DE4235048A1 - Vorrichtung mit einem Netzgerät für Gleichspannung - Google Patents

Description

Der Erfinder hat sich das Ziel gesetzt, ein Gleichspannungs- Netzgerät zu schaffen, dessen Schaltung einfach und effizient ist und den klanglichen Anforderungen an einen Audio-Verstär­ ker entspricht.

Zur Lösung dieser Aufgabe führt die Lehre nach dem unabhängi­ gen Patentanspruch; die Unteransprüche geben zusätzliche Ver­ besserungen an.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Einsatz im Audiobereich ist mit einem Netzgerät für Gleichspannung versehen, das einen den Strom für die Leistung liefernden "Transformer und Gleichrichter" aufweist sowie einen gesonderten zweiten "Transformer und Gleichrichter" zur Generierung einer Refe­ renzspannung, mit welcher der Ladevorgang begrenzbar bzw. die Ausgangsspannung des Netzgerätes stabilisierbar ist.

Zudem ist notwendigerweise den Gleichrichtern ein erster Kon­ densator als oberes Niveau einer Kaskade zugeordnet, der vom ersten Gleichrichter geladen sowie entsprechend der Differenz der Referenzspannung des zweiten Gleichrichters zur Ausgangs­ spannung entladen wird.

Erfindungsgemäß wird vom ersten Kondensator aus ein zweiter Kondensator als unterer Teil der Kaskade höchstens bis zur Referenzspannung geladen, beispielsweise über einen Feldef­ fekt-Transistor.

Als wesentlich hat es sich erwiesen, daß im Rahmen der Erfin­ dung die Spannung am ersten Kondensator signifikant höher ist als die Ausgangsspannung. Beispielsweise liegt bei einer bevorzugten Ausführung die maximale Spannung des ersten Gleichrichters zwischen dem 2- und 3/2fachen der Ausgangsspannung.

Erfindungsgemäß ist die Spannung am zweiten Kondensator je­ derzeit durch die Ladung des ersten Kondensators stabilisier­ bar (Kaskade).

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung er­ geben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung, deren beide Figuren jeweils einen Schaltplan wiedergeben.

Ein "Transformer und Gleichrichter" G1 liefert die notwendige Spannung in Form von Halbwellen und den erforderlichen Strom für ein Kaskaden-Netzgerät 10. Die Leistung des Gleichrich­ ters G1 reicht aus, um auch bei voller Last einen ersten Kon­ densator C1 auf die maximale Ladespannung Umax aufzuladen, die vorzugsweise zwischen dem 2- bis 2/3fachen der Ausgangs­ spannung Uout liegt. Damit wird der Kondensator C1 als oberes Niveau der Kaskade geladen. Bei großer Last wird die Dauer der Aufladung - bedingt durch den großen Spannungsabfall am Kondensator C1 während einer Halbwelle - verlängert. Dank dieser Gegebenheiten wird der "Transformer und Gleichrichter" G1 zwar länger belastet, jedoch weniger stark. Der Strom fließt homogener, und der "Transformer und Gleichrichter" G1 kann deshalb kleiner dimensioniert werden.

Der Kondensator C1 hat eine ausreichende Kapazität, um bei Entnahme des maximalen Stromes Imax am Ausgang des Netzgerä­ tes die Spannung am Kondensator C1 während des O-Durchganges der Speisespannung nicht unter einen Minimalwert abfallen zu lassen. Dieser Minimalwert liegt höher als die Ausgangsspan­ nung des Netzgerätes 10. Die Kapazität des Kondensators C1 soll nicht größer sein als unbedingt notwendig, damit die Spannungsschwankungen am Kondensator C1 - die auch wesent­ lich von einem Widerstand R1 abhängen - bei voller Last groß sind; durch diese Spannungsschwankungen wird bei voller Last der "Transformer und Gleichrichter" G1 länger und somit homo­ gener belastet. Die Spannungsschwankungen müssen aber inner­ halb der Toleranzgrenze des gewählten Kondensatortyps liegen.

Ein Transistor T (Kaskade), vorzugsweise ein Feldeffekt-Tran­ sistor FET, dessen Gate durch eine dünne Oxidschicht gegen den Stromkanal isoliert ist (MOS-FET = metal-oxid-silicon), kontrolliert die Ladung und damit die Spannung an einem zwei­ ten Kondensator C2 (unterer Teil der Kaskade). Am Gate des Transistors T ist eine unabhängige Referenzspannung Uref an­ geschlossen. Die Spannungsdifferenz zwischen der am Gate ange­ legten Referenzspannung und der Spannung am zweiten Kondensa­ tor C2 steuert den Strom des Transistors T für das Nachladen des zweiten Kondensators C2. Die Öffnung des Transistors T entsteht durch den kleinen Spannungsabfall am zweiten Konden­ sator C2 bezüglich der Referenzspannung, nicht aber durch eine Rückkoppelung zum Gate. Der Strom des Transistors T wird möglichst direkt aus dem "Transformer und Gleichrichter" G1 abgeleitet - ausgenommen während des O-Durchganges der Spei­ sespannung, während dessen er einzig aus dem ersten Kondensa­ tor C1 entnommen wird. Im Rahmen der Empfindlichkeit des ge­ wählten Transistors T, vorzugsweise des FET, wird die Span­ nung am zweiten Kondensator C2 in einem für den Audioverstär­ kerbetrieb ausreichend engen Spannungsbereich stabilisiert.

Die unabhängige Referenzspannung Uref wird von einem geson­ derten Transformer und Gleichrichter G2 generiert. Vorzugs­ weise wird ein stabilisiertes Netzgerät verwendet, da die Stabilität der Ausgangsspannung wesentlich von derjenigen der Referenzspannung abhängt. Da die Referenzspannung am Gate des Transistors T nie stark belastet wird, ändert sie sich auch bei extremen Lasten (Kurzschluß) am Ausgang des Kaskaden- Netzgerätes 10 nicht. Daher kehrt die Ausgangsspannung auch nach kurzfristiger extremer Last sofort und ohne Schwingungen zum Sollwert zurück.

Der oben erwähnte Widerstand R1 hat zwei Aufgaben; erstens vergrößert er die Spannungsschwankungen am Kondensator C1 und zweitens limitiert er den Strom durch den Transistor T und verhindert dessen Zerstörung. Ein zu großer Widerstand ver­ größert auch die Verlustleistung und ist deshalb zu vermei­ den. Jederzeit muß der mögliche Ladestrom für den Kondensator C2, der durch den Widerstand R1 begrenzt ist, größer sein als der maximale Strom, der vom Netzteil 10 verlangt wird.

Der zweite Kondensator oder Ausgangs-Kondensator C2 ist aus dem "Transformer und Gleichrichter" G1 und dem Kondensor C1 über den Transistor T ladbar. Seine Kapazität puffert kurze Stromspitzen sowie hochfrequenten Strombedarf ab. Damit wird auch die Trägheit der Regelschaltung, die leicht zu Phasen­ verschiebungen führen kann, bei allen Frequenzen aufgefangen. Bewährt haben sich Kapazitäten, die kleiner - oder gleich - sind als - oder aber gleich wie - die des ersten Kondensa­ tors C1, die Zeit (R1 _* C1) sollte zwischen 0,5 und 5 Millise­ kunden liegen; dies bewirkt einen hohen Dämpfungsfaktor in Au­ dio-Verstärkern und eine große Spontanität der Musik.

Der wesentliche Vorteil des Zusammenspiels in der Kaskade der Kondensatoren C1 und C2 und des Transistors T bzw. des FET liegt darin, daß die Ladung für den Ausgangsstrom, insbeson­ dere bei voller Last, weitgehend direkt vom Transformer her abgeleitet wird und nicht, wie in herkömmlichen Netzgeräten, in den Kondensatoren C1, C2 zwischengespeichert wird; die Kon­ densatoren C1, C2 werden nur kurzzeitig, inbesondere beim O- Durchgang und bei schnellen Laständerungen, stark belastet und haben Puffereigenschaften. Daher sind die Kondensatoren C1, C2 im Kaskaden-Netzgerät 10 auch viel kleiner dimensio­ niert als in herkömmlichen Netzgeräten.

Das Aufstarten des Netzgerätes 10 kann durch einen in der Zeichnung nicht dargestellten Kondensator am Gate des Transi­ stors T verlangsamt werden (z. B. auf 0,05 bis 1 sec). Damit werden die FET geschützt, und gleichzeitig wird die Stabili­ tät der Ausgangsspannung erhöht.

Mit der vorstehend beschriebenen Art der Stabilisierung bzw. Siebung kann bei 10 A Belastung eine Stabilität erhalten wer­ den, die besser als ±0,1 Volt auf 20 Volt Ausgangsspannung ist.

Das erfindungsgemäße Ausführungsbeispiel der Fig. 2 zeigt eine Schaltung mit einem zweiten Widerstand R2 und einem zweiten Transistor T2 sowie einen Abschnitt für eine negative Uout, Kondensatoren C′1, C′2 und Widerständen R′1, R′2.

Claims (9)

1. Vorrichtung (10) mit einem Netzgerät für Gleichspannung im Audiobereich, das einen den Strom für die Leistung lie­ fernden Transformer und Gleichrichter (G1) aufweist sowie einen gesonderten zweiten Transformer und Gleichrichter (G2) zur Generierung einer Referenzspannung (Uref), mit welcher der Ladevorgang begrenzbar bzw. die Ausgangsspan­ nung (Uout) des Netzgerätes (10) stabilisierbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß den Gleichrichtern (G1, G2) ein erster Kondensator (C1) als oberes Niveau einer Kaskade zugeordnet und dieser vom ersten Gleichrichter (G1) ladbar sowie entsprechend der Differenz der Ausgangsspannung (Uout) zur Referenzspannung (Uref) des zweiten Gleichrichters (G2) entladbar ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß vom ersten Kondensator (C1) aus ein zweiter Kon­ densator (C2) als unterer Teil der Kaskade höchstens bis zur Referenzspannung (Uref) ladbar ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Kondensator (C2) über einen Feldeffekt-Transi­ stor (T) ladbar ist.

5. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsspannung (Uout) in jedem Frequenzbereich stabilisiert ist.

6. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung am zweiten Kon­ densator (C2) durch die Ladung des ersten Kondensators (C1) stabilisierbar ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeich­ net durch eine gegenüber der Ausgangsspannung (Uout) si­ gnifikant höhere Spannung am ersten Kondensator (C1).

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Spannung (Umax) des ersten Gleich­ richters (G1) zwischen 2- und 2/3mal der Ausgangsspannung (Uout) liegt.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeich­ net durch einen dem Gate des Transistors (t) zugeordneten Kondensator zum Verlangsamen des Aufstarters des Netzgerä­ tes (10).