СХЕМА УСИЛИТЕЛЯ СИГНАЛА, ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ И СИСТЕМА
SIGNAL AMPLIFIER CIRCUIT, VOLTAGE CONVERTER AND SYSTEM

Изобретение относится к схеме усилителя сигнала, в частности, к схеме усилителя звука. В частности, здесь речь идет о выходном каскаде усилителя звука.
Современные усилители звука обычно собираются из усилительных транзисторов, которые соединяются между собой в двухтактной схеме. Усилитель этого класса также называется усилителем класса В. Основной принцип действия такого усилителя состоит в том, что два комплементарных транзистора соединяются друг с другом своими эмиттерами, и своими коллекторами в каждом случае соединяются с источником положительного и отрицательного напряжения усилителя. Исходя из симметричного сигнала, в этом случае каждый из обоих комплементарных транзисторов является проводящим во время половины цикла колебаний. В усовершенствованных усилителях сигнала, в частности, в выходных каскадах, в которых создаются высокие мощности, часто для каждого цикла колебаний предусматриваются два или более транзисторов, которые в каждом случае перекрывают определенный диапазон напряжения. При двух транзисторах на цикл колебаний это означает двухтактную схему с четырьмя транзисторами, причем, однако, не является необычным даже усилитель с числом транзисторов до 12.
Если выводы базы обоих комплементарных транзисторов подсоединены непосредственно на входной сигнал усилителя, то часто возникает проблема так называемого переходного искажения (искажения типа «ступенька). Причина этого состоит в том, что соответственный транзистор не проводит, когда не достигается его пороговое напряжение «база-эмиттер», вследствие чего при переходе входного сигнала через ноль это приводит к переходному искажению. Чтобы уменьшить или устранить переходные искажения, нужно обеспечить, чтобы к этому моменту времени один из транзисторов был проводящим. Это достигается посредством напряжения смещения базы. Чтобы получить достаточно незначительные переходные искажения, существует необходимость в приложении точно определенного напряжения смещения. В результате этого напряжения смещения возникает определенный ток покоя через выходной каскад. Если этот ток покоя слишком мал, тогда вблизи перехода выходного тока через ноль имеется диапазон, в котором усиление выходного сигнала является гораздо меньшим, чем значение при достаточном отпирании. Тем самым затем возникает переходное искажение. Если, напротив, ток покоя слишком высок, то в области перехода через ноль активны обе ветви двухтактной схемы. Тогда также получается переходное искажение, поскольку тогда усиление в точке переходного режима является гораздо более высоким, чем при «нормальном» отпирании.
Температурный коэффициент порогового напряжения «база-эмиттер» транзистора и, соответственно, транзисторов, является отрицательным. Поэтому напряжение смещения должно снижаться с идентичным температурным коэффициентом, чтобы тем самым могла поддерживаться оптимальная степень искажения при изменяющейся температуре радиатора. Обычно это достигается посредством диодов, далее называемых диодами напряжения смещения или индикаторными (измерительными) диодами, пороговое напряжение которых также имеет отрицательный температурный коэффициент, который по возможности подобен температурному коэффициенту порогового напряжения перехода «база-эмиттер» соответственных транзисторов. При этом каждому транзистору придается собственный диод напряжения смещения, и термически связывается с ним. Если ветвь двухтактной схемы сформирована из многочисленных транзисторов, тогда для создания напряжения смещения размещается соответствующее число приданных диодов напряжения смещения.
Ток покоя усилителя протекает через диоды напряжения смещения так, что напряжение смещения с ростом температуры транзисторов снижается в подобной мере, как пороговое напряжение перехода «база-эмиттер». Обычно питание на диоды напряжения смещения подается от того же источника напряжения усилителя, который также снабжает транзисторы усилителя. Для этого параллельно диодам напряжения смещения размещается потенциометр, который регулирует «значение смещения» напряжения смещения по возможности на незначительные искажения при умеренной ожидаемой рабочей температуре усилителя. Однако это «значение смещения» зависит от тока покоя через каскад усиления напряжения усилителя, который на практике сильно зависит от температуры, прежде всего тогда, когда усилитель оптимизирован сообразно критерию быстродействия, что, в частности, является важным для усилителей звука. Тем самым получается невольное колебание напряжения смещения, что опять же может приводить к искажениям на выходе усилителя.
Задача изобретения состоит в создании схемы усилителя сигнала, которая может усиливать сигнал с незначительным искажением.
Задача согласно изобретению решается посредством схемы усилителя сигнала с признаками пункта 1 формулы изобретения. Предпочтительные варианты осуществления изобретения приведены в зависимых пунктах формулы изобретения.
Изобретение основывается на том соображении, чтобы снабжать диоды напряжения смещения по возможности строго определенным током, который является по возможности точно воспроизводимым и не зависящим от температуры. Это согласно изобретению достигается тем, что диоды напряжения смещения, по меньшей мере частично, питание подается посредством источника напряжения, независимого от источника напряжения усилителя. Независимый от источника напряжения усилителя источник напряжения для питания диодов напряжения смещения и, соответственно, схемы подачи напряжения смещения, имеет то преимущество, что для схемы усилителя могут быть определены параметры, независимые от требований предвключенного каскада усилителя напряжения. В частности, под независимостью от источника напряжения усилителя может подразумеваться, что источник напряжения гальванически отделен от источника напряжения усилителя. В частности, источник напряжения не получает свою энергию от источника напряжения усилителя ни напрямую, ни косвенно.
Одной возможностью осуществления такого источника напряжения является применение батареи для снабжения диодов напряжения смещения. Однако предпочтительно в отношении источника напряжения речь идет об источнике напряжения при длительной нагрузке. В частности, это значит, что источник напряжения не разряжается, и тем самым также не должен регулярно заряжаться или заменяться. Подобный источник напряжения может быть образован, например, если элемент солнечной батареи сочетается с постоянно действующим источником света, например, с одним или многими светодиодами (LED). Для этого предпочтительно элемент солнечной батареи размещается в общем корпусе напротив светодиодной матрицы. Тогда сопряжение «LED/солнечный элемент» образует гальваническую развязку. К тому же сопряжение «LED/солнечный элемент» не образует или образует лишь очень незначительные емкостные связи. Альтернативно или дополнительно к этому, источник напряжения для гальванической развязки может иметь по меньшей мере трансформатор.
В одном предпочтительном варианте исполнения предусматривается, что независимый источник напряжения выполнен в отношении усилительных транзисторов как беспотенциальный источник напряжения. В частности, это значит, что источник напряжения не представляет собой шунтовое подключение от выхода схема усилителя напряжения на массу. Иначе говоря, источник напряжения не образует дополнительное или добавочное межсоединение между схемой усилителя напряжения и массой схемы усилителя напряжения и, соответственно, заземлением в цепи сигнала («схемной землей»). Ток для диодов напряжения смещения и для резистора в цепи смещения предпочтительно снимается не из источника напряжения усилителя, или снимается в равной мере, как опять симметрично возвращается. Таким образом, ток смещения задается диодами напряжения смещения, без влияния со стороны тока сигнала.
Кроме того, источник напряжения должен не иметь или иметь лишь очень незначительную емкостную связь с землей, так как он (в синфазном режиме) «синхронизируется» с частотой усиливаемого сигнала, и емкостная связь этого источника напряжения нагружает высокоомный сигнальный выход схемы усилителя. Кроме того, источник напряжения предпочтительно не должен иметь или имеет только пренебрежимо малое мешающее напряжение синфазного режима, поскольку в противном случае это мешающее напряжение подпитывает высокоомный сигнальный выход схемы усилителя в тракте сигнала.
В одном предпочтительном варианте осуществления предусматривается, что диоды напряжения смещения питание подается от независимого источника напряжения через усилитель напряжения смещения. Например, при этом речь может идти об усилителе постоянного напряжения, в частности, о прецизионном усилителе напряжения смещения, который, например, объединен с операционным усилителем. Обычно температурные коэффициенты усилительных транзисторов и соответственных им диодов напряжения смещения различаются на некоторый множитель, который составляет около 1,2. Тем самым является благоприятным, когда снижаемое диодами напряжения смещения напряжение умножается на этот множитель. Усиление посредством усилителя напряжения смещения предпочтительно не зависит от температуры.
В одном целесообразном варианте исполнения предусматривается, что независимый источник напряжения и/или усилитель напряжения смещения составляют/составляет часть питающего диоды напряжения смещения источника постоянного тока, в частности, прецизионного источника постоянного тока. То есть, источник постоянного тока собран из источника напряжения и/или усилителя напряжения смещения и, при необходимости, дополнительных электронных компонентов. Тем самым протекающий через диоды напряжения смещения постоянный ток всегда является точно воспроизводимым и независимым от температуры.
Согласно одному предпочтительному усовершенствованию, предусматривается, что источник постоянного тока выполнен регулируемым. Благодаря этому можно регулировать «смещение» напряжения смещения путем изменения подаваемого прецизионным источником источника постоянного тока сообразно самым незначительным искажениям схемы усилителя. Прямое напряжение посредством диода повышается сообразно току и снижается сообразно температуре. Однако температурный коэффициент прямого напряжения практически не зависит от тока.
В одном предпочтительном варианте исполнения предусматривается, что диоды напряжения смещения в каждом случае размещаются в одном общем корпусе с соответствующим им усилительным транзистором, или что диоды напряжения смещения в каждом случае размещаются на радиаторе соответствующего им усилительного транзистора. Для каждого усилительного транзистора предпочтительно предусматривается термически тесно связанный диод напряжения смещения, чтобы получить точную копию температур интегральной схемы усилительных транзисторов. В то время как встраивание диода в корпус усилительного транзистора обеспечивает преимущество особенно тесного термического связывания, с другой стороны, это имеет тот недостаток, что диод напряжения смещения не может быть произвольно выбран. Тогда приходится в схеме напряжения смещения приводить в соответствие имеющиеся различные характеристики электронной схемы.
Усилительный транзистор или усилительные транзисторы предпочтительно выполнены как биполярный(-ные) транзистор(-ры).
В одном предпочтительном варианте исполнения предусматривается, что по меньшей мере один первый усилительный транзистор включает многие соединенные между собой первые усилительные транзисторы с образованием первой схемы Дарлингтона, и/или что по меньшей мере один второй усилительный транзистор включает многие соединенные между собой вторые усилительные транзисторы с образованием второй схемы Дарлингтона. В схеме Дарлингтона могут быть соединены два, три или многие усилительные транзисторы, и действуют как один единственный усилительный транзистор, однако со значительно более высоким коэффициентом усиления (тока).
В одном целесообразном варианте исполнения схема усилителя сигнала сформирована как схема усилителя звука, в частности, как выходной каскад усилителя звука. То есть, в отношении сигнала, усиливаемого схемой усилителя сигнала, речь идет об аудиосигнале. Выходной каскад усилителя звука, в частности, означает, что перед схемой усилителя сигнала подключен входной усилительный каскад.
Согласно одному предпочтительному варианту исполнения, предусматривается, что независимый источник напряжения имеет первый трансформатор на стороне входа с первой первичной обмоткой и первой вторичной обмоткой, и соединенный с первым трансформатором второй трансформатор на стороне выхода со второй первичной обмоткой и второй вторичной обмоткой, причем первая вторичная обмотка первого трансформатора соединена непосредственно со второй первичной обмоткой второго трансформатора. Это значит, что вторичная обмотка и, соответственно, вторичная катушка первого трансформатора непосредственно соединена с первичной обмоткой и, соответственно, первичной катушкой второго трансформатора. То, что первая вторичная обмотка первого трансформатора соединена со второй первичной катушкой второго трансформатора, в частности, означает, имеется электрическое соединение между обеими обмотками, то есть, что оба трансформатора подключены последовательно. Первая вторичная обмотка первого трансформатора предпочтительно соединена непосредственно со второй первичной катушкой второго трансформатора. В частности, это значит, что создаваемый в первой вторичной обмотке ток протекает во вторую первичную обмотку, без существенного изменения профиля тока. Между первой вторичной обмоткой и второй первичной обмоткой в этом случае предпочтительно размещается самое большее только сугубо омический элемент, например, омическое сопротивление или один или многие отрезки провода.
Размещенный между второй вторичной обмоткой и выходными присоединительными элементами выпрямитель предпочтительно имеет диодный мост, чтобы выпрямлять имеющееся на второй вторичной обмотке переменное напряжение. Затем выпрямленный сигнал может быть освобожден от высших гармоник, предпочтительно посредством дополнительных схем. В частности, здесь является благоприятным применение последовательно включенной катушки или, соответственно, последовательно включенного дросселя, по обстоятельствам, в межкомпонентном соединении с выходным конденсатором в качестве фильтра нижних частот. Альтернативно или дополнительно, каждый диод выпрямителя может быть снабжен параллельной схемой резистивно-емкостных (RC) соединений (так называемым снаббером). Посредством этого предотвращаются колебания при запирании диодов.
На своих входных присоединительных элементах источник напряжения должен снабжаться первичным переменным напряжением. Частота первичного переменного напряжения, далее «первичная частота», предпочтительно составляет величину в диапазоне между 10 кГц и 1 МГц, предпочтительно между 20 кГц и 500 кГц. Первичное переменное напряжение предпочтительно имеет первичную частоту свыше 20 кГц, 25 кГц, 30 кГц, 35 кГц или 40 кГц. Первичное переменное напряжение может быть создано, например, преобразованием постоянного напряжения в высокочастотное переменное напряжение. Это преобразование может быть выполнено посредством электронных силовых выключателей или с помощью осцилляторов и линейных усилителей. Электронные силовые выключатели при этом создают прямоугольный профиль настройки, что, в частности, обеспечивает высокую эффективность. Напротив, осцилляторы и линейные усилители пригодны для синусоидального профиля настройки, который обеспечивает наинизший уровень помех. Кроме того, при применении прямоугольного профиля напряжения можно «округлить» его с помощью индуктивно-емкостного (LC) фильтра так, что при все еще очень высокой эффективности достигается дополнительное снижение уровня помех.
Первичная частота предпочтительно выбирается так, что первичное переменное напряжение не создает никакие дополнительные компоненты напряжения в усиленном сигнале, например, вследствие перекрестных связей. Если в отношении усилителя сигнала речь идет об усилителе звука, то первичная частота предпочтительно составляет величину между пределом звуковых частот, но предпочтительно далеко от него, около 20 кГц, и предельной частотой усилителя звука, которая обычно составляет несколько сотен кГц. Чем дальше первичная частота отстоит от предельной частоты усилителя звука, тем эффективнее подавляются возможные искажения первичного переменного напряжения вследствие отрицательной обратной связи в усилителе. Например, в усилителе с предельной частотой 500 кГц использовалась бы первичная частота около 100 кГц. Тогда отдаленность предела звуковых частот составляла бы 80 кГц, и отдаленность от предельной частоты усилителя 400 кГц.
Первый трансформатор предпочтительно имеет первый сердечник, который отделен от второго сердечника второго трансформатора так, что магнитный поток от первого сердечника по существу не протекает ко второму сердечнику.
В одном предпочтительном варианте исполнения предусматривается, что первая вторичная обмотка и/или вторая первичная обмотка имеет/имеют максимально пять витков, предпочтительно максимально три витка, предпочтительно максимально один виток. Первая вторичная обмотка и вторая первичная обмотка предпочтительно образована короткозамкнутым витком, который пронизывает оба сердечника двух трансформаторов. Короткозамкнутый виток при этом может в каждом случае создавать контур вокруг одного стержня обоих сердечников, или скрещиваться между этими обоими сердечниками в виде восьмерки. Малое число витков или даже один такой короткозамкнутый виток значительно сокращает описанную выше емкостную связь, так как перенос энергии от первого трансформатора ко второму трансформатору производится посредством высокого тока при одновременно очень низком напряжении. Вследствие как незначительного напряжения, так и ввиду незначительной емкостной связи только одного или немногих витков значительно сокращается емкостная связь между первой первичной обмоткой и второй вторичной обмоткой.
Соединительные проводники между обоими трансформаторами или короткозамкнутый виток могут/может благоприятным образом дополнительно выполнены малоиндуктивными путем скручивания. Тем самым можно дополнительно увеличить расстояние между обоими трансформаторами и, соответственно, между обоими сердечниками, что дополнительно сокращает емкостную связь.
Соединительные проводники между обоими трансформаторами или короткозамкнутый виток предпочтительно пропускаются через трубку или кольцо из ферритового материала, которая/которое является протяженной(-ным) от сердечника первого трансформатора до сердечника второго трансформатора, если эти сердечники имеются. Однако при этом трубка или кольцо не могут заменять оба сердечника. При этом трубка или кольцо могут иметь круглое, квадратное или иной формы поперечное сечение. Благодаря трубке или, соответственно, кольцу практически не оказывается влияние соединительных проводов и, соответственно, короткозамкнутого витка, на ток сигнала, так как возникающие в феррите магнитные потоки по существу подавляют противоположно (антипараллельно) протекающие электрические токи. С другой стороны, ферритом ослабляются синфазные мешающие токи, которые протекают (параллельно) по обоим соединительным проводам и, соответственно, обоим проводникам короткозамкнутого витка.
Оба трансформатора предпочтительно выполнены таким образом, что первая первичная обмотка и/или вторая вторичная обмотка имеют многочисленные витки, как и первая вторичная обмотка и/или вторая первичная обмотка. В частности, это приводит к тому, что напряжение на переходе между обоими трансформаторами является малым в сравнении с входным напряжением и выходным напряжением спаренного трансформатора. Первая первичная обмотка и/или вторая вторичная обмотка предпочтительно имеют такие размеры, в частности, имеют так много витков, что первое вторичное напряжение приложенное, к первой вторичной обмотке, и первое первичное напряжение, приложенное к первой первичной обмотке, имеют соотношение не более 25%.
В одном целесообразном варианте исполнения предусматривается, что первый трансформатор и второй трансформатор по существу имеют одинаковую конструкцию. В частности, в этом варианте исполнения первая первичная обмотка и вторая вторичная обмотка имеют одинаковое число витков. Кроме того, сердечники двух трансформаторов, если имеются, могут быть выполнены одинаковыми. Благодаря этому обеспечивается то, что напряжение, приложенное к выходу второго трансформатора, по существу соответствует первичному переменному напряжению, приложенному к входным присоединительным элементам и, соответственно, к входу первого трансформатора.
Согласно одному предпочтительному варианту исполнения предусматривается, что второй трансформатор и/или выпрямитель окружен(-ны) экраном, который соединен с присоединительным элементом второй первичной обмотки второго трансформатора. Такое экранирование приводит к разобщению обоих трансформаторов и, соответственно, их сердечников, и может быть дополнительным или альтернативным разобщению посредством пространственного отдаления на расстояние обоих трансформаторов. Экранирование предпочтительно достигается посредством металлического листа или металлической сетки, которые покрывают трансформатор и/или выпрямитель, или по меньшей мере частично охватывают их. При этом соединение экрана со второй первичной обмоткой может быть тождественным соединению соединительным проводом между обоими трансформаторами или короткозамкнутым витком.
Благоприятным образом предусматривается, что присоединительный элемент второй первичной обмотки второго трансформатора и/или присоединительный элемент первой вторичной обмотки первого трансформатора заземлен(-ны). Здесь также можно говорить о том, что, в частности, заземлены соединительный провод между обоими трансформаторами или короткозамкнутый виток. Если предусматривается описанный выше экран второго трансформатора, то этот экран также может быть заземлен. В альтернативном варианте возможно, что заземлен только сам экран, даже когда не производится никакое заземление выводов трансформатора.
В одном предпочтительном варианте исполнения предусматривается, что присоединительный элемент второй первичной обмотки второго трансформатора выдерживается динамично на опорном потенциале, который следует усиливаемому сигналу. Этот подход также называется «самонастройкой». Благодаря тому, что соединительный провод и, соответственно, короткозамкнутый виток, по потенциалу динамически следуют за сигналом, может быть сокращена емкостная связь с землей при неизменной емкостной развязке первичной стороны спаренного трансформатора. Опорный потенциал для этого предпочтительно связан через преобразователь полных сопротивлений с данным присоединительным элементом, с соединительным проводом или с короткозамкнутым витком. Например, преобразователь полных сопротивлений может быть образован буферным усилителем, который имеет по существу равный единице коэффициент усиления. В отношении опорного потенциала речь может идти, в частности, о самом (отделенном от преобразователя полных сопротивлений) сигнале. Преобразователь полных сопротивлений предпочтительно создается посредством двухтактной схемы, в частности, в виде комплементарного эмиттерного повторителя. В этом случае опорный потенциал предпочтительно снимается на обоих концах резистора напряжения смещения, и подводится к обоим входам двухтактной схемы. Тогда в качестве сигнала в режиме самонастройки используется сигнал на выходе двухтактной схемы.
Через вторую вторичную обмотку второго трансформатора подводится переменное напряжение. Это переменное напряжение приводит к противофазному колебанию на обоих присоединительных элементах второй вторичной обмотки. От обоих присоединительных элементов вторичной обмотки всегда имеются паразитные емкости на землю или на описанный выше опорный потенциал. Эти паразитные емкости в общем случае не одинаковые, так что результатом этого может быть синфазное мешающее напряжение, которое тогда прилагается к выходу источника напряжения.
Чтобы уменьшить или полностью устранить это дополнительное синфазное мешающее напряжение, в одном предпочтительном варианте исполнения предусматривается, что присоединительный элемент второй вторичной обмотки второго трансформатора соединяется посредством первой корректирующей емкости, и/или что дополнительный присоединительный элемент второй вторичной обмотки посредством второй корректирующей емкости, соединен с заземлением. Правильным выбором корректирующей(-их) емкости(-тей) указанные паразитные емкости могут быть компенсированы. Корректирующие емкости предпочтительно имеют значения в диапазоне между 0,5 пФ и 10 пФ. В качестве альтернативы описанному выше заземлению благоприятным образом может быть предусмотрено, что присоединительный элемент второй вторичной обмотки второго трансформатора посредством первой корректирующей емкости, и/или дополнительный присоединительный элемент второй вторичной обмотки посредством второй корректирующей емкости, динамически соединен(-ны) с опорным потенциалом. Здесь также опорный потенциал предпочтительно соединен через преобразователь полных сопротивлений с корректирующей емкостью или корректирующими емкостями, причем преобразователь полных сопротивлений, например, может быть сформирован буферным усилителем.
Первая корректирующая емкость и/или вторая корректирующая емкость предпочтительно образованы одним или многими конденсаторами. Корректирующая емкость предпочтительно имеет значение между 0,5 пФ и 10 пФ.
Во всех описанных выше вариантах исполнения, в которых предусматриваются первая корректирующая емкость и, при необходимости, вторая корректирующая емкость, первая корректирующая емкость и/или вторая корректирующая емкость выполнены регулируемыми. С помощью регулируемой(-мых) корректирующей(-щих) емкости(-тей) может быть произведено компенсирование паразитных емкостей наблюдением за выходным сигналом на сигнальном выходе схемы усилителя сигнала, причем целью является минимизация синфазного мешающего напряжения. В качестве регулируемой корректирующей емкости используется, например, регулируемый, и соответственно, переменный конденсатор. Корректирующие емкости суммируются с указанными паразитными емкостями до данных общих емкостей. Уравниванием обеих общих емкостей может быть достигнута симметрия. В этом случае взаимно возрастают вклады обеих фазировок в синфазное мешающее напряжение на вторичной обмотке, и синфазное мешающее напряжение исчезает. Первая корректирующая емкость предпочтительно выбирается так, чтобы было возможным уравнивание со второй корректирующей емкостью в обоих направлениях, чтобы также при обусловленных способом изготовления вариациях паразитных емкостей всегда можно было сбалансировать их до минимума.
Выше были по отдельности разъяснены три различных подхода к компенсированию для независимого источника напряжения: заземление/самонастройка, корректирующая(-ие) емкость(-ти) и экран. Однако предпочтительно применяются по меньшей мере одновременно по меньшей мере два способа компенсирования. Предпочтительнее же все три способа компенсирования используются в одно и то же время.
Описанный выше независимый от источника напряжения усилителя, источник напряжения для питания диодов напряжения смещения и, соответственно, схемы напряжения смещения, может быть использован в форме преобразователя напряжения, также независимо от описанного выше усилителя мощности, и также в совершенно иных областях применения.
Таким образом, изобретение относится также к преобразователю напряжения для подачи выходного постоянного напряжения. Кроме того, изобретение относится к системе с преобразователем напряжения и к питаемым преобразователем напряжения потребителям.
Подобный преобразователь напряжения обычно собирается из трансформатора и выпрямителя. Трансформатор служит для согласования величины напряжения осциллирующего первичного напряжения сообразно потребности последующей схемы. Одновременно достигается гальваническое разделение между первичным напряжением и схемой. В последующем выпрямителе согласованное переменное напряжение выпрямляется, чтобы питать схему постоянным напряжением. Как правило, выпрямитель включает диодный мост и фильтр нижних частот.
Даже при очень тщательном расчете при таком преобразователе напряжения, как правило, нельзя полностью избежать возникновения синфазных мешающих напряжений. В частности, в области применения для медицинской измерительной техники и аудиотехники повышенного качества подобные синфазные мешающие напряжения могут влиять на измеренный или усиленный сигнал так, что это может приводить к нежелательным наложениям сигналов.
Задачей изобретения является создание преобразователя напряжения и системы, посредством которых синфазные мешающие напряжения снижаются или предотвращаются.
Задача решается согласно изобретению посредством преобразователя напряжения с признаками пункта 15 формулы изобретения и системы с признаками пункта 23 формулы изобретения. Предпочтительные варианты осуществления изобретения приведены в зависимых пунктах формулы изобретения.
Изобретение основывается на знании того, что в традиционном трансформаторе с первичной и вторичной обмоткой эти обе обмотки связаны между собой в условиях не только магнитного, но и емкостного взаимодействия. Вследствие емкостной связи обмоток часть переменного напряжения первичной стороны доходит до выхода выпрямителя как синфазное напряжение. Обе исходящих цепи преобразователя напряжения проводят это напряжение относительно опорного потенциала первичной стороны. Чтобы сократить эту емкостную связь, согласно изобретению вместо одного единственного трансформатора используется спаренный трансформатор из двух трансформаторов, которые непосредственно соединены друг с другом. Это значит, что вторичная обмотка, и соответственно, вторичная катушка первого трансформатора непосредственно соединена с первичной обмоткой и, соответственно, первичной катушкой второго трансформатора.
Сокращение емкостной связи в некоторой степени достигается уже тем, что этим путем расстояние между входной обмоткой (первой первичной обмоткой) и выходной обмоткой (второй вторичной обмоткой) спаренного трансформатора может быть увеличено независимо от размера трансформатора. В равной степени, в какой сокращается емкостная связь, также снижается налагаемое на выходное напряжение синфазная помеха.
То, что первая вторичная обмотка первого трансформатора соединена со второй первичной обмоткой второго трансформатора, означает, в частности, что имеется электрическое соединение между обеими обмотками, то есть, что оба трансформатора подключены последовательно. Первая вторичная обмотка первого трансформатора предпочтительно соединена непосредственно со второй первичной обмоткой второго трансформатора. В частности, это значит, что созданный в первой вторичной обмотке ток протекает во вторую первичную обмотку, без существенного изменения профиля тока. Между первой вторичной обмоткой и второй первичной обмоткой в этом случае предпочтительно размещается самое большее только сугубо омический элемент, например, омическое сопротивление или один или многие отрезки провода.
Размещенный между второй вторичной обмоткой и выходными присоединительными элементами выпрямитель предпочтительно имеет диодный мост, чтобы выпрямлять имеющееся на второй вторичной обмотке переменное напряжение. Затем пульсация выпрямленного сигнала может быть сокращена, предпочтительно посредством дополнительных схем. В частности, здесь является благоприятным применение последовательно включенной катушки или, соответственно, последовательно включенного дросселя, по обстоятельствам, в межкомпонентном соединении с выходным конденсатором в качестве фильтра нижних частот. Альтернативно или дополнительно, каждый диод выпрямителя может быть снабжен параллельной схемой резистивно-емкостных (RC) соединений (так называемым снаббером). Посредством этого предотвращаются колебания при запирании диодов.
Преобразователь напряжения согласно одному из описанных выше или ниже вариантов исполнения питает предпочтительно обрабатывающую сигнал схему или часть схемы для очень чувствительных сигналов, которые являются свободно меняющимися относительно потенциала. В качестве свободно меняющейся относительно потенциала рассматривается схема или часть схемы, которая может динамично менять свой потенциал сообразно обрабатываемому сигналу или своему опорному потенциалу. При этом преобразователь напряжения выдает ничтожно малое синфазное мешающее напряжение так, что он может питать даже высокоомные сигнальные схемы без влияния на обрабатываемый сигнал.
Преобразователь напряжения благоприятным образом снабжает постоянным напряжением потребитель, который обрабатывает сигнал. Соответственно этому, изобретение относится также к соответствующей системе с преобразователем напряжения согласно одному из описанных выше или ниже вариантов осуществления, и с питаемым преобразователем напряжения потребителем. В отношении потребителя речь предпочтительно идет об усилителе сигнала для сигнала. В отношении потребителя, в частности, речь может идти об измерителе сигнала, например, о медицинском измерительном приборе, или об усилителе звука, в частности, об обрабатывающей сигнал схеме внутри выходного каскада усилителя звука.
На своих входных присоединительных элементах преобразователь напряжения должен снабжаться первичным переменным напряжением. Частота первичного переменного напряжения, далее «первичная частота», предпочтительно составляет величину в диапазоне между 1 кГц и 10 МГц, предпочтительно между 10 кГц и 500 кГц. Первичное переменное напряжение предпочтительно имеет первичную частоту свыше 1 кГц, 5 кГц, 10 кГц, 20 кГц или 30 кГц. Первичное переменное напряжение может быть создано, например, преобразованием постоянного напряжения в высокочастотное переменное напряжение. Это преобразование может быть выполнено посредством электронных силовых выключателей или с помощью осцилляторов и линейных усилителей. Электронные силовые выключатели при этом создают прямоугольный профиль настройки, что, в частности, обеспечивает высокую эффективность. Напротив, осцилляторы и линейные усилители пригодны для синусоидального профиля настройки, который обеспечивает наинизший уровень помех. Кроме того, при применении прямоугольного профиля напряжения можно «округлить» его с помощью индуктивно-емкостного (LC) фильтра так, что при все еще очень высокой эффективности достигается дополнительное снижение уровня помех.
Если преобразователь напряжения в системе соединен с потребителем, который обрабатывает сигнал, тогда первичная частота предпочтительно выбирается так, что первичное переменное напряжение не создает никакие дополнительные компоненты напряжения в обработанном сигнале, например, вследствие перекрестных связей. Если в отношении потребителя речь идет об усилителе звука, то первичная частота предпочтительно составляет величину между пределом звуковых частот, но предпочтительно далеко от него, около 20 кГц, и предельной частотой усилителя звука, которая обычно составляет несколько сотен кГц. Чем дальше первичная частота отстоит от предельной частоты усилителя звука, тем эффективнее подавляются возможные искажения первичного переменного напряжения вследствие отрицательной обратной связи в усилителе. Например, в усилителе с предельной частотой 500 кГц использовалась бы первичная частота около 100 кГц. Тогда отдаленность предела звуковых частот составляла бы 80 кГц, и отдаленность от предельной частоты усилителя 400 кГц.
Первый трансформатор предпочтительно имеет первый сердечник, который отделен от второго сердечника второго трансформатора так, что магнитный поток от первого сердечника по существу не протекает ко второму сердечнику.
В одном предпочтительном варианте исполнения предусматривается, что первая вторичная обмотка и/или вторая первичная обмотка имеет/имеют максимально пять витков, предпочтительно максимально три витка, предпочтительно максимально один виток. Первая вторичная обмотка и вторая первичная обмотка предпочтительно образована короткозамкнутым витком, который пронизывает оба сердечника двух трансформаторов. Короткозамкнутый виток при этом может в каждом случае создавать контур вокруг в каждом случае одного стержня обоих сердечников, или скрещиваться между этими обоими сердечниками в виде восьмерки. Малое число витков или даже один такой короткозамкнутый виток значительно сокращает описанную выше емкостную связь, так как перенос энергии от первого трансформатора ко второму трансформатору производится посредством высокого тока при одновременно очень низком напряжении. Вследствие как незначительного напряжения, так и ввиду незначительной емкостной связи только одного или немногих витков значительно сокращается емкостная связь между первой первичной обмоткой и второй вторичной обмоткой.
Соединительные проводники между обоими трансформаторами или короткозамкнутый виток могут/может благоприятным образом дополнительно выполнены малоиндуктивными путем скручивания. Тем самым можно дополнительно увеличить расстояние между обоими трансформаторами и, соответственно, между обоими сердечниками, что дополнительно сокращает емкостную связь.
Соединительные проводники между обоими трансформаторами или короткозамкнутый виток предпочтительно пропускаются через трубку или кольцо из ферритового материала, которая/которое является протяженной(-ным) от сердечника первого трансформатора до сердечника второго трансформатора, если эти сердечники имеются. Однако при этом трубка или кольцо не могут заменять оба сердечника. При этом трубка или кольцо могут иметь круглое, квадратное или иной формы поперечное сечение. Благодаря трубке или, соответственно, кольцу практически не оказывается влияние соединительных проводов и, соответственно, короткозамкнутого витка на ток сигнала, так как возникающие в феррите магнитные потоки по существу подавляют противоположно (антипараллельно) протекающие электрические токи. С другой стороны, ферритом ослабляются синфазные мешающие токи, которые протекают (параллельно) по обоим соединительным проводам и, соответственно, обоим проводникам короткозамкнутого витка.
Оба трансформатора предпочтительно выполнены таким образом, что первая первичная обмотка и/или вторая вторичная обмотка имеют многочисленные или многие витки, которые включает первая вторичная обмотка и/или вторая первичная обмотка. В частности, это приводит к тому, что напряжение на переходе между обоими трансформаторами является малым в сравнении с входным напряжением и выходным напряжением спаренного трансформатора. Первая первичная обмотка и/или вторая вторичная обмотка предпочтительно имеют такие размеры, в частности, имеют так много витков, что первое вторичное напряжение, приложенное к первой вторичной обмотке ,и первое первичное напряжение, приложенное к первой первично обмотке, имеют соотношение не более 25%.
В одном целесообразном варианте исполнения предусматривается, что первый трансформатор и второй трансформатор по существу имеют одинаковую конструкцию. В частности, в этом варианте исполнения первая первичная обмотка и вторая вторичная обмотка имеют одинаковое число витков. Кроме того, сердечники двух трансформаторов, когда имеются, могут быть выполнены одинаковыми. Благодаря этому обеспечивается то, что напряжение, приложенное к выходу второго трансформатора, по существу соответствует первичному переменному напряжению, приложенному к входным присоединительным элементам и, соответственно, к входу первого трансформатора.
Согласно одному предпочтительному варианту исполнения предусматривается, что второй трансформатор и/или выпрямитель окружен(-ны) экраном, который соединен с присоединительным элементом второй первичной обмотки второго трансформатора. Такое экранирование приводит к разобщению обоих трансформаторов и, соответственно, их сердечников, и может быть дополнительным или альтернативным разобщению посредством пространственного отдаления на расстояние обоих трансформаторов. Экранирование предпочтительно достигается посредством металлического листа или металлической сетки, которые покрывают трансформатор и/или выпрямитель, или по меньшей мере частично охватывают их. При этом соединение экрана со второй первичной обмоткой может быть тождественным соединению соединительным проводом между обоими трансформаторами или короткозамкнутым витком.
Благоприятным образом предусматривается, что присоединительный элемент второй первичной обмотки второго трансформатора и/или присоединительный элемент первой вторичной обмотки первого трансформатора заземлен(-ны). Здесь также можно говорить о том, что, в частности, заземлены соединительный провод между обоими трансформаторами или короткозамкнутый виток. Если предусматривается описанный выше экран второго трансформатора, то этот экран также может быть заземлен. В альтернативном варианте возможно, что заземлен только сам экран, даже когда не производится никакое заземление выводов трансформатора.
Если преобразователь напряжения в системе соединен с потребителем, который обрабатывает сигнал, то альтернативно описанному выше заземлению благоприятным образом может быть предусмотрено, что присоединительный элемент второй вторичной обмотки второго трансформатора, присоединительный элемент первой вторичной обмотки первого трансформатора, соединительный провод между обоими трансформаторами и/или короткозамкнутый виток динамически удерживается при опорном потенциале, который следует обрабатываемому в потребителе сигналу.
Этот подход также называется «самонастройкой». Благодаря тому, что соединительный провод и, соответственно, короткозамкнутый виток, по потенциалу динамически следуют за сигналом, может быть сокращена емкостная связь с землей при неизменной емкостной развязке первичной стороны спаренного трансформатора. Опорный потенциал для этого предпочтительно связан через преобразователь полных сопротивлений с данным присоединительным элементом, с соединительным проводом или с короткозамкнутым витком. Например, преобразователь полных сопротивлений может быть образован буферным усилителем, который имеет по существу равный единице коэффициент усиления. Преобразователь полных сопротивлений предпочтительно создается посредством двухтактной схемы, в частности, в виде комплементарного эмиттерного повторителя. В отношении опорного потенциала речь может идти, в частности, о самом сигнале. Если в отношении потребителя речь идет об усилителе звука, то опорный потенциал предпочтительно может воздействовать на вход усилителя, предпочтительнее на вход выходного каскада усилителя звука.
Через вторую вторичную обмотку второго трансформатора подводится переменное напряжение. Это переменное напряжение приводит к противофазному колебанию на обоих присоединительных элементах второй вторичной обмотки. От обоих присоединительных элементов вторичной обмотки всегда имеются паразитные емкости на землю или на описанный выше опорный потенциал. Эти паразитные емкости в общем случае не одинаковые, так что результатом этого может быть синфазное мешающее напряжение, которое тогда прилагается к выходу преобразователя напряжения.
Чтобы уменьшить или полностью устранить это дополнительное синфазное мешающее напряжение, в одном предпочтительном варианте исполнения предусматривается, что присоединительный элемент второй вторичной обмотки второго трансформатора соединяется посредством первой корректирующей емкости, и/или что дополнительный присоединительный элемент второй вторичной обмотки посредством второй корректирующей емкости, соединен с заземлением. Правильным выбором корректирующей(-их) емкости(-тей) указанные паразитные емкости могут быть компенсированы. Корректирующие емкости предпочтительно имеют значения в диапазоне между 0,5 пФ и 10 пФ. Если преобразователь напряжения в системе соединен с потребителем, который обрабатывает сигнал, то альтернативно описанному выше заземлению благоприятным образом может быть предусмотрено, что присоединительный элемент второй вторичной обмотки второго трансформатора посредством первой корректирующей емкости, и/или дополнительный присоединительный элемент второй вторичной обмотки посредством второй корректирующей емкости, динамически соединен(-ны) с опорным потенциалом. Здесь также опорный потенциал предпочтительно соединен через преобразователь полных сопротивлений с корректирующей емкостью или корректирующими емкостями, причем преобразователь полных сопротивлений, например, может быть сформирован буферным усилителем.
Первая корректирующая емкость и/или вторая корректирующая емкость предпочтительно образованы одним или многими конденсаторами. Корректирующая емкость предпочтительно имеет значение между 0,5 пФ и 20 пФ.
Во всех описанных выше вариантах исполнения, в которых предусматриваются первая корректирующая емкость и, при необходимости, вторая корректирующая емкость, первая корректирующая емкость и/или вторая корректирующая емкость выполнены регулируемыми. С помощью регулируемой(-мых) корректирующей(-щих) емкости(-тей) может быть произведено компенсирование паразитных емкостей наблюдением за выходным сигналом потребителя, причем целью является минимизация синфазного мешающего напряжения. В качестве регулируемой корректирующей емкости используется, например, регулируемый, и соответственно, переменный конденсатор. Корректирующие емкости суммируются с указанными паразитными емкостями до данных общих емкостей. Уравниванием обеих общих емкостей может быть достигнута симметрия. В этом случае взаимно возрастают вклады обеих фазировок в синфазное мешающее напряжение на вторичной обмотке, и синфазное мешающее напряжение исчезает. Первая корректирующая емкость предпочтительно выбирается так, чтобы было возможным уравнивание со второй корректирующей емкостью в обоих направлениях, чтобы также при обусловленных способом изготовления вариациях паразитных емкостей всегда можно было сбалансировать их до минимума.
Выше были по отдельности разъяснены три различных подхода к компенсированию: заземление/самонастройка, корректирующая(-ие) емкость(-ти) и экран. Однако предпочтительно применяются по меньшей мере одновременно по меньшей мере два способа компенсирования. Предпочтительнее же все три способа компенсирования используются в одно и то же время.
Далее изобретение разъясняется на примерах осуществления со ссылкой на Фигуры. При этом показано:
Фиг. 1 представляет схему соединений схемы усилителя сигнала согласно прототипу;
Фиг. 2 представляет схему соединений схемы усилителя сигнала согласно одному варианту осуществления изобретения;
Фиг. 3 представляет схему соединений источника постоянного тока для снабжения диодов напряжения смещения согласно предпочтительному варианту исполнения;
Фиг. 4 представляет схему соединений гальванически развязанного источника напряжения согласно предпочтительному варианту исполнения для питания диодов напряжения смещения;
Фиг. 5 представляет схему соединений преобразователя напряжения согласно предпочтительному варианту исполнения;
Фиг. 6 представляет схему соединений преобразователя напряжения согласно дополнительному предпочтительному варианту исполнения с самонастройкой;
Фиг. 7 представляет схему соединений преобразователя напряжения согласно дополнительному предпочтительному варианту исполнения с самонастройкой и корректирующими емкостями;
Фиг. 8 представляет схему соединений преобразователя напряжения согласно дополнительному предпочтительному варианту исполнения с тремя средствами компенсирования.
Фиг. 1 показывает схему соединений схемы усилителя сигнала согласно прототипу. Эта известная схема, которая выполнена как усилитель звука, может быть грубо подразделена на каскад усилителя напряжения (VAS - каскад усиления напряжения) и выходной каскад.
VAS сформирован из положительной части, которая имеет модифицированный каскад по схеме Дарлингтона из двух транзисторов Q3, Q3' и двух резисторов R3, R3', и отрицательной части, которая имеет дополнительный модифицированный каскад по схеме Дарлингтона из двух транзисторов Q4, Q4' и двух резисторов R4, R4'. Входной каскад дифференциального усилителя LTP (LTP - дифференциальный усилитель с питанием через общий резистор) служит для усиления приложенного к входам E+, E- предварительного усилителя сигнала и формирования A+, A- на выходах предварительного усилителя. Предварительно усиленный сигнал проходит в каскад усилителя напряжения, причем положительный цикл колебаний сигнала проходит через положительную часть, и отрицательный цикл колебаний сигнала проходит через отрицательную часть каскада усилителя напряжения, чтобы поступать на выходной каскад.
Выходной каскад собран из первых усилительных транзисторов Q1, Q11, Q12 и вторых усилительных транзисторов Q2, Q21, Q22 в двухтактной схеме. Представленные здесь три первых усилительных транзистора Q1, Q11, Q12 соединены между собой по схеме Дарлингтона, так же как три вторых усилительных транзистора Q2, Q21, Q22. Усиленный посредством каскада усилителя запирающего напряжения и входного каскада аудиосигнал затем подается на сигнальный выход 6 и может быть использован для управления громкоговорителем (не показан).
Оба из каскада усилителя напряжения и выходного каскада питание подается от источника V+, V- напряжения усилителя. Диодная цепь из диодов D1, D11, D12, D2, D21, D22 напряжения смещения (также называемых индикаторными диодами) размещены параллельно усилительным транзисторам Q1, Q11, Q12, Q2, Q21, Q22, чтобы генерировать напряжение смещения, которое следует характеристикам температурной зависимости усилительных транзисторов Q1, Q11, Q12, Q2, Q21, Q22. Для этого каждый из диодов D1, D11, D12, D2, D21, D22 напряжения смещения термически связан с соответственными усилительными транзисторами Q1, Q11, Q12, Q2, Q21, Q22. В этом случае диод D1 напряжения смещения связан с усилительным транзистором Q1, диод D2 напряжения смещения связан с усилительным транзистором Q2, и т.д. Термическое связывание обозначено в Фиг. 1 пунктирными линиями, и например, может достигаться размещением транзистора и диода в общем корпусе, или путем закрепления диода на радиаторе соответственного транзистора.
Пороговое напряжение диода имеет отрицательный температурный коэффициент, точно так же, как пороговое напряжение перехода «база-эмиттер» транзистора. Характеристики температурной зависимости диодной цепи из диодов D1, D11, D12, D2, D21, D22 напряжения смещения тем самым отражает характеристики температурной зависимости в ряду связанных переходов «база-эмиттер» усилительных транзисторов Q1, Q11, Q12, Q2, Q21, Q22, что приводит к тому, что созданное посредством диодной цепи напряжение смещения также проявляет соответствующие характеристики температурной зависимости.
Ток покоя каскада усилителя напряжения протекает через диодную цепь. Однако на практике температурные коэффициенты пороговых напряжений диодов и транзисторов различаются на определенный множитель, в данном случае примерно на множитель 1,202. К тому же на практике диоды напряжения смещения не могут выбираться произвольно, поскольку, как правило, применяются усилительные транзисторы, которые в каждом случае объединяются с диодами напряжения смещения в общем корпусе. Чтобы компенсировать эти расхождения, предусматривается размещенный параллельно диодной цепи потенциометр Pb напряжения смещения, с помощью которого регулируется значение смещения напряжения смещения на малые возможные искажения выходного сигнала на сигнальном выходе 6 при умеренной ожидаемой рабочей температуре усилителя. Это «значение смещения» зависит от тока покоя через каскад усиления напряжения. Этот ток покоя опять же сильно зависит от температуры, прежде всего тогда, когда выходной каскад оптимизирован сообразно критерию быстродействия. Тем самым получается невольное колебание напряжения смещения.
Чтобы уменьшить или даже предотвратить подобные колебания, диоды D1, D11, D12, D2, D21, D22 напряжения смещения согласно изобретению питание подается от прецизионного источника Ib постоянного тока, который опять же снабжается независимым от источника напряжения V+, V- усилителя источником Vb напряжения. Предусматривается усилитель Ab напряжения смещения, чтобы выполнить согласование температурных коэффициентов диодов D1, D11, D12, D2, D21, D22 напряжения смещения с параметрами усилительных транзисторов Q1, Q11, Q12, Q2, Q21, Q22. Он имеет соответствующий коэффициент усиления около 1,202.
Выход усилителя Ab напряжения смещения может как выводить ток, так и принимать ток. Если бы эти усилители Ab напряжения смещения не наличествовали, то из-за резистора Rb напряжения смещения возникало бы обусловленное током покоя каскада усилителя напряжения падение напряжения. Когда падение напряжения становится выше значения, которое соответствует установленному оптимальному напряжению смещения, тогда усилитель Ab напряжения смещения принимает столь сильный ток, что опять регулируется правильное напряжения смещения. Напротив, если ток покоя каскада усилителя напряжения слишком мал, чтобы создавать требуемое падение напряжения, тогда усилитель Ab напряжения смещения соответственно выдает дополнительный ток, чтобы достигать желательного напряжения смещения. Результатом является то, что обусловленное резистором Rb напряжения смещения падение напряжения смещения не зависит от тока покоя каскада усилителя напряжения, и к тому же точно компенсирует температурный режим усилительных транзисторов.
В отношении усилителя Ab напряжения смещения речь идет о прецизионном усилителе. Он предпочтительно является таким образом частотно-компенсированным, что он может регулировать емкостные нагрузки.
В отношении показанной в Фиг. 2 конфигурации из усилителя Ab напряжения смещения, источника Ib постоянного тока и источника Vb напряжения речь идет только о схематическом представлении схемы напряжения смещения для настройки и регулирования создаваемого диодной цепью напряжения смещения. Эта схема напряжения смещения работает по существу в диапазоне постоянного напряжения. Чтобы исключить взаимодействие с частотой сигнала, предусматривается конденсатор Cb напряжения смещения. Этот конденсатор Cb напряжения смещения представляет собой короткое замыкание усиливаемого сигнала в частотном диапазоне. Тем самым не требуется рассчитывать функциональные группы схемы напряжения смещения на хорошие характеристики в диапазоне частот сигнала и, соответственно, полосе частот сигнала.
Предпочтительный вариант исполнения источника Ib постоянного тока схемы напряжения смещения представлен в Фиг. 3. Источник Ib постоянного тока в этом варианте исполнения сформирован с использованием операционного усилителя UA и некоторых дополнительных схемных элементов.
На выполненном предпочтительно как источник опорного напряжения, определяемого шириной запрещенной зоны, с дополнительной, не показанной в Фиг. 3 обратной связью диоде DZ Зенера, который действует как шунтовый источник опорного напряжения, напряжение падает с высокой абсолютной точностью, которая к тому же является очень температурно-стабильной. Операционный усилитель UA задает это подводимое к его положительному входу напряжение посредством последовательного соединения потенциометра Р1 и резистора R1. Тем самым протекающий через потенциометр Р1 и резистор R1 ток сообразно падению напряжения на диоде DZ Зенера разделяется соответственно сумме сопротивлений потенциометра Р1 и резистора R1. Этот ток протекает также в эмиттерный вход транзистора Qb, база которого соединена с выходом операционного усилителя UA. Током базы транзистора Qb в рамках актуальной здесь точности можно пренебречь, так что также задается ток коллектора транзистора Qb, и равен току, который протекает через потенциометр Р1 и резистор R1. Тем самым ток коллектора, который также протекает через диодную цепь из диодов D1, D11, D12, D2, D21, D22 напряжения смещения, не зависит от потенциала, который подается на коллектор. Тем самым через диоды D1, D11, D12, D2, D21, D22 напряжения смещения протекает более определенный и температурно-стабильный ток. Ток этого источника Ib постоянного тока управляется регулированием потенциометра Р1. Обозначенный словом «Usense» сигнал на коллекторе транзистора Qb подается как входной сигнал на усилитель Ab напряжения смещения из Фиг. 2.
Операционный усилитель UA и также остальные элементы схемы напряжения смещения в Фиг. 3 питаются от беспотенциального источника Vb напряжения. Предпочтительный вариант исполнения источника Vb напряжения представлен в Фиг. 4. Источник Vb напряжения имеет входные присоединительные элементы In и выходные присоединительные элементы Out. Входные присоединительные элементы In снабжаются первичным переменным напряжением 2. На выходных присоединительных элементах Out источник Vb напряжения создает постоянное напряжение, которое приводит в действие схему напряжения смещения, которая, например, может быть сформирована так, как представлено в Фиг. 3.
Центральную часть источника Vb напряжения составляют два соединенные последовательно трансформатора T1, T2 в каждом случае с первичными обмотками T11, T21 и вторичными обмотками T12, T22. На первую первичную обмотку T11 через входные присоединительные элементы In подается первичное переменное напряжение 2, тогда как на вторую вторичную обмотку T22 подводится переменное напряжение, которое при конструктивно идентичных трансформаторах T1, T2 по существу равно первичному переменному напряжению 2. Первая вторичная обмотка T12 и вторая первичная обмотка T21 образованы короткозамкнутым витком 1. В этом отношении речь идет о короткозамкнутом отрезке проволоки, которая проходит через оба сердечника трансформаторов T1, T2.
Созданное во второй вторичной обмотке Т22 переменное напряжение выпрямляется с помощью выпрямителя, который собран из диодного моста 3 и фильтра нижних частот из индуктивности L выпрямителя и емкости С выпрямителя.
Короткозамкнутый виток 1 удерживается при опорном потенциале. Это называется самонастройкой и выполняется тем, что короткозамкнутый виток 1 через преобразователь 4 полных сопротивлений соединен с опорным потенциалом, который подается на вход 41 преобразователя полных сопротивлений. В отношении опорного потенциала речь идет о сигнале, который усиливается в схеме усилителя сигнала, или опорный потенциал следует этому сигналу. В показанном здесь варианте исполнения опорный потенциал отводится на резистор Rb напряжения смещения и подается на вход 41 преобразователя полных сопротивлений преобразователя 4 полных сопротивлений.
Дополнительно к самонастройке короткозамкнутого витка 1 оба присоединительных элемента выхода второго трансформатора Т2, а именно, оба конца второй вторичной обмотки Т22, через первую корректирующую емкость CN1 и вторую корректирующую емкость CN2 соединены с опорным потенциалом. Вторая корректирующая емкость CN2 при этом выполнена как регулируемый конденсатор. Посредством обеих корректирующих емкостей CN1, CN2 компенсируются имеющиеся от каждого конца второй вторичной обмотки Т22 до опорного потенциала паразитные емкости, для чего вторая корректирующая емкость CN2 подстраивается с наблюдением за выходным сигналом на сигнальном выходе 6 схемы усилителя сигнала.
Наконец, в Фиг. 4 схематически показан экран 5 второго трансформатора Т2, выпрямителя из диодного моста 3 и LC-схемы, а также корректирующих емкостей с символами CN1, CN2. В отношении экрана 5 речь идет, в частности, о металлической обойме, которая охватывает схему и тем самым покрывает экранируемые компоненты. Экран также удерживается на опорном потенциале.
Описываемый далее со ссылкой на Фиг. 5-8 преобразователь напряжения может быть использован в качестве независимого от источника напряжения усилителя источника напряжения для снабжения диодов напряжения смещения и, соответственно, схемы напряжения смещения, как было описано выше. Однако, как разъяснялось вначале, преобразователь напряжения вместо этого также может быть использован для создания напряжения для других потребителей и в совершенно других областях применения.
В Фиг. 5 схематически представлен в виде схемы соединений преобразователь напряжения согласно предпочтительному варианту исполнения. Так же, как и в последующих Фигурах, здесь показаны только важные для описания изобретения компоненты. Преобразователь напряжения имеет входные присоединительные элементы In и выходные присоединительные элементы Out. Входные присоединительные элементы In снабжаются первичным переменным напряжением 2. На выходных присоединительных элементах Out преобразователь напряжения генерирует постоянное напряжение для питания одного или многих потребителей, причем потребители в Фигуре не показаны.
Центральную часть преобразователя напряжения составляют два соединенные последовательно трансформатора T1, T2 в каждом случае с первичными обмотками T11, T21 и вторичными обмотками T12, T22. На первую первичную обмотку T11 через входные присоединительные элементы In подается первичное переменное напряжение 2, тогда как на вторую вторичную обмотку T22 подводится переменное напряжение, которое при конструктивно идентичных трансформаторах T1, T2 по существу равно первичному переменному напряжению 2. Первая вторичная обмотка T12 и вторая первичная обмотка T21 образованы короткозамкнутым витком 1. В этом отношении речь идет о короткозамкнутом отрезке проволоки, которая проходит через оба сердечника трансформаторов T1, T2. Короткозамкнутый виток 1 предпочтительно скрещивается между обоими сердечниками и тем самым образует восьмерку. Короткозамкнутый виток 1 в варианте исполнения согласно Фиг. 5 заземлен.
Созданное во второй вторичной обмотке Т22 переменное напряжение выпрямляется с помощью выпрямителя, который собран из диодного моста 3 и фильтра нижних частот из индуктивности L выпрямителя и емкости С выпрямителя.
Выполненное согласно этому первому варианту исполнения заземление короткозамкнутого витка 1 представляет собой меру для сокращения или предотвращения синфазных мешающих напряжений. Другие меры схематически представлены в последующих Фиг. 6-4. В этих нижеследующих примерах исполнения принципиальная конструкция преобразователя напряжения может оставаться такой же, как в описанных ранее.
В варианте исполнения согласно Фиг. 6 короткозамкнутый виток 1 вместо заземления поддерживается при опорном потенциале. Это производится тем, что короткозамкнутый виток 1 через преобразователь 4 полных сопротивлений соединен с опорным потенциалом, который прилагается к входу 41 преобразователя полных сопротивлений. Преобразователь напряжения через его выходные присоединительные элементы Out снабжает потребитель (не представлен). В отношении опорного потенциала речь идет о сигнале, который обрабатывается в этом потребителе, или опорный потенциал следует этому обрабатываемому в потребителе сигналу.
Дополнительно к описанной в Фиг. 6 самонастройке короткозамкнутого витка 1, оба присоединительных элемента на выходе второго трансформатора Т2, а именно, оба конца второй вторичной обмотки Т22, через первую корректирующую емкость CN1 и вторую корректирующую емкость CN2 соединены с опорным потенциалом. Альтернативно опорному потенциалу обе корректирующих емкости CN1, CN2 также могут быть заземлены, как короткозамкнутый виток 1 в Фиг. 5.
При этом вторая корректирующая емкость CN2 выполнена как регулируемый конденсатор. Посредством обеих корректирующих емкостей CN1, CN2 компенсируются имеющиеся от каждого конца второй вторичной обмотки Т22 до опорного потенциала паразитные емкости, для чего вторая корректирующая емкость CN2 подстраивается с наблюдением за выходным сигналом потребителя или измеренным на выходных присоединительных элементах Out напряжением.
Наконец, в Фиг. 8 схематически показано экранирование 5 второго трансформатора Т2, выпрямителя из диодного моста 3 и LC-схемы, а также корректирующие емкости CN1, CN2. В отношении экрана 5 речь идет, в частности, о металлической пластине, которая размещается поверх схемы и покрывает экранируемые компоненты. Экране также удерживается на опорном потенциале. Альтернативно, экран также может быть заземлен, как короткозамкнутый виток 1 в Фиг. 5.
Список ссылочных позиций
1 короткозамкнутый виток
2 первичное переменное напряжение
3 диодный мост
4 преобразователь полных сопротивлений
41 вход преобразователя полных сопротивлений
5 экран
6 сигнальный выход
A+, A- выходы предварительного усилителя
Ab усилитель напряжения смещения
C емкость выпрямителя
Cb конденсатор напряжения смещения
CN1 первая корректирующая емкость
CN2 вторая корректирующая емкость
D1, D11, D12, D2, D21, D22 диод напряжения смещения (индикаторный диод)
DZ диод Зенера
E+, E- входы предварительного усилителя
Ib источник постоянного тока
In входные присоединительные элементы
L индуктивность выпрямителя
LTP входной каскад дифференциального усилителя
Out выходные присоединительные элементы
P1 потенциометр
Pb потенциометр напряжения смещения
Q1, Q11, Q12 первые усилительные транзисторы
Q2, Q21, Q22 вторые усилительные транзисторы
Q3, Q3', R3, R3' каскад усиления напряжения, положительный
Q4, Q4', R4, R4' каскад усиления напряжения, отрицательный
Qb транзистор
R2 резистор
Rb резистор напряжения смещения
T1 первый трансформатор
T11 первая первичная обмотка
T12 первая вторичная обмотка
T2 второй трансформатор
T21 вторая первичная обмотка
T22 вторая вторичная обмотка
UA операционный усилитель
V+, V- источник напряжения усилителя
Vb источник напряжения.