Procedimiento y dispositivo para la generación de una tensión alterna a partir de una corriente de datos de entrada.

Procedimiento para generar una tensión alterna de alta potencia amplificada mediante conmutación,

que sigueuna corriente de datos de entrada digitales en forma y amplitud, en el que se amplifica la corriente de datos deentrada, caracterizado porque la corriente de datos de entrada se convierte en un tren de señales digital (1) y estetren de señales (1) se alimenta a una instalación reguladora (13), y una señal digital (4), que depende de la señal desalida de la instalación reguladora (13), se amplifica mediante conmutación, en donde desde la señal de salidaamplificada (6) se retroacopla una señal digital (21, 21') y se compara con el tren de señales digital (1) con ayuda deun comparador (19), y la señal diferencial digital establecida mediante el comparador (19) se alimenta a lainstalación reguladora (13), en donde el tren de señales digital (1) se alimenta al comparador (19) como un tren dedatos digital (18), dado el caso retardado con respecto al tren de datos digital (1).

Procedimiento y dispositivo para la generación de una tensión alterna a partir de una corriente de datos de entrada La invención se refiere a un procedimiento para generar una tensión alterna de alta potencia, que siga una corriente de datos de entrada, p.ej. en formato Sony Consumer Standard i²s, conforme al preámbulo de la reivindicación 1.

En el campo de audio comercial se transmite por ejemplo la potencia para los altavoces a través de cables de cobre correspondientemente voluminosos. Aparte de los elevados costes, estos cables actúan también como antenas emisoras de perturbaciones de alta frecuencia cuando se utilizan amplificadores de conmutación, los llamados amplificadores clase D. Dentro de un concepto más avanzado se monta un amplificador clase D, al que se alimenta una corriente de datos digitales a través de fibra óptica, en la carcasa del altavoz. El amplificador clase D de un altavoz de este tipo se alimenta a través de conexión de red, y tiene que resistir electromagnéticamente en el entorno.

En estas soluciones conocidas está prevista siempre una conversión de la corriente de datos de entrada en una señal analógica, que después se amplifica y la señal amplificada se convierte de nuevo en una señal digital. Sin embargo, con ello no puede evitarse una pérdida de calidad a causa de la repetida conversión.

Aparte de esto, el grado de eficacia de los amplificadores analógicos de conmutación es con aprox. un 50% relativamente reducido. Con amplificadores electrónicos de potencia, respect. de conmutación, se alcanza ya por el contrario hoy en día más del 90%. En un amplificador clase D se modula por ancho de pulso (PWM) una tensión analógica aplicada a la entrada con una frecuencia fija, la frecuencia de conmutación del amplificador clase D. Esta tensión PWM se amplifica en la etapa final PWM del amplificador clase D mediante la conexión y desconexión alternativa de transistores con un elevado grado de eficacia. La segunda ventaja de las alimentaciones de corriente de conmutación, electrónicas de potencia, es el reducido tamaño de los elementos constructivos reactivos, como inductividades y condensadores, a causa de la elevada frecuencia de conmutación con relación a 50 Hz. El nivel de filtrado de un amplificador clase D se determina mediante el umbral sonoro inferior (15 Hz) . El grado de eficacia está influido fundamentalmente por la frecuencia de conmutación. La frecuencia de conmutación tiene que soportar un múltiplo del umbral sonoro superior (20 kHz) .

El espectro de la tensión PWM amplificada presenta por naturaleza un elevado contenido de frecuencia de conmutación y elevados contenidos de armónicos, que a continuación tienen que filtrarse nuevamente desde el mismo, para obtener en la carga una tensión analógica de alta potencia, lo menos distorsionada posible. Con ello es necesario evitar inexactitudes de pulso mediante un retroacoplamiento correspondiente.

Los amplificadores clase D con entrada analógica y los filtros pasivos se conocen del estado de la técnica. La rotación de fase de un filtro pasa banda y la compleja carga de altavoz imponen rápidamente unos límites estrechos a la fuerte reacción negativa, deseable para distorsiones bajas, causada por inestabilidades.

En el documento WO 98/44626 se convierte la señal digital (p.ej.: I2S) con un modulador en una señal PWM, y esta señal PWM ahora presente y amplificada a continuación, se compara con la señal realimentada desde la entrada. Con ello los pulsos de señal individuales se "corrigen previamente" con ayuda de una "correction unit" en sus flancos de pulso, de tal modo que no contienen perturbaciones después de circular por la etapa de amplificación. La "correction unit" dispone con ello de medios para corregir el retardo de flancos de pulso aislados. De este modo se utilizan los anchos de pulso para una regulación en forma de un control previo para la corrección de muestras de pulso.

En el documento DE 196 19 208 se propone un amplificador conmutado, mediante la utilización de un modulador Sigma Delta.

El objetivo de la invención es evitar estos inconvenientes y proponer un procedimiento de la clase citada al comienzo, que haga posible una amplificación con un alto grado de eficacia, en donde la tensión amplificada se corresponda muy exactamente con la corriente de datos de entrada.

Esto se consigue conforme a la invención, en el caso de un procedimiento de la clase citada al comienzo, mediante las particularidades características de la reivindicación 1.

Mediante las medidas propuestas se evita una conversión en una señal analógica y al mismo tiempo se garantiza que la señal amplificada se corresponda todo lo posible con la corriente de datos de entrada.

La derivación de la señal de salida amplificada puede realizarse según un algoritmo cualquiera. Por ejemplo la derivación de una señal digital desde la señal de salida amplificada puede realizarse según el algoritmo de una

modulación clase delta adaptativa, en donde también puede estar previsto un algoritmo superpuesto para reducir la frecuencia de conmutación efectiva, o según el de una modulación por codificación de pulsos avanzada. Con ello los algoritmos indicados anteriormente solamente representan unos ejemplos.

Otro objetivo de la invención consiste en proponer un dispositivo para llevar a cabo el procedimiento conforme a la invención.

Partiendo de un dispositivo conforme al preámbulo de la reivindicación 2 se proponen por ello las particularidades características de la reivindicación 2.

Mediante las medidas propuestas se obtiene una estructura muy sencilla, en donde mediante la regulación digital se garantiza un ajuste muy exacto de la tensión amplificada con la corriente de datos de entrada. Mediante un elemento temporizador, que puede ejecutarse muy fácilmente en la técnica digital, puede compensarse la rotación de fase. Al regulador se le comunica con ello el valor nominal retardado en la duración del filtrado, de tal modo que se presente al mismo tiempo que la tensión de salida digitalizada retroacoplada. Por medio de esto el regulador funciona de forma estable.

Con ello puede estar previsto que también sea posible una adaptación a las condiciones existentes en la región dispuesta después del elemento de ajuste. Esto es ventajoso p.ej. en instalaciones de audio. De este modo es posible compensar la variación de la atenuación que se produce, conforme aumenta el número de visitantes, para sonorizar una discoteca.

Mediante las particularidades de la reivindicación 3 se reducen los requisitos de alimentación de energía. De este modo, mediante las medidas propuestas con el regulador pueden detectarse y regularse al máximo también oscilaciones de la tensión de alimentación de la parte de potencia. Además de esto la fuente de tensión puede estar estructurada de forma más sencilla. La capacidad de cálculo para comparador y regulador puede materializarse más bien lentamente en el microprocesador, o rápidamente en un IC programable por circuito en un circuito de cálculo cableado de forma fija. En el caso de las elevadas velocidades de conversión de los convertidores AD actuales (p.ej. 90 MHz) , en este último caso puede materializarse ya ahora un tiempo de funcionamiento del bucle suficientemente pequeño, de tal manera que también con esta estructura de regulador se realiza una corrección de muestras de pulso.

Si también se quiere regular al máximo distorsiones de filtrado es necesario solucionar el problema de la rotación de fase, como se explicará con más detalle posteriormente.

Se conocen procedimientos, en los que se tienen en cuenta distorsiones de filtrado y está prevista una regulación rápida para la creación de muestras de pulso, que necesita una señal de entrada analógica.

Asimismo es posible crear una muestra de pulso, en donde la corriente de datos de entrada digitales se trate con elevada congruencia para convertirla en una tensión de salida PWM de alta potencia, y pueda prescindirse de una conversión digital/analógica reductora de la calidad.

Para elevados requisitos de calidad se necesitan una alimentación de energía de alto valor y un convertidor D/A (filtro) con una capacidad correspondiente.

Evidentemente el regulador no percibe oscilaciones de la tensión de alimentación hasta que finaliza el tiempo de funcionamiento del convertidor D/A o del filtro. Dentro del tiempo de funcionamiento se transmiten... [Seguir leyendo]

1. Procedimiento para generar una tensión alterna de alta potencia amplificada mediante conmutación, que sigue una corriente de datos de entrada digitales en forma y amplitud, en el que se amplifica la corriente de datos de entrada, caracterizado porque la corriente de datos de entrada se convierte en un tren de señales digital (1) y este tren de señales (1) se alimenta a una instalación reguladora (13) , y una señal digital (4) , que depende de la señal de salida de la instalación reguladora (13) , se amplifica mediante conmutación, en donde desde la señal de salida amplificada (6) se retroacopla una señal digital (21, 21') y se compara con el tren de señales digital (1) con ayuda de un comparador (19) , y la señal diferencial digital establecida mediante el comparador (19) se alimenta a la instalación reguladora (13) , en donde el tren de señales digital (1) se alimenta al comparador (19) como un tren de datos digital (18) , dado el caso retardado con respecto al tren de datos digital (1) .

2. Procedimiento para generar una tensión alterna de alta potencia amplificada, que sigue una corriente de datos de entrada digitales en forma y amplitud, mediante una etapa de amplificación clase D que se compone de un amplificador clase D (5) con alimentación de tensión y al menos un transistor de conmutación (43, 44) , un convertidor D/A conectado y una carga conectada al mismo, caracterizado porque está prevista una primera regulación (R3) que funciona digitalmente y que presenta un elemento temporizador (22) , un primer comparador (19) y una primera instalación reguladora (13) , en donde una primera entrada del primer comparador (19) recibe un tren de señales digital (1) correspondiente a la corriente de datos de entrada a través del elemento temporizador (22) , una segunda entrada del primer comparador (19) recibe una señal digital (21, 21') , retroacoplada desde la señal de salida (6) del amplificador clase D (5) , y la salida del primer comparador (19) está unida a la primera instalación reguladora (13) , en donde el elemento temporizador (22) alimenta el tren de señales digital (1) al primer comparador (19) , dado el caso retardado con respecto a la primera instalación reguladora (13) .

3. Dispositivo según la reivindicación 2, caracterizado porque la segunda entrada del primer comparador (19) está conectada, a través de un convertidor A/D (20) , a la salida de un convertidor D/A (7) post-conectado al amplificador D (5) .

4. Dispositivo según la reivindicación 2 ó 3, caracterizado porque está prevista una segunda regulación (R1) que funciona digitalmente y que presenta un segundo comparador (14) y una segunda instalación reguladora (13) , en donde una primera entrada de la segunda instalación reguladora (13) está unida a la salida de la primera instalación reguladora (13) , y una primera entrada del segundo comparador (14) recibe un tren de señales digital (4) , derivado de la señal de salida (1") de la segunda instalación reguladora (13) , una segunda entrada del segundo comparador

(14) recibe una señal digital (11) correspondiente a la señal de salida del amplificador clase D (5) , y la salida del segundo comparador (14) está unida, a través de un codificador (16) , a una segunda entrada de la segunda instalación reguladora (13) .

5. Dispositivo según la reivindicación 4, caracterizado porque la segunda entrada del segundo comparador (14) está unida a la salida del amplificador clase D (5) a través de un debilitador (10) .