14.3: Modulación por Ancho de Pulso

Claramente, la clase D presenta la posibilidad de un mínimo desperdicio de energía y alta eficiencia. Ahora nos queda el problema de cómo convertir una serie de pulsos en una forma de onda continua, que varía suavemente, como una señal de voz o música. Hay algunas formas de lograr esto; se trata de codificar la amplitud de la señal original en el tren de pulsos que impulsa los dispositivos de salida. Teóricamente, siempre y cuando el “área bajo la curva” para un segmento de señal de entrada sea idéntica al área representada por el tren de pulsos, habremos codificado con éxito la señal y entonces deberíamos poder descodificarla, convirtiéndola de nuevo en una señal de salida que varía suavemente. Para que esto funcione correctamente, el tren de pulsos tendrá que estar a una frecuencia mucho mayor que la señal de entrada para poder seguir sus cambios a lo largo del tiempo. Una forma de hacerlo es a través de la modulación de densidad de pulso, o PDM. La idea es producir una serie de pulsos estrechos para representar el área. Si la amplitud de entrada es grande, creamos una gran cantidad de pulsos y si la amplitud es pequeña, producimos un pequeño número de pulsos. Si bien esta técnica puede funcionar, es algo desafiante convertir este tren de pulsos de nuevo en la señal deseada en la carga.

Otra técnica para codificar la entrada es la modulación por ancho de pulso, o PWM. En lugar de alterar el número de pulsos en un periodo de tiempo dado, mantenemos la frecuencia constante y ajustamos el ancho de los pulsos. Si la amplitud de entrada es alta, el ancho del pulso correspondiente será ancho y si la amplitud es baja, el ancho del pulso será estrecho. La decodificación de PWM es más fácil que la de PDM y generalmente es la ruta preferida.

Generar PWM es un asunto relativamente sencillo. Todo lo que necesitamos es una onda triangular y un comparador. El comparador tiene dos terminales de entrada: la señal a codificar (señal de entrada) y la onda de referencia (onda triangular). Tiene una salida lógica de dos estados. La salida será alta si la señal es más positiva que la referencia y será baja si la referencia es más positiva que la señal. Esto se muestra en forma de diagrama de bloques en la Figura\(\PageIndex{1}\).

Figura\(\PageIndex{1}\): Codificador PWM.

Como se mencionó, la onda triangular necesita estar a una frecuencia mucho mayor que la señal que se está codificando. Como regla general, esta frecuencia debe ser al menos diez veces la frecuencia de señal de entrada más alta.

\[f_{triangle} \geq 10 f_2 \label{14.1} \]

En la Figura se presenta una simulación que muestra las formas de onda PWM\(\PageIndex{2}\).

Figura\(\PageIndex{2}\): Formas de onda PWM.

La señal de entrada es la onda sinusoidal roja. La onda triangular azul es la referencia y es aproximadamente 20 veces mayor en frecuencia. La onda verde es la salida PWM. Tenga en cuenta que cuando la señal de entrada roja sube por encima del triángulo de referencia azul, la salida verde va alta, de lo contrario, la salida es baja. Así, el ciclo de trabajo de los pulsos se correlaciona con la amplitud de la señal de entrada. La señal de entrada no debe exceder la amplitud de la onda triangular, de lo contrario la precisión se verá afectada. Además, la precisión del proceso de codificación depende de la linealidad de la onda triangular, por lo que se necesita un generador de ondas triangulares de alta calidad. Por último, para mayor precisión y facilidad de decodificación, no se debe permitir que los pulsos de salida se vuelvan demasiado delgados, por lo que la señal de entrada debe limitarse a aproximadamente el 75% de la amplitud de la onda triangular.

14.3.1: Reconstitución de la Salida

Aunque hemos codificado con éxito la señal de entrada en una serie de pulsos, todavía necesitamos descodificarlos, es decir, reconstituir la señal de entrada original continuamente variable. Matemáticamente, la señal PWM contiene todos los componentes y amplitudes de frecuencia de señal de entrada originales, solo ha agregado una gran cantidad de nuevos componentes de frecuencia. Estos nuevos componentes son múltiplos (armónicos) de la frecuencia PWM fundamental, y en consecuencia, todos son más altos que las frecuencias de la señal de entrada. Como tal, se pueden quitar con un filtro de paso bajo. Esto efectivamente reconstituirá la señal original (pero a una amplitud mucho mayor, por supuesto). Un\(LC\) filtro pasivo simple sería apropiado en esta instancia ya que debe pasar grandes corrientes y voltajes. Un ejemplo se muestra en la Figura\(\PageIndex{3}\).

Figura\(\PageIndex{3}\): Filtro de paso bajo pasivo.

A bajas frecuencias,\(X_L\) será muy pequeño mientras que\(X_C\) será muy alto, por lo que prácticamente todas las frecuencias de la señal de entrada pasarán a la carga. A frecuencias altas, como los armónicos de los pulsos PWM, la situación se invierte:\(X_L\) es grande y\(X_C\) es pequeña, creando una gran pérdida para que estos componentes no lleguen a la carga. ¹ La frecuencia crítica de la red se establece en la frecuencia de señal de entrada más alta (por ejemplo, para audio de alta fidelidad, ligeramente por encima de 20 kHz).

Ahora tenemos un esquema completo para el amplificador de clase D, como se muestra en la Figura\(\PageIndex{4}\).

Figura\(\PageIndex{4}\): Diagrama de bloques del amplificador Clase D.

El preamplificador puede estar compuesto por cualquiera de los contornos del amplificador lineal presentados en capítulos anteriores, ya sea que utilicen BJT o FET. Lo que queda entonces, es una mayor investigación sobre la red de conmutación de salida.

Referencias

¹ Para un amplificador de audio, es importante que estos componentes no lleguen al altavoz. A pesar de que están más allá del alcance del oído humano, pueden dañar los subcomponentes de los altavoces y, como mínimo, presentar una carga extra de disipación de energía para ellos. Otros tipos de cargas pueden no ser efectuadas por los armónicos y puede que no sea necesario filtrar.