Electrónica de Potencia Trabajo Práctico Anual

Transcripción

1 Curso: R5051 Docente Ing. Flavio Narvaja Electrónica de Potencia Trabajo Práctico Anual JTP Ing. Oscar Pugliese Ayudantes Ing. F. Fiamberti Ing. M. Mass Grupo N 4 Año 2015 V.1.0

2 AMPLIFICADOR CLASE D Autores Orge, Fernando Paglia, Lucas Sankowicz, Javier Vega, Maximiliano

3 Estructura de la Presentación Introducción Principio de funcionamiento Diseño Armado Mediciones y resultados Conclusiones y discusión Referencias

4 Introducción (1) El campo de aplicación de los amplificadores clase D puede dividirse en dos áreas bien definidas Amplificadores de baja potencia Hasta unos 5 W Teléfonos celulares, computadoras personales Su eficiencia es vital para la portabilidad de los dispositivos Amplificadores de alta potencia Por encima de los 80 W De mucha mayor eficiencia que otras configuraciones Se logran productos más pequeños, livianos y prolijos

5 Principio de funcionamiento (1) CONCEPTOS A diferencia de los amplificadores clase A, AB y B, en este tipo de amplificadores los dispositivos no trabajan en su zona lineal. Conmutan a frecuencias por encima del rango audible. Variando el ciclo de actividad de la señal de conmutación es como se logra variar la tensión media de salida. Se utiliza un filtro pasa bajos a la salida del amplificador para obtener una salida de forma sinusoidal.

6 Principio de funcionamiento (2) ESQUEMA BÁSICO Trabajar a altas frecuencias ayuda facilitar el diseño del filtro de salida. No obstante, tiende a incrementar las pérdidas por conmutación y distorsión.

7 Principio de funcionamiento (3) MEJORAS EN POTENCIA Y EFICIENCIA DE SALIDA Cuando el objetivo es obtener mayor potencia y eficiencia a la salida del amplificador se utiliza una configuración tipo puente.

8 Principio de funcionamiento (4) VARIANTES EN EL FILTRO DE SALIDA La selección y el diseño del filtro están sujetos al tipo de modulación empleado. En nuestro caso usamos un modulador AD tradicional (PWM-bipolar).

9 Principio de funcionamiento (5) DIAGRAMA EN BLOQUES Entrada de Audio Comparad or Puente H Filtro LC Oscilador Parlante

10 Diseño y armado (1) OSCILADOR DE ONDA TRIANGULAR Parámetros del diseño ft = R6 / (4 R5 R7 C3) slw = 4 Vtri ft Vtri = (R5/R6) (Vcc Vref) bw 20 ft En nuestro diseño ft = KHz slw = 0,88 V/µs bw = 4 MHz

11 Diseño y armado (2) OSCILADOR DE ONDA TRIANGULAR Selección de los dispositivos ft > KHz slw > 0,88 V/µs bw > 4 MHz Dispositivo elegido LM318 TI slw = 70 V/µs bw = 15 MHz (p/ baja señal) Vcc = ± 5 V hasta ± 20 V

12 Diseño y armado (3) AMPLIFICADOR DE ERROR

13 Diseño y armado (4) AMPLIFICADOR DE ERROR Parámetros del diseño Vo = - (R4/R3) Vi Vodc = Vref(1+R4/R3)(R2/(R1+R2)) En nuestro diseño Vo = 1 V Vodc = ajustable Dispositivo elegido LM318 TI Fundamentalmente por comodidad y disponibilidad, considerando que es el propuesto para el modulador

14 Diseño y armado (5) COMPARADOR Parámetros del diseño Tdcomp << Tpwm/10 Rpup = (Vcc-Vsat)/Isat En nuestro diseño Tdcomp = 438 ns Rpup = 220 Ω ¼ W

15 Diseño y armado (6) COMPARADOR Selección del dispositivo Tdcomp < 438 ns Dispositivo elegido LM 311 TI Tdcomp = 200 ns

16 Diseño y armado (7) PUENTE H

17 Diseño y armado (8) PUENTE H Parámetros de nuestro diseño Prms 10 W Ppeak 20 W Ipeak 1,58 A Vpeak 12,65 V Dispositivos elegidos MOSFET IRF530 Selección basada en los requerimientos del diseño y su disponibilidad en el mercado local

18 Diseño y armado (9) FILTRO LC Parámetros de nuestro diseño L1 = L2 = 33 uh C1 = C2 = 100 nf C3 = 470 nf RL = 8 Ω fo = 28 KHz Q = 0,7

19 Diseño y armado (10) PROTOTIPOS - MODULADOR

20 Diseño y armado (11) PROTOTIPOS - PUENTE

21 Diseño y armado (12) PROTOTIPOS - PUENTE

22 Mediciones y resultados (1) El modulador PWM funcionó de acuerdo a lo diseñado. Se obtuvo una señal cuadrada con ancho de pulso variable de acuerdo a la amplitud de la señal modulante de entrada. Esta señal varía entre 0 y 6V. Tiene la posibilidad de salir con la señal PWM y la misma señal opuesta para el puente completo. El filtro armado se realizó con capacitores de poliéster y bobinas con núcleo de aire. Las bobinas poseen la inductancia diseñada y el filtro funciona según lo especificado. El problema es que por ser núcleo de aire, su tamaño es muy grande. Se debería utilizar núcleo de ferrite para reducir el tamaño y poder insertarse en una placa más fácilmente.

23 Mediciones y resultados (2) El prototipo del puente se diseñó con un driver tipo Totem Pull. Los resultados obtenidos no fueron buenos, ya que el MOS superior queda con el Source flotante y no logra generar la señal cuadrada en todo el tiempo necesario. Para corregir y mejorar el funcionamiento, se deberá diseñar el mismo puente con un driver IR2110.

24 Mediciones y resultados (3)

25 Mediciones y resultados (4)

26 Mediciones y resultados (5)

27 Conclusiones y discusión (1) La modulación por PWM sumado al amplificador clase D, hace de este un amplificador de alta eficiencia. Se debe de invertir mucho en lograr la buena conmutación de los MOSFET de potencia. Al usar un driver simple como lo es el Totem Pull, se pierde rendimiento, y por esto se recomienda usar un driver con Bootstrap (ejemplo IR2110).

28 Conclusiones y discusión (2) Diagrama en bloques del Driver IR 2110

29 Conclusiones y discusión (3) Vgs y Vds para IRF 530

30 Conclusiones y discusión (4) Se intentó lograr la modulación PWM a través de un microcontrolador pequeño con entrada analógica, pero los resultados no fueron satisfactorios.

31 Referencias (1) Analog Pulse Width Modulation Application Report SLAU508 Texas Instruments 2013 Understanding power MOSFET data sheet parameters Application Note NXP Semiconductors 2014 Class D LC Filter Design Application Report SLOA119B Texas Instruments 2015 Design and Application Guide of Bootstrap Circuit for HighVoltage Gate-Drive IC Application Note 6076 Fairchild 2014 Audio Power Amplifier Design Handbook Autor: Douglas Self Publicado por: Editorial Newnes 2006 Class D Audio Power Amplifiers Autor: Steven Harris Publicado por: AES E-Library 2003

32 MUCHAS GRACIAS POR SU ATENCIÓN