DE1199821B - Verfahren und Schaltungsanordnung zum Verstaerken eines niederfrequenten Signals - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. α.:

H03f

Deutsche Kl.: 21 a2-18/08

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

J 26652 VIII a/21 a2
22. Februar 1962
2. September 1965

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zum Verstärken eines niederfrequenten Signals, das in Impulse umgewandelt wird. Durch das Verfahren der Erfindung soll eine Schaltungsanordnung ermöglicht werden, die im Aufbau einfach und billig ist und außerdem zur Verstärkung eines niederfrequenten Signals mit einem hohen Grad an Übertragungsqualität befähigt ist.

Durch die vorliegende Erfindung soll weiterhin die Möglichkeit geschaffen werden, einen Hochleistungs-Niederfrequenzverstärker mit einem minimalen Aufwand von Schaltungsmitteln aufzubauen. Als aktive Schaltungselemente sollen vorzugsweise Halbleiter-Schaltelemente, insbesondere Vierschichtdioden, verwendet werden.

Derartige Schaltelemente weisen einen ersten Schaltzustand mit einem hohen Innenwiderstand und einen zweiten Schaltzustand mit einem niedrigen Innenwiderstand auf. Sie besitzen die Eigenschaft, daß sie vom ersten Zustand in den zweiten durch Anlegen einer vorgegebenen Schaltspannung V_B und vom zweiten in den ersten Schaltzustand dadurch geschaltet werden können, daß der durch das Schaltelement fließende Strom unter einen vorgegebenen Haltestrom I_n erniedrigt wird.

Das Verfahren besteht erfindungsgemäß darin, daß zwei Impulsreihen konstanter Impulsfrequenz gebildet werden, deren Phase zueinander proportional der Amplitude des niederfrequenten Signals ist, und daß das niederfrequente Signal durch Filterung der Impulsreihen unter Differenz- und Mittelwertbildung nach einer Leistungsverstärkung zurück erhalten wird.

Eine Möglichkeit zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung besteht darin, daß die Leistungsverstärkung in einem bistabilen Multivibrator mit zwei Schaltzweigen erfolgt, die je ein bei einer bestimmten Schaltspannung einschaltendes Schaltelement aufweisen. Die Steuerung des bistabilen Multivibrators erfolgt vorzugsweise mit Hilfe eines Modulators mit zwei Ausgängen, welcher ein Paar von Impulsreihen bildet, von denen die eine Impulse enthält, die zeitlich gegenüber den in der anderen Reihe enthaltenen verschoben sind. Die beiden je ein Schaltelement enthaltenden Schaltzweige des bistabilen Multivibrators werden über einen Ladekondensator und zur Rückgewinnung des verstärkten niederfrequenten Signals über eine Filteranordnung, beispielsweise einen Lautsprecher, verbunden.

Die Erfindung soll im folgenden an Hand der Zeichnungen näher erläutert werden.

Fig. 1 zeigt die Schaltungsanordnung eines Verfahren und Schaltungsanordnung zum
Verstärken eines niederfrequenten Signals

Anmelder:

INTERMETALL

Gesellschaft für Metallurgie

und Elektronik m. b. H.,

Freiburg (Breisgau), Hans-Bunte-Str. 19

Als Erfinder benannt:

James F. Gibbons, Palo Alto, Calif. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 6. März 1961 (93 577)

Niederfrequenzverstärkers mit einem Modulator und einem bistabilen Multivibrator;

Fig. 2 zeigt die Schaltungsanordnung eines Niederfrequenzverstärkers, ähnlich der in F i g. 2 gezeigten, bei der die Schwingspulen zweier Lautsprecher als Filteranordnung unmittelbar in den Stromkreis des Multivibrators geschaltet sind;

F i g. 3 zeigt die Schaltung eines Modulators, der zur Verwendung in den Schaltungsanordnungen der F i g. 1 und 2 geeignet ist;

Fig. 4 zeigt eine Abwandlung des Verzögerungsteiles der Schaltung von Fig. 3;

F i g. 5 zeigt eine weitere Abwandlung des Verzögerungsteiles der Schaltung von Fig. 3;

F i g. 6 und 7 zeigen Schaltungen von Impulsgeneratoren, die zur Steuerung des Verzögerungsteiles geeignet sind;

F i g. 8 veranschaulicht die Schwingungen des Impulsgenerators der in Fig. 3 gezeigten Schaltung;

Fig. 9 veranschaulicht die Impulse am Ausgang des Impulsgenerators der in F i g. 3 gezeigten Schaltung;

Fig. 10 veranschaulicht verzögerte Sägezahnimpulse, die in der Schaltung nach Fig. 3 gebildet wurden;

Fig. 11 veranschaulicht die verzögerten Ausgangsimpulse, die in der Schaltung nach Fig. 3 gebildet wurden;

F i g. 12 veranschaulicht die in einem Schaltzweig des Multivibrators nach Fig. 1 und 2 fließenden Ströme in Abhängigkeit von den in den F i g. 9 und 11 dargestellten Eingangsimpulsen.

509 659/329

Die F i g. 6 und 7 zeigen Schaltungen von Impulsgeneratoren 41 zur Steuerung des Verzögerungsteiles 42. Die Impulsgeneratoren enthalten vorzugsweise Halbleiter-Schaltelemente 16, die mit einem den Strom begrenzenden Widerstand 17 in Serie geschaltet werden. Parallel zum Schaltelement 16 liegt ein Kondensator 18. Die Impulse werden am Lastwiderstand 19 abgegriffen.

Zur Verwendung in derartigen Impulsgeneratoren sind solche Schaltelemente im allgemeinen geeignet, bei denen der durch das Element fließende Strom relativ klein ist, wenn das Element sich in dem stabilen Schaltzustand eines hohen Innenwiderstandes befindet. In diesem Schaltzustand kann das Schaltelement einen Innenwiderstand in der Größenordnung von 10 ΜΩ oder mehr aufweisen. Wird die am Schaltelement anliegende Spannung erhöht, so wird schließlich eine Spannung V_B erreicht, bei der das Schaltelement unstabil wird und sogleich in den Schaltzustand eines niedrigen Innenwiderstandes schaltet. In diesem Schaltzustand beträgt der Innenwiderstand etwa 5 Ω oder weniger. Das Element verbleibt in diesem Schaltzustand, bis der Strom unter den Haltestrom I_H abgesenkt wird und es in den Schaltzustand eines hohen Innenwiderstandes schaltet, in dem ein niedriger Strom fließt.

Gemäß F i g. 6 wird der aus dem Widerstand 17, dem Schaltelement 16 und dem Widerstand 19 bestehenden Reihenschaltung eine Spannung F zugeführt. Die Spannung wird größer als die Schaltspannung V_B des Schaltelementes 16 gewählt. Der Widerstand 17 wird so bemessen, daß der durch das Schaltelement fließende Strom auf einen Wert unterhalb des Haltestromes I₁₁ begrenzt ist, wenn dieses sich im Zustand eines niedrigen Innenwiderstandes befindet. Das Schaltelement schaltet deshalb augenblicklich in den Schaltzustand eines hohen Innenwiderstandes zurück.

Im Betrieb verursacht die Spannung einen Stromfluß durch den Widerstand 17 zur Aufladung des Kondensators 18. Beim Aufladevorgang des Kondensators gegen die Spannung V wird eine Spannung oberhalb der Abbruchspannung V_B des Schaltelementes 16 erreicht, bei der das Element in den Schaltzustand eines niedrigen Innenwiderstandes schaltet und ein Strom durch den Widerstand 19 fließt, der an diesem eine Spannung abfallen läßt, welche in Form eines Impulses an dem Anschluß 21 erscheint. Der Kondensator entlädt sich über das Schaltelement 16, so daß dem durch den Widerstand 17 fließenden Strom ein weiterer Anteil hinzugefügt wird und der Gesamtstrom somit größer ist als der Haltestrom. Während des Entladevorganges des Kondensators fällt der Strom unter den Wert des Haltestromes ab. Dadurch kehrt das Schaltelement in den Zustand eines hohen Innenwiderstandes zurück. Der Kondensator lädt sich wieder auf, und der Vorgang beginnt von neuem. Die Impulsfrequenz hängt in erster Linie von der durch den Widerstand 17 und den Kondensator 18 gegebenen Zeitkonstante ab.

Die F i g. 3 zeigt eine zur Steuerung des bistabilen Multivibrators geeignete Schaltung eines Modulators, der im allgemeinen einen Impulsgenerator 41 und einen Verzögerungsteil 42 enthält. Grundsätzlich dient der Impulsgenerator 41 zur Erzeugung einer Impulsreihe mit vorgegebener Frequenz bei A. Diese Impulsreihe steuert einen Schaltzweig des angeschlossenen Multivibrators, der im folgenden näher beschrieben werden soll.

Die Impulse dienen auch zur Steuerung eines Verzögerungsteiles, der zur Herstellung einer zweiten Impulsreihe B dient, die bezüglich der Impulsreihe A zeitlich um einen der Spannung des niederfrequenten Signals proportionalen Betrag verschoben ist.

Als Impulsgenerator 41 eignet sich eine der in Fig. 6 und 7 dargestellten Schaltungen. Bei dem in

xo F i g. 3 dargestellten Beispiel wird eine der F i g. 7 entsprechende Schaltung verwendet. Diese Schaltung dient zur Erzeugung einer konstanten Impulsfrequenz gemäß F i g. 8 und erzeugt Ausgangsimpulse der in F i g. 9 gezeigten Art.

Der Impulsgenerator enthält einen den Strom begrenzenden Widerstand 43, der in Serie mit einem Schaltelement 44 zwischen der Spannungsquelle F₂ und Masse geschaltet ist. Im Nebenschluß dazu sind ein Kondensator 46 und ein Widerstand 47 angeordnet. Die Impulse der Impulsreihe A (Fig. 9) werden an dem für den Kondensator 46 und den Widerstand 47 gemeinsamen Punkt abgenommen. Diese Impulse werden über den Kondensator 48 kapazitiv dem Verzögerungsteil 42 zugeführt.

Der Verzögerungsteil besteht aus einem ohmschen Spannungsteiler mit zwei hintereinandergeschalteten Widerständen 51 und 52. Der für die Widerstände gemeinsame Punkt wird mit einem Anschluß der Diode 53 verbunden. Zwischen der Spannungsquelle F₂ und Masse werden ein den Strom begrenzender Widerstand 54 und ein Schaltelement 56 in Reihe geschaltet. Um die am Schaltelement 56 abfallende Spannung zu verändern, findet beispielsweise ein Transformator 57 zur Einspeisung des niederfrequenten Signals Verwendung. Der andere Anschluß der Diode 53 wird mit einem Pol des Schaltelementes 56 verbunden. Parallel zum Schaltelement liegen ein Kondensator 58 und ein Widerstand 59. An dem für den Kondensator 58 und den Widerstand 59 gemeinsamen Punkt werden die Impulse der Impulsreihe B gemäß Fig. 11 abgenommen.

Die Funktionsweise des Verzögerungsteiles ist im wesentlichen folgende: Infolge des durch den Widerstand 51, die Diode 53 und den Widerstand 54 fließenden Stromes wird das Schaltelement 56 des Verzögerungsteiles im Zustand eines niedrigen Innenwiderstandes gehalten. Der Kondensator 58 isi unter dieser Bedingung normalerweise entladen. Ein im Punkt A des Oszillatorteiles 41 erscheinender negativer Impuls schaltet die Diode 53 aus und bewirkt ein Aufladen des Kondensators 58 über den Widerstand 54 gegen die Spannung F₂. Nach Abklingen des im Impulsgenerator gebildeten Impulses ist der Kondensator etwas aufgeladen und die Diode 53 in Sperrichtung vorgespannt. Das bewirkt eine Trennung der Widerstände 51 und 52 vom übrigen Verzögerungsteil. Der Kondensator wird sich so lange über den Widerstand 54 aufladen, bis er eine Spannung erreicht, die mit der Abbruchspannung Vβ _± des Schaltelementes 56 identisch ist. Das Schaltelement wird daraufhin leitend, und die Diode läßt den Strom über den Widerstand 51 zum Schaltelement 56 fließen, wodurch das Schaltelement 56 in seinem Zustand niedriger Impedanz gehalten wird.

Wird die Spannung eines niederfrequenten Signals in Serie an das Schaltelement — wie gezeigt — angelegt, so wird die durch diese Schaltung bewirkte zeitliche Verschiebung eine Funktion der nieder-

5 6

frequenten Spannung sein. Der Zeitpunkt des Schal- punkt wird das Schaltelement 88 eingeschaltet. Der

tens des Schaltelementes 56 wird folglich von der Kondensator 91 entlädt sich über diesen Schaltzweig,

Spannung des niederfrequenten Signals abhängig sein. während der durch das Schaltelement 86 fließende

Zweckmäßig legt man die Schaltung so aus, daß Strom unter den Haltewert abgesenkt wird, wodurch

bei Abwesenheit einer niederfrequenten Eingangs- 5 der Schaltzweig 83 ein- und der Schaltzweig 84 aus-

spannung die Impulse der Impulsreihe B im zeit- geschaltet wird. Dieser Vorgang wiederholt sich beim

liehen Abstand symmetrisch zu denjenigen der Im- Auftreten eines jeden Impulses,

pulsreihe A des Impulsgenerators erzeugt werden. Die im einzelnen in den Fig. 9, 11 und 12 in

Ein derartiger Zusammenhang wird in den F i g. 9 Form von ausgezogenen Linien dargestellten Im-

und 11 veranschaulicht. io pulse entsprechen dem Fehlen eines niederfrequen-

Beispielsweise können die im Impulsgenerator er- ten Signals am Eingang. In diesem Falle sind die zeugten Impulse A eine Impulsfrequenz von 100 kHz durch die Schaltzweige 83 oder 84 fließenden Ströme aufweisen. Die Impulse B werden ebenfalls mit einer gleichzeitig ein- bzw. ausgeschaltet. Werden jedoch Impulsfrequenz von 100 kHz in der Mitte zwischen die Impulse 12 zeitlich verzögert oder beschleunigt, den ersteren (verzögert um eine halbe Periode) er- 15 so führt der entsprechende Schaltzweig 84 entweder scheinen. Ein gegebenenfalls vorhandenes nieder- für einen längeren oder kürzeren Zeitablauf Strom, frequentes Signal moduliert die zeitliche Verschie- was durch die punktierten Kurven 96 und 97 verbung der Impulse B asymmetrisch bezüglich der Im- anschaulicht wird. Im Ergebnis wird eine mittlere pulset. Im PunktB der Schaltung treten weiterhin Ausgangsleistung erzielt, die sich mit dem nieder-Impulse mit einer Impulsfrequenz von 100 kHz auf; 20 frequenten Signal ändert. Der an den Transformator sie weisen jedoch Veränderungen bezüglich dieser 81 angeschlossene Lautsprecher 82 wirkt als Filterzeitlichen Verschiebung auf. Dieser Sachverhalt wird anordnung zur Mittelwertsbildung, um das verstärkte durch die punktierten Impulse der Fig. 11 ver- niederfrequente Signal zurückzugewinnen. Es könanschaulicht. nen auch andere Arten von Filteranordnungen ver-

Die F i g. 4 zeigt die Schaltung eines Verzögerungs- 25 wendet werden, wenn an Stelle von Lautsprechern

teiles42a, ähnlich demjenigen der Fig. 3. Die Zu- andere Elemente betrieben werden sollen,

führung des niederfrequenten Signals erfolgt jedoch Eine zweite, in F i g. 2 dargestellte Schaltung kann

in einem anderen Punkt. Die Funktionsweise dieser ebenfalls zur Leistungsverstärkung verwendet wer-

Schaltung ist im wesentlichen die gleiche wie oben den. Sie enthält einen Multivibrator, der von den Im-

beschrieben. In der Schaltung gemäß Fig. 5 erfolgt 30 pulsreihen A und B des Modulators gesteuert wird,

die Zuführung des niederfrequenten Signals in Serie An Stelle eines Transformators mit einer Mittel-

zum Kondensator. Der Ausgangswiderstand ist mit anzapfung, an der die Spannung F₅ angelegt wird,

dem Schaltelement hintereinandergeschaltet. Die enthält die Schaltung Lautsprecher, welche unmittel-

Funktionsweise ist jedoch ähnlich der oben erläuter- bar in je einen der Strompfade 83 und 84 gelegt sind,

ten und soll nicht näher beschrieben werden. 35 Es können leichte Phasenunterschiede zwischen den

Die Leistungsendstufe für jeden der Modulatoren Lautsprechern auftreten, die jedoch bei vielen Tonist grundsätzlich ein Wandler für Gleichstrom in frequenzanwendungen nicht stören. Sollte jedoch Wechselstrom in Gestalt eines Multivibrators. Eine eine derartige Phasenabhängigkeit unerwünscht sein, Seite des bistabilen Multivibrators wird durch die so kann einer der Lautsprecher durch eine ohmsche Impulse der Impulsreihe A und die andere Seite 40 Last ersetzt werden, so daß nur ein einziger Lautdurch die Impulse der Impulsreihe B gesteuert. Sprecher verwendet wird. Der Vorteil besteht darin,

Der Multivibrator selbst enthält zwei identische daß keine Transformatoren oder schweren Teile in Schaltzweige 83 und 84. Der Schaltzweig 83 enthält der Schaltung erforderlich sind. Für eine Anwendung ein Schaltelement 86 und eine Diode 87, die in Serie dieser Art ist auch eine Konstruktion eines Lautzwischen Masse und der Mittelanzapfung des Trans- 45 Sprechers mit einer Mittelanzapfung denkbar,
formators, an dem die Spannungsversorgung erfolgt, In einem Ausführungsbeispiel wurde eine Schalliegen. Der Schaltzweig 84 enthält das Schaltelement tung von der in F i g. 3 dargestellten Art ausgeführt 88 und die Diode 89, welche in Serie zwischen und zum Antrieb einer Schaltung der in F i g. 2 geMasse und der Spannung F₄ liegen, die der Mittel- zeigten Art verwendet. In der ausgeführten Schalanzapfung des Transformators 81 zugeführt wird. 50 tung hatten die verschiedenen Bauteile folgende Die entsprechenden Anschlüsse der Schaltelemente Werte:
86 und 88 werden über einen Ladekondensator 91 Widerstand 43 10 kO

verbunden. Dem für das Schaltelement 86 und die Widerstand 47 470 kß

Diode 87 gemeinsamen Punkt werden über einen Widerstand 51 13 5 kQ

Kondensator92 die Impulse der ImpulsreiheA zu- 55 Widerstand52 50OkQ

geführt, während der für das Schaltelement 88 und Widerstand 54 3 5 kQ

für die Diode 89 gemeinsame Punkt die Impulse der Widerstand 59 470 kQ

Impulsreihe B über einen Kondensator 93 erhält. „ , _x ., " „„„ _

Werden an den für das Schaltelement 86 und die Kondensator 46 0,007 mF

Diode 87 gemeinsamen Punkt negative Impulse 16 60 Kondensator 48 0,0015 mF

angelegt, so verursachen diese ein Ansteigen der an Kondensator 58 0,003 mF

dem Schaltelement 86 anliegenden Spannung über Kondensatoren 92, 93 .... 100OmF

die Schaltspannung hinaus, wodurch dieser Schalt- Kondensator 91 0,035 mF

zweig relativ hohe Ströme leitet. Der durch das Als Schaltelemente fanden handelsübliche Vier-Schaltelement 88 fließende Strom wird unter den 65 schichtdioden und Halbleiterdioden Verwendung.
Haltewert erniedrigt und bewirkt damit ein Ausschal- Die beschriebene Schaltungsanordnung wurde so ten. Dieser Zustand wird bis zum Auftreten der Im- ausgelegt, daß die Impulsfrequenz des Modulators pulseB (Fig. 11) aufrechterhalten. Zu diesem Zeit- bei Abwesenheit eines niederfrequenten Signals am

Eingang etwa 40 kHz betrug. Für eine Batteriespannung von 21V wurde eine vollkommene Phasenmodulation erzielt.

Die Erfindung ermöglicht die Herstellung eines Niederfrequenzverstärkers, der zu einer linearen Funktionsweise bei relativ hoher Leistungsverstärkung befähigt ist und der sehr wenige Bauteile und eine gute Übertragungsqualität aufweist.

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Verstärken eines niederfrequenten Signals, das in Impulse umgewandelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Impulsreihen konstanter Impulsfrequenz gebildet werden, deren Phase zueinander proportional der Amplitude des niederfrequenten Signals ist, und daß das niederfrequente Signal durch Filterung der Impulsreihen unter Differenz- und Mittelwertbildung nach einer Leistungsverstärkung zurückerhalten wird. ao

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistungsverstärkung in einem bistabilen Multivibrator mit zwei Schaltzweigen erfolgt, die je ein bei einer bestimmten Schaltspannung einschaltendes Schaltelement aufweisen.

3. Schaltungsanordnung zur Durchführung eines Verfahrens nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Schaltzweig des Multivibrators ein mit einer Diode hintereinandergeschaltetes Schaltelement aufweist, daß die an die Schaltelemente angelegten Spannungen kleiner sind als deren Schaltspannungen, daß je eine der Impulsreihen an je eine der für die Schaltelemente und Dioden gemeinsamen Punkte erfolgt und daß die beiden Schaltzweige über eine Filteranordnung und einen Ladekondensator verbunden sind.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltkreise über die mit einer Mittelanzapfung versehene Primärwicklung eines als Filteranordnung wirkenden Transformators, dessen Sekundärwicklung von der Schwingspule eines Lautsprechers überbrückt wird, verbunden sind und daß die Spannungsversorgung der Schaltelemente über die Mittelanzapfung der Primärwicklung erfolgt.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltkreise über die hintereinandergeschalteten Schwingspulen zweier Lautsprecher verbunden sind und daß die Spannungsversorgung der Schaltelemente über den für die beiden Schwingspulen gemeinsamen Punkt erfolgt.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltkreise über eine mit einer Mittelanzapfung versehene Schwingspule eines Lautsprechers verbunden sind und daß die Spannungsversorgung der Schaltelemente über die Mittelanzapfung erfolgt.

7. Schaltungsanordnung nach Ansprüchen 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Schaltelemente Halbleiter-Schaltelemente, insbesondere Vierschichtdioden, verwendet werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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