Amplificador de potencia.

Amplificador de potencia para amplificar una señal de entrada eléctrica en una banda de frecuen-cias audibles y para proporcionar una señal de salida,

que comprende medios (22) de conmutación para ge-nerar una señal de onda de bloque conmutando alternativamente la señal de onda de bloque a una primera tensión de suministro o una segunda tensión de suministro, medios (14, 15) de filtro para generar una señal de salida de potencia mediante la filtración de paso bajo de la señal de onda de bloque, medios de entrada para recibir la señal eléctrica y alimentarla a una primera entrada de los medios de conmutación, compren-diendo además el amplificador de potencia un circuito (24) de realimentación que conecta la señal de salida a la primera entrada de los medios de conmutación, en el que

un servoamplificador (32) está conectado para recibir una señal de error que aparece en la primera entrada de los medios de conmutación y para alimentar una señal de salida de corrección a una segunda entrada de los medios (22) de conmutación para neutralizar un impacto de la señal de error sobre la señal de salida, en el que el servoamplificador (32) comprende un integrador (34; AR1), caracterizado porque se proporciona un fijador (40) de nivel para limitar una señal integradora que aparece en una salida de integrador del integra-dor (34; AR1).

Amplificador de potencia.

Campo técnico

Amplificador de potencia para amplificar una señal de entrada eléctrica en un intervalo de frecuencias operacionales y para proporcionar una señal de salida, que comprende medios de conmutación para generar una señal de onda de bloque conmutando alternativamente la señal de onda de bloque a una primera tensión de suministro o una segunda tensión de suministro, medios de filtro para generar una señal de salida de potencia mediante la filtración de paso bajo de la señal de onda de bloque, medios de entrada para recibir la señal eléctrica y accionar los medios de conmutación, y un circuito de realimentación local que conecta la señal de salida a una entrada de los medios de conmutación.

Técnica anterior

Los amplificadores de potencia de conmutación también denominados amplificadores de modulación de impulsos, amplificadores de modulación de anchura de impulso (PWM) o amplificadores de clase D se usan normalmente en aplicaciones en las que la disipación de potencia es un factor importante. Los amplificadores de clase D son importantes para bajar el consumo de potencia y disminuir el tamaño/peso y por tanto el uso de materias primas.

En tales amplificadores existe una etapa de entrada para recibir una señal de entrada eléctrica que va a amplificarse, una etapa de modulación/conmutación o potencia y un filtro. La etapa de conmutación genera una señal de onda de bloque, o una ráfaga de impulsos, que tiene una frecuencia que es mucho mayor que la mayor frecuencia en el intervalo de frecuencias operacionales de la señal eléctrica que va a amplificarse. La razón de anchura de impulso de la onda de bloque se modula de modo que el valor promedio de la señal de onda de bloque es proporcional a la señal de entrada. El filtro filtra la señal de onda de bloque a una señal de salida de potencia.

Otra definición de los amplificadores de clase D es que la etapa de potencia que entrega la energía a la carga se opera en un estado de “encendido/apagado” en el que el valor de tensión promedio de esta onda cuadrada se modula para corresponder al valor fijado. Las únicas pérdidas que aparecen son las pérdidas por baja conducción durante el estado “encendido” y las pérdidas por conmutación cada vez que la etapa de salida cambia de estado.

La conmutación entre encendido y apagado se realiza a una frecuencia que normalmente es de aproximadamente 400 kHz o más dando una resolución suficientemente alta en la banda audible. Normalmente, un amplificador de clase D contiene un filtro de paso bajo de segundo orden con un valor Q preferiblemente alto para demodular los impulsos de PWM. Este filtro desplaza la fase de manera asintótica hacia -180º y cuanto mayor es el valor Q más rápido alcanza -180º. Cuando el filtro está cargado el valor Q disminuye.

La modulación de anchura de impulso real puede realizarse de diversas maneras diferentes. La manera más obvia es usar una señal de referencia, por ejemplo una señal de onda de triangular y a continuación comparar la entrada o el valor fijado con esta señal de referencia. Cada vez que estas señales se intersecan, la etapa de salida cambia de estado. Una desventaja con esta técnica de señal de referencia es que el valor promedio de la ráfaga de impulsos corresponde sólo al valor fijado mientras las tensiones de suministro son constantes y el desplazamiento de estado es infinitamente rápido además de que, por supuesto, la onda triangular tiene que ser ideal.

La técnica de señal de referencia no tiene ninguna realimentación en absoluto dando como resultado una falta de control sobre el filtro de demodulación. En realidad existen dos trayectos de señal, uno desde la entrada hasta la salida y uno desde las líneas de suministro hasta la salida. El rechazo a fuente de alimentación y la separación de canal se vuelven muy escasos. Una única ventaja es que la frecuencia de conmutación es constante. La alimentación de suministro hacia delante puede usarse para bajar la dependencia de la tensión de suministro.

Usar un dispositivo digital como PSD para calcular la anchura de impulso en lugar de comparar el valor fijado con una señal de onda triangular da básicamente el mismo resultado. Sin embargo existen más posibilidades para compensar características no ideales de componentes. Una solución de PSD también es más complicada y cara.

Una manera muy eficaz de proporcionar la modulación de anchura de impulso es mediante autooscilación. Se usa un comparador para comparar el promedio de la ráfaga de impulsos con el valor fijado que da un error como resultado. Si el error es negativo se enciende el conmutador positivo y viceversa si es positivo. La frecuencia de funcionamiento está cerca de la frecuencia en la que el bucle tiene un desplazamiento de fase de -180º. Algunas soluciones usan el filtro de demodulación para realizar el promediado y esto da al amplificador la posibilidad de ajustar errores que se producen en y tras el filtro de demodulación.

Sin un conjunto de circuitos adicional la frecuencia de conmutación sería igual a la frecuencia de resonancia de filtro que habitualmente es de aproximadamente 50 kHz y esto no es aceptable. Una resistencia de cero y de supresión de cero se añade al circuito detector para hacer que suba la frecuencia aproximadamente una década. Este cero aumenta la amplitud de la señal de modulación y ésta disminuye la ganancia de bucle, por tanto aumenta las no linealidades. Por tanto el resultado de esta topología autooscilante posterior al filtro es que la distorsión linear (distorsión que no añade nuevo contenido de frecuencias como amplitud y fase) es muy baja para ser un amplificador de clase D pero la distorsión no lineal es escasa. Una descripción inicial de un amplificador de clase D de autooscilación se realizó por Clayton Sturgeon en Texas que presentó una solicitud de patente en 1976 con el número de publicación US4.041.411.

Un documento de la técnica anterior posterior es el documento WO03/090343 que da a conocer un amplificador de potencia para amplificar una señal eléctrica en un intervalo de frecuencias operacionales que comprende medios de conmutación para generar una señal de onda de bloque conmutando alternativamente la señal de onda de bloque a una primera tensión de suministro o una segunda tensión de suministro, medios de filtro para generar una señal de salida de potencia mediante la filtración de paso bajo de la señal de onda de bloque, medios de entrada para recibir la señal eléctrica y accionar los medios de conmutación, y un circuito de control acoplado a la señal de potencia de salida y los medios de entrada para controlar el amplificador de potencia. Otra técnica se conoce a partir del documento US 2004/066229.

Una opción adicional es añadir un integrador activo de segundo orden que demodula la ráfaga de impulsos y da una cantidad enorme de ganancia de bucle a bajas frecuencias. Entonces la frecuencia de conmutación se controla en su totalidad mediante este integrador y en absoluto mediante el valor Q del filtro de salida. Por tanto, la operación de esta topología autooscilante anterior al filtro es muy robusta y simple y da distorsión no lineal muy baja, especialmente a bajas frecuencias.

Sin embargo, en una topología autooscilante anterior al filtro la distorsión lineal se vuelve alta es decir la fase y respuesta de frecuencias depende totalmente de la carga y una curva de respuesta deseada sólo puede obtenerse con impedancia de carga específica. La frecuencia de conmutación de todas las topologías autooscilantes varía con la profundidad de modulación (anchura de impulso) . Esto es una ventaja para la eficiencia ya que las pérdidas por conmutación se vuelven menores a medida que aumentan las pérdidas por conducción pero si se añade otro bucle para aumentar la ganancia de bucle existe el riesgo de que este bucle tome la frecuencia de conmutación y entonces el amplificador entraría en una condición de oscilación subarmónica destructiva.

Existe la necesidad de aumentar la ganancia de bucle para bajar la distorsión no lineal y lineal de amplificadores de clase D autooscilantes. Esto se realiza habitualmente incluyendo un integrador que integra la diferencia entre la señal de salida y la señal de entrada, formando una señal de error, para aumentar adicionalmente la ganancia de bucle en la banda audible y por tanto bajando las no idealidades en la banda audible. Esto da al menos un problema. Al empezar, antes de que la etapa de clase D comience a operar, o durante el recorte de salida al integrador se le alimentará una señal de error grande que se integrará hasta que el integrador se sature y entonces el error sigue... [Seguir leyendo]

1. Amplificador de potencia para amplificar una señal de entrada eléctrica en una banda de frecuencias audibles y para proporcionar una señal de salida, que comprende medios (22) de conmutación para generar una señal de onda de bloque conmutando alternativamente la señal de onda de bloque a una primera tensión de suministro o una segunda tensión de suministro, medios (14, 15) de filtro para generar una señal de salida de potencia mediante la filtración de paso bajo de la señal de onda de bloque, medios de entrada para recibir la señal eléctrica y alimentarla a una primera entrada de los medios de conmutación, comprendiendo además el amplificador de potencia un circuito (24) de realimentación que conecta la señal de salida a la primera entrada de los medios de conmutación, en el que

un servoamplificador (32) está conectado para recibir una señal de error que aparece en la primera entrada de los medios de conmutación y para alimentar una señal de salida de corrección a una segunda entrada de los medios (22) de conmutación para neutralizar un impacto de la señal de error sobre la señal de salida, en el que el servoamplificador (32) comprende un integrador (34; AR1) , caracterizado porque se proporciona un fijador (40) de nivel para limitar una señal integradora que aparece en una salida de integrador del integrador (34; AR1) .

2. Amplificador de potencia según la reivindicación 1, en el que el servoamplificador (32) tiene una primera entrada amplificadora conectada a la primera entrada de los medios (22) de conmutación y una salida conectada a una segunda entrada de los medios (22) de conmutación y en el que el servoamplificador (32) está diseñado para amplificar la señal de error e invertir la señal de error antes de alimentarla a la segunda entrada de los medios (22) de conmutación.

3. Amplificador de potencia según la reivindicación 1, en el que el servoamplificador (32) comprende un integrador (34; AR1) que tiene una entrada no inversora, una entrada inversora y una salida de integrador, y un condensador (36) integrador conectado entre la salida de integrador y la entrada inversora.

4. Amplificador de potencia según la reivindicación 3, en el que el fijador (40) de nivel comprende un primer diodo (37) Zener y un segundo diodo (38) Zener que están conectados en serie y en direcciones opuestas a través del condensador (36) integrador.

5. Amplificador de potencia según la reivindicación 3, en el que la salida de integrador del integrador (34; AR1) está conectada a la segunda entrada de los medios (22) de conmutación a través de una resistencia (R50) de línea, siendo dicha segunda entrada una entrada no inversora.

6. Amplificador de potencia según la reivindicación 1, en el que la primera entrada de los medios de conmutación es una entrada inversora.

7. Amplificador de potencia según la reivindicación 1, en el que los medios (22) de conmutación comprenden un primer conmutador (S1) y un segundo conmutador (S2) , conmutando el primer conmutador (S1) en una primera fuente (42) de tensión y conmutando el segundo conmutador (S2) en una segunda fuente (44) de tensión para formar la señal de salida.