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Überlastungssehutz fur die beiden Transistoren einer im B-Betrieb
arbeitenden, eisenlosen Gegentakt-Endstufe eines Niederfrequenzverstårkers Die Endstufe
von Niederfrequenzverstärkern mit Transistoren, z,B, von Rundfunkempfängern, wird
heute bekanntlich bei größeren Leistungen als eisenlose Gegentakt-Endstufe im Betrieb
ausgebildet, In Geräten, bei denen der Lautsprecher getrennt vom Verstärker ist
oder tautsprecherbuchsen vorgesehen sind, besteht die Möglichkeit, daß die Lautsprecherleitung
versehentllch kurzgeschlossen wird. Die dadurch auftretende Überlastung wird von
Röhren kurzzeitig vertragen, jedoch werden Transistoren durch die Überlastung zerstört.
Deshalb sind bekanntlich elektronische Sicherungen eingebaut worden. Es hat sich
aber gezeigt, daß die bekannten Sicherungen nicht genugend zuverlässig arbeiten,
so daß es trotz der eingebauten Sicherung erforderlich war, stärker belastbare und
damit entsprechend teurere Transistoren in der Endstufe zu verwenden. Die stärkere
Belastbarkeit bezieht sich auf die Verlustleistung, die wegen des B-Betriebes bei
großem Wechselstrom zu groß werden kann, oder auf den Spitzenstrom.
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Ein zu großer Wechselstrom tritt bei einem Kurzschluß der Laütsprechei:leitung
oder bei einem Lautsprecher mit zu kleinem Widerstand ßuf, weil der Wechselstrom
hauptsächlich von der Belastung und kaum von den Endtranslstoren abhängt. Eine-Zerstörung
der! Endtransistoren durch zu hohe Wechselspannungsspitsen
kann
niemals auftreten, weil die Endstufe eisenlos ist, also keinen Ausgangstransformator
enthält, so daß die Kollektorspannung eines jeden Transistors im Höchstfalle auf
den Wert der Betriebsspannung steigen kann.
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De-r Erfindung-liegt Aufgabe zugrunde, eine so zuverlässig arbeitende
elektronische Sicherung zu finden, daß die Endtransistoren nur für die im Betrieb
auftretende Belastung bemessen zu werden brauchen, jedoch nicht fur die erwähnten
Fälle des Kurzschlusses der Lautsprecherleitung oder der Anschaltung eines Lautsprechers
mit zia kleinem Widerstand. Nachfolgend sollen zunächst bekannte elektronische Sicherungen
und ihre Nachteile beschrieben werden.
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Bei einer bekannten, praktisch angewendeten elektronischen Sicherung
für den beschriebenen Zweck (Zeitschrift "Grundig Technische Informationent 1968,
Heft 3, Seite 422 und 423) wird eine dem Kollektorwichselstrom'der Transistoren
der Endstufe entsprechende Gleichspannung durch Gleichrichtung der Wechselspannung
am Emitterwiderstand des einen Transistors der Endstufe gewonnen. Diese Gleichspannung
wird im normalen Betrieb durch eine entgegengesetzt gerichtete, durch Gleichrichtung
der Kollektorwechselspannung gewonnene Gleichspannung kompensiert. Im erwähnten
Falle des Kurzschlusses der Lautsprecherleitung oder eines zu kleinen Lautsprecherwiderstandes
fällt die Kompensationsspannung fort oder wird kleiner, so daß die erstgenannte,
dem Kollektorwechsel strom proportiotale Gleichspannung überwiegt und einen Kondensator
aufladet und die Aussteuerung der Endstufe herabsetzt. Ist die Uraache der Gefahr
der Überlastung nach der Entladung des Kondensators noch nicht behoben, so spricht
dle elektronische Sicherung erneut an. Die zunächst umständlich erscheinende Schaltung
der Sicherung ist durch dadurch'begr'ündet, daß die Sicherung
nicht
in jedem Falle auf das Fehlen der Kollektorwechselspannung oder durch eine zu kleine
Kollektorwechselspannung ansprechen darf, weil diese Fälle nicht nur durch einen
Kurzschluß der Lautsprecherleitung bzw. durch einen zu kleinen Lautsprecherwiderstand
eintreten können, sondern auch dann, wenn kein Signal auf den Verstärker gegeben
wird. Ein solches Ansprechen muß aber vermieden werden, damit der Verstärker ohne
Zeitverzögerung betriebsbereit ist. Es ist also erforderlich, daß das Fehlen der
Kollektorwdchselspannung oder eine zu kleine Kollektorwechselspannung die Regelung
aufgrund des Kollektorwechselstromes auslöst0 Dadurch ist es aber wiederum erforderlich,
den erwähnten Kondensator zu verwenden, denn es muß eine Gleichspannung zur Regelung
gewonnen werden, weil der Kollektorwechselstrom und die Kollektorwechselspannung
nicht immer in Phase miteinander liegen (wegen der Blindkomponente des Lautsprechers
und wegen des bei sehr tiefen Frequenzen merklichen kapazitiven Widerstandes des
in Reihe zum Lautsprecher liegenden Kondensators). Der Kondensator verursacht aber
eine Zeitkonstante und damit eine zeitliche Ansprechverzögerung der elektronischen
Sicherung. Deshalb kann z.B.
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bei einem Kurzschluß der bautsprecherleitung kurzzeitig eine unzulässig
hohe Stromspitze auftreten (z.B. 30 A statt des normalen Stromes bis zu 5 A), der
zur Zerstörung der Transistoren führen kann. Diese elektronische Sicherung erfüllt
also wegen ihrer Trägheit nicht alle-Anforderungen.
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Eine andere, ebenfalls praktisch angewendete elektronische Sicherung
(Zeitschrift "Funk-Technik" 1968, Heft 17, Seite 656) bewirkt oberhalb eines Schwellenwertes
eine Begrenzung des Kollektorwechselstromes in jedem der beiden Endtransistoren.
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Zu diesem Zweck wird von den Widerständen im Emitter- bzw.
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Kollektorstromkreis der beiden Endtransistoren je eine Gleichund'Wechselspannung
entnommen und der Basis je eines
Hilfstransistors zugeführt, dessen
Kollektorspannung bei zu großem Kollektorwechselstrom der Endtransistoren die Basis
spannung des zugehörigen Endtransistors im Sinne der Verminderung des Kollektorwechselstromes
ohne nennenswerte Zeitkonstante herunterregelto Der Schwellenwert der Begrenzung,
ist dadurch gegeben, daß die Transistoren eine gewisse Anlaufspannung (0,7 V) an
deriBasis benötigten. Man bemißt also die erwähnten Widerstände/der Endstufe gerade
so, daß der Spannungsabfall an ihnen 0,7 V ubersteigt, wenn der Strom in den Endtransistoren
davzulässige Maß überschreitete Auch diese elektronische Sicherung hat sich als
unzureichend herausgestellt. Eine nähere Überlegung ergibt, daß die Ursache darin
liegt, daß trotz der begr,enzten Wechseistromes die Verlustleistung zu groß ist,
weil bei einem Kurzschluß der Lautsprecherleitung der Wechselspannungsabfall am
Lautsprecher wsgfållt und deshalb an jedem der beiden Endtransistoren der ganze
Wert der halben Betriebsspannung liegt, Man könnte diese Sicherung nicht etwa dadurch
wirksamer machen, daß man bereits bei einem kleineren Wechselstrom begrenzen läßt,
denn dann würde bereits im normalen Betrieb eine Begrenzung stattfinden, was zu
Verzerrungen führen würde. Diese elektronische Sicherung erfüllt also auch nicht
die gestellten Anforderungen, obwohl sie praktisch trägheitslos arbeitet.
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Die, Erfindung gibt dagegen eine elektronische Sicherung an, die sehnell'arbeitet
und trotzdem in jedem Falle ein Uberschreiten der, zulässigen Verlustleistung vermeidet.
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Die Erfindung bezieht sich, wie gesagt, auf einen Uberlastungsschutz
für die beiden Transistoren einer im B-Betrieb arbeitenden, eisenlosen Endstufe
eines Niederfrequenzverstärkers bei einem Kurzschluß der Lautsprecherleitung oder
bei zu kleinem Lautsprecherwderstand. Die Erfindung ist gekennzeichnet durch die
Anwendung der beiden oben beschriebenen, voneinander unabhängig arbeitenden elektronischen
Sicherungen:
a) Eine Schaltung zur Herunterreqelung der-Aussteuerung
durch Sperrung einer oder mehrerer Transistoren des Verstärkers, bei der eine dem
Kollektorwechselstrom der Transistoren der Endstufe entsprechende Gleichspannung
durch Gleichrichtung gewonnen wird, die einen Kondensator aufladet und die im normalen
Betrieb durch eine entgegengerichtete, durch Gleichrichtung der Kollektorwechselspannung
gewonnene Gleichspannung kompensiert ist und die im erwähnten Falle des Kurzschlusses
oder eines zu kleinen Lautsprecherwiderstandes wegen Fortfalls oder Verringerung
der Kompensationsspannung wirksam wird und die Aussteuerung der Endstufe herabsetzt.
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b) Eine Schaltung zur Begrenzung des Wechselstromes in den Transistoren
der Endstufe, bei der von den Emitter- bzw.
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Kollektorwiderständen der Endstufe je eine Wechselspannung entnommen
und der Basis je eines Hilfstransistors zugeführt wird, dessen Kollektorspannung
bei zu großem Kollektorwechset strom die Basisspannung des zugehörigen Transistors
der Endstufe im Sine einer Verminderung des Kollektorwechselstromes ohne nennenswerte
Zeitkonstante herunterregelt.
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Der Aufwand der erfindungsgemäßen doppelten Sicherung erscheint zunächst
hoch, jedoch lohnt sie sich trotzdem, weil, wie Versuche gezeigt haben, die Ersparnis
der Kosten für stärker belastbare Endtransistoren die Kosten der doppelten Sicherung
weit überwiegen.
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Weitere Verbesserungen bestehenin folgendem.
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Da bei der Sicherung a zur Vermeidung von Verlusten an Wechselstromleistung
die Emitterwiderstände nicht zu groß werden dürfen, kann man eine höhere Schaltspannung
dadurch erzielen, daß man die zur Gleichrichtung bestimmte Wechselspannung (entsprechend
dem Wechselstrom) dem Emitterwiderstand der in Kollektorschaltung
betriebenen
vorhergehenden Stufe, die galvanlsch mit dem zugevorigen Transistor der Endstufe
gekoppelt ist, entnimmt, Dadurch ist die Schaltspannung um die Basisanlaufspannung
des angekoppelten Endtransistörs höher.
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Um bei der elektronischen Sicherung a ein'schnelleres Schalten zu
erzielen, ist es zweckmäßig, diese Sicherung in an sich bekannter Weise (deutsche
Auslegeschrift 1 151 017) als monostabile Kippstufe aussubildens An Hand der als
Ausführungsbeispiel dienenden Zeichnung wird die Erfindung nachstehend näher erklärt.
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Der hier interessierende Teil des Niederfrequenzverstärkers beginnt
mit dem rauscharmen Eingangstranslstor 1. Es folgen mit galvanischer Ankopplung
der Treibertransistor 2, der Phasenwendetransistor 3 und die Endtransistoren 4 und
5, die auf den Lautsprecher 6 arbeiten. Die zugehörigen Emitter- und Kollektorwiderstände
sind zum Teil-nicht bezeichnet. Von der Diode 7 wird in bekannter Weise die Summe
der Basisvorspannungen für die Endtransistoren 4 und 5 entnommen.
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Die untere gestrichelte Umrahmung enthält die elektronische Sicherung
a und die obere gestrichelte Umrahmung die elektronische Sicherung b. Die Sicherung
a arbeitet folgendermaßen. Vom Widerstand 8 wird eine dem Kollektorwechselstrom
der Endstufe proportionale Wechselspannung entnommen und im Gleichrichter 9 gleichgerichtet
und dadurch eine positive Gleichspannung gebildet, die für sich allein den Kondensator
10 aufladen würde. Ferner wird die an der Lautsprecherleitung stehende Wechselspannung
mit den Gleichrichtern 11 und 12 gleichgerichtet und'dadurch eine negative Gleichspannung
gebildet, die für sich allein den Kondensator 10 negativ aufladen würde0 Im normalen
Betrieb sind beide Gleichspannungen vorhanden. Durch geeignete Bemessung des Widerstandes
13 kann man erreichen, daß sich die beiden Gleichspannungen gegeneinander aufheben
oder eine kleine negative
Gleichspannung ergeben. Bei einem Kurzschluß
der Lautsprecherleitung oder bei zu kleinem Lautsprecherwiderstand verschwindet
die der Wechselspannung am Lautsprecher entsprechende negative Gleichspannung bzw.
wird kleiner, so daß die Kompensation nicht mehr besteht und deshalb die vom Gleichrichter
9 gelieferte positive Gleichspannung den Kondensator 10 aufladen kann. Dadurch wird
der vorher gesperrte zusätzliche Transistor 14 leitend, wodurch wiederum der Eingangstransistor
1 gesperrt wird. Ferner wird der Treibertrahsistor 2 gesperrt, weil er keinen Basisstrom
mehr erhält. Der Signalweg ist also unterbrochen, so daß die Endtransistoren nicht
mehr ausgesteuert werden. Der Endtransistor 4 wird gleichzeitig leitend und der
Phasenwendetransistor 3 und der Endtransistor 5 werden nichtleitend. Keiner von
allen diesen Transistoren wird mit einer nennenswerten Verlustleistung belastet,
weil die Aussteuerung fehlt. Die Abschaltung der Aussteuerung geschieht nach erfolgter
Aufladung des Kondensators 10 sprunghaft, weil der Emitter des zusätzlichen Transistors
14 statt mit Erde mit dem emitterseitigen Ende des Widerstandes 15 verbunden ist,
so daß dadurch eine monostabile Kippstufe entsteht.
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Der vom zusätzlichen Transistor 14 gelieferte Emitterstrom erhöht
nämlich den Spannungsabfall am Emitterwiderstand 15, wodurch der Treibertransistor
2 schneller gesperrt wird. Wenn nun die Ladung des Kondensators 10 über die Basis
des zusätzlichen Transistors 14 abgebaut ist, kippt die Schaltung wieder in den
Ruhezustand um. Dann sind also Transistoren 1 und 2 wieder leitend und der Transistor
14 ist nichtleitend.
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Da diese Sicherung a, wie gesagt, wegen des unvermeidlichen Ladekondensators
10 zu träge ist, wird -erfindungsgemäß zusätzlich die an sich bekannte, schnell
arbeitende Sicherung b verwendet, die in bekannter Weise eine Strombegrenzung bewirkt.
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Zu diesem Zweck sind die beiden Hilfstransistoren 15 und 16 vorgesehen,
die an der Basis von den Wechselspannungen an den Widerständen 17 und 18 der Endtransistoren
4 und 5 gesteuert werden und kollektorseitig Basisvorspannungen für die Endtransistoren
4 und 5 liefern, die die ursprünglichen positiven Basis= '
vorspannungen
herabsetzen, sobald die Hilfstransistoren 15 und 16 ansprechen. Da dies oberhalb
von 0,7 V zutrifft, werden die Emitterwiderstände 17 und 18 so bemessen, daß der
Spannungsabfall an ihnen 0,7 V übersteigt, wenn der Wechselstrom in den Endtransistoren
4 und 5 das zulässige Maß übersteigt. Diese Sicherung b hat bei der vorliegenden
Erfindung den Zweck, bei einem Kurzschluß der Lautsprecherleitung oder bei zu niedrigem
Lautsprecherwiderstand einen unzulässig hohen Spitzenstrom, der selbst in ein bis
zwei Sekunden eine unzulässige Überhitzung der Endtransistoren 4 und 5 verursachen
würde, zu vermeiden, bis die träge Sicherung a angesprochen hat. Für den kurzen
Zeitraum von z.B! 1 bis 2 Sekunden reicht die Sicherung b aus, weil in dieser kurzen
Zeit der gedrosselte Spitzenstrom noch nicht zu einer übermäßigen Erwärmung und
damit Zerstörung der Endtransistoren führen kann. Dies würde erst bei einer längeren
Belastung geschehen.