ES2268842T3 - Etapa de potencia. - Google Patents
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Abstract
ETAPA DE POTENCIA del tipo que utiliza MOSFETs de conmutación específicamente concebidos para aplicaciones de audio que requieran tensiones de salida elevadas (100 Vrms), caracterizada porque tiene etapas de salida no complementarias, formadas por MOSFETs de conmutación de canal N de alta tensión, estando al menos uno (12) de dichos MOSFETs dispuesto en una configuración de drenador común para amplificar los semiciclos positivos de una señal y estando al menos otro (13) de dichos MOSFETs dispuesto en una configuración de fuente común para amplificar los semiciclos negativos de dicha señal, y que comprende además: - un filtro de paso alto (1) cuya entrada está conectada a una señal de entrada (INPUT) y cuya salida está conectada a un dispositivo compresor de señales (2) con el fin de actuar juntos para limitar la potencia de salida a valores predeterminados basados en la tensión de salida requerida, - un amplificador diferencial (3) con dos entradas, una (-) de ellas conectada a una salida de dicho compresor de señales (2), actuando dicho amplificador diferencial (3) como elemento de control para corregir diferencias entre señales de entrada (INPUT) y de salida (OUTPUT), - un primer circuito de realimentación (15) para controlar la ganancia total, estando dicho primer circuito de realimentación (15) conectado entre la otra (+) de dichas dos entradas del amplificador diferencial (3) y una salida de dichas etapas de salida, estando dicha salida conectada a una carga (LOAD), y - un segundo circuito de realimentación (14) para corregir las alineaciones de dichas etapas de salida, estando dicho segundo circuito de realimentación (14) conectado a una salida de dicho amplificador diferencial (3) y a dicha salida de las etapas de salida, - dos convertidores de nivel (6, 7), uno (6) para semiciclos positivos y el otro (7) para semiciclos negativos, teniendo ambos entradas conectadas a respectivas salidas de dicho segundo circuito de realimentación (14), - un circuito espejo de corriente (8) que tiene una entrada conectada a una salida de dicho convertidor de nivel (6) para semiciclos positivos, para excitar adecuadamente dicho MOSFET (12) para semiciclos positivos, que es al menos uno, y - amplificadores de corriente (9, 10), uno (9) de ellos estando conectado entre dicho espejo de corriente (8) y dicho MOSFET (12) para semiciclos positivos, que es al menos uno, y estando el otro (10) conectado entre dicho convertidor de nivel (7) para semiciclos negativos y dicho MOSFET (13) para ciclos negativos, que es al menos uno, para lograr las velocidades de carga y de descarga de las capacidades de entrada de los MOSFETs, donde dicho amplificador de corriente (9) para semiciclos positivos es alimentado a una tensión (+VCC'') ligeramente superior a la tensión (+VCC) que alimenta al MOSFET (12) para semiciclos positivos, que es al menos uno.
Description
Etapa de potencia.
El objeto de la presente invención tal como se
indica en esta descripción consiste en una "Etapa de potencia"
del tipo que utiliza MOSFETs de conmutación (transistores de efecto
de campo MOS) específicamente concebidos para aplicaciones de audio
donde se requieran altas tensiones de salida (100 Vrms).
La principal innovación de este sistema es que
permite amplificaciones de líneas de 100 V, sin usar de
transformadores elevadores y que hace posible el uso de MOSFETs de
conmutación en amplificadores de audio de alta potencia.
Se entiende que una etapa de potencia es un
circuito electrónico capaz de amplificar pequeñas señales eléctricas
(1 Vrms) a los niveles de tensión y de potencia requeridos por la
aplicación a la que se destinan. Esta invención es aplicable a
sistemas de audio que requieran tensiones de salida elevadas para
pequeños niveles de potencia (30W para sistemas de audiodifusión
especializados en amplificar voz y sistemas de sonido ambiente) y
para grandes niveles de potencia (30000 W para amplificadores PA
(del inglés "public adress": amplificadores especializados en
amplificar voz) profesionales utilizados en clubes y salas de
concierto).
Las etapas de potencia están básicamente
compuestas de circuitos amplificadores y circuitos de
protección.
El circuito amplificador multiplica la tensión y
la potencia de la señal entrante hasta los niveles deseados y el
circuito de protección preserva la unidad de amplificación y los
elementos excitados por ésta (los altavoces) de circunstancias que
pudieran ser perjudiciales para uno cualquiera de los dos.
Un circuito amplificador que proporcione una
tensión de salida de unos 100 Vrms debe tener una fuente de potencia
de al menos \pm 150 VCD, que someta los MOSFETs a tensiones
máximas de 300 V en la etapa final.
La principal limitación tecnológica para la
realización de dicho circuito utilizando MOSFETs de conmutación por
medio de una estructura totalmente convencional para la etapa final,
es decir con MOSFETs de canal N y P, es la inexistencia de MOSFETs
con canal P que puedan soportar tensiones mayores de 1000 V. El
circuito amplificador propuesto aquí utiliza únicamente MOSFETs de
canal N controlados por un circuito especial que elimina los
problemas de distorsión y de estabilidad que se presentan con una
estructura de etapa final no complementaria.
Una tensión de fuente de potencia determinada
presupone una tensión de salida específica para una impedancia de
carga específica. Así, con \pm 150 VDC, teóricamente se obtienen
14000 W en 8\Omega.
Como la aplicación más innovadora de este
amplificador pertenece a las etapas de potencia para líneas de 100
V, donde la potencia estándar se sitúa entre 20 y 250 W, éste está
equipado con un circuito limitador de potencia capaz de adaptar la
potencia suministrada a los requisitos de la aplicación.
Esta estructura, aparte de permitir el uso de
MOSFETs de conmutación en amplificadores de audio de potencia
elevada, permite la fabricación de amplificadores de línea de 100 V
sin que exista la necesidad de transformadores elevadores
utilizados por la mayoría de los fabricantes de este tipo de
productos.
Las desventajas del uso de transformadores
elevadores son:
- Peso y volumen considerables.
- El alto coste de los buenos
transformadores.
- Elevada distorsión a bajas
frecuencias-niveles de salida elevados
debida a la saturación de los núcleos magnéticos.
- Respuesta en frecuencia deficiente.
- Salida del sistema de aproximadamente el
50%.
Aunque existen algunos amplificadores en el
mercado que no utilizan transformadores elevadores, se fabrican
utilizando dos amplificadores separados conectados por un puente.
Las principales desventajas de este tipo de sistema son:
- Amplificador complejo debido a una salida
flotante.
- Salida de aproximadamente el 36%.
- Menos fiable ya que son dos amplificadores en
lugar de uno.
- Alto coste.
Todos estos inconvenientes se eliminan con el
nuevo sistema de amplificación.
El dispositivo innovador consiste en un
dispositivo amplificador tal como se define en la reivindicación
1.
El elemento encargado de corregir las
diferencias entre las señales de entrada y de salida es un
amplificador diferencial que utiliza dos tipos de realimentación:
el primero es básicamente para controlar la ganancia de circuito
total y el segundo es para corregir las alineaciones de las etapas
de salida no complementarias. Esta combinación de realimentaciones
logra distorsiones globales comparables a las de los amplificadores
con etapas de salida complementarias.
La señal de bajo nivel del elemento de control
es amplificada en tensión y es referenciada con las cargas de alta
tensión por medio de dos convertidores de nivel.
Como los MOSFETs de semiciclos positivos tienen
una configuración de drenador común y los MOSFETs de semiciclos
negativos tienen una configuración de fuente común, se utiliza un
espejo de corriente para excitar adecuadamente los MOSFETs de
semiciclo positivo.
Se utilizan amplificadores de corriente para
lograr las velocidades de carga y de descarga de las capacidades de
entrada de los dispositivos finales.
Esto mejora considerablemente tanto la
distorsión como la respuesta a las frecuencias elevadas.
El amplificador de corriente para el semiciclo
positivo está cargado a una tensión ligeramente mayor que la que
carga la etapa final. Es necesario lograr la saturación completa del
dispositivo de MOSFET final y optimizar la salida y la reducción
simétrica.
La etapa de salida puede estar compuesta de más
de un MOSFET en paralelo si así lo requiere la potencia de
salida.
La potencia máxima está controlada por medio de
un filtro de paso alto y un compresor de señal de entrada. Para
aplicaciones de líneas de 100 V, el circuito controla la potencia
suministrada a la línea de 100 V basándose en el máximo deseado y
la carga de impedancia asociada a la misma (ver el dibujo). En las
aplicaciones de potencia elevada el circuito limita la potencia
suministrada a la carga basándose en el máximo suministrado por el
MOSFET, indispensable como medida de protección en caso de
impedancia de carga muy baja o de cortocircuito.
En ambos casos, la señal de entrada es reducida
por un compresor de señales. Éste también actúa si la amplitud de
la señal de salida excede las tensiones de alimentación
("clip").
La temperatura está controlada a dos niveles: en
el primer nivel, dos circuitos compensan, por medio de un sensor
térmico, las variaciones en la corriente de reposo de la etapa final
basándose en la temperatura. En el segundo nivel, un circuito
analiza la evolución de la temperatura con el tiempo. Si la
temperatura sube rápidamente, se reduce el nivel de la señal de
entrada para impedir que el amplificador se sobrecaliente y se
apague.
Con el fin de ilustrar lo que se ha indicado
hasta ahora, esta memoria descriptiva está acompañada por una
página de dibujos que forman parte de la memoria descriptiva y que
representan la potencia suministrada a una línea de 100V basándose
en el máximo deseado y la impedancia de carga asociada a la misma
(figura 1) y un diagrama de conjunto que representa las partes
esenciales de los circuitos que componen el nuevo amplificador
(2).
La nueva unidad amplificadora funciona como
sigue:
En primer lugar, presenta un filtro de paso alto
(1) que actúa junto con un compresor de señales (2). Estos
circuitos controlan la potencia suministrada a la línea 100 V
basándose en el máximo deseado y la carga de impedancia asociada a
la misma (ver figura 1) mientras que en las aplicaciones de potencia
alta limita la potencia suministrada a la carga basándose en el
máximo suministrado por el MOSFET, evitando de este modo una
impedancia de carga muy baja o un cortocircuito.
A continuación, actuando como elemento de
control, presenta un amplificador diferencial (3) cuya misión es la
de corregir las diferencias entre las señales de entrada y de salida
utilizando dos tipos de realimentación: la primera (15) es
básicamente para controlar la ganancia total del circuito y la
segunda (14) para corregir las alineaciones de etapas de salida no
complementarias.
La señal de bajo nivel del elemento de control
(3) es amplificada en tensión y es relacionada con cargas de
tensión alta por medio de dos convertidores de nivel, uno para
semiciclos positivos (6) y el otro para semiciclos negativos
(7).
Después de los convertidores de nivel de ciclo
positivo (6) hay un espejo de corriente (8) a través del cual se
alimentará la configuración de los MOSFETs de conmutación de canal N
de tensión alta para semiciclos positivos (12), organizados en
configuración de drenador común, a diferencia de los MOSFETs de
semiciclo negativo (13) que están dispuestos en una configuración
de fuente común.
Se utilizan amplificadores de corriente (9, 10)
para lograr las velocidades de carga y descarga de las capacidades
de entrada de los dispositivos finales.
Esto mejora considerablemente tanto la
distorsión como la respuesta a las altas frecuencias.
El amplificador de corriente para semiciclos
positivos (9) es alimentado a una tensión (+VCC') ligeramente
superior a la que alimenta la etapa final (+VCC). Es necesario
lograr la saturación completa del dispositivo MOSFET final (12) y
optimizar la salida y la reducción simétrica.
La etapa de salida (12, 13) puede estar
compuesta de más de un MOSFET en paralelo si así lo requiere la
potencia de salida.
En cualquier caso, existe un circuito (11) que
controla la potencia máxima suministrada a la carga, dependiendo
del circuito de compresión de señal asociado a la misma (2) que
reduce la señal de entrada cuando la amplitud de la señal de salida
sobrepasa la tensión de alimentación ("clip").
Como elementos de protección adicionales, hay un
sistema de gestión de temperatura que funciona a dos niveles
diferentes: en el primer nivel, dos circuitos (4, 5) compensan por
medio de un sensor térmico las variaciones en la corriente de
reposo de la etapa final basándose en la temperatura. En el segundo
nivel, un circuito analiza la evolución de la temperatura con el
tiempo. Si la temperatura sube rápidamente, se reduce el nivel de
la señal de entrada para impedir que el amplificador se
sobrecaliente y se apague.
Habiendo establecido el concepto expresado, a
continuación se expone la lista de reivindicaciones que sintetizan
las innovaciones reivindicándolas de la siguiente manera.
Claims (4)
1. Etapa de potencia del tipo que utiliza
MOSFETs de conmutación específicamente concebidos para aplicaciones
de audio que requieran tensiones de salida elevadas (100 Vrms),
caracterizada porque tiene etapas de salida no
complementarias, formadas por MOSFETs de conmutación de canal N de
alta tensión, estando al menos uno (12) de dichos MOSFETs dispuesto
en una configuración de drenador común para amplificar los
semiciclos positivos de una señal y estando al menos otro (13) de
dichos MOSFETs dispuesto en una configuración de fuente común para
amplificar los semiciclos negativos de dicha señal, y que comprende
además:
- un filtro de paso alto (1) cuya entrada está
conectada a una señal de entrada (INPUT) y cuya salida está
conectada a un dispositivo compresor de señales (2) con el fin de
actuar juntos para limitar la potencia de salida a valores
predeterminados basados en la tensión de salida requerida,
- un amplificador diferencial (3) con dos
entradas, una (-) de ellas conectada a una salida de dicho compresor
de señales (2), actuando dicho amplificador diferencial (3) como
elemento de control para corregir diferencias entre señales de
entrada (INPUT) y de salida (OUTPUT),
- -
- un primer circuito de realimentación (15) para controlar la ganancia total, estando dicho primer circuito de realimentación (15) conectado entre la otra (+) de dichas dos entradas del amplificador diferencial (3) y una salida de dichas etapas de salida, estando dicha salida conectada a una carga (LOAD), y
- -
- un segundo circuito de realimentación (14) para corregir las alineaciones de dichas etapas de salida, estando dicho segundo circuito de realimentación (14) conectado a una salida de dicho amplificador diferencial (3) y a dicha salida de las etapas de salida,
- dos convertidores de nivel (6, 7), uno (6)
para semiciclos positivos y el otro (7) para semiciclos negativos,
teniendo ambos entradas conectadas a respectivas salidas de dicho
segundo circuito de realimentación (14),
- un circuito espejo de corriente (8) que tiene
una entrada conectada a una salida de dicho convertidor de nivel
(6) para semiciclos positivos, para excitar adecuadamente dicho
MOSFET (12) para semiciclos positivos, que es al menos uno, y
- amplificadores de corriente (9, 10), uno (9)
de ellos estando conectado entre dicho espejo de corriente (8) y
dicho MOSFET (12) para semiciclos positivos, que es al menos uno, y
estando el otro (10) conectado entre dicho convertidor de nivel (7)
para semiciclos negativos y dicho MOSFET (13) para ciclos negativos,
que es al menos uno, para lograr las velocidades de carga y de
descarga de las capacidades de entrada de los MOSFETs, donde dicho
amplificador de corriente (9) para semiciclos positivos es
alimentado a una tensión (+VCC') ligeramente superior a la tensión
(+VCC) que alimenta al MOSFET (12) para semiciclos positivos, que es
al menos uno.
2. Etapa de potencia, según la reivindicación
anterior, caracterizada porque la etapa de salida (12, 13)
está compuesta de más de un MOSFET en paralelo.
3. Etapa de potencia, según una cualquiera de
las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque
comprende un circuito (11) con entradas conectadas a una carga
(LOAD) y a las fuentes (S) de los MOSFETs (12, 13) y con salidas
conectadas a dicho compresor de señales (2) y a dichos
amplificadores de corriente (9, 10), para controlar la potencia
máxima suministrada a la carga (LOAD), donde el dispositivo de
compresión de señales (2) reduce la señal de entrada cuando la
amplitud de la señal de salida sobrepasa la tensión de alimentación
(Vcc).
4. Etapa de potencia según una cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, caracterizada porque comprende
un sistema de gestión de temperatura formado por:
- dos circuitos de compensación de temperatura
(4, 5) con salidas respectivas conectadas a dichos convertidores de
nivel (6, 7), para compensar por medio de un sensor térmico las
variaciones de la corriente de reposo de la etapa final (12, 13)
basadas en la temperatura, mediante la actuación sobre dichos
convertidores de nivel (6, 7), y
- un circuito de análisis de predicción de
temperatura (16) conectado a dicho dispositivo compresor de señal
(2), para analizar la evolución de la temperatura con el tiempo, y
reducir el nivel de la señal de entrada, mediante la actuación
sobre dicho dispositivo compresor de señales (2), para impedir que
el amplificador se sobrecaliente y se pare, si dicho circuito de
análisis (16) predice que la temperatura subirá rápidamente.
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