DE60310327T2

DE60310327T2 - Thermalschutzsystem für Verstärkerausgangsstufe

Info

Publication number: DE60310327T2
Application number: DE60310327T
Authority: DE
Inventors: Gerald R. Stanley
Original assignee: Harman International Industries Inc
Current assignee: Harman International Industries Inc
Priority date: 2002-09-23
Filing date: 2003-09-23
Publication date: 2007-04-26
Anticipated expiration: 2023-09-24
Also published as: ATE348446T1; EP1401096A3; EP1401096A2; CN1492578A; DE60310327D1; JP2004120754A; CN100483931C; US6927626B2; EP1401096B1; US20040060026A1

Description

Hintergrund der Erfindung
1. Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft allgemein ein thermisches Schutzsystem für eine Ausgangsstufe eines Verstärkers und insbesondere den Schutz von Ausgangsvorrichtungen einer Ausgangsstufe eines Verstärkers.
2. Stand der Technik
Es werden bislang verschiedene Schaltungsaufbauten verwendet, um das Problem der übermäßigen lokalen Wärmeerzeugung in Ausgangsvorrichtungen zu lösen. Übermäßige Wärme führt eventuell zu einem Durchschlag und zu einer Zerstörung der Ausgangsvorrichtungen. Ein gängiger Schaltungsaufbau ist der V-I-Begrenzer. Die V-I-Begrenzerschaltung erfasst den Stromverbrauch (Leistungsverbrauch) in einer Ausgangsvorrichtung durch kontinuierliches Erfassen der Spannung und des Stromes der Ausgangsvorrichtung und Begrenzen des Ansteuersignals der Ausgangsvorrichtung, wenn das Produkt aus Spannung und Strom eine vorbestimmte Schwelle übersteigt. V-I-Begrenzerschaltungen werden in dem an Klees erteilten US-Patent mit der Nummer 3,234,453, in dem an Burwen erteilten US-Patent mit der Nummer 3,500,218, in dem an Cambell erteilten US-Patent mit der Nummer 3,526,846, in dem an Sondermeyer erteilten US-Patent mit der Nummer 3,536,958 und in dem an Stanley erteilten US-Patent mit der Nummer 3,493,879 beschrieben. Darüber hinaus offenbart das Datenblatt „MS5F4431 Intelligent Power MOSFET Specification" einen MOSFET-Transistor mit einer integrierten Temperaturschutzschaltung.
Der primäre Vorteil des Implementierens eines V-I-Begrenzers ist die Einfachheit. Es sind keine zusätzlichen Stromquellen zur Speisung der Schaltung erforderlich, und die Topologie der Schaltung ist vergleichsweise einfach. Die Ausgestaltung von V-I-Begrenzern gibt jedoch üblicherweise Ausgangsstrom (Ausgangsleistung) her, um die Vorrichtungen unter den schlechtesten Betriebsbedingungen (worst case) zu schützen, die im Normalbetrieb nicht sehr häufig auftreten. V-I-Begrenzer liefern keinen Ausgleich für die tatsächliche Temperatur der geschützten Ausgangsvorrichtungen, sondern werden üblicherweise unter der Annahme konzipiert, dass die Umgebungstemperatur hoch ist. Darüber hinaus liefern V-I-Begrenzer keinen Ausgleich für die tatsächliche Stromquellenspannung, sondern werden anstatt dessen üblicherweise unter der Annahme hoher Stromquellenspannungen konzipiert. Ein derartiges Overdesign führt zu gesteigerten Kosten aufgrund der zusätzlichen Ausgangsvorrichtungen und Anbringungen, die benötigt werden.
Aufgrund der Beschränkungen der V-I-Begrenzer wurden Schutzschaltungen entwickelt, die die tatsächliche Temperatur einer Ausgangsvorrichtung simulieren. Diese Schaltungen sind unter der Bezeichnung Übergangstemperatursimulator (junction tmperatur simulator JTS) bekannt. Eine JTS-Schutzschaltung ist in dem an Stanley erteilten US-Patent mit der Nummer 4,330,809 beschrieben und ist durch Bezugnahme mitaufgenommen.
JTS-Schaltungen arbeiten durch Überwachung des von einer Ausgangsvorrichtung verbrauchten instantanen Stromes (Leistung) in Abhängigkeit von der Zeit sowie durch kontinuierliches Berechnen eines Temperaturdifferenzials zwischen der Ausgangsvorrichtung und der zugehörigen Wärmesenke. Die instantane Wärmesenkentemperatur wird simultan gemessen, und das Temperaturdifferenzial und die Wärmesenkentemperatur werden summiert, um die simulierte Echtzeitausgangsvorrichtungstemperatur zu erhalten.
JTS-Schutzschaltungen umfassen üblicherweise einen Ausgangsbegrenzer, der die simulierte Temperatur der Ausgangsvorrichtung im Betrieb überwacht. Wird eine Schwelle für die simulierte Temperatur erreicht, so wird das Ansteuersignal für die Ausgangsvorrichtung durch den Ausgangsbegrenzer begrenzt. JTS-Schutzschaltungen maximieren den Verstärkerausgang, indem sie den Ausgang nur dann automatisch reduzieren, wenn die vorgeschriebene maximale Ausgangsvorrichtungstemperatur erreicht wird.
Üblicherweise werden JTS-Schaltungen nur in Verstärkern eingesetzt, die bei mehr als 200 Watt betrieben werden, was von Randbedingungen herrührt, die durch das Design der geschützten Schaltungen und die damit einhergehenden Kosten vorgegeben sind. Bei traditionellen Designs für JTS-Schaltungen ist die Simulationsschaltung auf Erde bezogen und wird von einer geregelten Stromquelle mit Gleichstromschienen von +/–15 V gespeist. In Verstärkern, bei denen eine JTS-Schaltung zum Einsatz kommt, sind jedoch üblicherweise Leistungsstufen mit Schwingschienen (swinging rails) (kein Bezug auf Erde) implementiert. Daher benötigt ein Mehrkanalverstärker mit implementierter JTS-Schaltung eine getrennte Stromquelle für jeden Kanal wie auch eine zusätzliche geregelte Stromquelle für die auf Erde bezogene JTS-Schaltung.
Aufgrund der Notwendigkeit einer separaten geregelten Stromquelle ist die Implementierung einer JTS-Schaltung mit Blick auf die Kosten in einem einfacheren kostengünstigeren Halbbrückenverstärker nachteilig, wo die Stromquellenschienen auf Erde bezogen sind und oftmals von anderen Ausgangsstufen (Kanäle) mitverwendet werden. Daher greifen kostengünstigere Verstärker, in denen ein thermischer Schutz zum Einsatz kommt, üblicherweise auf eine V-I-Begrenzerschutzschaltung zurück. Wünschenswert wäre die Implementierung einer JTS-Schutzschaltung, ohne dass die Kosten für die zusätzliche im Stand der Technik übliche geregelte Stromquelle auftreten würden, die zusätzliche Sekundärwindungen an einem Leistungstransformator notwendig macht.
Zusammenfassung
Die Erfindung stellt eine JTS-Schutzschaltung bereit, die nicht auf Erde bezogen ist und daher ohne die separate im Stand der Technik übliche geregelte Stromquelle arbeitet. Eine JTS-Schutzschaltung ist als solches praktisch und bei kostengünstigen Hochleistungsverstärkern kosteneffektiv. Das Herstellen eines Verstärkers, der eine JTS-Schutzschaltung enthält, die nicht auf Erde bezogen ist, ist teilweise durch den extensiven Gebrauch automatischer Testgeräte während der Herstellung machbar. Automatische Testgeräte arbeiten üblicherweise „ungeerdet" („oft ground"), ohne dass sie menschliche Bediener einem Risiko aussetzen würden, was ein sicheres und effektives Testen einer derartigen JTS-Schutzschaltung ermöglicht.
Die JTS-Schutzschaltung kann in einem Halbbrückenverstärker zum Einsatz kommen, der eine Verstärkergleichstromquelle zum Speisen der Ausgangsstufe und der JTS-Schutzschaltung aufweist. Die JTS-Schutzschaltung kann einen Stromrichter, einen Temperatursimulator, einen Ausgangsbegrenzer und eine Vorspannungssteuerung umfassen. Der Stromrichter kann einen Kondensator, einen Widerstand, eine Zenerdiode und einen handelsüblichen Spannungsregler enthalten. Der Stromrichter kann mit einer positiven Stromschiene (+Vcc) und einer negativen Stromschiene (–Vcc) der Verstärkergleichstromquelle und darüber hinaus mit einem verstärkten Wechselstromausgangssignal der Ausgangsstufe gekoppelt sein. Im Betrieb kann der Stromrichter eine gere gelte positive Stromschiene (+Vb) und eine negative Stromschiene (–Vb) bereitstellen, die auf das verstärkte Wechselstromausgangssignal der Ausgangsstufe bezogen sind. Die anderen Komponenten der JTS-Schutzschaltung können auf das verstärkte Wechselstromausgangssignal bezogen sein und Strom (Leistung) von den geregelten Gleichstromschienen des Stromrichters erhalten.
Aufgrund der Tatsache, dass die JTS-Schutzschaltung auf das verstärkte Wechselstromausgangssignal der Ausgangsstufe bezogen ist, kann die Größe der Spannung, die den Strom durch die Ausgangsstufe angibt, vergleichsweise klein sein. Diejenige Spannung, die den Strom durch die Ausgangsstufe angibt, kann von der JTS-Schutzschaltung verwendet werden, um Temperaturen innerhalb der Ausgangsstufe zu simulieren. Da die Größendifferenz der Spannung zwischen den Ausgangsstufenvorrichtungen und dem verstärkten Wechselstromausgangssignal vergleichsweise klein ist, ist die Spannung, die den Strom angibt, ebenfalls vergleichsweise klein. Wäre demgegenüber die JTS-Schutzschaltung auf Erde bezogen, so wäre die Größe der Spannung, die den Strom durch die Ausgangsstufe angibt, erheblich größer, da hier die Spannung des verstärkten Wechselstromausgangssignals enthalten wäre. Da die JTS-Schutzschaltung auf das verstärkte Wechselstromausgangssignal bezogen ist, wird eine Trennung derjenigen Spannung, die den Strom angibt, von der sehr viel größeren Spannung des verstärkten Wechselstromausgangssignals vermieden.
Weitere Systeme, Verfahren, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung sind oder werden einem Fachmann auf dem einschlägigen Gebiet bei Betrachtung der nachfolgenden Figuren und der Detailbeschreibung deutlich. Es ist beabsichtigt, dass all diese zusätzlichen in der Beschreibung enthaltenen Systeme, Verfahren, Merkmale und Vorteile im Schutzbereich der Erfindung enthalten und durch die beigefügten Ansprüche geschützt sind.
Kurzbeschreibung der Figuren
Ein weitergehendes Verständnis der Erfindung ergibt sich durch Betrachtung der nachfolgenden Figuren. Die Komponenten in den Figuren sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu angegeben. Die Betonung liegt vielmehr auf der Darstellung der Prinzipien der Erfindung. Darüber hinaus bezeichnen gleiche Bezugszeichen in den Figuren entsprechende Teile in verschiedenen Ansichten.
1 ist ein auf Systemniveau angegebenes Blockdiagramm eines Halbbrückenverstärkers, bei dem eine thermische Schutzschaltung zum Einsatz kommt, die von einer Verstärkergleichstromquelle gespeist wird.
2 ist ein Blockdiagramm einer thermischen Schutzschaltung für einen Verstärker.
3 ist eine schematische Darstellung einer thermischen Schutzschaltung für einen Verstärker.
4 ist eine schematische Darstellung eines Stromrichters für die thermische Schutzschaltung.
Detailbeschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele
1 ist ein auf Systemebene angegebenes Blockdiagramm eines Halbbrückenverstärkers 10. In 1 ist eine Last 500 gezeigt, die zwischen dem Halbbrückenverstärker 10 und Erde eingekoppelt ist. Alternativ kann ein Vollbrückenverstärker auch derart ausgestaltet sein, dass ein erster Halbbrückenverstärker 10 mit einem ersten Eingang der Last 500 gekoppelt ist, während ein zweiter Halbbrückenverstärker 10 mit einem zweiten Eingang der Last 500 gekoppelt ist. Da die Halbbrückenverstärker 10 eines derartigen Halbbrückenverstärkers zueinander ähnlich sind, wird hier nur ein derartiger Halbbrückenverstärker 10 beschrieben.
Der in 1 gezeigte Halbbrückenverstärker 10 empfängt ein Eingangssignal auf einer Eingangssignalleitung 20 und stellt ein verstärktes Wechselstromausgangssignal auf einer Ausgangssignalleitung 30 für die Last 500 bereit. Die Last 500 ist beispielhalber als Lautsprecher dargestellt. Die Last 500 kann jedoch eine beliebige elektrische Vorrichtung sein, die ein verstärktes Wechselstromausgangssignal benötigt. Das Eingangssignal auf der Eingangssignalleitung 20 und das verstärkte Wechselstromausgangssignal auf der Ausgangssignalleitung 30 können jeweils auf Erde bezogen sein.
Der Halbbrückenverstärker 10 umfasst eine Verstärkergleichstromquelle 100, einen Eingangsfehlerverstärker 200, eine thermische Schutzschaltung 300 und eine Ausgangsstufe 400. Die Verstärkergleichstromquelle 100 kann eine beliebige herkömmliche Gleichstromquelle sein, die in der Lage ist, Gleichstromschienen bereitzustellen, die auf Erde bezogen sind. Die dargestellte Verstärkergleichstromquelle 100 umfasst eine erste Verstärkerstromquelle 110 und eine zweite Verstärkerstromquelle 120. Die erste Verstärkerstromquelle 110 kann eine +Vcc-Stromschiene 112 für die Ausgangsstufe 400 des Verstärkers 10 umfassen. Die zweite Verstärkerstromquelle 120 kann eine –Vcc-Stromschiene 122 für die Ausgangsstufe 400 des Verstärkers 10 umfassen. Sowohl die +Vcc-Stromschiene 112 wie auch die –Vcc-Stromschiene 122 können auf Erde bezogen sein.
Der Eingangsfehlerverstärker 200 kann eine beliebige Schaltung oder Vorrichtung zum Empfangen eines Eingangssignals und eines Ausgangsrückkopplungssignals und zum hieraus erfolgenden Erzeugen eines ersten und eines zweiten Ansteuersignals zum Ansteuern der Ausgangsstufe 400 sein. Das Eingangssignal für den Eingangsfehlerverstärker 200 kann das erste Eingangssignal auf der Eingangssignalleitung 20 sein, während das Ausgangsrückkopplungssignal das verstärkte Wechselstromausgangssignal auf der Ausgangssignalleitung 30 sein kann. Der Eingangsfehlerverstärker 200 kann die Differenz zwischen dem Eingangssignal auf der Eingangssignalleitung 20 und dem verstärkten Wechselstromausgangssignal auf der Ausgangssignalleitung 30 bestimmen. Diese Differenz kann verstärkt und von dem Eingangsfehlerverstärker 200 umgewandelt werden, was zu einer verstärkten Differenz führt, die ein erstes Ansteuersignal +Drv auf der Signalleitung 40 und ein zweites Ansteuersignal –Drv auf der Signalleitung 50 darstellt. Das erste Ansteuersignal +Drv und das zweite Ansteuersignal –Drv können die Ausgangsstufe 400 derart ansteuern, dass der Fehler zwischen dem Eingangssignal auf der Eingangssignalleitung 20 und dem verstärkten Wechselstromausgangssignal auf der Ausgangssignalleitung 30 gesenkt wird.
Die Ausgangsstufe 400 kann ein Linear- oder Schaltverstärker von Klasse A, Klasse B, Klasse AB, Klasse H, Klasse G oder einem beliebigen anderen Typ sein. Darüber hinaus kann die Ausgangsstufe 400 unter Verwendung einer herkömmlichen Verstärkerausgangstopologie, so beispielsweise quasikomplementär, vollkomplementär oder auf ähnliche Weise, konstruiert werden. Für jede dieser Topologien kann die Ausgangsstufe 400 eine Vielfalt von Stufen und Ausgangsvorrichtungen enthalten.
Die dargestellte Ausgangsstufe 400 umfasst eine erste Ausgangsstufe 410, eine zweite Ausgangsstufe 420, einen ersten Stromerfassungswiderstand 412 und einen zweiten Stromerfassungswiderstand 422. Die erste Ausgangsstufe 410 kann einen positiven Teil des verstärkten Wechselstromausgangssignals auf einer Ausgangssignalleitung 30 be reitstellen. Die zweite Ausgangsstufe 420 kann einen negativen Teil des verstärkten Wechselstromausgangssignals auf einer Ausgangssignalleitung 30 bereitstellen.
Die erste Ausgangsstufe 410 kann einen oder mehrere Stromverarbeitungsausgangsvorrichtungen enthalten, so beispielsweise Halbleiter, die an einer oder mehreren Wärmesenken angebracht sind. Die zweite Ausgangsstufe 420 kann auf ähnliche Weise eine oder mehrere Ausgangsvorrichtungen enthalten. Die Stromverarbeitungsausgangsvorrichtungen können beliebige Vorrichtungen sein, die in der Lage sind, ein Hochfrequenzschalten einer Hochspannung und/oder eines Hochstromes vorzunehmen, so beispielsweise eine Kombination aus bipolaren Flächentransistoren Qunction transistors) (NPN oder PNP), Metalloxidhalbleiterfeldeffekttransistoren (MOSFETs) oder beliebige andere Arten von Halbleitern.
Stromsignale (Leistungssignale), die den instantanen Strom (Leistung) darstellen, der von der ersten Ausgangsstufe 410 und der zweiten Ausgangsstufe 420 verbraucht wird, können von der thermischen Schutzschaltung 300 verwendet werden. Der instantane Strom, der von der ersten Ausgangsstufe 410 oder der zweiten Ausgangsstufe 420 verbraucht wird, kann durch Multiplizieren eines Spannungswertes an einer der Ausgangsstufen 410 oder 420 mit dem Stromwert an der jeweiligen Ausgangsstufe 410 oder 420 bestimmt werden. Die Spannung an jeder der beiden Ausgangsstufen 410 oder 420 kann durch Subtrahieren eines Spannungswertes des verstärkten Wechselstromausgangssignals der Ausgangsstufe 400 von der Spannung der Stromschiene (+Vcc 112 beziehungsweise –Vcc 122) bestimmt werden, wodurch der Strom der jeweiligen Ausgangsstufe 410 oder 420 bereitgestellt wird.
Der instantane Strom kann durch Messen des Ausgangsstromes der ersten Ausgangsstufe 410 und der zweiten Ausgangsstufe 420 bestimmt werden. Eine Schaltung zum Erzeugen eines Stromerfassungssignals, das den Wert des Stromes durch eine der Ausgangsstufen 410 oder 420 darstellt, umfasst einen Stromerfassungswiderstand, der in Reihe mit dem Ausgang der jeweiligen Ausgangsstufen 410 oder 420 verbunden ist. Der Spannungsabfall an dem Widerstand kann das Stromerfassungssignal tiefern. Wie in 1 gezeigt ist, kann der erste Stromerfassungswiderstand 412 ein erstes Spannungssignal auf einer ersten Stromerfassungssignalleitung 414 erzeugen, das einen Wert des Stromes durch die erste Ausgangsstufe 410 darstellt. Auf ähnliche Weise kann der zweite Stromerfassungswiderstand 422 ein zweites Spannungssignal für die zweite Ausgangsstufe 420 auf der zweiten Stromerfassungssignalleitung 424 erzeugen. Ein beliebiger Mechanismus zum Erzeugen eines Wertes, der einen Strom durch die Ausgangsstufen 410 und 420 darstellt, so beispielsweise ein GMR-Sensor (giant magneto resisitive GMR), kann verwendet werden, um die Stromerfassungssignale auf der ersten Stromerfassungssignalleitung 414 und der zweiten Stromerfassungssignalleitung 424 zu erzeugen.
Das erste Spannungssignal und das zweite Spannungssignal auf der ersten Stromerfassungssignalleitung 414 und der zweiten Stromerfassungssignalleitung 424 sind auf das verstärkte Wechselstromausgangssignal auf der Ausgangssignalleitung 30 bezogen. Daher kann die Größe des ersten Spannungssignals und des zweiten Spannungssignals vergleichsweise klein sein, da die Spannungen zwischen den Ausgängen der ersten Ausgangsstufe 410 und der zweiten Ausgangsstufe 420 und das verstärkte Wechselstromausgangssignal auf der Ausgangssignalleitung 30 vergleichsweise klein sind.
Werden das erste Spannungssignal und das zweite Spannungssignal anstatt dessen auf Erde bezogen, wie dies im Stand der Technik der Fall ist, so wären die Größen des ersten Spannungssignals und des zweiten Spannungssignals erheblich größer. Dies rührt daher, dass das erste Spannungssignal und das zweite Spannungssignal die Spannung des verstärkten Wechselstromausgangssignals auf der Ausgangssignalleitung 30 enthalten würden. Bei einer derartigen Anordnung könnten hochgenaue Komponenten verwendet werden, die zu einem „Abtrennen" („Separating out") der an den Widerständen 412 und 422 abfallenden Spannungen von dem sehr großen ersten und zweiten Spannungssignal in der Lage sind. Diese kleine Spannungen können beispielsweise jeweils kleiner als 1 V sein, während das verstärkte Wechselstromausgangssignal bei über 100 V liegen kann.
Die thermische Schutzschaltung 300 ist daher auf das verstärkte Wechselstromausgangssignal auf der Ausgangssignalleitung 30 bezogen, um das „Abtrennen" („Separating out") der kleinen Spannungen an den Widerständen 412 und 422 zu fördern. Die dargestellte thermische Schutzschaltung 300 enthält eine Schutzschaltung 301 und einen Stromrichter 600. Der Strom für die thermische Schutzschaltung 300 kann von einer Verstärkergleichstromquelle 100 bereitgestellt werden. Insbesondere kann der Stromrichter 600 einen Strom von der +Vcc-Stromschiene 112 und der –Vcc-Stromschiene 120 aufnehmen und eine geregelte +Vb-Stromschiene 630 und eine geregelte –Vb-Stromschiene 640 für die Stromschutzschaltung 301 bereitstellen. Darüber hinaus kann die Schutzschaltung 301 den Strom direkt von der +Vcc-Stromschiene 112 und der –Vcc-Stromschiene 122 aufnehmen. Die Eingänge der thermischen Schutzschaltung 300 können ebenfalls das verstärkte Wechselstromausgangssignal auf der Ausgangssignalleitung 30 sowie das erste Spannungssignal und das zweite Spannungssignal auf der ersten Stromerfassungssignalleitung 414 und der zweiten Stromerfassungssignalleitung 424 enthalten.
Im Betrieb kann die thermische Schutzschaltung 300 die Temperatur einer oder mehrerer Stromverarbeitungsausgangsvorrichtungen der ersten Ausgangsstufe 410 und/oder der zweiten Ausgangsstufe 420 simulieren. Zum Schutz der Stromverarbeitungsausgangsvorrichtungen der Ausgangsstufe 400 vor Überhitzung kann die thermische Schutzschaltung 300 das erste Ansteuersignal +Drv auf der Signalleitung 40 und das zweite Ansteuersignal –Drv auf der Signalleitung 50 begrenzen, wenn die simulierte Temperatur über eine Schwelle steigt.
2 ist ein Blockdiagramm der thermischen Schutzschaltung 300, die in 1 dargestellt ist. Die thermische Schutzschaltung 300 umfasst eine Schutzschaltung 301 und einen Stromrichter 600. Die Schutzschaltung 301 umfasst einen Temperatursensor 340, einen ersten Temperatursimulator 302, einen zweiten Temperatursimulator 304, einen ersten Ausgangsbegrenzer 370, einen zweiten Ausgangsbegrenzer 380 und eine Vorspannungssteuerung 390.
Der Temperatursensor 340 kann eine beliebige Schaltung oder Vorrichtung sein, die in der Lage ist, die aktuelle Temperatur beziehungsweise die aktuellen Temperaturen wenigstens einer Wärmesenke in der Ausgangsstufe 400 zur erfassen und ein Signal bereitzustellen, das die erfasste Temperatur beziehungsweise die erfassten Temperaturen darstellt. Der erste Temperatursimulator 302 und der zweite Temperatursimulator 304 der thermischen Schutzschaltung 300 können jeweils eine Schaltung oder eine Vorrichtung sein, die in der Lage ist, simulierte Temperaturen einer oder mehrerer Stromverarbeitungsausgangsvorrichtungen zu erzeugen.
Der erste Ausgangsbegrenzer 370 und der zweite Ausgangsbegrenzer 380 können jeweils eine Schaltung oder Vorrichtung sein, die auf Basis eines empfangenen Temperatursignals einen Teil des Ansteuerstromes von der Ausgangsstufe 400 (1) wegleiten kann. Die Vorspannungssteuerung 390 kann eine beliebige Schaltung oder Vorrichtung zum Empfangen eines Temperatursignals und zum Bereitstellen eines Vorspannungssignals sein.
3 ist ein Schaltschema für die in 1 dargestellte thermische Schutzschaltung 300. Die thermische Schutzschaltung 300 umfasst eine Schutzschaltung 301 und einen Stromrichter 600. Die Schutzschaltung 301 umfasst einen Temperatursensor 340, einen ersten Temperatursimulator 302, einen zweiten Temperatursimulator 304, einen ersten Ausgangsbegrenzer 370, einen zweiten Ausgangsbegrenzer 380 und eine Vorspannungssteuerung 390.
Der dargestellte Temperatursensor 340 umfasst wenigstens eine Temperaturerfassungsvorrichtung 341, einen ersten Widerstand 342, einen zweiten Widerstand 343, einen dritten Widerstand 344 und einen vierten Widerstand 345. Der in 3 gezeigte Temperatursensor 340 umfasst eine einzelne Temperaturerfassungsvorrichtung 341. Gleichwohl kann der Temperatursensor 340 zusätzliche Temperaturerfassungsvorrichtungen enthalten. Mehr als eine Temperaturerfassungsvorrichtung 341 kann umfasst sein, wobei der erwartete Stromverbrauch der ersten Ausgangsstufe 410 merklich von dem erwarteten Stromverbrauch der zweiten Ausgangsstufe 420 abweicht. Wird nur eine Temperaturerfassungsvorrichtung 341 verwendet, so kann die Wärmesenke der Ausgangsstufe 400 auf eine Weise konfiguriert sein, dass die Temperatur der ersten Ausgangsstufe 410 und der zweiten Ausgangsstufe 420 angeglichen werden. Alternativ kann die Temperaturerfassungsvorrichtung 341 an dem heißesten Teil der Wärmesenke beziehungsweise der Wärmesenken angeordnet sein.
Die Temperaturerfassungsvorrichtung 341 kann eine beliebige Schaltung oder Vorrichtung sein, die in der Lage ist, ein Wärmesenkentemperatursignal bereitzustellen, das eine Funktion der erfassten Temperatur ist. So kann die Temperaturerfassungsvorrichtung 341 beispielsweise ein Thermistor, ein temperaturempfindlicher Transistor, ein Thermokoppler, eine temperaturempfindliche integrierte Schaltung oder eine beliebige andere Art von Vorrichtung sein, die in der Lage ist, ein Signal bereitzustellen, das die erfasste Temperatur darstellt. Die dargestellte Temperaturerfassungsvorrichtung 341 kann eine temperaturempfindliche integrierte Schaltung sein, so beispielsweise die Schaltung LM35DT, die von National Semiconductor hergestellt wird. Um Strom aufzunehmen, kann die Temperaturerfassungsvorrichtung 341 zwischen der geregelten +Vb-Stromschiene 630 (einem positiven Ausgang des Stromrichters 600) und dem verstärkten Wechselstromausgangssignal auf der Ausgangssignalleitung 30 eingekoppelt sein. Die Temperaturerfassungsvorrichtung 341 kann ein Temperaturausgangssignal erzeugen, das sich als Funktion der Temperatur der Wärmesenke, an der sie angebracht ist, ändert.
Die Widerstände 342 und 345 können die temperaturabhängigen Ströme zu einem ersten einer virtuellen Erde zugedachten Summierknoten 346 beziehungsweise einem zweiten einer virtuellen Erde zugedachten Summierknoten 347 summieren. Der erste einer virtuellen Erde zugedachte Summierknoten 346 und der zweite einer virtuellen Erde zugedachte Summierknoten 347 können Temperaturausgangssignale aus dem Temperatursensor 340 empfangen. Feste Ströme aus den Widerständen 343 und 344 können gewünschte Temperatursignaloffsets für die Temperatursimulatoren 302 beziehungsweise 304 bereitstellen.
Der erste Temperatursimulator 302 und der zweite Temperatursimulator 304 können jeweils simulierte Temperaturen für eine oder mehrere Stromverarbeitungsausgangsvorrichtungen erzeugen. Der erste Temperatursimulator 302 oder der zweite Temperatursimulator 304 können beispielsweise jeweils ein Digitalcomputer oder ein Analogcomputer sein. Der erste Temperatursimulator 302 und der zweite Temperatursimulator 304 können ein oder mehrere Signale empfangen, aus denen die instantane Leistung, die von der ersten Ausgangsstufe 410 oder der zweiten Ausgangsstufe 420 verbraucht wird, berechnet werden kann. Darüber hinaus kann das Wärmesenkentemperatursignal von dem Temperatursensor 340 von dem ersten Temperatursimulator 302 und dem zweiten Temperatursimulator 304 empfangen werden. Auf Basis der empfangenen Signale können der erste Temperatursimulator 302 und der zweite Temperatursimulator 304 eine Einrichtung zum Erzeugen der erzeugten Temperatursignale darstellen, die eine simulierte Temperatur einer oder mehrerer Stromverarbeitungsausgangsvorrichtungen der ersten Ausgangsstufe 410 beziehungsweise der zweiten Ausgangsstufe 420 darstellen.
Der in 3 gezeigte erste Temperatursimulator 302 enthält einen ersten Multiplizierer 320 und eine erste Simulationsschaltung 330. Der zweite Temperatursimulator 304 kann auf ähnliche Weise einen zweiten Multiplizierer 350 und eine zweite Simulationsschaltung 360 enthalten. Der erste Multiplizierer 320 und der zweite Multiplizierer 350 können eine erste Eingangsspannung mit einer zweiten Eingangsspannung multiplizieren und auf diese Weise einen Ausgangsstrom bereitstellen, der das Produkt darstellt.
Der erste Multiplizierer 320 kann eine beliebige Schaltung oder Vorrichtung sein, die in der Lage ist, ein Stromsignal zu erzeugen, das einen instantanen Strom darstellt, der von der ersten Ausgangsstufe 410 verbraucht wird, und zwar auf Basis der Spannung an der ersten Stufe 410 und des Stromes durch die erste Stufe 410. Wie vorstehend bereits erläutert worden ist, kann die Spannung an der ersten Stufe 410 die Spannungsdifferenz zwischen der Spannung des verstärkten Wechselstromausgangssignals auf einer Ausgangssignalleitung 30 und einer Spannung der +Vcc-Stromschiene 112 sein. Das Stromerfassungssignal, das den instantanen Strom durch die erste Ausgangsstufe 410 angibt, kann das erste Spannungssignal auf der ersten Stromerfassungssignalleitung 414 sein.
Auf ähnliche Weise kann der zweite Multiplizierer 330 eine beliebige Schaltung oder Vorrichtung sein, die in der Lage ist, ein Stromsignal zu erzeugen, das einen instantanen Strom angibt, der von der zweiten Ausgangsstufe 420 verbraucht wird, und zwar auf der Basis eines instantanen Spannungssignals und eines Stromerfassungssignals. Der zweite Multiplizierer 350 kann auf gleiche Weise wie der erste Multiplizierer 320 arbeiten.
Wie in 3 gezeigt ist, kann der erste Multiplizierer 320 ein Zweiquadrantentranskonduktanzmultiplizierer sein. Der erste Multiplizierer 320 umfasst ein abgeglichenes Paar bipolarer Flächentransistoren 321, einen ersten Widerstand 322, einen zweiten Widerstand 323, einen dritten Widerstand 324 und ein Potenziometer 325. Das abgeglichene Paar bipolarer Flächentransistoren 321 umfasst einen ersten Transistor 327 und einen zweiten Transistor 326. Der erste Multiplizierer 320 kann mit Spannungen bei oder oberhalb des verstärkten Wechselstromausgangssignals auf der Ausgangssignalleitung 30 arbeiten. Entsprechend können der erste Transistor 327 und der zweite Transistor 326 PNP-Transistoren sein.
Der erste Transistor 322 kann zwischen der +Vcc-Stromschiene 112 und den gemeinsam angeschlossenen Emittern des ersten Transistors 327 und des zweiten Transistors 326 eingekoppelt sein. Der erste Widerstand 322 kann einen Strom für den ersten Transistor 327 und den zweiten Transistor 326 bereitstellen, der proportional zu derjenigen Spannung ist, die an der ersten Stromstufe 410 anliegt. Im Betrieb kann der Widerstand 323 zwischen der ersten Stromerfassungssignalleitung 414 und der Basis des ersten Transistors 327 eingekoppelt sein. Der zweite Widerstand 323 kann einen Strom erzeugen, um den ersten Transistor 327 proportional zur Spannung des ersten Stromerfassungssignals auf der ersten Stromerfassungssignalleitung 414 anzusteuern.
Der dritte Widerstand 324 kann zwischen der Basis des ersten Transistors 327 und der Ausgangssignalleitung 30 eingekoppelt sein. Die Widerstände 323 und 324 können das abgeglichene Paar 321 mit einer Vorspannung beaufschlagen. Die Basis des zweiten Transistors 326 kann mit der Ausgangssignalleitung 30 gekoppelt sein. Dies bezieht Multiplizierer 320 auf das verstärkte Wechselstromausgangssignal auf der Ausgangs signalleitung 30. Mit anderen Worten, der Multiplizierer 320 nimmt ein „Floating" mit dem verstärkten Wechselstromausgangssignal auf der Ausgangssignalleitung 30 vor. Der von dem ersten Multiplizierer 320 erzeugte Ausgang kann eine Summe von Kollektorströmen des ersten Transistors 327 und des zweiten Transistors 326 sein. Der von dem ersten Multiplizierer 320 erzeugte Ausgang kann ein erstes Stromsignal sein, das auf das verstärkte Wechselstromausgangssignal auf der Ausgangssignalleitung 30 bezogen ist. Das erste Stromsignal kann einen instantanen Strom darstellen, der von der ersten Ausgangsstufe 410 verbraucht wird.
Der zweite Multiplizierer 350 kann ebenfalls ein Zweiquadrantentranskonduktanzmultiplizierer sein. Der zweite Multiplizierer 350 umfasst ein abgeglichenes Paar bipolarer Flächentransistoren 351, einen ersten Widerstand 352, einen zweiten Widerstand 353, einen dritten Widerstand 354 und ein Potenziometer 355. Das abgeglichene Paar bipolarer Flächentransistoren 351 umfasst einen ersten Transistor 357 und einen zweiten Transistor 356. Der zweite Multiplizierer 350 kann mit Spannungen bei oder unterhalb des verstärkten Ausgangswechselstromsignals auf der Ausgangssignalleitung 30 arbeiten. Entsprechend können der erste Transistor 357 und der zweite Transistor 356 NPN-Transistoren sein.
Der zweite Multiplizierer 350 kann auf dieselbe Weise wie der erste Multiplizierer 320 arbeiten. Der zweite Multiplizierer 350 kann jedoch mit der –Vcc-Stromschiene 122 und der zweiten Stromerfassungssignalleitung 424 gekoppelt sein. Entsprechend kann der von dem zweiten Multiplizierer 350 erzeugte Ausgang ein zweites Stromsignal sein, das einen instantanen Strom darstellt, der von der zweiten Ausgangsstufe 420 verbraucht wird.
Die abgeglichenen Paare 321 und 351 können in wechselseitigem Zusammenspiel arbeiten, sie können jedoch nicht perfekt aufeinander abgeglichen sein. Für einen ausgewogenen Betrieb können Standardpotenziometer 325 und 355 in dem ersten Multiplizierer 320 beziehungsweise dem zweiten Multiplizierer 350 enthalten sein, um die Basis-zu-Basis-Offsetspannung zwischen dem ersten Transistor 327 und dem zweiten Transistor 326 des abgeglichenen Paares 321 und dem ersten Transistor 357 und dem zweiten Transistor 356 des abgeglichenen Paares 351 zu trimmen.
Die erste Simulationsschaltung 330 kann ein erstes simuliertes Temperatursignal erzeugen, das eine Funktion des ersten Stromsignals ist, das von dem Multiplizierer 320 er zeugt wird, und des ersten Temperatursignals, das von dem Temperatursensor 340 erzeugt wird. Auf ähnliche Weise kann die zweite Simulationsschaltung 360 ein zweites simuliertes Temperatursignal erzeugen, das eine Funktion des zweiten Stromsignals ist, das von dem Multiplizierer 350 erzeugt wird, und des zweiten Temperatursignals, das von dem Temperatursensor 340 erzeugt wird.
Die erste Simulationsschaltung 330 und die zweite Simulationsschaltung 360 können eine beliebige Schaltung oder Vorrichtung sein, die in der Lage ist, die thermische Impedanz einer oder mehrerer Stromverarbeitungsausgangsvorrichtungen der Ausgangsstufe 400 zu modellieren. Die erste Simulationsschaltung 330 umfasst einen ersten Operationsverstärker 331, einen zweiten Operationsverstärker 332, einen ersten Widerstand 333, einen zweiten Widerstand 334 und ein Rückkopplungsnetzwerk 335. Der erste Operationsverstärker 331 kann ein Operationsverstärker mit hoher Verstärkung sein. Die nicht-invertierenden Eingänge des ersten Operationsverstärkers 331 und des zweiten Operationsverstärkers 332 können mit der Ausgangssignalleitung 30 gekoppelt sein. Alle Eingänge und Ausgänge der ersten Simulationsschaltung 330 können als solche auf das verstärkte Wechselstromausgangssignal auf der Ausgangssignalleitung 30 bezogen sein. Mit anderen Worten erfolgt bei der ersten Simulationsschaltung 330 ein „Floating" mit dem verstärkten Wechselstromausgangssignal auf der Ausgangssignalleitung 30.
Der erste Widerstand 333 und der zweite Widerstand 334 können abgeglichen sein und ein Widerstandsnetzwerk mit einem ersten Anschlusspunkt 336, einem zweiten Anschlusspunkt 337 und einem gemeinsamen Knoten 338 bilden. Der erste Anschlusspunkt 336 kann mit dem Kollektor des zweiten Transistors 326 des Multiplizierers 320, mit dem ersten einer virtuellen Erde zugedachten Summierknoten 346 und mit dem invertierenden Eingang des ersten Operationsverstärkers 331 gekoppelt sein. Der zweite Anschlusspunkt 337 kann mit dem Kollektor des ersten Transistors 327 des Multiplizierers 320 und mit dem invertierenden Eingang des zweiten Operationsverstärkers 332 gekoppelt sein. Der gemeinsame Knoten 338 kann mit dem Ausgang des ersten Operationsverstärker 331 gekoppelt sein. Der erste Operationsverstärker 331 und das Widerstandsnetzwerk können als Stromspiegler arbeiten, um einen kombinierten Ausgangsstrom zu erzeugen.
Das Rückkopplungsnetzwerk 335 kann RC-Netzwerke (Widerstand-Kondensator), RL-Netzwerke (Widerstand-Spule) und/oder RLC-Netzwerke (Widerstand-Spule-Kondensator) enthalten, um die thermische Induktanz einer oder mehrerer Stromverarbeitungs ausgangsvorrichtungen der ersten Ausgangsstufe 410 zu modellieren. Das Rückkopplungsnetzwerk 335 ist als RC-Netzwerk (Widerstand-Kondensator) dritter Ordnung dargestellt. Das Rückkopplungsnetzwerk 335 kann von beliebiger Ordnung sein, wobei jedoch eine genauere Simulation durch den Einsatz eines Netzwerkes höherer Ordnung erreicht werden kann.
Das Rückkopplungsnetzwerk 335 kann zwischen dem Ausgang und dem invertierenden Eingang des zweiten Operationsverstärkers 332 eingekoppelt sein. Der zweite Operationsverstärker 332 und das Rückkopplungsnetzwerk 335 können den kombinierten Ausgangsstrom aus dem Stromspiegler in ein erstes Temperatursignal auf der ersten Temperatursignalleitung 306 umwandeln. Das erste Temperatursignal kann die Temperatur einer oder mehrerer Stromverarbeitungsausgangsvorrichtungen der ersten Ausgangsstufe 410 darstellen.
Ähnlich zu der ersten Simulationsschaltung 330 umfasst die zweite Simulationsschaltung 360 einen ersten Operationsverstärker 361, einen zweiten Operationsverstärker 362, einen ersten Widerstand 363, einen zweiten Widerstand 364 und ein Rückkopplungsnetzwerk 365. Genau wie bei der ersten Simulationsschaltung 330 erfolgt bei der zweiten Simulationsschaltung 360 ein „Floating" mit dem verstärkten Wechselstromausgangssignal auf der Ausgangssignalleitung 30.
Die zweite Simulationsschaltung 360 kann auf dieselbe Weise wie die erste Simulationsschaltung 330 arbeiten, dies jedoch mit der Ausnahme, dass die zweite Simulationsschaltung 360 mit dem zweiten Multiplizierer 350 und nicht mit dem ersten Multiplizierer 320 gekoppelt sein kann. Darüber hinaus kann die zweite Simulationsschaltung 360 mit dem zweiten einer virtuellen Erde zugedachten Summierknoten 347 und nicht mit dem ersten einer virtuellen Erde zugedachten Summierknoten 346 gekoppelt sein. Entsprechend kann der von der zweiten Simulationsschaltung 360 erzeugte Ausgang ein zweites Temperatursignal auf der zweiten Temperatursignalleitung 308 sein, die die Temperatur einer oder mehrerer Stromverarbeitungsausgangsvorrichtungen der zweiten Ausgangsstufe 420 und nicht der ersten Ausgangsstufe 410 darstellt.
Der erste Ausgangsbegrenzer 370 und der zweite Ausgangsbegrenzer 380 können jeweils einen Teil des Ansteuerstromes von der Ausgangsstufe 400 auf Basis eines empfangenen Temperatursignals wegleiten. Die wegleitenden Komponenten des ersten Ausgangsbegrenzers 370 und des zweiten Ausgangsbegrenzers 380 können beispiels weise mechanisch angesteuerte Potenziometer oder Rheostats (Regelwiderstände), bipolare Flächentransistoren, MOSFETs oder Triacs sein. Entsprechend können der erste Ausgangsbegrenzer 370 und der zweite Ausgangsbegrenzer 380 eine Einrichtung zum Begrenzen des Stromes sein, der von der Stromverarbeitungsausgangsvorrichtung beziehungsweise den Stromverarbeitungsausgangsvorrichtungen der Ausgangsstufe 400 verbraucht wird.
Wie in 3 gezeigt ist, umfasst der erste Ausgangsbegrenzer 370 eine erste Diode 371, einen Widerstand 372, einen Widerstand 373, eine zweite Diode 374 und einen zweiten Widerstand 375. Die Anode der ersten Diode 371 kann mit der Signalleitung 40 gekoppelt sein. Die Kathode der ersten Diode 371 kann mit dem Kollektor des Transistors 373 gekoppelt sein. Der Emitter des Transistors 373 kann mit der Ausgangssignalleitung 30 gekoppelt sein. Die Basis des Transistors 373 kann mit der Kathode der Diode 374, mit dem ersten Widerstand 372 und dem zweiten Widerstand 375 gekoppelt sein. Die Anode der zweiten Diode 374 kann mit der Ausgangssignalleitung 30 gekoppelt sein. Der erste Widerstand 372 kann auch mit der geregelten –Vb-Stromschiene 640, dem negativen Ausgang des Stromrichters 600 gekoppelt sein. Der zweite Widerstand 375 kann mit der ersten Temperatursignalleitung 306 gekoppelt sein, die von dem Temperatursimulator 320 herkommt.
Der erste Widerstand 372 und der zweite Widerstand 375 sowie die zweite Diode 374 können als Spannungsoffset- und Dämpfungsnetzwerk arbeiten, um die Spannungsdynamik des ersten Temperatursignals auf der ersten Temperatursignalleitung 306 zu erhöhen. Dies kann ein Maßschneidern der maximalen Spannung des ersten Temperatursignals aus dem Temperatursimulator 302 ermöglichen, um die dargestellte thermische Spannung zu erhöhen. Die erste Diode 371 kann verhindern, dass Strom durch den Widerstand 373 in Umkehrrichtung fließt. Steigt das erste Temperatursignal aus dem Temperatursimulator 302 über eine Schwellentemperatur, so kann der Transistor 373 aktiviert werden. Die Schwellentemperatur kann eine Temperatur sein, über der die Stromverarbeitungsausgangsvorrichtung, die gerade modelliert wird, einen thermischen Durchschlag erfährt. Ist der Transistor 373 aktiviert, so wird ein Teil des Stromes des ersten Ansteuersignals +Drv auf der Signalleitung 40 von der ersten Ausgangsstufe 410 weggeleitet. Dieses Wegleiten kann den Strom begrenzen, der von der ersten Ausgangsstufe 410 verbraucht wird.
Ähnlich zu dem ersten Ausgangsbegrenzer 370 umfasst der zweite Ausgangsbegrenzer 380 eine erste Diode 381, einen ersten Widerstand 382, einen Transistor 383, eine zweite Diode 384 und einen zweiten Widerstand 385. Der zweite Ausgangsbegrenzer 370 kann auf ähnliche Weise wie der erste Ausgangsbegrenzer 370 arbeiten. Ein Eingang des zweiten Ausgangsbegrenzers 380 kann das zweite Temperatursignal auf der zweiten Temperatursignalleitung 308 aus dem zweiten Temperatursimulator 304 sein. Im Betrieb kann der zweite Ausgangsbegrenzer 380 einen Teil des Stromes des zweiten Ansteuersignals –Drv auf der Signalleitung 50 von der zweiten Ausgangsstufe 420 wegleiten.
Während des Betriebes können, wenn die Stromverarbeitungsausgangsvorrichtungen der Ausgangsstufe 400 Strom verbrauchen, diese wärmer und daher stärker leitfähig werden. Werden sie stärker leitfähig, so können die Stromverarbeitungsausgangsvorrichtungen der Ausgangsstufe 400 kleinere Ansteuersignale +Drv und –Drv auf den Signalleitungen 40 und 50 benötigen, um den Fluss des Ruhestromes unter Ruhebedingungen aufrechtzuerhalten. Die Ruhebedingungen können vorliegen, wenn kein Eingangssignal auf der Eingangssignalleitung 20 vorhanden ist, während der Halbbrückenverstärker in Betrieb ist.
Werden die Ansteuersignale +Drv und –Drv auf den Signalleitungen 40 und 50 konstant gehalten, wenn kein Signal auf der Eingangssignalleitung 20 vorhanden ist, so kann der Ruhestrom durch die Ausgangsstufe 400 ansteigen. Steigt der Ruhestrom durch die Ausgangsstufe 400 an, so können die Stromverarbeitungsausgangsvorrichtungen der Ausgangsstufe 400 mehr Strom verbrauchen und noch wärmer werden. Auf diese Weise können der Ruhestrom durch die Ausgangsstufe 400 und die Temperatur der Stromverarbeitungsausgangsvorrichtungen weiter zunehmen, wenn kein Signal oder ein vergleichsweise kleines Signal auf der Eingangssignalleitung 20 vorhanden ist.
Die Vorspannungssteuerung 390 kann die Ausgangsstufe 400 (1) mit einem Vorspannungssignal beaufschlagen. Das Vorspannungssignal kann auf dem ersten Temperatursignal basieren, das von dem ersten Temperatursimulator 302 bereitgestellt wird. Im Betrieb kann das Vorspannungssignal das erste Ansteuersignal +Drv und das zweite Ansteuersignal –Drv auf den Signalleitungen 40 und 50 mit einer Vorspannung beaufschlagen. Dieses Beaufschlagen mit einer Vorspannung kann die Ansteuersignale +Drv und –Drv auf den Signalleitungen 40 und 50 dynamisch einstellen, um so einen im Wesentlichen konstanten Ruhestrom durch die Ausgangsspannung 400 aufrechtzuerhalten.
Ein im Wesentlichen konstanter Ruhestrom minimiert das Rauschen in dem verstärkten Wechselstromausgangssignal und die Wärme in der Ausgangsstufe 400.
Wie in 3 gezeigt ist, stellt die Vorspannungssteuerung 390 eine Einrichtung zum Vorspannungsbeaufschlagen der Ausgangsstufe 400 dar, die einen ersten Transistor 391, einen zweiten Transistor 399, einen ersten Widerstand 392, einen zweiten Widerstand 393, einen dritten Widerstand 394, einen vierten Widerstand 395, einen Kondensator 396, einen ersten Widerstand 397 und einen Rheostat (Regelwiderstand) 398 umfasst. Der erste Transistor 391 und der zweite Transistor 399 können ein abgeglichenes Paar von Transistoren sein, so beispielsweise bipolare Flächentransistoren.
Der erste Widerstand 392 kann zwischen der geregelten +Vb-Stromschiene 630 und dem Emitter des ersten Transistors 391 eingekoppelt sein. Der zweite Widerstand 393 kann zwischen der geregelten +Vb-Stromschiene 630 und dem Emitter des zweiten Transistors 399 eingekoppelt sein. Die Basis des ersten Transistors 391 kann mit dem Kollektor des ersten Transistors 391, der Basis des zweiten Transistors 399, dem Widerstand 394 und dem vierten Widerstand 395 gekoppelt sein. Der dritte Widerstand 394 kann ebenfalls mit der ersten Temperatursignalleitung 306 aus dem ersten Temperatursimulator 302 gekoppelt sein. Der erste Widerstand 395 kann auch mit dem Rheostat 398 gekoppelt sein. Der Rheostat 398 kann mit der Ausgangssignalleitung 30 gekoppelt sein. Der Kollektor des zweiten Transistors 399 kann mit der Signalleitung 40 gekoppelt sein, die das erste Ansteuersignal +Drv trägt. Der Kondensator 396 und der fünfte Widerstand 397 können zwischen der Signalleitung 40 und der Signalleitung 50 eingekoppelt sein.
Der erste Transistor 391 und der zweite Transistor 399 sowie der erste Widerstand 392 und der zweite Widerstand 393 können als Stromspiegler wirken. Der Stromspiegler kann eine Verstärkung aufweisen, die gleich dem Wert des ersten Widerstandes 392 geteilt durch den Wert des zweiten Widerstandes 393 ist. Der Eingang des Stromspieglers kann aus einem einstellbaren, jedoch festen Widerstandsnetzwerk aus dem ersten Widerstand 394 und dem vierten Widerstand 395 sowie dem Rheostat 398 hergeleitet werden. Das erste Temperatursignal auf der ersten Temperatursignalleitung 306 aus dem ersten Temperatursimulator 302 kann bei dem Widerstandsnetzwerk über den vierten Widerstand 394 eingestellt werden. Der Ausgang des Stromspieglers kann eine Vorspannung für das erste Ansteuersignal +Drv und das zweite Ansteuersignal –Drv auf der Signalleitung 40 beziehungsweise 50 bereitstellen.
Der Rheostat 398 kann ein manuelles Einstellen der Vorspannung der Ausgangsstufe 400 zum Zwecke der Minimierung des Ruhestromes durch die Ausgangsstufe 400 ermöglichen. Der Rheostat 398 kann beispielsweise verwendet werden, um die Vorspannung der Ausgangsstufe 400 anfänglich einzustellen, wenn der Verstärker erstmalig zusammengesetzt wird oder wenn die Ausgangsvorrichtungen in der Ausgangsstufe 400 ersetzt werden. Der Widerstand 397 und der Kondensator 396 können als Tiefpassfilter wirken, die eine Wechselstromkreuzkopplung (crosstalk) zwischen dem ersten Ansteuersignal +Drv und dem zweiten Ansteuersignal –Drv verhindern.
Wie in 3 gezeigt ist, kann der Stromrichter 600 eine Einrichtung zum Richten des Gleichstromes sein. So kann der Stromrichter 600 beispielsweise eine Schaltung oder Vorrichtung zum Empfangen eines Stromes von der +Vcc-Stromschiene 112 und der –Vcc-Stromschiene 122 und zum Bereitstellen einer geregelten +Vb-Stromschiene 630 und einer geregelten –Vb-Stromschiene 640 sein, die auf das verstärkte Wechselstromausgangssignal auf der Ausgangssignalleitung 30 bezogen sind. Wie vorstehend erläutert worden ist, können die Komponenten der thermischen Schutzschaltung 300, darunter der erste Temperatursimulator 302 und der zweite Temperatursimulator 304, der erste Ausgangsbegrenzer 370 und der zweite Ausgangsbegrenzer 380, der Temperatursensor 340 und die Vorspannungssteuerung 390 auf das verstärkte Wechselstromausgangssignal bezogen sein und Strom (Leistung) aus der geregelten +Vb-Stromschiene 630 und der geregelten –Vb-Stromschiene 640 empfangen.
4 ist eine schematische Darstellung des Stromrichters 600. Der Stromrichter 600 kann einen ersten Stromrichter 610 und einen zweiten Stromrichter 620 enthalten. Der erste Stromrichter 610 kann eine +Vcc-Stromschiene 112 aus der ersten Verstärkerstromquelle 110 empfangen und eine geregelte +Vb-Stromschiene 630 erzeugen. Die geregelte +Vb-Stromschiene 620 kann auf das verstärkte Wechselstromausgangssignal auf der Ausgangssignalleitung 30 bezogen sein. Der zweite Stromrichter 630 kann auf ähnliche Weise eine –Vcc-Stromschiene 122 aus der zweiten Verstärkerstromquelle 120 empfangen und die geregelte –Vb-Stromschiene 640 erzeugen. Die geregelte –Vb-Stromschiene 640 kann auf ähnliche Weise auf das verstärkte Wechselstromausgangssignal auf der Ausgangssignalleitung 30 bezogen sein.
Der erste Stromrichter 610 umfasst einen Widerstand 611, einen ersten Kondensator 620, eine Diode 613, einen Spannungsregler 614 und einen zweiten Kondensator 615. Der Spannungsregler 614 kann ein Spannungsregler in Form einer integrierten Schal tung sein, so beispielsweise die Schaltung 78L15, die von National Semiconductor hergestellt wird. Die Diode 613 kann eine Zenerdiode mit einer Zenerdurchschlagsspannung sein, die größer als das Minimum, jedoch kleiner als das Maximum der Eingangsnennspannung des Spannungsreglers 614 ist.
Der Widerstand 611 kann zwischen der +Vcc-Stromschiene 112 und dem Eingang des Spannungsreglers 614 eingekoppelt sein. Die Diode 613 kann zwischen der Ausgangssignalleitung 30 und dem Eingang des Spannungsreglers 614 eingekoppelt sein. Der erste Kondensator 612 kann zwischen der Ausgangssignalleitung 30 und dem Eingang des Spannungsreglers 614 eingekoppelt sein. Der zweite Kondensator 615 kann zwischen der Ausgangssignalleitung 30 und dem Ausgang des Spannungsreglers 614 eingekoppelt sein.
Die Erläuterung des Betriebes des ersten Stromrichters 610 soll unter Verwendung eines Beispieles mit illustrativen Spannungswerten erfolgen. Die Spannungswerte sind zu illustrativen Zwecken angegeben. Es können auch andere Werte zum Einsatz kommen. Im Betrieb kann der erste Stromrichter 610 einen Strom von der +Vcc-Stromschiene 112 empfangen. Der Spannungsregler 614 kann bei einer minimalen Eingangsspannung, so beispielsweise bei 18 V, arbeiten, um eine geregelte Ausgangsspannung, so beispielsweise von 15 V, aufrechtzuerhalten. Die Diode 613 kann eine Zenerdurchschlagsspannung von beispielsweise 24 V aufweisen. Die Zenerdiode 613 kann eine Zenerdurchschlagsspannung von 24 V über den Kondensator 612 an den Eingang des Spannungsreglers 614 liefern. Dies erfolgt solange, wie die Spannungsdifferenz zwischen der +Vcc-Stromschiene 112 und dem verstärkten Wechselstromausgangssignal auf der Ausgangssignalleitung 30 größer als ungefähr 25 V ist.
Aufgrund der Tatsache, dass ein Potenzial von 24 V an dem ersten Kondensator 612 vorhanden sein kann, kann sich der Kondensator 612 auf ein Potenzial von 24 V aufladen. Daher kann immer dann, wenn die Spannungsdifferenz zwischen der +Vcc-Stromschiene 112 und dem verstärkten Wechselstromausgangssignal auf der Ausgangssignalleitung 30 unter 24 V fällt, der erste Kondensator 612 Strom in den Spannungsregler 614 entladen. Liegt dieser Zustand vor, so kann auch der erste Kondensator 612 Strom in die Verstärkerstromquelle 110 entladen. Der Widerstand 611 kann umfasst sein, um diesen Stromfluss zu begrenzen, und er kann in der Lage sein, einen bestimmten Stromverbrauch (Leistungsverbrauch) von beispielsweise 2 oder 3 W zu verarbeiten.
Der erste Kondensator 612 kann größenmäßig derart bemessen sein, dass die minimale Eingangsspannung für den Spannungsregler 614 aufrechterhalten wird, um einen geregelten Betrieb für eine bestimmte Zeitspanne zu ermöglichen. Die bestimmte Zeitspanne kann auf dem höchsten Ausgangsniveau und dem längsten Intervall des verstärkten Wechselstromausgangssignals auf der Ausgangssignalleitung 30 beruhen. Die Diode 630 kann umfasst sein, wenn die Potenzialspannungsdifferenz zwischen der +Vcc-Stromschiene 112 und dem verstärkten Wechselstromausgangssignal auf der Ausgangssignalleitung 30 ausreichend groß sein kann, um den Spannungsregler 614 zu beschädigen.
Im Betrieb kann der Eingang des Spannungsreglers 614 mit der Minimalspannung für einen geregelten Betrieb mittels entweder der +Vcc-Stromschiene 112 oder des ersten Kondensators 612 bereitgestellt werden. Der Spannungsregler 614 kann die geregelte +Vb-Stromschiene 630 für andere Komponenten der thermischen Schutzschaltung 300, wie vorstehend erläutert worden ist, bereitstellen. Der Kondensator 615 kann enthalten sein, um die Spannung der geregelten +Vb-Stromschiene 630 während kurzer Perioden hoher Belastung aufrechtzuerhalten.
Der zweite Stromrichter 620 umfasst auf ähnliche Weise einen Widerstand 621, einen ersten Kondensator 622, eine Diode 623, einen Spannungsregler 624 und einen zweiten Kondensator 625. Der Spannungsregler 624 kann ein in Form einer integrierten Schaltung vorliegender Spannungsregler sein, so beispielsweise der Spannungsregler 79L15, der von National Semiconductor hergestellt wird. Die Diode 623 kann eine Zenerdiode mit einer Zenerdurchschlagsspannung sein, die größer als das Minimum, jedoch kleiner als das Maximum der Eingangsnennspannung für den Spannungsregler 624 ist.
Ähnlich wie beim ersten Stromrichter 610 kann der zweite Stromrichter 620 derart betrieben werden, dass er einen Strom von der –Vcc-Stromschiene 122 empfängt und eine geregelte –Vb-Stromschiene 640 erzeugt, die auf das verstärkte Wechselstromausgangssignal auf der Ausgangssignalleitung 30 bezogen ist. Die geregelte +Vb-Stromschiene 640 kann auf andere Komponenten der thermischen Schutzschaltung 300, wie vorstehend bereits erläutert worden ist, bezogen sein.
Wie in 1 bis 4 dargestellt ist, kann die thermische Schutzschaltung 300 in einem Halbbrückenverstärker 10 mit einer Verstärkergleichstromquelle 100 zum Speisen der Ausgangsstufe 400 verwendet werden. Die thermische Schutzschaltung 300 kann Strom aus der Verstärkerstromquelle 100 erhalten. Der Stromrichter 600 in der thermischen Schutzschaltung 300 kann einen geregelten Strom für den ersten Temperatursimulator 302 und den zweiten Temperatursimulator 304, den ersten Ausgangsbegrenzer 370 und den zweiten Ausgangsbegrenzer 380 und die Vorspannungssteuerung 390 bereitstellen. Der Stromrichter 600 kann ermöglichen, dass die thermische Schutzschaltung 300 derart arbeitet, dass sie auf das verstärkte Wechselstromausgangssignal bezogen ist. Indem der Betrieb derart erfolgt, dass sie auf das verstärkte Wechselstromausgangssignal bezogen ist, kann die thermische Schutzschaltung 300 mit kleineren Spannungen und Strömen arbeiten, als wenn sie auf Erde bezogen wäre.
Obwohl verschiedene Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beschrieben worden sind, erschließt sich einem Fachmann auf dem einschlägigen Gebiet, dass viele weitere Ausführungsbeispiele und Implementierungen innerhalb des Schutzumfanges der vorliegenden Erfindung möglich sind. Entsprechend ist die Erfindung nicht beschränkt, es sei denn im Lichte der beigefügten Ansprüche.

Claims

Thermische Schutzschaltung (300) für eine Ausgangsstufe (400) eines Verstärkers (10), wobei die Ausgangsstufe (400) Gleichstrom von einer Verstärker-Stromschiene (100) empfängt, die auf Erde bezogen ist, und ein verstärktes Wechselstrom-Ausgangssignal (30) erzeugt, wobei sie umfasst: einen Stromrichter (600), wobei der Stromrichter so betrieben werden kann, dass er eine regulierte Stromschiene (630, 640) bereitstellt, die auf das Verstärker-Wechselstrom-Ausgangssignal (30) von der Verstärker-Stromschiene (100) bezogen ist, die auf Erde bezogen ist, und eine Schutzschaltung (301), die mit dem Stromrichter (600) gekoppelt ist, und wobei die Schutzschaltung auf das verstärkte Wechselstrom-Ausgangssignal (30) bezogen ist und durch die regulierte Stromschiene gespeist wird, um die Ausgangsstufe (400) thermisch zu schützen.
Thermische Schutzschaltung nach Anspruch 1, wobei der Stromrichter einen ersten Kondensator (612), einen Widerstand (611) und einen Spannungsregler (614) mit einem Eingang sowie einem Ausgang umfasst, wobei der Eingang des Spannungsreglers (614), der erste Kondensator (612) und der Widerstand (611) jeweils zwischen die Verstärker-Stromschiene (112) und das verstärkte Wechselstrom-Ausgangssignal (30) gekoppelt sind und der Ausgang des Spannungsreglers (614) zwischen die regulierte Stromschiene (630) und das verstärkte Wechselstrom-Ausgangssignal (30) gekoppelt ist.
Thermische Schutzschaltung nach Anspruch 2, wobei der Stromrichter (600) eine Zener-Diode (613) umfasst, die zwischen die Verstärker-Stromschiene (112) und das verstärkte Wechselstromsignal (30) gekoppelt ist.
Thermische Schutzschaltung nach Anspruch 2, wobei der Stromschalter (600) des Weiteren einen zweiten Kondensator (622) umfasst und der zweite Kondensator zwischen die regulierte Stromschiene (640) und das verstärkte Wechselstrom-Ausgangssignal (30) gekoppelt ist.
Thermische Schutzschaltung nach Anspruch 1, wobei die Verstärker-Stromschiene eine positive Verstärker-Stromschiene (630) sowie eine negative Verstärker-Stromschiene (640) umfasst und der Stromrichter (600) einen ersten Stromrichter (610) sowie einen zweiten Stromrichter (620) umfasst.
Thermische Schutzchaltung nach Anspruch 5, wobei der erste Stromrichter (610) so betrieben werden kann, dass er eine regulierte positive Stromschiene (630) erzeugt, die auf das verstärkte Wechselstrom-Ausgangssignal (30) bezogen ist, und die regulierte positive Stromschiene (630) aus der positiven Verstärker-Stromschiene erzeugt wird, die auf Erde bezogen ist.
Thermische Schutzschaltung nach Anspruch 5, wobei der zweite Stromrichter (620) so betrieben werden kann, dass er eine regulierte negative Stromschiene (640) erzeugt, die auf das verstärkte Wechselstrom-Ausgangssignal (30) bezogen ist, und die regulierte negative Stromschiene (640) aus der negativen Verstärker-Stromschiene erzeugt wird, die auf Erde bezogen ist.
Thermische Schutzschaltung nach Anspruch 1, wobei die Schutzschaltung (301) einen Temperatur-Simulator (302, 304) enthält und die Ausgangsstufe eine Ausgangsvorrichtung (410, 420) enthält und der Temperatur-Simulator so betrieben werden kann, dass er ein simuliertes Temperatursignal bereitstellt, wobei das simulierte Temperatursignal eine simulierte Temperatur der Ausgangsvorrichtung anzeigt.
Thermische Schutzschaltung nach Anspruch 8, wobei die Schutzschaltung (301) des Weiteren einen Ausgangs-Begrenzer (370, 380) enthält und der Ausgangs-Begrenzer so betrieben werden kann, dass er als Funktion des simulierten Temperatursignals den durch die Ausgangsvorrichtung (410, 420) verbrauchten Strom reduziert, wenn die simulierte Temperatur der Ausgangsvorrichtung über einer Schwellentemperatur liegt.
Thermische Schutzschaltung nach Anspruch 8, wobei die Schutzschaltung (301) des Weiteren eine Vorspannungssteuerung (390) enthält, die Vorspannungssteuerung so betrieben werden kann, dass sie ein Vorspannungssignal für die Ausgangsstufe (410, 420) als Funktion des simulierten Temperatursignals erzeugt, und das Vorspannungssignal in Funktion dynamisch die Vorspannung der Aus gangsstufe einstellen kann, um unter Ruhebedingungen einen im Wesentlichen konstanten Ruhestrom durch die Ausgangsstufe aufrechtzuerhalten.
Thermische Schutzschaltung nach Anspruch 1, wobei die Schutzschaltung (301) eine Vorspannungssteuerung (390) enthält und die Vorspannungssteuerung in Funktion die Vorspannung der Ausgangsstufe (410, 420) einstellen kann, um einen im Wesentlichen konstanten Ruhestrom durch die Ausgangsstufe aufrechtzuerhalten.
Thermische Schutzschaltung nach Anspruch 11, wobei die Vorspannungssteuerung (390) so betrieben werden kann, dass sie die Vorspannung als Funktion einer simulierten Temperatur der Ausgangsstufe (410, 420) einstellt.
Verstärker (10), der eine thermische Schutzschaltung (300) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, und eine Verstärker-Gleichstromquelle (10) umfasst, die so betrieben werden kann, dass sie die Verstärker-Stromschiene erzeugt, die auf Erde bezogen ist.
Verstärker nach Anspruch 13, wobei die Ausgangsstufe als ein Halbbrückenverstärker konfiguriert ist.
Verstärker nach Anspruch 13, wobei die Ausgangsstufe als ein Vollbrückenverstärker konfiguriert ist.
Verfahren zum thermischen Schützen einer Ausgangsstufe eines Verstärker, wobei die Ausgangsstufe Gleichstrom empfängt und ein verstärktes Wechselstrom-Ausgangssignal erzeugt und das Verfahren umfasst: Bereitstellen von Gleichstrom für eine Ausgangsvorrichtung der Ausgangsstufe, wobei der Gleichstrom auf Erde bezogen ist; Ansteuern der Ausgangsvorrichtung mit einem Eingangssignal, so dass die Ausgangsvorrichtung ein verstärktes Wechselstrom-Ausgangssignal aus dem Gleichstrom erzeugt; Richten des Gleichstroms, um regulierten Gleichstrom bereitzustellen, der auf das verstärkte Wechselstrom-Ausgangssignal bezogen ist; Speisen einer thermischen Schutzschaltung mit dem regulierten Gleichstrom, der auf das verstärkte Wechselstrom-Ausgangssignal bezogen ist; Erzeugen eines simulierten Temperatursignals mit der thermischen Schutzschaltung, wobei das simulierte Temperatursignal eine simulierte Temperatur der Ausgangsvorrichtung anzeigt; und Reduzieren des Eingangssignals zu der Ausgangsvorrichtung mit der thermischen Schutzschaltung, wenn die simulierte Temperatur der Ausgangsvorrichtung über einer Schwellentemperatur liegt.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei Erzeugen eines simulierten Temperatursignals umfasst: Empfangen eines Stromerfassungssignals mit der thermischen Schutzschaltung, wobei das Stromerfassungssignal einen Strom durch die Ausgangsstufe anzeigt; Empfangen eines Spannungssignals mit der thermischen Schutzschaltung, wobei das Spannungssignal eine Spannung über die Ausgangsstufe anzeigt; und Empfangen eines Temperatursignals mit der thermischen Schutzschaltung, wobei das Temperatursignal eine Temperatur der Ausgangsstufe anzeigt und das simulierte Temperatursignal auf Basis des Stromsignals, des Spannungssignal und des Temperatursignals erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 16, das des Weiteren Vorspannen der Ausgangsstufe mit der Schutzschaltung umfasst, um unter Ruhebedingungen einen im Wesentlichen konstanten Ruhestrom durch die Ausgangsstufe aufrechtzuerhalten.