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Dokumentenidentifikation DE69016272T2 07.09.1995
EP-Veröffentlichungsnummer 0403972
Titel Verstärker-Treiberschaltung für induktive Lasten.
Anmelder Motorola, Inc., Schaumburg, Ill., US
Erfinder Schultz, Warren J., Tempe, Arizona 85283, US
Vertreter Grünecker, Kinkeldey, Stockmair & Schwanhäusser, Anwaltssozietät, 80538 München
DE-Aktenzeichen 69016272
Vertragsstaaten DE, FR, GB, IT
Sprache des Dokument En
EP-Anmeldetag 15.06.1990
EP-Aktenzeichen 901113266
EP-Offenlegungsdatum 27.12.1990
EP date of grant 25.01.1995
Veröffentlichungstag im Patentblatt 07.09.1995
IPC-Hauptklasse H03K 4/64

Beschreibung[de]
Erfindungsgebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft Einrichtungen und Verfahren für Leistungsverstärker und im besonderen Leistungsverstärker, die imstande sind, induktive Lasten und relativ hohe Folgefrequenzen zu treiben.

Hintergrund der Erfindung

Ein Leistungsverstärker, der zum Treiben induktiver Lasten bestimmt ist, arbeitet typischerweise als Hochstrom-Schalteinrichtung. Leistungsverstärker dieser Art werden z.B. benutzt, um die Spulenvorrichtung der horizontalen Ablenkschaltung eines Anzeigesystems, das eine Kathodenstrahlröhre (CRT) verwendet, zu treiben. Typische Ablenkverstärker nach dem Stand der Technik werden in den U.S.-Patenten Nr. 4,670,692, 4,642,533, 4,205,259, 3,501,672 und 3,480,826 beschrieben, die hierin durch Verweisung eingeschlossen werden.

Die Schalt- oder Betriebsfrequenz des Ablenkverstärkers ist ein Faktor, der den Grad der Auflösung eines auf der CRT gebildeten Bildes bestimmt. Da das Bedürfnis nach zunehmend höherer Ausflösung zugenommen hat, betrifft dies auch die Betriebsfrequenz des Ablenkverstärkers. Ablenkverstärker, die bei 64-270 kHz oder höher arbeiten, sind gegenwärtig sehr begehrt.

Es gibt verschiedene Gründe, warum es schwierig ist, CRT-Ablenkverstärker und andere Verstärker für induktive Lasten bei vergleichsweise hohen Frequenzen zu betreiben. Zum Beispiel nehmen (1) die Wirkung der Streuinduktivität in dem Impedanzwandler und die Impedanz der bei solchen Verstärkern typischerweise verwendeten Längsdrosseln mit zunehmender Frequenz zu, was es schwerer macht, dem Verstärker genügend Antrieb zu liefern, und (2) verschwenden Ablenkverstärker nach dem Stand der Technik Leistung und schaffen Dissipations- und überhitzungsprobleme in dem Verstärker und/oder der zum Treiben des Verstärkers benötigten Schaltung, die mit zunehmender Frequenz rasch schlimmer werden. Ein weiteres Problem bei Schaltungen des Standes der Technik ist, daß sie keine unabhängige Steuerung der in solchen Verstärkern gewöhnlich verwendeten positiven und negativen Stromimpulse zur Verfügung stellen, was zur Folge hat, daß der Betrieb des Verstärkers nicht völlig optimiert ist.

KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Einrichtung und ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, um induktive Lasten, insbesondere induktive Lasten in CRT-Ablenkschaltungen oder dergleichen, und besonders diejenigen, die bei vergleichsweise hohen Folgefrequenzen arbeiten, zu treiben. Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen wirksameren Betrieb und eine unabhängige Kontrolle über den Ausschaltteil des Verstärker-Treiberzyklusses zur Verfügung zu stellen. Außerdem ist es eine Aufgabe, die Empfindlichkeit der Treiberschaltung für Veränderungen bei einzelnen Eigenschaften des Verstärkers zu vermindern.

Diese und andere Aufgaben und Vorteile werden in einer ersten Ausführung durch eine Schaltung bereitgestellt, die umfaßt:

eine Verstärkungseinrichtung zum Treiben einer induktiven Last und mit einem ersten Ausgangsanschluß, der mit der induktiven Last verbunden ist, einem zweiten Ausgangsanschluß, der mit einem gemeinsamen Anschluß verbunden ist, sowie einem Eingangsanschluß;

eine Spule mit einem ersten und zweiten Anschluß, wobei der erste Anschluß mit dem Eingangsanschluß des Verstärkers verbunden ist;

einen Transformator mit einer Primär- und einer Sekundärwicklung, die je einen ersten und zweiten Anschluß besitzen, wobei der erste Anschluß der Primärwicklung mit einem Schalter verbunden ist, um der Primärwicklung Strom zu liefern, und der zweite Anschluß der Primärwicklung mit dem zweiten Anschluß der Spule verbunden ist, und der erste Anschluß der Sekundärwicklung mit dem zweiten Anschluß der Primärwicklung verbunden ist, und der zweite Anschluß der Sekundärwicklung durch eine Einwegeinrichtung mit dem gemeinsamen Anschluß verbunden ist, und

worin die Transformatorwicklungen so angeordnet sind, daß, wenn die Primärwicklung erregt wird, die ersten Anschlüsse der Primär- und Sekundärwicklung die gleiche Polarität besitzen.

Bei einer zweiten Ausführung wird eine weiter verbesserte Schaltung zum Treiben einer induktiven Last bereitgestellt, die umfaßt:

eine Verstärkungseinrichtung mit einem ersten Ausgangsanschluß, der mit der induktiven Last verbunden ist, einem zweiten Ausgangsanschluß, der mit einem gemeinsamen Anschluß verbunden ist, sowie einem Eingangsanschluß;

eine Spule mit einem ersten und zweiten Anschluß, wobei der erste Anschluß mit dem Eingangsanschluß des Verstärkers verbunden ist;

einen Transformator mit einer Primär- und einer Sekundärwicklung, die je einen ersten und zweiten Anschluß besitzen, wobei der erste Anschluß der Primärwicklung mit einem Schalter verbunden ist, um der Primärwicklung Strom zu liefern, und der zweite Anschluß der Primärwicklung mit dem Eingangsanschluß des Verstärkrs verbunden ist, und der erste Anschluß der Sekundärwicklung mit dem zweiten Anschluß der Spule verbunden ist, und der zweite Anschluß der Sekundärwicklung durch eine Einwegeinrichtung mit dem gemeinsamen Anschluß verbunden ist, und

worin die Transformatorwicklungen so angeordnet sind, daß, wenn die Primärwicklung erregt wird, die ersten Anschlüsse der Primär- und Sekundärwicklung die gleiche Polarität besitzen.

Es wird erwünscht, daß auch eine Gleichrichtungseinrichtung und eine Kapazitätseinrichtung zwischen den ersten und zweiten Verstärkerausgangsanschluß und ein Widerstand zwischen den Verstärkereingangsanschluß und den gemeinsamen Anschluß geschaltet wird.

Ferner wird ein verbessertes Verfahren zum Treiben einer induktiven Last bereitgestellt, die mit dem Ausgang einer Verstärkungseinrichtung verbunden ist, deren Eingang mit einer Transformatorprimär- und -sekundärwicklung durch eine Spule verbunden ist, umfassend:

Erregen des Eingangs des Verstärkers durch den Primärkreis, der mit dem Verstärkereingang durch die Spule verbunden ist, wobei das Leiten des Sekundärkreises des gleichen Transformators, der mit dem gleichen Verstärkereingang durch die gleiche Spule verbunden ist, im wesentlichen blockiert wird, und danach Aberregen des Verstärkereingangs durch die Spule und die Transformator-Sekundärwicklung, wobei das Leiten des Transformator-Primärkreises im wesentlichen blockiert wird.

Ferner wird ein weiter verbessertes Verfahren zum Treiben einer induktiven Last bereitgestellt, die mit dem Ausgang einer Verstärkungseinrichtung verbunden ist, deren Eingang direkt mit einer Transfomator- Primärwicklung und durch eine Spule mit der Transformator-Sekundärwicklung verbunden ist, umfassend:

Erregen des Eingangs des Verstärkers durch den Primärkreis, der mit dem Verstärkereingang verbunden ist, wobei das Leiten des Sekundärkreises des gleichen Transformators, der mit dem gleichen Verstärkereingang durch die Spule verbunden ist, im wesentlichen blockiert wird, und danach Aberregen des Verstärkereingangs durch die Spule und die Transformator-Sekundärwicklung, wobei das Leiten des Transformator- Primärkreises im wesentlichen blockiert wird.

Diese und andere Aspekte, Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden durch Betrachten der anliegenden Zeichnungen und ihrer Erklärung, die folgt, ausführlicher verstanden werden.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist eine Schaltung zum Treiben einer induktiven Last, z.B. einer CRT-Ablenkspule, nach dem Stand der Technik;

Fig. 2 ist eine Schaltung zum Treiben einer induktiven Last, z.B. einer CRT-Ablenkspule, gemäß einer ersten Ausführung der vorliegenden Erfindung;

Fig. 3 ist eine Schaltung zum Treiben einer induktiven Last, z.B. einer CRT-Ablenkspule, gemäß einer weiteren Ausführung der vorliegenden Erfindung, und

Fig. 4A-C zeigen Stromwellenformen (ib) des Verstärkereingangs über der Zelt (t) für die Schaltungen von Fig. 1-3.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die in Fig. 1 gezeigte Horizontalablenk-Verstärkerschaltung nach dem Stand der Technik umfaßt einen Eingangstromversorgungsanschluß 11, einen Strombegrenzungswiderstand 12, einen Schalter 14, einen Transformator 16 mit einer Primärwicklung 18 und einer Sekundärwicklung 20, eine Längsdrossel 22, einen Nebenwiderstand 24, einen Verstärker 26, eine Dämpferdlode 28, einen Energiespeicherkondensator 30 und eine Ablenkspule 32. Der Stromversorgungsanschluß 13 ist vorgesehen, um als Reaktion darauf, ob der Verstärker 26 leitend ist oder nicht, einen Strom durch die Spule 32 zu zwingen und den Kondensator 30 aufzuladen. Ein Masseanschluß 15 ist ebenfalls vorhanden. Der Schalter 14 kann ein beliebiger Typ eines in der Technik bekannten schnell arbeitenden Schalters sein, der einen unterbrechbaren Stromweg zum Stromversorgungsanschluß 11 bereitstellt. Für CRT-Ablenkanwendungen arbeitet der Schalter 14 gewöhlich in einer periodischen Weise mit einer Schaltfrequenz, die gleich der gewünschten Ablenkfrequenz ist.

Der Verstärker 26 ist typisch ein Hochleistungs-Bipolartransistor, aber andere Verstärkungsbauteile und -schaltungen können ebenfalls verwendet werden, z.B. Leistungs-MOSFETS, Darlingtons und/oder BiMOS- Bauteile oder -schaltungen. Wie hierin verwendet, ist der Begriff Verstärker gedacht, diese und andere Alternativen zu bezeichnen, wie den Fachleuten basierend auf der Offenbarung hierin einleuchten wird. Zur Annehmlichkeit der Erklärung wird die Funktion der Schaltung 10 mit Hilfe eines bipolaren Transistors als Verstärker 26 beschrieben, jedoch gelten die Funktionsprinzipien auch für andere Verstärker.

Wenn der Schalter 14 geschlossen wird, fließt Strom durch den Widerstand 12 und den Transformator 16, wodurch im Sekundärkreis 20 des Transformators ein Strom 25 erzeugt wird, der durch die Drosselspule 22 in die Basis des Transistors 26 fließt. Dies veranlaßt den Transistor 26 zu leiten, wodurch der Kondenstor 30 entladen und einem Strom gestattet wird, durch die Ablenkspule 32 und den Verstärker 26 zum Bezugsanschluß 15 zu fließen. Der Aufbau des Stromes durch die Spule 32 wird durch ihre Induktivität begrenzt, so daß die gewünschte ansteigende Stromrampe durch die Ablenkspule 32 erhalten wird. Dies entspricht dem "Hinlauf"-Teil des CRT-Ablenkzyklusses.

Wenn der Schalter 14 geöffnet wird, verursacht das zusammenfallende Magnetisierungsfeld im Transformator 16 eine Umkehr der Polarität an den Anschlüssen der Sekundärwicklung 20, so daß nun ein entgegengesetzt gerichteter Strom 27 durch den Eingang des Verstärkers 26, die Drosselspule 22 und die Sekundärwicklung 20 fließt. Der Verstärker 26 schaltet ab, und jede im Eingang des Verstärkers 26 gespeicherte Ladung wird entfernt. Die Drosselspule 22 begrenzt die Größe des Stromes 27, um eine Beschädigung des Verstärkers 26 zu verhindern.

Wenn der Verstärker 26 abschaltet, erzeugt die in der Ablenkspule 32 gespeicherte zusammenfallende Magnetisierungsenergie einen Strom in der gleichen Richtung durch die Spule 32, der durch Laden des Konsators 30 absorbiert wird. Die L- und C-Werte der Spule 32 und des Kondenstors 30 werden gewählt, um den Betrag der Anderung der ab nehmenden Stromrampe zu regulieren, die dem Rücklauf-Teil des CRT- Ablenkzyklusses entspricht. Der Widerstand 24 wird zweckmäßigerweise über die Eingangsanschlüsse des Verstärkers 26 gelegt, um bei der Unterdrückung parasitischer Schaltübergänge zu helfen, ist aber nicht unbedingt notwendig.

Eine mit der herkömmlichen Schaltung 10 verbundene Schwierigkeit besteht darin, daß die Drosselspule 22 sowohl während des Einschaltteils als auch des Ausschaltteils des Ablenktreiberzyklusses mit dem Eingang des Verstärkers 26 in Reihe liegt. Während des Einschaltteils der Ansteuerung des Verstärkers 26 fügt die Drosselspule 22 der Eingangstreiberschaltung Impedanz hinzu, was es erforderlich macht, größere Treiberspannungen durch den Schalter 14 bereitzustellen. Auch der Längswiderstand der Spule 22 trägt zum Leistungsverlust in der Schaltung während des Einschaltzustandes bei. Ferner widersteht die in der Spule 22 während des Einschalttells der Verstärkeransteuerung gespeicherte Energie während des Ausschaltteils des Eingangstreiberzyklusses dem entgegengesetzt gerichteten Baslsstromfluß, wodurch es schwerer gemacht wird, den Verstärker 26 auszuschalten.

Eine weitere Schwierigkeit ist, daß der Einschaltstrom 25 und der Ausschaltstrom 27 nicht unabhängig steuerbar sind. Auch wird in dem Strombegrenzungswiderstand 12 erhebliche Leistung vernichtet. Außerdem erhöht die während des Einschaltzustandes relativ rechteckige Impulsform des Basiseingangsstromes ib (s. Fig. 4A) die im Verstärker gespeicherte Ladung, die beim Ausschalten abgezogen werden muß, und erhöht die Verlustleistung im Verstärker 26. Weiter ist die Funktion der Schaltung von Fig. 1 relativ empfindlich für eine Veränderung in den Verstärkereigenschaften. Dies sind bedeutsame Probleme.

Von anderen herkömmlichen Schaltungen ist bekannt, daß sie verschiedene Kombinationen dieser Schwierigkeiten aufweisen, einige mehr, einige weniger. Folglich besteht weiterhin ein Bedarf nach Schaltungen und Verfahren, die einige oder alle dieser Probleme vermeiden.

Die in Fig. 2 dargestellte Schaltung überwindet verschiedene der oben angeführten Probleme. Fig. 2 zeigt die Induktivlast-Treiberschaltung 40 gemäß einer ersten Ausführung der vorliegenden Erfindung.

Die Schaltung 40 umfaßt analog dem Schalter 14 von Fig. 1 eine Eingangsschaltvorrichtung 44, einen parasitären Unterdrückungswiderstand 42, einen Transformator 46 mit einer Primärwicklung 48 und einer Sekundärwicklung 50, eine Drosselspule 52, eine Verstärkereinrlchtung 26, z.B. ein bipolarer Transistor, einen Widerstand 54 und eine unidirektional leitende Einrichtung 56, z.B. eine Diode oder ein gleichwertiges Element, die wie gezeigt verbunden sind. Die Ablenkspule 32, die Diode 28, der Kondensator 30, die Stromanschlüsse 11 und 13 sowie der Bezugsanschluß 15 sind die gleichen wie in Fig. 1. Die Primärwicklung 48 und die Sekundärwicklung 50 des Transformators 46 besitzen die angezeigte Polaritätsbeziehung, d.h., die schwarzen Punkte nahe den Wicklungen, die die Enden der Wicklungen anzeigen, besitzen die gleiche Polarität, wenn z.B. die Primärwicklung erregt wird.

Wenn der Schalter 44 geschlossen wird, fließt ein Strom 45 durch die Primärwicklung 48, die Drosselspule 52 und in den Eingang des Verstärkers 26. Dadurch wird der Verstärker 26 eingeschaltet. In der Sekundärwicklung 50 des Transformators fließt kein Strom, weil die Leitung im Kreis der Sekundärwicklung 50 durch die Diode 56 blockiert wird. Der Widerstand 54 entspricht dem Widerstand 24 und ist vorgesehen, um die Unterdrückung parasitärer Schaltübergänge zu unterstützen. Die Funktion des Ausgangskreises des Verstärkers 26, einschließlich der Ablenkspule 32, des Kondensators 30 und der Dämpferdiode 28, ist im wesentlichen die gleiche wie in Verbindung mit diesem Teil von Fig. 1 beschrieben.

Während des Einschaltteils der Verstärkeransteuerung, wenn der Schalter 44 geschlossen ist, wirkt der Transformator 46 als eine Spule mit einer durch die Primärwicklung 48 bestimmten Induktivität, die die hauptsächliche Steuerung der Anstiegsrate des Eingangstreiberstromes 45 liefert. Die Kontrolle über den Eingangsstrom und das Einschalten des Verstärkers wird daher kraft der Fähigkeit verbessert, die Primärinduktivität getrennt zu wählen. Die Anwesenheit der Diode 56 verhindert die Transformatorwirkung während des Einschaltteils des Eingangstreibersignals in den Verstärker 26.

Wenn der Schalter 44 geöffnet wird (oder der Eingangsantrieb anderweitig unterbrochen wird), bewirkt die zusammenfallende Magnetisierung in den Transformatorwicklungen, daß ein Strom 47 mit der dem Eingangstreiberstrom 45 entgegengesetzten Richtung im Sekundärkreis fließt, der den Eingang in den Verstärker 26, die Drosselspule 52, die Sekundärwicklung 50 und die Diode 56 umfaßt, die nun in Flußrichtung vorgespannt ist. Die Drosselspule 52 begrenzt hauptsächlich die Abfallzeit des Ausschaltteils des Verstärkereingangsantriebs nach Maßgabe des Stromes 47.

Fig. 4B zeigt die Richtung und die relative Größe des Verstärkereingangsstromes über der Zeit für die Schaltung von Fig. 2. Man wird erkennen, daß eine positiv verlaufende Rampe während des Einschaltens des Verstärkereingangs und eine negativ verlaufende, gesättigte Rampe während des Ausschaltens erhalten wird. Weil die Form des Einschaltteils hauptsächlich durch die Induktivltät der Primärwicklung 48 gesteuert wird und die Form des Ausschaltteils hauptsächlich durch die Induktivität der Drosselspule 52 bestimmt wird, wird weiter die Fähigkeit zur getrennten Steuerung des Einschalt- und Ausschaltteils des Verstärkereingangsantriebs verbessert. Weiter kann der gesättigte Teil des Ausschalt-Eingangsantriebs durch Wählen des Windungsverhältnisses des Transformators 46 eingestellt werden, um eine zusätzliche Kontrolle über die Funktion des Leistungsverstärkers zur Verfügung zu stellen.

Obwohl die Leistung der Schaltung von Fig. 2 gegenüber der des Standes verbessert ist, bleiben noch einige Schwierigkeiten übrig. Z.B. fließt der Einschaltladestrom immer noch durch die Drosselspule 52, so daß ihre inneren Verluste sowohl während des Einschaltens als auch des Ausschaltens Energie verschwenden. Weiter trägt ihre Reaktanz während des Einschaltteils immer noch zur Erhöhung der benötigten Treiberspannung bei. Schließlich macht es die während des Einschaltens in der Drosselspule 52 gespeicherte Energie schwerer, den Transistor 26 abzuschalten, da das zusammenfallende Magnetisierungsfeld der Drosselspule 52 eine EMK erzeugt, die dazu neigt, den Strom 45 und den entgegenstehenden Strom 47 aufrechtzuerhalten.

Fig. 3 zeigt eine weiter verbesserte Schaltung, die bevorzugt wird. Die mit dem Verstärkereingangsstreiberstrom 65, 67 der Schaltung von Fig. 3 verbundene Wellenform ist in Fig. 4C dargestellt. Die Treiberschaltung 60 von Fig. 3 ist der von Fig. 2 ähnlich und besitzt im wesentlichen die gleichen Komponenten außer, daß die Primärwicklung 48 mit dem Eingang des Verstärkers 26 verbunden ist, ohne die Drosselspule 52 zu durchlaufen. Die Funktion der Schaltung 60 von Fig. 3 unterscheidet sich von der der Schaltung 40 von Fig. 2 insofern, als während des Einschaltens des Eingangs, wenn der Schalter 44 geschlossen wird, der Eingangsstrom 65 durch die Primärwicklung 48 in den Eingang des Verstärkers 26 fließt, ohne die Drosselspule 52 zu durchlaufen. Wie zuvor arbeitet der Transformator 46 als eine Spule, die durch die Induktlvität der Primärwicklung 48 bestimmt wird. Daher kann die Anstiegsrate des Eingangstreiberstromes während des Einschaltteils des Verstärkereingangs durch Wählen der Induktivität der Primärwicklung 48 im wesentlichen unabhängig ausgewählt werden. Es sollte auch beachtet werden, daß in dem Eingangskreis außer dem parasitären Widerstand der Tranformatorprimärwicklung und der Schaltungsverdrahtung, der relativ klein gemacht werden kann, kein Längswiderstand vorhanden ist. Der Längswiderstand der Drosselspule 52 befindet sich während des Einschaltens nicht in dem Kreis. Daher wird die Verlustleistung reduziert.

Wenn der Schalter 44 geöffnet wird, verhält sich die Schaltung von Fig. 3 im wesentlichen wie die von Fig. 2. Der Ausschaltstrom 67 fließt in die entgegengesetzte Richtung, getrieben durch das zusammenfallende Magnetisierungsfeld der Transformatorprimärwicklung, was einen Stromfluß durch die Sekundärwicklung 50 bewirkt. Da die Richtung des Stromflusses der des Ladestromes 65 entgegengesetzt ist, ist die Diode 56 jetzt in Flußrichtung vorgespannt. Die Drosselspule 52 steuert im wesentlichen die Abfallzeit des Ausschaltstromes 67, und das Windungsverhältnis des Transformators 46 kann eingestellt werden, um den maximalen (Sättigungs) negativen Wert 70 des Ausschaltstromes 67 (s. Fig. 4C) zu steuern. Da die Drosselspule 52 in Fig. 3 während des Einschaltens nicht leitet, ist ferner kein Magnetisierungsfeld vorhanden, dessen Zusammenfall eine dem Ausschaltstrom 67 entgegenstehende EMK erzeugen würde. Die Einschalt-Anstiegsrate 71, die Ausschalt-Abfallrate 72 und der maximale Ausschaltantrieb 70 werden daher entkoppelt. Diese Merkmale liefern wesentliche Vorteile bei der Optimierung der Leistung des Verstärkers 26, so daß für die gleichen intrinsischen Transistorfähigkeiten verbesserte Ergebnisse erhalten werden.

Ein weiterer Vorteil der Schaltung von Fig. 3 ist, daß die Energie, die zuvor in der Drosselspule 52 in den Schaltungen von Fig. 1-2 gespeichert wurde und die dem Entfernen der im Eingang des Verstärkers 26 gespeicherten Ladung widerstand und die verschwendet wurde, nicht mehr vorhanden ist. Diese Energie ist gegeben durch

1/2 L&sub5;&sub2;[I(25)peak]² oder 1/2 L&sub5;&sub2;[I(45)peak]²

wo L&sub5;&sub2; für die Induktivität der Drosselspule 52 steht, und I(25)peak und I(45)peak die Spitzenwerte der Einschalt-Eingangsladeströme 25 bzw 45 angeben. Folglich wird eine viel kleinere und unabhängig einstellbare Abfallzeit ohne Konflikt mit anderen Leistungseigenschaften erzielt. Außerdem wird die Verlustleistung vermindert.

Weiter kann die Größe der Schaltungskomponenten so eingerichtet werden, daß die zum Ausschalten des Verstärkers 26 benötigte Energie durch die in der Primärwicklung 48 des Transformators 46 gespeicherte Energie im wesentlichen unabhängig von den anderen Komponenten bereitgestellt wird. Diese gespeicherte Energie ist 1/2 Lp[I(65)peak]², wo Lp für die Induktivität der Primärwicklung 48 des Transformators 46 und I(65)peak für den Spitzenwert des Einschalt-Eingangsladestromes 65 steht. Die Menge der zum Ausschalten des Verstärkers 26 benötigten Energie ist oftmals von Bedeutung. Durch Verwendung der während des Einschaltens vorübergehend im Transformator 46 gespeicherten Energie, um den Ausschaltantrieb zu liefern, wird die die Gesamtenergie im wesentlichen erhalten, und die Gesamtverlustleistung wird bedeutend vermindert, ohne andere Leistungsmerkmale zu opfern. Außer parasitären Verlusten ist der Eingangsantrieb im wesentlichen verlustfrei. Dies ist ein großer Vorteil.

BEISPIEL

Eine Verstärker-Treiberschaltung, die zum Treiben induktiver Lasten, wie sie z.B. bei der CRT-Horizontalablenkung angetroffen werden, geeignet ist, wird beispielsweise mit einer Spannung von typisch 6 Volt am Stromversorgungsanschluß, einem Widerstand 42 von 470 Ohm (1 Watt), einem Transformator 46 des Typs 1811P-3C8, hergestellt von Feroxcube in Saugerties, NY., mit einem Windungsverhältnis von etwa 12:4 und einer Primärinduktivität von 50 Mikrohenry, einer Drosselspule 52 von etwa 2 Mikrohenry, einem Widerstand 54 von etwa 22 Ohm (1 Watt), einer Diode 56 des Typs Motorola MUR110 Gleichrichter und einem Verstärker 26 des Typs Motorola MJH16206 Bipolar-Transistor, hergestellt von Motorola, Inc., Phoenix, AZ. ausgeführt. Die anderen Komponenten sind konventionell. Die Spannung des Versorgungsanschlusses 13 und die Ausgangskomponenten 28, 30 werden abhängig von den gewünschten Eigenschaften der Ablenkspule 32 mit Hilfe in der Technik bekannter Einrichtungen gewählt.

Die Schaltungen von Fig. 1-3 wurden unter Verwenden des gleichen Verstärkertransistors und Betreiben bei den gleichen Frequenzen unter im wesentlichen gleichen Bedingungen verglichen. Drei wichtige Parameter werden betrachtet: die Speicherzeit ts (s. Fig. 4A-C), während der die in dem Verstärker gespeicherte Ladung abgezogen wird, der Schaltleistungsverlust (SWPL) in der Schaltung sowie die Abweichung Δtf in der Kollektorstrom-Abfallzeit tf, die infolge von Abweichungen bei einzelnen Transistormerkmalen beobachtet wird. Die Ergebnisse werden in der folgenden Tabelle aufgeführt, die auf das Verhalten der Schaltung von Fig. 1 bezogen ist.

RELATIVE LEISTUNG DER VERSTÄRKER-TREIBERSCHALTUNG
SCHALTUNG Parameter

Diese Ergebnisse zeigen, daß die erfundenen Schaltungen bedeutend verbesserte (kleinere) Speicherzeiten und bedeutend verbeserte (kleinere) Verlustleistung liefern. Diese Verbesserungen sind bei praktischen Anwendungen sehr wichtig.

Die in der Tabelle gezeigten Δtf Werte veranschaulichen, wie sich die Abfallzeit tf in den einzelnen Schaltungen ändert, wenn Transistoren mit variierenden Einzelmerkmalen für den Verstärker 26 benutzt werden. Wenn z.B. zwei Transistoren Unterschiede bei tf zeigen, die sich in der Schaltung von Fig. 1 auf Δtf = 100 ns belaufen, dann würden, nach den Daten in der Tabelle, die gleichen zwei Transistoren, eingesetzt in die Schaltungen von Fig. 2 und 3, Werte für Δtf von 30 bzw. 10 ns zeigen. Die Verringerung bei Δtf ist äußerst wichtig, weil sie anzeigt, daß die erfundenen Schaltungen sehr viel toleranter gegenüber unvermeidbaren Schwankungen der Bauteileigenschaften sind. Dies ist in hohem Maße erwünscht.

Indem die Erfindung auf diese Weise beschrieben wurde, werden die Fachleute in der Technik erkennen, daß die erfundene Schaltung und das Verfahren eine bedeutsame Verbesserung gegenüber dem Stand der Technik zur Verfügung stellen, wobei der Freiheitsgrad bei der unabhängigen Festlegung der Eingabefunktion des Verstärkers zum Treiben induktiver Lasten während des Einschaltens, Ausschaltens und der Ausschaltsättigung des Verstärkers erhöht, die Verlustleistung bedeutend reduziert und die Empfindlichkeit für Abweichungen in den Transistorelgenschaften stark vermindert wird. Die erfundene Einrichtung und das Verfahren sind besonders gut zum Treiben induktiver Lasten geeignet, wie sie z.B. bei Hochgeschwindlgkeits-CRT-Ablenkleistungsverstärkern anzutreffen sind.

Während die vorliegende Erfindung in Form einer elementaren Eingangsschalteinrichtung und eines Bipolartransistor-Ausgangsverstärkers, der eine mit einem Kondensator und einer Diode verbundene induktive Last treibt, und verschiedener Widerstände zur Unterdrückung parasitärer Übergänge beschrieben worden ist, wird den Fachleuten in der Technik basierend auf den Lehren hierin einleuchten, daß verschiedene Modifikationen und Ergänzungen an der vorliegenden Erfindung vorgenommen werden können, indem andere Arten von Ausgangsverstärkungsbauteilen und/oder andere Arten von Eingangsschalteinrichtungen und andere Komponenten oder Kombinationen zur Unterdrückung der Schaltübergänge und andere Schaltungskonfigurationen zum Anschluß des Verstärkerausgangs an die induktive Last verwendet werden.


Anspruch[de]

1. Schaltung (40) zum Treiben einer induktiven Last (32), umfassend:

eine Verstärkungseinrichtung (26) mit einem ersten Ausgangsanschluß, der mit der induktiven Last (32) verbunden ist, einem zweiten Ausgangsanschluß, der mit einem gemeinsamen Anschluß (15) verbunden ist, sowie einem Eingangsanschluß;

eine Spule (52) mit einem ersten und zweiten Anschluß, wobei der erste Anschluß mit dem Eingangsanschluß des Verstärkers (26) verbunden ist;

einen Transformator (46) mit einer Primär- (48) und einer Sekundärwicklung (50), die je einen ersten und zweiten Anschluß besitzen, wobei der erste Anschluß der Primärwicklung (48) mit einem Schalter (44) verbunden ist, um der Primärwicklung (48) Strom (45) zu liefern, und der zweite Anschluß der Primärwicklung (48) mit dem zweiten Anschluß der Spule (52) verbunden ist, und der erste Anschluß der Sekundärwicklung (50) mit dem zweiten Anschluß der Primärwicklung (48) verbunden ist, und der zweite Anschluß der Sekundärwicklung (50) durch eine Einwegeinrichtung (56) mit dem gemeinsamen Anschluß (15) verbunden ist, und

worin die Transformatorwicklungen so angeordnet sind, daß der erste Anschluß der Primärwicklung (48) und der Sekundärwicklung (50) die gleiche Polarität besitzen.

2. Schaltung nach Anspruch 1, weiter umfassend eine Gleichrichtungseinrichtung (28), die zwischen den ersten und zweiten Ausgangsanschluß des Verstärkers (26) geschaltet ist.

3. Schaltung nach Anspruch 2, weiter umfassend eine Einrichtung zum Bereitstellen einer Kapazität (30), die zwischen den ersten und zweiten Ausgangsanschluß des Verstärkers (26) geschaltet ist.

4. Schaltung (60) zum Treiben einer induktiven Last (32), umfassend:

eine Verstärkungseinrichtung (26) mit einem ersten Ausgangsanschluß, der mit der Induktiven Last (32) verbunden ist, einem zweiten Ausgangsanschluß, der mit einem gemeinsamen Anschluß (15) verbunden ist, sowie einem Eingangsanschluß;

eine Spule (52) mit einem ersten und zweiten Anschluß, wobei der erste Anschluß mit dem Eingangsanschluß des Verstärkers (26) verbunden ist;

einen Transformator (46) mit einer Primär- (48) und einer Sekundärwicklung (50), die je einen ersten und zweiten Anschluß besitzen, wobei der erste Anschluß der Primärwicklung (48) mit einem Schalter (44) verbunden ist, um der Primärwicklung (48) Strom (65) zu liefern, und der zweite Anschluß der Primärwicklung (48) mit dem Eingangsanschluß des Verstärkers (26) verbunden ist, und der erste Anschluß der Sekundärwicklung (50) mit dem zweiten Anschluß der Spule (52) verbunden ist, und der zweite Anschluß der Sekundärwicklung (50) durch eine Einwegeinrichtung (56) mit dem gemeinsamen Anschluß (15) verbunden ist, und

worin die Wicklungen des Transformators (46) so angeordnet sind, daß der erste Anschluß der Primärwicklung (48) und der Sekundärwicklung (50) die gleiche Polarität besitzen.

5. Schaltung nach Anspruch 4, weiter umfassend eine Gleichrichtungseinrichtung (28), die zwischen den ersten und zweiten Ausgangsanschluß des Verstärkers (26) geschaltet ist.

6. Schaltung nach Anspruch 5, weiter umfassend eine Einrichtung zum Bereitstellen einer Kapazität (30), die zwischen den ersten und zweiten Ausgangsanschluß des Verstärkers (26) geschaltet ist.

7. Verfahren zum Treiben einer Induktiven Last (32), die mit dem Ausgang einer Verstärkungseinrichtung (26) verbunden ist, deren Eingang mit einer Primärwicklung (48) und einer Sekundärwicklung (50) des Transformators (46) durch eine Spule (52) verbunden ist, umfassend:

Erregen des Eingangs des Verstärkers (26) durch den Primärkreis (48), der mit dem Eingang des Verstärkers (26) durch die Spule (52) verbunden ist, wobei das Leiten des Sekundärkreises (50) des gleichen Transformators (46), der mit dem gleichen Verstärker- (26) Eingang durch die gleiche Spule (52) verbunden ist, im wesentlichen blockiert wird, und danach Aberregen des Verstärker- (26) Eingangs durch die Spule (52) und die Sekundärwicklung (50) des Transformators (46), wobei das Leiten des Primärkreises (48) des Transformators (46) im wesentlichen blockiert wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem der Schritt zum Erregen des Eingangs des Verstärkers (26) durch den Primärkreis (48), der mit dem Eingang des Verstärkers (26) durch die Spule (52) verbunden ist, wobei das Leiten des Sekundärkreises (50) des gleichen Transformators (46), der mit dem gleichen Verstärker- (26) Eingang durch die gleiche Spule (52) verbunden ist, im wesentlichen blockiert wird, das Blockieren der Leitung im Sekundärkreis (50) des Transformators (46) mit Hilfe einer Einwegeinrichtung (56) umfaßt.

9. Verfahren zum Treiben einer Induktiven Last (32), die mit dem Ausgang einer Verstärkungseinrichtung (26) verbunden ist, deren Eingang direkt mit einer Primärwicklung (48) des Transformators (46) und mit der Sekundärwicklung (50) des Transformators (46) durch eine Spule (52) verbunden ist, umfassend:

Erregen des Eingangs des Verstärkers (26) durch den Primärkreis (48), der mit dem Eingang des Verstärkers (26) verbunden ist, wobei das Leiten des Sekundärkreises (50) des gleichen Transformators (46), der mit dem gleichen Verstärker- (26) Eingang durch die Spule (52) verbunden ist, im wesentlichen blockiert wird, und danach Aberregen des Verstärker- (26) Eingangs durch die Spule (52) und die Sekundärwicklung (50) des Transformators (46), wobei das Leiten des Primärkreises (48) des Transformators (46) im wesentlichen blockiert wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem der Schritt zum Erregen des Eingangs des Verstärkers (26) durch den Primärkreis (48), der mit dem Eingang des Verstärkers (26) verbunden ist, wobei das Leiten des Sekundärkreises (50) des gleichen Transformators (46), der mit dem gleichen Verstärker- (26) Eingang verbunden ist, im wesentlichen blockiert wird, das Blockieren der Leitung im Sekundärkreis (50) des Transformators (46) mit Hilfe einer Einwegeineinrichtung (56) umfaßt.







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