäß des Hauptpatentes durch
derart ausgebildete Mittel zur Erzeugung einer thermischen Kopplung unterdrückt,
die einen Wärmeausgleich über wärmeleitende mechanische Koppelelemente vermeiden.
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Gemäß der Erfindung wird das dadurch erreicht, daß in jedem der beiden
symmetrischen Verstärkerzüge des Gegentaktverstärkers der Transistor der ersten
Stufe der Vorstufenschaltung unter Auslassung der zweiten Stufe der Vorstufenschaltung
mit dem Endstufentransistor thermisch so gekoppelt ist, daß ein Wärmeausgleich zwischen
den Transistoren durch Strahlung und/oder Konvektion unter Verwendung eines den
Transistor mit dem geringeren Wärmepotential gehäuseförmig umgebenden wärmeleitenden
Körpers
erfolgt, der mit dem Transistor mit dem höheren Wärmepotential wärmeleitend verbunden
ist.
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Durch Anwendung dieser Maßnahmen wird eine von der Umgebungstemperatur
unabhängige Stabilisierung des Ruhearbeitspunktes erzielt. Außerdem ergibt sich
der weitere Vorteil, daß der bei Gegentakt-B-Verstärkern unerwünschte Emitterwiderstand
wesentlich verkleinert werden kann, was auch eine Verringerung des Klirrfaktors
zur Folge hat.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung werden an Hand eines Ausführungsbeispieles
in Anwendung auf einen Gegentaktverstärker gemäß des Hauptpatentes näher beschrieben.
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In der F i g. 1 ist einer der beiden Verstärkerzüge der Vorstufenschaltung
mit der Endstufe entsprechend F i g. 2 des Hauptpatentes im Prinzip wiedergegeben.
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In der vollständigen Gegentaktschaltung ist der in dieser Figur dargestellte
Verstärkerzug durch einen zweiten, entsprechend ausgebildeten Verstärkerzug ergänzt.
Die Wirkungsweise der thermischen Kopplung ist durch Anwendung der gleichen Maßnahmen
in beiden Verstärkerzügen gleich und ist unter Umständen durch besondere Maßnahmen
aufeinander abzustimmen. Der im Prinzip dargestellte Verstärkerzug enthält in der
Vorstufe den Transistor Tr 1 in
Emitter-Basis-Schaltung und den Transistor
Tr2 in Kollektor-Basis-Schaltung. Die thermische Kopplung erfolgt, wie durch die
gestrichelt gezeichnete Umrandung angedeutet, zwischen dem ersten Transistor Trl
der Vorstufe mit dem Transistor Tr3 in der Endstufe. Eine thermische Kopplung des
Transistors Tr2 der Vorstufe mit dem Endtransistor ist zur Erzielung der angestrebten
Wirkung nicht möglich, da die Verlustleistung des Endtransistors noch vergrößert
würde.
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Entsteht am Transistor Tr3, z. B. durch seine Verlustleistung,
eine Temperaturerhöhung, die sich infolge der thermischen Kopplung mit einer gewissen
Zeitkonstante auch beim Vorstufentransistor Trl auswirkt, so wird der Kollektorstrom
dieses Transistors ansteigen. Dieser verursacht einen größeren Spannungsabfall am
Widerstand R 1. Damit sinkt die Basisspannung des in Kollektorschaltung arbeitenden
Transistors Tr2 und ebenso die Basisspannung des Endstufentransistors Tr
3 am Widerstand R 3. Mit abnehmender Basisspannung am Widerstand R
3 verringert sich auch die Verlustleistung des Endstufentransistors Tr3, der anderenfalls
durch weiter steigende Temperaturen schließlich zerstört würde. Die Spannungen und
Ströme des Verstärkers stellen sich nach relativ kurzer Zeit auf die für die Schaltung
vorgesehenen Werte ein. Die F i g. 3 zeigt den zeitlichen Verlauf des Kollektorstromes
von Transistor Tr3. Der bei t=0 eingeschaltete Verstärker, der ohne thermische Kopplung
arbeitet, erfährt durch Erwärmung einen über den Ruhestrom J0 hinausgehenden Stromanstieg.
Wird im Zeitpunkt t 1 die thermische Kopplung wirksam, so ist nicht nur ein weiterer
Anstieg des Stromes unterbunden, sondern der Strom, der ein Maß für die Erwärmung
darstellt, geht nahezu auf den Sollwert J 0 zurück.
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F i g. 2 zeigt ein Beispiel für die konstruktive Lösung zur Verwirklichung
der thermischen Kopplung. Der Vorstufentransistor Tr 1 und der Endstufentransistor
Tr3 sind gemeinsam in einem geschlossenen Gehäuse G so angeordnet, daß sie ohne
wärmeleitende Verbindung galvanisch getrennt und kapazitiv gut entkoppelt sind.
Das Gehäuse kann gegebenenfalls evakuiert sein. Ein Wärmeausgleich erfolgt zwischen
den Transistoren durch direkte Strahlung und durch Konvektion, wobei der Transistor
Tr3 zu-
nächst im allgemeinen das größere Wärmepotential besitzt. Alle mechanischen
Verbindungsteile zwischen den beiden Transistoren Trl und Tr3, z. B. die
Halterungsteile, bestehen aus Werkstoffen geringer Wärmeleitfähigkeit. Sofern die
Kollektorelektroden mit den Transistorgehäusen elektrisch leitend verbunden sind,
besitzen die Verbindungsteile zwischen den Transistorgehäusen außerdem einen hohen
elektrischen Isolationswert. Das Gehäuse G kann z. B. becherförmig ausgebildet sein,
wobei die offene Seite durch eine Isolierstoffplatte, auf welcher der Transistor
Trl befestigt ist, verschließbar ist.
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Besteht das Gehäuse G aus Metall, so kann es für den Transistor mit
der großen Verlustleistung als Kühlkörper dienen. Der Transistor ist dann zweckmäßig
mittels der Halterungsteile H, vorzugsweise im Gehäuseinnern, wärmeleitend mit dem
Gehäuse verbunden. Dadurch wird die wärmestrahlende Fläche wesentlich vergrößert,
so daß nicht nur mehr die direkte Strahlung von Transistor zu Transistor wirksam
ist.
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Die Wärmestrahlung auf den Transistor Trl kann auch durch besondere
Formgebung des Gehäuses G verstärkt werden, indem z. B. die beiden Transistoren
in den Brennpunkten eines elliptisch geformten Gehäuses angeordnet werden.
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Als weiteres Ausführungsbeispiel, das in den Figuren nicht dargestellt
ist, ist es möglich, einen vollen blockförmigen Kühlkörper zu verwenden, der mit
dem Transistor mit der größeren Verlustleistung wärmeleitend verbunden ist und der
eine verschließbare Ausnehmung, z. B. Bohrung, aufweist, in welche der andere Transistor
ohne wärmeleitende Verbindung mit dem Kühlkörper eingesetzt ist.
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Zur Beschleunigung des Wärmeausgleiches ist es zudem möglich, dem
Gehäuse des Vorstufentransistors Tr 1 und/oder dem Innern des Gehäuses
G durch Schwärzung ein besonders gutes Absorptionsvermögen zu geben.