DE3536306A1

DE3536306A1 - Elektronischer strom-konstant-verstaerker

Info

Publication number: DE3536306A1
Application number: DE19853536306
Authority: DE
Inventors: Dieter Flemm
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1985-10-11
Filing date: 1985-10-11
Publication date: 1987-04-16

Description

Gattung des Anmeldungsgegenstandes

Die Erfindung betrifft einen Strom-Konstant-Verstärker nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Angaben zur Gattung

Der Elektronische Strom-Konstant-Verstärker soll einerseits die akustische Wiedergabe eines gegebenen Lautsprechers verbessern, andererseits von einem technischen Laien bedienbar sein um sicherzustellen, daß bei falscher Bedienung weder Verstärker noch Lautsprecher zerstört werden.

Desweiteren schützt sich der Strom-Konstant-Verstärker selbst gegen elektrische Kurzschlüsse an seinem Ausgang. (Übertragungsleitungen zum Lautsprecher, gegen einen defekten Lautsprecher selbst, sowie gegen die bisher bekannte Schwingneigung, welche entsteht bei dem Versuch zur Verbesserung der Lautsprecherwiedergabe den Lautsprecher durch Mitkopplung in das Verstärkungssystem mit einzubeziehen.

Stand der Technik mit Fundstellen

Es ist bekannt, daß zur Erfüllung einer befriedigenden Lautsprecherwiedergabe einem gegebenen Lautsprecher eingebaut in ein Gehäuse, diesem Gehäuse ein vom Lautsprecherhersteller vorgegebener Wert zum Volumen des Gehäuses zuzuordnen ist.

Damit es bei wesentlich kleineren Gehäusen bei gleichem Lautsprechertyp zu gleicher Wiedergabequalität kommt, reichen mechanische Maßnahmen nicht aus. Um insbesondere bei tiefsten abzustrahlenden Frequenzen ausreichende Qualität zu erreichen, ist es ferner bekannt, mit elektronischen Mitteln eine ausreichende Tieftonwiedergabe zu erreichen.

Fundstellen

(Zeitschrift Elektor Sept. '73, Heft 9/73 Seiten 16-21)
(Zeitschrift Elektor Dez. '72, Heft 12/72 Seiten 1224-1227)
(Zeitschrift Elektor März '73, Heft 3/73 Seiten 44-48)
(Prof. H. H. Klinger RPB electronik Taschenbuch 105, Seiten 29-30/Seite 100/Seiten 126-127.
Als Kopien diesem Antrag beigefügt.

Kritik des Standes der Technik

Bekannt ist, daß die Lautsprecherimpedanz über den hörbaren Frequenzbereich nicht linear ist. Elektronische Verstärker werden auf hervorragende elektrische Eigenschaften hin gezüchtet. Dem angeschlossenen Lautsprecher wird ein äußerst sauberes Signal eingespeist. Das bei diesem Vorgang frequenzabhängige Impedanzverhalten der Lautsprecherspule wird von herkömmlichen Verstärkern nicht berücksichtigt. Die Abfrage des Verstärkers bezüglich der richtigen Signalform erfolgt vom Ausgang des Verstärkers über Rückkopplung zu den davorliegenden vergleichenden Stufen. Der Lautsprecher selbst ist an dieser Rückkopplung oder Rückmeldung nicht beteiligt. Als geschlossener Regelkreis ist der Verstärker anzusehen, nicht aber Verstärker und Lautsprecher.

Vereinzelt werden Systeme diskutiert (siehe Fundstellen), welche den Lautsprecher selbst in die Rückkopplung mit einbeziehen, jedoch damit nicht alleinig den Rückkopplungsfaktor und damit die Gesamtverstärkung bestimmen. Diese elektronischen Verfahren haben darüberhinaus den weiteren großen Nachteil der Instabilität bedingt durch äußerste Schwingfreudigkeit. Bei Einsatz der Schwingungen werden im ungünstigsten Fall Verstärker oder Lautsprecher zerstört, oder sogar beides. Als weiterer Nachteil muß der äußerst genaue Abgleich dieser Systeme angesehen werden. An ein abgeglichenes System dürfen keine zusätzlichen Lautsprecher angeschlossen werden. (Erhöhung der Schwingneigung). Selbst ein Verkürzen oder Verlängern der Lautsprecherleitungen erfordert einen erneuten Abgleich des Systems, welcher von einem Laien nicht durchzuführen ist.

Aufgabe

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Schwingspule des Lautsprechers als alleinige Größe für die Rückkopplung und damit Gesamtverstärkung heranzuziehen. Weiterhin sind alle Störeinflüsse wie Schwingneigung, bedingt durch Fehlbedienung, Hinzuschalten mehrerer Lautsprecher als Störeinfluß zu erhöhter Schwingneigung, sowie Zerstörung des Verstärkers und/oder Lautsprechers bedingt durch eingetretene Schwingneigung oder Kurzschlüsse an Lautsprecher Kabel oder Lautsprecher selbst zu verhindern.

Lösung

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen elektronischen Strom-Konstant-Verstärker gelöst. Nachfolgende Abbildung sollen das deutlich machen. (Abb.1a/1b)

Bisherige herkömmliche Verstärker

Rückkopplung erfolgt hier vom Ausgang über R ₂ zum Invertierenden Eingang. Ausschließlich R ₁ und R ₂ bestimmen den Verstärkungsfaktor. Die Verstärkung errechnet sich für Abb. 1a

Impedanzänderung des Lautsprechers Z hat keinen Einfluß auf die Gesamtverstärkung. Bei Kurzschluß der Lautsprecherleitungen oder Kurzschluß der Lautsprecherimpedanz Z zerstört sich der Verstärker A selbst.

Zur Linearisierung der Wiedergabe des Lautsprechers müssen fest eingestellte Entzerrglieder eingesetzt werden, welche Unzulänglichkeiten des Lautsprechers ausgleichen sollen. Durch Anhebung der benachteiligt abgestrahlten Frequenzen durch fest eingestellte Entzerrglieder erhöht sich damit auch der abgestrahlte Rauschanteil!

Elektronischer Strom-Konstant-Verstärker

Bei dieser neuartigen Schaltung ist der Lautsprecher mit der Impedanz Z als bestimmendes Glied für die Rückkopplung geschaltet. Der Lautsprecher selbst steuert somit den Verstärkungsfaktor V des Verstärkers A. Die Verstärkung errechnet sich für Abb. 1b

Wird Z oder Lautsprecherleitung durch Kurzschluß 0 geht die Verstärkung V schlagartig auf 1 zurück. Analog dazu führt jede frequenzabhängige Veränderung der Impedanz Z zu einer Erhöhung bzw. Verringerung der Verstärkung V, wodurch eine automatische frequenzabhängige Entzerrung für beliebige Lautsprecher erfolgt. Da Widerstand R ₁ sich im Wert nicht verändert, ist die Spannung über R ₁ konstant. Damit bestimmt die Lautsprecher-Impedanz Z den Gesamtverstärkungsfaktor des Verstärkers A und rauscherhöhende festeingestellte Entzerrglieder entfallen gänzlich!

Zusätzlich läßt sich nun zum Schwingspulenimpedanz berücksichtigenden Strom-Konstant-Verstärker die Mitkopplung anwenden. Das ohnehin schon verbesserte Abstrahlverhalten des Lautsprechers bei Berücksichtigung der Schwingspulenimpedanz wird durch Mitkopplung über das gesamte System nochmals verbessert. Der Lautsprecher arbeitet dann selbst in extrem kleinen Gehäusen zufriedenstellend. Siehe Abb. 2a und Abb. 2b.

Erweiterung durch Mitkopplung eines herkömmlichen Verstärkers Abb. 2a

Bedingt durch die Frequenzabhängigkeit der Impedanz Z ergibt sich über R ₃ keine konstante Mitkopplungsspannung. Da sich für Z frequenzabhängig bei verschiedenen Lautsprechertypen unterschiedliche Werte ergeben, muß mit P ₁ auch jeweils neu justiert werden. Bei Parallel-Schaltungen von mehreren Lautsprechern gilt gleiches. (Instabil, Schwingneigung).

Erweiterung des Strom-Konstant-Verstärkers durch Mitkopplung Abb. 2b

Bei dieser Anordnung ist die Spannung über R ₁ über den Gesamtfrequenzbereich konstant, da der Verstärker A jegliche Impedanzänderng Z ausregelt. Problemlos lassen sich nun mehrere Lautsprecher parallel schalten, andere Typen einsetzen, Leitungen verkürzen oder verlängern, ohne daß ein erneuter Abgleich erforderlich wird. Das System ist in sich geregelt und stabil, daher keine Schwingneigung!

Weitere Ausgestaltung der Erfindung

wird an den Ausgang des Strom-Konstant-Verstärkers kein Lautsprecher, sondern ein Schwingkreis bestehend aus Spule und Kondensator als Parallelkreis angeschlossen, entsteht ein in seiner Güte über den Verstärkungsfaktor des Strom- Konstant-Verstärkers einstellbares elektronisches Filter. Siehe Abb. 3a

Wird dem Strom-Konstant-Verstärker eine Frequenz Δ f zugeführt, welche sich der Resonanzfrequenz fo nähert, so wird die Resonanzspannung über L/C größer. Gleichzeitig erhöht sich aber auch der Resonanzwiderstand des Schwingkreises L/C, sodaß sich ein großer Verstärkungsfaktor des Verstärkers A einstellt. Die höchste Verstärkung und Filterwirkung ist gegeben, wenn der Schwingkreis genau auf seiner Resonanzfrequenz arbeitet. In diesem Fall ist auch der Resonanzwiderstand maximal. Über P ₁ läßt sich die Güte des Schwingkreises stufenlos einstellen. Die Verstärkung V errechnet sich für Schaltung 3 a zu

Ein angeschlossener Serienresonanzkreis anstelle des Parallelkreises kehrt die Filterwirkung um. Durch den gestrichelt eingezeichneten Steller P ₂ läßt sich die Empfindlichkeit des Filters nochmals verbessern.

Erzielbare Vorteile

Die mit der Erfindung des Strom-Konstant-Verstärkers erzielten Vorteile bestehen insbesondere zu den vorher aufgeführten Nachteilen darin, daß
1. Verstärker und Lautsprecher bilden einen geschlossenen Regelkreis, sodaß der Verstärker seine Verstärkung durch die frequenzabhängige Schwingspulenimpedanz des Lautsprechers ohne Verzögerung selbständig einstellt. (Automatische, rauschfreie Entzerrung)
2. Das System ist ohne besondere Schutzmaßnahmen kurzschlußfest.
3. Das System liefert eine frequenzunabhängige konstante Mitkopplungsspannung, sodaß mehrere Lautsprechersysteme angeschlossen werden können ohne Gefahr auftretender Schwingneigung. Qualitätsabstrahlung wird ermöglicht durch den Einsatz der Mitkopplung auch in Kraftfahrzeugen, in denen aus räumlichen Gründen nur kleine Lautsprecher und Gehäuse zur Verfügung stehen können.
4. Einsatz als elektronisches Filter mit über den Verstärkungsfaktor steuerbare Güte.
5. Einsatz als Telefonverstärker mit von der Übertragungslänge der Leitungen unabhängigem Schalldruck beim Hörer.

Beschreibung eines Ausführungsbeispiels

Ein Ausführungsbeispiel ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigt Abb. 4a die Gesamtschaltung des Strom-Konstant-Verstärkers. Aus Schaltbild Abb. 4a ist ersichtlich, daß die Rückkopplung ausschließlich über den Lautsprecher selbst geführt ist. Das Verhältnis der Schwingspulenimpedanz Z zu dem Widerstand R ₁ bestimmt somit den Gesamtverstärkungsfaktor des geschlossenen Regelkreises nach der Beziehung

Über den gestrichelt eingezeichneten Steller P ₁ läßt sich die frequenzunabhängige Mitkopplungsspannung stufenlos auf den nicht invertierten Eingang des Strom-Konstant-Verstärkers mitkoppeln. Der Abgleich der Gesamtschaltung auf bestmögliche Mitkopplung geschieht einmalig mit P ₁.

Wird der Lautsprecher mit der Impedanz Z durch einen elektronischen Schwingkreis bestehend aus Spule und Kondensator ersetzt, erhält man die im Unteranspruch aufgeführten Eigenschaften eines elektronischen Filters. Bedingt durch den geringen Ausgangsstrom eines normalen Operationsverstärkers A bilden die beiden Transistoren T ₁ und T ₂ mit den dazugehörigen Komponenten eine Stromverstärkungsschaltung, die den hohen Strom durch die Lautsprecherspule Z steuert.

Claims

Oberbegriff

Elektronischer Strom-Konstant-Verstärker
1. mit selbständig einstellenden Verstärkungsfaktor abhängig vom angeschlossenen Lastwiderstand insbesondere für Lautsprecher und Schwingkreise. Kennzeichnender Teil
dadurch gekennzeichnet, daß sich der Verstärkungsfaktor des Verstärkers abhängig vom angeschlossenen Lastwiderstand (als Lastwiderstände gelten ohmsche Widerstände, Spulen, Kondensatoren, Schwingkreise und zusammengesetzte Schaltungen aus diesen Komponenten) selbständig einstellt, darüberhinaus eine konstante Mitkopplungsspannung über seinen gesamten Frequenzbereich liefert. Oberbegriff des Unteranspruchs
2. Elektronischer Strom-Konstant-Verstärker nach Anspruch 1. Kennzeichnender Teil des Unteranspruchs
dadurch gekennzeichnet, daß der Elektronische Stromkonstantverstärker einen elektronischen Schwingkreis als Lastwiderstand treibt, und somit als elektronisches Filter mit variabler Güte steuerbar über den Verstärkungsfaktor funktioniert.