DE2351676A1 - Tonfrequenzverstaerker mit konstantem stromverbrauch - Google Patents

Description

RCA 66,695 235(676

7629-73/Sch/Ba
GB-PA 52362/72
vom 13. November 1972

RCA Corporation, New York, N.Y. (V.St.A.)

Tonfrequenzverstärker mit konstantem Stromverbrauch

Die Erfindung bezieht sich auf einen Tonfrequenzverstärker mit praktisch konstantem Stromverbrauch und ist insbesondere dort mit Nutzen anwendbar, wo die Betriebsspannung für den Verstärker der Zeilenablenkschaltung eines Fernsehempfängers entnommen wird.

Die Verwendung der Zeilenablenkschaltung eines Fernsehempfängers als Spannungsquelle von HiIfsspannungen für andere Schaitungsteile des Empfängers ist bekannt und bietet insbesondere bei Färb- und Schwarzweißgeräten Vorteile, die keinen Netztransformator zur Erzeugung niedriger Spannungen verwenden.

Tonfrequenzverstärker verbrauchen eine beträchtliche Leistung, die von der Art des wiederzugebenden Tonsignals abhängig ist. Insbesondere dort, wo die Leistung zum Betrieb solcher Tonfrequenzschaltungen aus der Zeilenablenkschaltung des betreffenden Fernsehempfängers abgeleitet wird, ist zu erwarten, daß Schwankungen der Leistungsaufnahme der Tonfrequenzschaltungen die. für die Ablenkschaltung selbst zur Verfugung stehende Leistung beeinflussen. Bei derartigen Schaltungen können Schwankungen der vom Tonverstärker entnommenen Leistung Schwankungen .... ...... 409820/1Ö37

der für die Ablenkung zur Verfügung stehenden Leistung bewirken. Daraus ergeben sich dann Änderungen der Breite des von der Kathodenstrahlröhre wiedergegebenen Bildes.

Typische Lösungen des Problemes schwankender Leistungsentnahme, wie eine Zenerdiodenstabilisierung der Spannung für die Ablenkschaltung oder ein erhöhter Siebaufwand der Versorgungsspannung, komplizieren den Aufbau und erhöhen die Kosten des Empfängers und sind daher unzweckmäßig.

Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Vermeidung derartiger Nachteile. Sie wird durch die im Anspruch 1 angeführten Merkmale gelöst. So kann eine nach der Erfindung aufgebaute Schaltung einen Tonfrequenzverstärker mit praktisch konstantem Stromverbrauch enthalten, der aus einer Hilfsspannungsquelle versorgt wird, deren Spannung aus der Ablenkschaltung eines Fernsehempfängers abgeleitet wird. Der Verstärker hat zwei in Reihe zwischen die Klemmen der Hilfsspannungsquelle geschaltete Transistoren sowie einen als Last über den ersten Transistor geschalteten Lautsprecher. Ferner ist eine Vorspannungsschaltung vorgesehen, welche den zweiten Transistor derart vorspannt, daß der Verstärker einen praktisch konstanten Strom verbraucht, unabhängig von dem Pegel des Ausgangssignals. Die dem ersten Transistor zugeführten Tonfrequenzsignale bewirken entsprechende Spannungsänderungen an der Last.

Die Erfindung ist im folgenden anhand eines in der beiliegenden Zeichnung teilweise in Blockform dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Über einer Antenne 8 wird eine mit Fernsehsignalen modulierte Trägerwelle dem Empfänger zugeführt, der in üblicher Weise einen Empfangsteil 10, einen Zwischenfrequenzverstärker und Demodulator 20, einen Videoverstärker 30, Synchronisierschaltungen 50, eine B.ildablenkschaltung 60 und eine Zeilenablenkschaltung 70

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enthält, die an Sie Bildröhre 40 angeschlossen sind. (Im Falle eines Farbfernsehempfängers würde die Schaltung noch eine Farbsynchronisationsschaltung und die Farbsignalverarbeitungsschaltungen enthalten, die hier aber nicht dargestellt sind.)

Ein Ausgangssignal des ZF-Verstärkers und Demodulators 20 wird in üblicher Weise einem Ton-ZF-Verstärker und Demodulator 25 zugeführt, der ein demoduliertes Tonfrequenzsignal für die Tonwiedergabe liefert, das einem Vorverstärker 80 Zugeführt wird.

Der Vorverstärker 80 enthält Transistoren 84, 86, 89 und 91. Der Basis des Transistors 84 wird das demodulierte Tonsignal über einen Koppelkondensator 81 zugeführt. Der Emitter des Transistors 84 ist über einen Widerstand 85 an einen Bezugspotentialpunkt, beispielsweise Masse, angeschlossen. Der Kollektor des Transistors 84 ist direkt mit der Basis des Transistors 86 verbunden. Die zwischen die Spannungsquelle +V und Masse geschalteten Widerstände 82 und 83 liefern eine Vorspannung für den Transistor 84.

Die als Eingang geschaltete Basis des Transistors 86 wird durch die unmittelbare Verbindung mit dem Kollektor des Transistors 84 vorgespannt. Der Emitter des Transistors 86 liegt über einen Widerstand 87 an der Betriebsspannungsquelle +V. Sein Kollektor ist über einen Widerstand 88 an Masse angeschlossen.

Die Basis des Transistors 89 ist unmittelbar an den Verbindungspunkt des Kollektors des Transistors 86 mit dem Widerstand 88 angeschlossen und erhält von hier ihr Eingangssignal. Der Emitter des Transistors 89 liegt über einen Widerstand 90 am Verbindungspunkt des Emitters des Transistors 84 mit dem Widerstand 85. Der Kollektor des Transistors 89 ist direkt mit der Basis des Transistors 91 verbunden und liefert das Eingangssignal für diesen.

Der Kollektor des Transistors 91 liegt über einen Widerstand 93

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am Verbindungspunkt des Emitters des Transistors 89 mit dem Widerstand 90. Der Emitter des Transistors 91 liegt Ober einen Widerstand 92 an der Betriebsspannungsquelle. Der Verbindungspunkt des Kollektors des Transistors 91 mit dem Widerstand 93 ist unmittelbar mit einem Anschluß A gekoppelt, welcher das Ausgangssignal des Vorverstärkers 80 liefert.

Der Anschluß A ist wiederum direkt mit dem Tonfrequenzausgangsverstärker 100 gekoppelt. Der Verstärker 100 enthält Transistoren 1O1, 105 und 106. Der Kollektor des Eingangstransistors 1O1 liegt über einen Widerstand 102 an der Gleichspannungsquelle +V, deren Spannung in bekannter Weise aus der Zeilenablenkschaltung 70 abgeleitet wird (beispielsweise durch Gleichrichtung der Zeilenrücklaufimpulse). Der Emitter des Transistors 101 ist unmittelbar mit dem Kollektor des Transistors 105 und der Emitter des Transistors 105 ist unmittelbar mit Masse verbunden.

Vom Verbindungspunkt des Kollektors des Transistors 101 mit dem Widerstand 102 ist ein Kondensator 103 an eine Klemme eines Lautsprechers 104 geschaltet, dessen andere Klemme an den Verbindungspunkt des Emitters des Transistors 101 mit dem Kollektor des Transistors 105 geführt ist.

Die Vorspannung für den Transistor 105 wird durch den Transistor 106 geliefert, dessen Emitter an den Verbindungspunkt des Widerstandes 102 mit dem Kollektor des Transistors 101 angeschlossen ist. Zwischen den Kollektor des Transistors 106 und die Basis des Transistors 105 ist ferner ein Strombegrenzungswiderstand 107 geschaltet. Ferner liegt ein Widerstand 1O8 zwischen der Basis des Transistors 105 und Masse. Der Verbindungspunkt der Widerstände 107 und 108 ist unmittelbar an die Basis des Transistors 105 geschaltet. Die Basis des Transistors 106 ist direkt an den Verbindungspunkt des einen Endes des Widerstandes 111 mit der Kathode einer Diode 11O angeschlossen. Das andere Ende des Widerstandes 111 ist an Masse geführt. Die Anode der Diode 110 ist an die Kathode einer Diode 109 angeschlossen.

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Die Anode der Diode 109 "ist mit der Betriebsspannungsquelle +V verbunden. . ·

Im Betrieb wird das demodulierte Signal vom Ton-ZF-Verstärker und Demodulator 25 verstärkt über den Vorverstärker 80 dem Tonfrequenzverstärker 100 zugeführt. Der Vorverstärker 80 erhöht die dem Detektor 2O dargebotene Impedanz. Die Anzahl der Transistoren und ihre Verbindungen hängen im einzelnen von den jeweiligen Ansteuererfordernissen des Tonfrequenzverstärkers 100 ab.

Die hier beschriebenen Prinzipien können, soweit sie den Verstärker 100 betreffen, in geeigneter Form auch auf den Vorverstärker 80 angewandt werden= Eine zufriedenstellende Betriebsweise unter Anwendung dieser Prinzipien läßt sich erzielen, wenn man den Anschluß A des Tonfrequenzverstärkers 100 unmittelbar mit dem Koppelkondensator 81 verbindet. Alternativ kann auch eine einzige Vorverstärkerstufe untec .Anwendung dieser Prinzipien verwendet werden, indem man den Koppelkondensator 81 an die Basis des Transistors 91 als Eingang anschließt=

Der Tonfrequenzverstärker 100 arbeitet mit praktisch konstantem Strom in der folgenden Weise» Die Kollektor-Emitter-Strecken der Verstärkertransistoren 101 und 105, von denen der letztgenannte als Stromsenke dient, sind von Masse über einen Widerstand in' Reihe an die Spannungsquelle +V angeschlossen, deren Spannung aus der Zeilenablenkstufe gewonnen wird» Die Gleichspannung an der Basis des Transistors 1O1 wird über die vom Transistor 91 des Vorverstärkers gelieferte Vorspannung halb so groß wie die Betriebsspannung +V gewählt= Der Stromsenkentransistor 105 führt einen praktisch konstanten Strom X_Q, der mit Hilfe des Widerstandes 102 bestimmt wird, wie nachfolgend noch erläutert wird.

Der Transistor 1O6 erhält Einen Basisstrom über einen Widerstand 111 ο Die in Reihe geschalteten Dioden 109 und 110 stabilisieren die Basisspannung des Transistors 106 auf einen Wert, der um die Summe' der Durchlaßspannungsabfälle der Dioden (2Vj₃₆) unter der

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Betriebsspannung +V liegt. Wenn der Transistor 106 und die Dioden 110 und 109 durch gleiche Bauelemente gebildet werden, dann ist der Spannungsabfall an der Diode 110 praktisch gleich dem Basis-Emitter-Spannungsabfall des Transistors 106. Der Spannungsabfall am Widerstand 102 ist daher gleich dem Spannungsabfall an der Diode 109. Der Strom I_Q wird durch den Spannungsabfall an der Diode 109 geteilt durch den Wert des Widerstandes 102 bestimmt. Der Kollektor des Transistors 106 stellt eine Stromquelle da, die den Basisstrom für den Transistor 105 über den Widerstand 107 liefert. Der Widerstand 107 begrenzt den Kollektorstrom des Transistors 106, und der Widerstand 108 stellt eine niederohmige Impedanz zwischen der Basis des Transistors 105 und Masse dar.

Kenn keine Tonfrequenzsignale zugeführt werden, rlann teilt sich der den Transistor 102 durchfließende Strom in zwei Teilströme auf, deren erster als HauptStromanteil durch die Kollektor-Emitter-Strecken der Transistoren 101 und 105 nach Masse fließt und deren zweiter Strornanteil durch die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors 106 und die Basis-Emitter-Strecke des Transistors 105 nach Masse fließt. Der letztgenannte Stromanteil ist ■ vernachlässigbar, da seine Größe nur X_Q geteilt durch den Wert h„_r, des Transistors 105 ist =

Der durch den Widerstand 1Ο2 und die Kollektor-Emitter-Strecken der Transistoren 101 und 105 nach Masse fließende Strom wird am Widerstand 102 abgefühlt und infolge des Strorapfades durch den Transistor 106 praktisch konstant gehalten» Ein Ansteigen des Stromes I_n führt zu einer Vergrößerung des Spannungsabfalls am Widerstand 102, der wiederum einen verringerten Stromfluß durch den Transistor 106 in die Basis des Transistors 1Ο5 verursacht, so daß seinerseits der Strom I wieder verringert wird. Wenn andererseits der Spannungsabfall am Widerstand 102 infolge einer Verringerung des Stromes I absinkt, dann verringert sich auch der Steuerstrom zur Basis des Transistors 105. Eine solche Änderung des Stromes I_Q drückt sich im Spannungsabfall am Wider-

409 ^c 2 Ί / 1 -Ί 3 7

stand 102 aus und wird durch eine entsprechende Steuerstromnnderung an der Basis des Stromsenkentransistors 105 kompensiert.

Nimmt man an, daß der Lautsprecher 104 nicht an die Schaltung angeschlossen ist und vernachlässigt man den Strom im Transistor 106, dann fließt der Strom I von der Betriebsspannungsquelle +V durch die Kollektor-Emitter-Strecken der Transistoren 101 und 105 nach Masse, und zwar unabhängig von der Basisspannung des Transistors 101. Wenn der Lautsprecher 104 an den Transistor 101 angeschlossen wird und ein Tonfrequenzsignal der Basis des Transistors 101 zugeführt wird, dann wird der praktisch konstante Gleichstrom I_ in zwei Wechselstromkomponenten i.. durch den Kondensator 103 und den Lautsprecher 104 einerseits und den Anteil (I - i.) durch den Transistor 101 aufgeteilt. Diese Wechselstromkoraponenten addieren sich am Kollektor des Stromsenkentransistors 105 su einem Strom <I_ - i..} + i. = I_. Somit ist ersichtlich, daß der Strom durch den Transistor 105 unabhängig vom Strom i.. gleich I_Q ist.

Der Strom I_Q wird durch den Strom i., nicht moduliert, weil der den Transistor 105 durchfließende Strom infolge des Widerstandes 102, der Dioden 109 und 110 und des Transistors 106 auf einem praktisch festen Wert gehalten wird, der unabhängig von dem dem Transistor 101 zugeführten Tonfrequenzsignal ist. Der den Transistor 101 durchfließende Strom ändert 'sich zwischen 0 und 2I_Q (wenn -i^ = I- ist), und daher kann der den Lautsprecher 104 durchfließende Signalstrom zwischen+I- und -I_Q mit der Tonfrequenz schwanken.

Der Verstärker 100 kann einen maximalen Signalstrom I_ von Spitze zu Spitze gerechnet erzeugen, der unabhängig von der Impedanz des Lautsprechers 104 und der Betriebsspannung +V ist (wenn diese Spannung nicht kleiner als die Summe des Spannungsabfalls am Widerstand 102 und der Sättigungsspannungen der Transistoren 101 und 105 ist. Diese Minimalspannung liegt bei etwa

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1,5 Volt). Um einen maximalen Wirkungsgrad bei einem gegebenen Wert der Betriebsspannung +V zu erhalten stimmt man den Wert I und die Impedanz des Lautsprechers 104 - unter der Voraussetzung eines genügend großen Wertes des Kondensators 103 - vorzugsweise aufeinander ab, daß bei einem maximalen Signalstrom (I von Spitze zu Spitze gemessen) die maximale Signalspitzenspannung an den Transistoren 1O1 bzw. 1O5 auftritt. Die maximal zur Verfügung stehende Signalspitzenspannung ist +V minus der Summe der Kollektor-Emitter-Sättigungsspannungen der Transistoren TOT und 1O5 und des Spannungsabfalls am Widerstand 1O2. Auf diese Weise beträgt die maximale Signalspitzenamplitude +V minus etwa 1,5 V .

SS '

Der konstante Strom I_ wird am Widerstand 1O2 abgefühlt und mit Hilfe des Transistors 106 und der Dioden 109 und 110 konstant gehalten. Die thermische Stabilität des Stromes I_Q wird durch die Dioden 109 und 110 im Basiskreis des Transistors 106 gewährleistet. Eine Umgebungstemperaturerhöhung hat eine Verringerung der Basis-Emitter-Spannung des Transistors 106 zur H±ge, die den Strom I" vergrößert. Da der Durchlaßspannungsabfall, beispielsweise einer Siliziumdiode, mit der Temperatur in etwa demselben Maße schwankt wie die Emitter-Basis-Spannung eines Siliziumtransistors, kompensiert die Diode 110 temperaturbedingte Basis-Emitter-Spannungsänderungen des Transistors 106, und die andere Diode 1O9 bedingt einen negativen Temperaturkoeffizient von I_ von etwa 2 Promille pro ⁰C. Betrachtet man den Widerstand 102 als temperaturunabhängig, dann erniedrigt sich I_ leicht mit ansteigender Umgebungstemperatur, während I_Q mit abnehmender Umgebungstemperatur leicht ansteigt. Ein solcher negativer Temperaturkoeffizient von I_Q ist für den Betrieb der Transistoren 101 und 105 erwünscht.

Es .kann jedoch noch eine weitere Verbesserung der Stabilität der Gesamtstromaufnahme erreicht werden, wenn man die BaaLsyprspannung des Transistors 1O1 in der in der Figur, dargestellten Weise ableitet, wo ein sich verändernder Basis-Steuerstrom des

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Transistors 101 ebenfalls über den Widerstand 102 abgeleitet

wird. . -

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die folgenden Bauelemente verwendet worden:

Transistoren 84	Lautsprecher	BC	147	roooa	NPN	2OO	W	mA	Allzweck
86	+V	BC	557	,700 Ω	PNP	2OO	W	mA	Allzweck
89	BC	147	rOOOQ	NPN	200	W	mA	Allzweck
91	BC	557	10OQ	PNP	200	W	mA	Allzweck
101	BC	241	,000 a	NPN	3	W	A
105	BC	241	fooo a	NPN	3	W	A
1O6	BC	557	ίο a	PNP	200	W	mA	Allzweck
Dioden 1O9	BAX 13	loo a	(IN914)	W ·
11O	BAX 13	ι a	(IN914)	W
Widerstände 82	6S1	330 a .	1/2	W
83	4,	500 a	1/2	W
85	1,	200 a	1/2	W
87		5 0yuF	1/2	V
88	1,	W OOO.UF	1/2	V
9O	15,	8a	1/2
92		15 V	1/2
93		1/2
1O2		1
107		1/2
1O8	1,	1/2
111	2,	1/2
Kondensatoren 81		15
103	1,	16

Ein weiterer Vorteil des dargestellten Tonfrequenzverstärkers liegt in seiner Kurzschlußfestigkeit. Im Falle eines Kurzschlusses an den Lautsprecherklemmen kann der maximale Strom nur den

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Wert I₀ erreichen, so daß auch dann die Leistungsaufnahme konstant bleibt.

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Claims (8)

1. ::■■:.■ 23$ 1876

   -11-■^? -■"--■ ρ a t ent an s ρ r fl c h e

   Π )y Verstärker mit konstanter Stromaufnahme, aus einer Be-* triebsspannungsquelle, die eine erste und eine zweite Klemme aufweist, zwischen die mindestens ein erster und ein zweiter Transistor mit ihren Hauptsfcromstrecken in Reihe geschaltet sind, ferner mit einer Signalquelle und mit einer Last* dadurchge kennzeichnet, daß die Last (103, 1Ο4) parallel zur Hauptstromstrecke des ersten Transistors (1Ql) geschaltet ist, daß der zweite Transistor (105)aus einer Vorspannungsquelle (106-110) für einen konstanten Stromfluß vorgespannt ist, daß die Signalquelle an den ersten Transistor (101) derart angekoppelt ist, daß der den ersten Transistor durchfließende Strom sich entsprechend dem Eingangssignal ver-^ ändert und in der Last (103,104) entsprechend diesen Änderungen gleiche und entgegengesetzte Stromänderungen erzeugt«
2. 2) Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Last (103,104) in Wechselspannungskopplung (Kondensatsor 1Ο3) an den ersten Transistor (101) angekoppelt ist.
3. 3) Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalquelle Tonfrequenzsignale liefert und daß 4 i.e. Last einen Kondensator (103)in Reihe mit einem Lautsprecher (104) umfaßt. · '
4. 4) Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorspannungsschaltung eine an die Steuerelektrode des zweiten Transistors (105) angeschlossene Gleichspannungsquelle umfaßt, welche im zweiten Transistor einen konstanten Stromfluß erzeugt.

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   " -12-
5. 5} Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorspannungsschaltung eine Gleichstromimpedanz (102) aufweist, die in Reihe zwischen die erste Klemme der Betriebsspannungsguelle +V und den ersten Transietor (101) geschaltet ist, daß ein dritter Transistor (106) mit seiner Hauptstromstrecke zwischen den Verbindungspunkt der Impedanz (1O2) mit dem ersten Transistor (101) und mindestens'einen Widerstand (1O8) geschaltet ist, der an die zweite Klemme der.Spannungsquelle angeschlossen ist, daß der zweite Transistor (105) mit seiner Steuerelektrode an die Hauptstromstrecke des dritten Transistors (106) angeschlossen ist, und daß der dritte Transistor mit seiner Steuerelektrode an einen Bezugspotentialpunkt angeschlossen ist, so daß der dritte Transistor die Vorspannung für den zweiten Transistor (105) zur Aufrechterhaltung des konstanten Stromes verändert.
6. 6) Verstärker nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die erste Klemme der Betriebsspannungsguelle (+V) und den Bezugspotentialpunkt eine temperaturempfindliche Schaltung (109,110) geschaltet ist.
7. 7) Verstärker nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die temperaturempfindliche Schaltung mindestens einen Halbleiterübergang (110) enthält.
8. 8) Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er in einer Fernsehempfängerschaltung enthalten ist und an eine Hilfsspannungsguelle angeschlossen ist, deren Spannung aus einer Ablenkschaltung des Fernsehempfängers abgeleitet wird.

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