ES2876357T3 - Dispositivo para medir una corriente eléctrica generada por un amplificador acústico para accionar un altavoz acústico - Google Patents
Dispositivo para medir una corriente eléctrica generada por un amplificador acústico para accionar un altavoz acústico Download PDFInfo
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Abstract
Dispositivo para medir una corriente eléctrica bidireccional generada por un amplificador acústico para accionar un altavoz acústico, estando dicho dispositivo adaptado para operar cualquiera que sea la dirección de la corriente y la polaridad de la tensión en modo común y que comprende: - una resistencia de derivación (1) colocada en serie entre el amplificador acústico y el altavoz acústico; - un convertidor de tensión a intensidad (3) cuyas entradas están conectadas a los polos de la resistencia de derivación (1), estando dicho convertidor adaptado para transformar proporcionalmente la diferencia de tensión en los polos de la derivación en una intensidad de señal; - un primer espejo de corriente (7) cuya entrada está conectada a la salida del convertidor de tensión a intensidad (3) y cuya salida está conectada a - un convertidor de intensidad a voltaje (5) de modo tal que el voltaje en la salida del convertidor de intensidad a voltaje sea proporcional a la intensidad de la señal; en donde dicho dispositivo comprende además: - un generador de corriente de polarización constante (9) conectado a una entrada del convertidor de tensión a intensidad (3) y cuya salida está conectada al convertidor de intensidad a tensión (5) a través de un segundo espejo de corriente (11) estando adaptado dicho generador de corriente de polarización (9) para generar una corriente de polarización tal que el dispositivo opere en modo lineal y sin saturación sea cual fuera la corriente eléctrica generada por el amplificador acústico.
Description
DESCRIPCIÓN
Dispositivo para medir una corriente eléctrica generada por un amplificador acústico para accionar un altavoz acústico Área técnica
La presente invención se refiere a un dispositivo para medir una corriente eléctrica generada por un amplificador acústico para accionar un altavoz acústico.
Estado de la técnica
En el campo de la electroacústica y más en particular de la generación de sonidos mediante la transformación de una señal eléctrica en una onda acústica mediante altavoces, es importante conocer con precisión la corriente eléctrica consumida por estos altavoces, es decir, la intensidad instantánea de la señal eléctrica de alimentación de los altavoces.
El campo electroacústico se caracteriza por limitaciones particulares:
• Tensiones alternas de modo común que pueden ser muy altas (alrededor de cien voltios);
• Corrientes alternas que varían en un amplio rango de valores, hasta 50A dependiendo de la impedancia del altavoz;
• Dinámica de corriente y/o voltaje de más de cien decibeles; y
• Necesidad de una precisión excelente en un amplio rango de frecuencias (de 20 Hz a 20 kHz) mientras que las frecuencias altas aumentan las perturbaciones de medición.
De hecho, como cualquier transformación de energía, esta conversión electroacústica genera calor y, por tanto, es necesario verificar que el calor generado permanece por debajo de un umbral predeterminado. Este parámetro es particularmente significativo en altavoces profesionales destinados a proporcionar sonido a grandes volúmenes porque las energías utilizadas son elevadas. Sin embargo, la potencia disipada es proporcional al cuadrado de la corriente/de la intensidad RMS de la señal eléctrica. Así, conocer la corriente consumida permite alcanzar la potencia disipada y por tanto el calor emitido.
Este conocimiento preciso de la corriente también tiene otras aplicaciones como el conocimiento preciso de la impedancia de los altavoces en función de la frecuencia y la detección de los altavoces.
Para medir esta intensidad de señal eléctrica, las técnicas convencionales utilizan un amplificador diferencial especializado que comprende una resistencia de entrada (derivación de medición de corriente) que permite convertir una intensidad en una diferencia de potencial.
Sin embargo, este tipo de amplificador de detección de corriente es intrínsecamente sensible al voltaje de modo común presente en la derivación de medición y, por lo tanto, requiere el uso de un amplificador diferencial de precisión costoso si se desea lograr las precisiones necesarias en electroacústica.
Por lo tanto, existe una necesidad real de un dispositivo de medición de intensidad que supere este defecto, en particular de un dispositivo que permita controlar el impacto de la medición en la señal eléctrica medida, para reducir costos y mejorar la sensibilidad y la precisión de la medición.
Un estado de la técnica pertinente se describe en el documento US 2015/219690.
Descripción de la invención
Para resolver uno o más de los inconvenientes antes mencionados, un dispositivo para medir una corriente eléctrica bidireccional generada por un amplificador acústico para accionar un altavoz acústico, estando adaptado el dispositivo para operar cualquiera que sea la dirección de la corriente y la polaridad de la tensión de modo común, comprende:
• una resistencia de derivación colocada en serie entre el amplificador acústico y el altavoz acústico;
• un convertidor de tensión a corriente cuyas entradas están conectadas a los polos de la resistencia en derivación, estando adaptado dicho convertidor para transformar proporcionalmente la diferencia de tensión en los polos de la derivación en una intensidad de señal;
• un primer espejo de corriente cuya entrada está conectada a la salida del convertidor tensión-corriente y cuya salida está conectada a
• un convertidor de corriente a voltaje tal que el voltaje en la salida del convertidor de corriente a voltaje sea proporcional a la intensidad de la señal.
El dispositivo comprende además un generador de corriente de polarización constante conectado a una entrada del convertidor de voltaje a corriente y cuya salida está conectada al convertidor de corriente a voltaje a través de un
segundo espejo de corriente, estando adaptado dicho generador de corriente de polarización para generar una corriente de polarización tal que el dispositivo funciona en modo lineal y sin saturación independientemente de la corriente eléctrica generada por el amplificador acústico.
Las características o realizaciones particulares, que pueden usarse solas o en combinación, son:
• el primer y segundo espejos actuales incluyen:
• una primera resistencia y
• un primer generador de voltaje de polarización en serie entre una conexión de señal de entrada y tierra,
• un amplificador operacional cuya entrada no inversora está conectada a la señal de entrada aguas arriba de la primera resistencia y la entrada inversora está conectada entre la primera resistencia y el primer generador de voltaje de polarización a través de una segunda resistencia y cuya salida está conectada a
• la puerta de un transistor MOSFET, estando conectada la fuente de dicho transistor MOSFET a la entrada inversora del amplificador operacional, y estando conectado el drenaje que genera la corriente de espejo a una almohadilla de salida;
• el generador de corriente de polarización comprende:
• un segundo generador de voltaje adaptado para generar un voltaje de referencia (Vref) entre la entrada no inversora de un amplificador operacional y un tercer generador de voltaje de polarización negativa, cuyo segundo polo está conectado a tierra, y
• la entrada inversora del amplificador operacional está conectada al tercer generador de voltaje a través de una resistencia, así como a la fuente
• de un transistor MOSFET tipo N, cuyo drenaje suministra la corriente de polarización a una almohadilla de salida.
• el convertidor voltaje-corriente comprende:
• un amplificador operacional cuya entrada inversora está conectada a la entrada de la resistencia en derivación a través de una segunda resistencia, y la entrada no inversora está conectada directamente a la salida de la resistencia en derivación, y cuya salida está conectada en
• la puerta de un transistor MOSFET tipo N cuya fuente está conectada a la entrada inversora del amplificador operacional y el drenaje proporciona la intensidad de la señal.
Breve descripción de las figuras
La invención se comprenderá mejor con la lectura de la siguiente descripción, que se da únicamente a modo de ejemplo y con referencia a las figuras adjuntas en las que:
- La figura 1 muestra un diagrama electrónico general de un dispositivo de medición según una realización de la invención;
- La figura 2 representa una vista detallada del espejo de corriente de señal del dispositivo de la figura 1;
- La figura 3 representa una vista detallada del espejo de corriente de polarización del dispositivo de la figura 1; y - La Figura 4 muestra una vista detallada de la fuente de corriente de polarización del dispositivo de la Figura 1. Realizaciones
Como punto preliminar, se recordará que la corriente eléctrica generada por un amplificador acústico para accionar un altavoz acústico tiene las características de una corriente alterna que varía tanto en intensidad/voltaje como en frecuencia en un rango de unos pocos Hz a aproximadamente 20 kHz.
Con referencia a la Figura 1, un dispositivo para medir una corriente eléctrica generada por un amplificador acústico para accionar un altavoz acústico comprende una resistencia de derivación 1 colocada en serie entre el amplificador acústico y el altavoz acústico. Esta resistencia tiene un valor óhmico r muy bajo, del orden de 2 mQ, para interferir solo mínimamente en la señal eléctrica.
Una primera conversión de voltaje a corriente se realiza mediante un convertidor de voltaje a corriente 3, cuyas entradas están conectadas a los polos de la resistencia en derivación. El convertidor está adaptado para transformar proporcionalmente la diferencia de voltaje en los polos de la resistencia de derivación 1 en una intensidad de señal. La salida del convertidor de voltaje a corriente 3 está conectada a un convertidor de corriente a voltaje 5 a través de un primer espejo de corriente 7, también llamado espejo de corriente de señal. Por tanto, la tensión en la salida del convertidor 5 de corriente a tensión es proporcional a la intensidad de la señal.
Además, para permitir que el circuito funcione de forma continua en modo lineal y sin saturación sea cual sea la dirección de la corriente y la polaridad del voltaje en modo común, el dispositivo también comprende un generador de corriente de polarización constante 9. Esta corriente de polarización se denomina Ibias a continuación.
El generador 9 de corriente de polarización constante está conectado a una entrada del convertidor de voltaje a corriente 3 y la salida está conectada al convertidor de corriente a voltaje 5 a través de un segundo espejo de corriente 11.
Por lo tanto, el generador de corriente de polarización 9 es adecuado para generar una corriente de polarización de modo que el dispositivo funcione en modo lineal y sin saturación sea cual sea la corriente eléctrica generada por el amplificador acústico.
Ahora se describirá con más detalle la realización de cada bloque antes de explicar su funcionamiento.
El convertidor de tensión a corriente 3 comprende:
• un amplificador operacional 13 cuya entrada inversora está conectada a la entrada de la resistencia en derivación 1 a través de una segunda resistencia 15 de valor óhmico R1, y la entrada no inversora está conectada directamente a la salida de la resistencia en derivación 1, y cuya salida está conectada a
• la puerta de un transistor 17 MOSFEt tipo N cuya fuente también está conectada a la entrada inversora del amplificador operacional y el drenaje proporciona la intensidad de la señal.
El primer espejo de corriente 7 dicho espejo de corriente de señal comprende, Figura 2:
• una primera resistencia 21 y
• un primer generador 23 de voltaje de polarización positiva en serie entre una conexión de señal de entrada y tierra, • un amplificador operacional 25 cuya entrada no inversora está conectada a la señal de entrada aguas arriba de la primera resistencia 21 y la entrada inversora está conectada entre la primera resistencia 21 y el primer generador de voltaje de polarización 23 a través de una segunda resistencia 27 y cuya salida está conectada a
• la puerta de un transistor MOSFET 29 de tipo P, la fuente de dicho transistor MOSFET está conectada a la entrada inversora del amplificador operacional, y el drenaje que genera la corriente de señal de espejo, está conectado a una almohadilla de salida.
El segundo espejo de corriente 11, figura 3, tiene una estructura similar al primer espejo de corriente 7. De hecho, comprende:
• una primera resistencia 31 y
• un primer generador 33 de voltaje de polarización negativa en serie entre una conexión de señal de entrada y tierra, • un amplificador operacional 35 cuya entrada no inversora está conectada a la señal de entrada aguas arriba de la primera resistencia 31 y la entrada inversora está conectada entre la primera resistencia 31 y el primer generador de voltaje de polarización 33 a través de una segunda resistencia 37 y cuya salida está conectada a
• la puerta de un transistor 39 MOSFET de tipo N, estando conectada la fuente de dicho transistor MOSFET a la entrada inversora del amplificador operacional, y estando conectado el drenaje que genera la corriente de espejo de polarización a una almohadilla de salida.
Así, las dos diferencias entre los dos espejos de corriente se relacionan con el tipo de transistores MOSFET y con el signo de la polarización de los generadores de voltaje.
Finalmente, el generador de corriente de polarización 9 comprende, Figura 4:
• un segundo generador de voltaje 41 adaptado para generar un voltaje de referencia (Vref) entre la entrada no inversora de un amplificador operacional 43 y un tercer generador de voltaje de polarización negativa 45 cuyo segundo polo está conectado a la masa, y
• la entrada inversora del amplificador operacional está conectada al tercer generador de voltaje 45 a través de una resistencia 47 así como a la fuente
• de un transistor 49 MOSFET de tipo N, cuyo drenaje suministra la corriente de polarización a una almohadilla de salida.
El convertidor de corriente-voltaje 5 comprende, figura 1, en la entrada una resistencia 51 conectada en serie con la entrada inversora de un amplificador operacional 53 cuya entrada no inversora está conectada a tierra. La salida del amplificador operacional 53 vuelve a la entrada inversora del mismo a través de una resistencia 55.
Así, en funcionamiento, la corriente de señal y la corriente de polarización constante se suman y siguen la “ruta de señal” que consiste en el primer espejo 7 de corriente.
La corriente de polarización también es conducida por la “ruta de polarización” que comprende el generador 9 de corriente de polarización y el segundo espejo 11 de corriente.
Además, en la entrada del convertidor de corriente-voltaje 5, se suman las corrientes de la “ruta de señal” y de la “ruta de polarización”, pero a medida que la corriente de polarización fluye en la dirección opuesta en estas dos rutas, se cancela en la entrada del convertidor de intensidad-tensión.
Se constata que se ha descrito un circuito de medición que utiliza solo componentes convencionales.
Normalmente, los amplificadores operacionales son de bajo ruido y operan a niveles de ganancia relativamente bajos. También debe tenerse en cuenta que la operación que utiliza la cancelación de la corriente de polarización en la entrada del convertidor de intensidad-voltaje también ofrece la ventaja de eliminar las corrientes parásitas de los transistores MOSFET.
Además, el uso de fuentes de corriente controladas por naturaleza limita los efectos de la tensión de modo común en comparación con las disposiciones diferenciales basadas en la detección de tensión.
Por lo tanto, se observa que se ha descrito un dispositivo de medición de bajo costo que se adapta particularmente bien al campo de la electroacústica.
De hecho, con respecto a las limitaciones del campo, el dispositivo exhibe bidireccionalidad en el voltaje de modo común así como en la corriente (agregando una corriente “ Ibias”). Y el uso de un generador de corriente para transformar el voltaje a través de la derivación en corriente proporciona un excelente rendimiento de rechazo de voltaje en modo común de alrededor de 90dB.
El conjunto también es capaz de medir una corriente de frecuencia cero (corriente continua). Permite, gracias a su alta inmunidad a la tensión de modo común, la detección de altavoces con una buena relación señal/ruido incluso en presencia de una señal de excitación débil. El ancho de banda del conjunto está limitado principalmente por el rendimiento de los amplificadores operacionales, lo que permite una alta frecuencia de uso. Esta característica ofrece en el dominio de la frecuencia de audio una baja atenuación y un bajo desplazamiento de fase de la señal en los agudos. El montaje permite la realización de una protección en corriente rápida. Debido a su alta fidelidad, se puede utilizar para el control de corriente de los altavoces (realización de amplificador de transconductancia). Así, este conjunto permite detectar la presencia de la envolvente, medir la impedancia de esta última y protegerla, controlar la corriente en la envolvente para controlarla en corriente más que en tensión. Este último uso tiene la ventaja de eliminar las distorsiones inherentes al altavoz y de tener un control más preciso que un control de tensión.
La invención se ha ilustrado y descrito en detalle en los dibujos y la descripción anterior. Esto debe considerarse como ilustrativo y dado a modo de ejemplo y no como una limitación de la invención a esta descripción únicamente. Son posibles muchas formas de realización variantes.
En las reivindicaciones, la frase “que comprende” no excluye otros elementos y el artículo indefinido “un/una” no excluye una pluralidad.
Claims (4)
1. Dispositivo para medir una corriente eléctrica bidireccional generada por un amplificador acústico para accionar un altavoz acústico, estando dicho dispositivo adaptado para operar cualquiera que sea la dirección de la corriente y la polaridad de la tensión en modo común y que comprende:
• una resistencia de derivación (1) colocada en serie entre el amplificador acústico y el altavoz acústico;
• un convertidor de tensión a intensidad (3) cuyas entradas están conectadas a los polos de la resistencia de derivación (1), estando dicho convertidor adaptado para transformar proporcionalmente la diferencia de tensión en los polos de la derivación en una intensidad de señal;
• un primer espejo de corriente (7) cuya entrada está conectada a la salida del convertidor de tensión a intensidad (3) y cuya salida está conectada a
• un convertidor de intensidad a voltaje (5) de modo tal que el voltaje en la salida del convertidor de intensidad a voltaje sea proporcional a la intensidad de la señal;
en donde dicho dispositivo comprende además:
• un generador de corriente de polarización constante (9) conectado a una entrada del convertidor de tensión a intensidad (3) y cuya salida está conectada al convertidor de intensidad a tensión (5) a través de un segundo espejo de corriente (11) estando adaptado dicho generador de corriente de polarización (9) para generar una corriente de polarización tal que el dispositivo opere en modo lineal y sin saturación sea cual fuera la corriente eléctrica generada por el amplificador acústico.
2. Dispositivo de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque el primer y segundo espejo de corriente comprenden:
• una primera resistencia (21, 31) y
• un primer generador de voltaje de polarización (23, 33) en serie entre una conexión de señal de entrada y tierra, • un amplificador operacional (25, 35) cuya entrada no inversora está conectada a la señal de entrada aguas arriba de la primera resistencia y la entrada inversora está conectada entre la primera resistencia y el primer generador de voltaje de polarización a través de una segunda resistencia (27, 37) cuya salida está conectada a
• la puerta de un transistor MOSFET (29, 39), estando conectada la fuente de dicho transistor MOSFET a la entrada inversora del amplificador operacional, y estando conectado el drenaje que genera la corriente de espejo a una almohadilla de salida.
3. Dispositivo de acuerdo con la reivindicación 1 o 2, caracterizado porque el generador de corriente de polarización comprende:
• un segundo generador de voltaje (41) adaptado para generar un voltaje de referencia (Vref) entre la entrada no inversora de un amplificador operacional (43) y un tercer generador de voltaje de polarización negativa (45) cuyo segundo polo está conectado a tierra, y
• la entrada inversora del amplificador operacional está conectada al tercer generador de voltaje a través de una resistencia (47) así como a la fuente
• de un transistor MOSFET de tipo N (49), cuyo drenaje suministra la corriente de polarización a una almohadilla de salida.
4. Dispositivo de acuerdo con la reivindicación 1, 2 o 3, caracterizado porque el convertidor de tensión a intensidad comprende:
• un amplificador operacional (13) cuya entrada inversora está conectada a la entrada de la resistencia en derivación (1) a través de una segunda resistencia (15), y la entrada no inversora está conectada directamente a la salida de la resistencia en derivación, y cuya salida está conectada a
• la puerta de un transistor MOSFET de tipo N (17), cuya fuente está conectada a la entrada inversora del amplificador operacional y el drenaje proporciona la intensidad de la señal.
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