DE1199820B - Verfahren und Schaltungsanordnung zum Verstaerken eines niederfrequenten Signals - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

H03f

Deutsche Kl.: 21 a2-18/08

Nummer: 1199 820

Aktenzeichen: J 21337 VIII a/21 a2

Anmeldetag: 22. Februar 1962

Auslegetag: 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 Halbleiterschaltelemente, 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_H erniedrigt wird.

Es ist bereits ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zum Verstärken eines niederfrequenten Signals bekannt, das in Impulse umgewandelt wird. Bei diesem Verfahren werden durch Vergleich der zu verstärkenden Spannung mit einer Hilfswechselspannung periodisch wiederkehrende Steuerimpulse erzeugt, mit deren Hilfe Augenblickswerte einer zweiten Hilfswechselspannung getastet werden. Dabei ergibt sich eine Impulsreihe, die proportional der Amplitude des zu verstärkenden niederfrequenten Signals ist und die zur Rückgewinnung des niederfrequenten Signals und zur Mittelwertbildung einer Filteranordnung zugeführt wird. Zur Verwirklichung dieses bekannten Verfahrens ist eine relative aufwendige Schaltungsanordnung erforderlich, zumal noch die Erzeugung einer Hilfswechselspannung notwendig ist.

Das vorliegende Verfahren unterscheidet sich von dem bekannten Verfahren in vorteilhafter Weise erfindungsgemäß dadurch, daß die Impulsdauer der Impulse einer ersten Impulsreihe von Impulsen mit konstantem zeitlichem Abstand zwischen den Impulsen und der zeitliche Abstand zwischen den Impulsen einer zweiten Impulsreihe mit Impulsen gleicher Impulsdauer proportional der Amplitude des niederfrequenten Signals moduliert wird, so daß die Differenz der Impulsreihen proportional der Ampli-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)

tude des niederfrequenten Signals ist, und daß das niederfrequente Signal durch Filterung der Impulsreihen unter Differenz- und Mittelwertbildung nach einer Leistungsverstärkung zurückerhalten wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine Schaltungsanordnung äußerst einfachen Aufbaues, wobei ein monostabiler Multivibrator mit Halbleiterschaltelementen der oben beschriebenen Art, insbesondere mit Vierschichtdioden, verwendet wird.

Zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung wird vorzugsweise so vorgegangen, daß zunächst eine Impulsreihe gebildet wird, deren mittlere Impulsfrequenz proportional der Amplitude des niederfrequenten Signals moduliert wird. Die Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung enthält somit einen Modulator mit einem Ausgang, welcher eine bezüglich der Impulsfrequenz modulierte Impulsreihe bildet. Die Impulse werden einem monostabilen Multivibrator zur Leistungsverstärkung zugeführt, welcher zwei jeweils ein Schaltelement enthaltende Schaltzweige aufweist und entsprechend den modulierten Impulsen des Modulators schaltet. Die beiden je ein Schaltelement enthaltenden Schaltzweige 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 Niederfrequenzverstärkers mit einem Modulator

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und einem monostabilen Multivibrator zur Durch- befindet. Das Element schaltet deshalb augenblick-

führung des Verfahrens nach der Erfindung; lieh in den Schaltzustand eines hohen Innenwider-

F i g. 2 zeigt die Schaltung eines Modulators, der Standes zurück.

zur Verwendung in der Schaltungsanordnung nach Im Betrieb verursacht die Spannung einen Strom-

F i g. 1 geeignet ist; 5 fluß durch den Widerstand 17 zur Aufladung des

F i g. 3 zeigt eine andere Schaltung eines Modu- Kondensators 18. Beim Aufladevorgang des Konden-

lators, der zur Verwendung in der Schaltungsanord- sators gegen die Spannung V wird eine Spannung

nung nach F i g. 1 geeignet ist; oberhalb der Abbruchspannung V_B des Schaltele-

F i g. 4 zeigt eine weitere Schaltung eines Modu- mentes 16 erreicht, bei der das Element in den

lators, der zur Verwendung in der Schaltungsanord- io Schaltzustand eines niedrigen Innenwiderstandes

nung nach F i g. 1 geeignet ist; schaltet und ein Strom durch den Widerstand 19

F i g. 5 zeigt das Ausgangssignal von Modulatoren fließt, der an diesem eine Spannung abfallen läßt,

der in den F i g. 2, 3 und 4 gezeigten Art; welche in Form eines Impulses an dem Anschluß 21

F i g. 6 veranschaulicht den Stromfluß in einem erscheint. Der Kondensator entlädt sich über das Schaltzweig des monostabilen Multivibrators nach 15 Schaltelement 16, so daß dem durch den Wider-

F i g. 1 in bezug auf die in F i g. 5 dargestellten stand 17 fließenden Strom ein weiterer Anteil hinzu-

Impulse; gefügt wird und der Gesamtstrom somit größer ist

F i g. 7 veranschaulicht den Stromfluß in dem an- als der Haltestrom. Während des Entladevorganges

deren Schaltzweig des monostabilen Multivibrators des Kondensators fällt der Strom unter den Wert des

nach F i g. 1 in bezug auf die in F i g. 5 dargestellten 20 Haltestromes ab. Dadurch kehrt das Schaltelement

Impulse; " in den Zustand eines hohen Innenwiderstandes zu-

F i g. 8 veranschaulicht das niederfrequente Signal, rück. Der Kondensator lädt sich wieder auf, und der

welches aus den in den F i g. 6 und 7 gezeigten Im- Vorgang beginnt von neuem. Die Impulsfrequenz

pulsreihen zurückgewonnen wurde. hängt in erster Linie von der durch den Widerstand

Die Fig. 1 stellt die Schaltung 11 eines mono- 25 und den Kondensator 18 gegebenen Zeitkonstante ab.

stabilen Multivibrators dar, welcher über den Kon- Gemäß Fig. 2 wird die Spannung des zu ver-

densatorH mit dem Modulator 13 gekoppelt ist. stärkenden niederfrequenten Signals dem Konden-

Zur Erzeugung einer frequenzmodulierten Impuls- sator 18 zugeführt, der am Kondensator anliegenden

reihe ist als Modulator 13 ein solcher geeignet, des- Spannung überlagert und damit die Impulsfrequenz

sen mittlere Impulsfrequenz durch ein niederfre- 30 dem niederfrequenten Signal entsprechend geändert,

quentes Signal moduliert werden kann. Die Schaltung gemäß Fig. 3 ist der in Fig. 2 ge-

Die Fig. 2, 3 und 4 zeigen geeignete Modulatoren zeigten ähnlich, jedoch mit einem unwesentlichen 13. Die Modulatoren enthalten vorzugsweise Halb- Unterschied bezüglich der Anordnung der Kompoleiterschaltelemente 16, die mit einem den Strom nenten. Die Funktionsweise ist jedoch die gleiche begrenzenden Widerstand 17 in Serie geschaltet wer- 35 ^{und so11} nicht weiter beschrieben werden. F i g. 4 den. Parallel zum Schaltelement 16 liegt ein Kon- zeigt eine ähnliche Anordnung. Das niederfrequente densator 18. Diese Grundschaltung stellt im allge- Signal wird lediglich an einem anderen Punkt zugemeinen einen Impulsgenerator dar. Zur Bildung von führt. Auf die Funktionsweise soll jedoch nicht näher frequenzmodulierten Ausgangsimpulsen, die am eingegangen werden.

Anschluß 21 abgenommen werden, ist ein Lastwider- 40 Die F i g. 5 veranschaulicht eine frequenzmodu-

stand 19 vorgesehen. lierte Impulsreihe, wie sie am Anschluß 21 der in

Zur Verwendung in derartigen Impulsgeneratoren den Fig. 2, 3 und 4 dargestellten Impulsgeneratoren sind solche Schaltelemente im allgemeinen geeignet, bzw. Modulatoren vorhanden ist.
bei denen der durch das Element fließende Strom Die Leistungsverstärkerstufe nach F i g. 1 besteht relativ klein ist, wenn das Element sich in dem 45 aus einem Multivibrator 11 mit den beiden Schaltstabilen Schaltzustand eines hohen Innenwiderstan- elementen 26 und 27 in dessen beiden Schaltzweides befindet. In diesem Schaltzustand kann das gen. Ein Anschluß eines jeden Elementes wird mit Schaltelement einen Innenwiderstand in der Größen- den beiden Enden der Primärwicklung 28 eines mit Ordnung von 10 ΜΩ oder mehr aufweisen. Wird die einer Mittelanzapfung versehenen Transformators am Schaltelement anliegende Spannung erhöht, so 50 verbunden. An die Mittelanzapfung wird die Spanwird schließlich eine Spannung V_B erreicht, bei der nung V₁ einer Spannungsquelle angelegt. Die Schaltdas Schaltelement unstabil wird und sogleich in den elemente werden so ausgesucht, daß die Span-Schaltzustand eines niedrigen Innenwiderstandes nung V₁ größer ist als die Abbruchspannung V_B des schaltet. In diesem Schaltzustand beträgt der Innen- Elementes 27 und kleiner ist als die Abbruchspanwiderstand etwa 5 Ω oder weniger. Das Element ver- 55 nung V_B des Elementes 26. Das Schaltelement 26 bleibt in diesem Schaltzustand, bis der Strom unter wird mit einer Diode 29 in Reihe geschaltet. Dem den Haltestrom l_a abgesenkt wird und es in den für das Schaltelement 26 und die Diode 29 gemein-Schaltzustand eines hohen Innenwiderstandes schal- samen Punkt werden über eine Kapazität die modutet, in dem ein niedriger Strom fließt. lierten Impulse zugeführt. Die sich entsprechenden

Gemäß F i g. 2 wird der aus dem Widerstand 17, 60 Anschlüsse der Elemente 26 und 27 werden über dem Schaltzustand 16 und dem Widerstand 19 be- einen Ladekondensator 30 verbunden. An die Sestehenden Reihenschaltung eine Spannung V züge- kundärwicklung 31 des Transformators wird eine geführt. Die Spannung wird größer als die Schalt- eignete Last, beispielsweise die Spule 32 des Lautspannung V_B des Schaltelementes 16 gewählt. Der Sprechers 33, angeschlossen.

Widerstand 17 wird so bemessen, daß der durch das 65 Die Funktionsweise des monostabilen Multivi-

Schaltelement fließende Strom auf einen Wert unter- brators 11 ist im wesentlichen folgende:

halb des Haltestromes I_n begrenzt ist, wenn dieses Im Ruhezustand reicht die Spannung V aus, um

sich im Zustand eines niedrigen Innenwiderstandes das Schaltelement 27 im Schaltzustand eines niedri-

gen Innenwiderstandes zu halten/Dabei fließen hohe Ströme von der Mittelanzapfung durch das Element nach Masse. Diese Ströme werden über den Transformator auf die angeschlossene Last übertragen. Das Schaltelement 26 weist eine höhere Abbruchspannung auf, wodurch dieser Strompfad hochohmig ist. Wird ein negativer Spannungsimpuls an den Kondensator 12 angelegt, so wächst die am Schaltelement 26 abfallende Spannung auf einen oberhalb der Abbruchspannung liegenden Wert an, wodurch das Schaltelement in den Zustand eines niedrigen Innenwiderstandes umgeschaltet wird. Der entsprechende Anschluß des Kondensators 30 wird dadurch praktisch mit Masse verbunden. Der durch das Schaltelement 27 fließende Strom wird von der Batterie V₁ und dem Kondensator geliefert. Der von der Batterie gelieferte Strom wird von der in die Primärwicklung des Übertragers transformierten Last begrenzt. Darauf lädt sich der Kondensator gegen die Schaltspannung des Schaltelementes 27 um. Das Schaltelement 27 schaltet ein, wodurch der Kondensator praktisch geerdet wird. Das Schaltelement 26 schaltet in der gleichen Weise aus, wie bereits beim Einschalten des Schaltelementes 26 und Ausschalten des Schaltelementes 27 beschrieben wurde. Der Kondensator 30 lädt sich wieder auf die Hälfte der ursprünglichen Spannung, unterhalb der Abbruchspannung des Elementes 26, auf. Zeitlich hängt dieser Vorgang von der Größe des Kondensators 30 und der über den Überträger in den Stromkreis transformierten Last ab. Danach verbleibt die Schaltung so lange in ihrem Gleichgewichtszustand, in dem das Schaltelement 27 leitend und 26 ausgeschaltet ist, bis die Schaltung auf Grund eines weiteren Impulses einen weiteren Zyklus durchführt.

Diese Schaltfunktionen werden in den F i g. 6 und 7 veranschaulicht, wobei die F i g. 6 den Stromfluß durch das Schaltelement zeigt. Die beiden Leitungszweige werden im Gegentakt über die Primärwicklung des Ausgangstransformators verbunden. Die Filterwirkung des Lautsprechers veranschaulicht die F i g. 8, wobei das niederfrequente Signal zurückgewonnen wird.

Die Mittelwertsbildung kann auch durch eine andere geeignete Filteranordnung erreicht werden.

Es ist zu bemerken, daß die mittlere Impulsfrequenz des Modulators wesentlich oberhalb der höchsten Frequenz des niederfrequenten Signals gewählt werden muß.

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 (8)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Verstärken eines niederfrequenten Signals, das in Impulse umgewandelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulsdauer der Impulse einer ersten Impulsreihe von Impulsen mit konstantem zeitlichem Abstand zwischen den Impulsen und der zeitliche Abstand zwischen den Impulsen einer zweiten Impulsreihe mit Impulsen gleicher Impulsdauer proportional der Amplitude des niederfrequenten Signals moduliert wird, so daß die Differenz der Impulsreihen 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.

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

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Impulsreihe mit proportional der Amplitude des niederfrequenten Signals modulierter Impulsfrequenz gebildet wird, deren Einzelimpulse die Impulsdauer der Einzelimpulse der ersten Impulsreihe unterbricht und das Ende des zeitlichen Abstandes zwischen zwei Einzelimpulsen gleicher Impulsdauer der zweiten Impulsreihe bestimmt.

4. Schaltungsanordnung zur Durchführung eines Verfahrens nach Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schaltzweig des Multivibrators ein mit einer Diode hintereinandergeschaltetes Schaltelement aufweist, daß die an die Schaltelemente angelegte Spannung größer ist als die Schaltspannung des nicht mit einer Diode hintereinandergeschalteten Schaltelementes und kleiner als die Schaltspannung des mit der Diode hintereinandergeschalteten Schaltelementes, daß die Steuerung des Multivibrators an dem für das Schaltelement und Diode gemeinsamen Punkt erfolgt und daß die beiden Schaltzweige über eine Filteranordnung und einen Ladekondensator verbunden sind.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltzweige 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.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, 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.

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, 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.

8. Schaltungsanordnung nach Ansprüchen 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Schaltelemente Halbleiterschaltelemente, insbesondere Vierschichtendioden, verwendet werden.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschrift Nr. 1 058 558.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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