Amplificador Clase E

Motivado por la presentación y desarrollo del proyecto AM  PWM  y dado el gran numero de visitas que he recibido entorno al proyecto, he decidido por ir un poco mas lejos y compartir un tema muy apasionante referido a la amplificación para altas frecuencias clase E.

 Sin duda alguna este tipo de amplificación, es un gran misterio para muchos radio aficionados y amantes de la electrónica en cuanto se refiere a la comprensión  de todas aquellas variables que juegan un papel determinante al momento de efectuar cálculos matemáticos que permiten conocer los valores de los distintos componentes que forman parte de la topología de la clase E.

Dando vueltas por la Web se puede encontrar material para  distintos niveles  de conocimiento y es por ello que se debe ser muy cuidadoso al momento de dar por aceptada la información que logremos reunir, ya que si ello no es así y como se verá mas adelante, una información determinada podría acabar por llevarnos a errores los cuales se verán reflejados al momento de armar un determinado circuito amplificador.

Aun cuando existen varios sitios que proporcionan recetas milagrosas en cuanto se refiere al calculo matemático, me he dado cuenta que la gran mayoría de esos sitios no explican los procedimientos que les llevan a plantear alguna formula o ecuación, lo que me hace suponer que se trataría mas bien de un copy paste degenerativo.

Si bien la topología de un circuito amplificador clase E es muy reducida, abordar el tema en concreto es otra cosa, es decir se debe entender que los cálculos son muy complejos ya que en estricto rigor se trata de un sistema  "No Lineal". Los números mágicos o constantes provienen de sistemas de ecuaciones las cuales contienen un número elevado de incógnitas o dicho de otro modo hay más incógnitas que ecuaciones. Es por ello que para  resolver estos sistemas se debe recurrir a sistemas de matrices los cuales solo son digeridos por profesionales del área de la ingeniería. Sin embargo lo anterior, mediante la presente exposición se abordara el tema de la forma más didáctica a fin de que un radio amateur pueda comprender la materia.

Para el desarrollo del tema he creído oportuno transcribir literalmente información contenida en una Tesis de Maestría en Ciencias de la Ingeniería Electrónica. Lo anterior se justifica ya que a titulo personal he leido el contenido y concidero que el trabajo  y su información es correcta y muy apegada a la realidad. No obstante lo anterior en la medida que se desarrolle el tema, iré apoyando algunas ideas más bien con un leguaje  ad hoc al mundo amateur.

Introducción

La introducción de los conceptos de resonancia y cuasiresonancia en la conversión de la energía, contribuyó en gran medida a la realización de convertidores con altas eficiencias de funcionamiento. La utilización de un circuito resonante, formado por un inductor y un capacitor, genera formas de onda sinusoidales de corriente y voltaje en los dispositivos semiconductores de conmutación, dando lugar a condiciones de conmutación suave en los mismos. Con la utilización de las técnicas de conmutación suave, se pretende que los DSEP’s se enciendan ante condiciones de voltaje cero (CVC) y que se apaguen ante condiciones de corriente cero (CCC). Con estas condiciones se reducen significativamente las pérdidas por conmutación. La técnica de conmutación a voltaje cero (CVC) elimina las pérdidas en el encendido generadas por la capacitancia parásita del MOSFET, haciendo que el voltaje en el dispositivo sea cero justamente antes del encendido, evitando cualquier acumulación de energía en la capacitancia parásita. La CVC también reduce las pérdidas en el apagado gracias a la suave caída del voltaje, reduciendo el traslape entre las formas de onda de corriente y voltaje en el interruptor. La CVC es particularmente atractiva para aplicaciones donde los MOSFETs de potencia e IGBTs rápidos sean usados como interruptores. La técnica de conmutación a corriente cero (CCC) no genera pérdidas en el apagado, forzando a que la corriente en el interruptor sea cero antes de que el voltaje empiece a subir. La CCC es también efectiva para reducir las pérdidas de conmutación si IGBTs lentos u otros dispositivos semiconductores de portadores minoritarios son usados como interruptores [19]. La Figura 2.1 muestra un comparativo entre las pérdidas que se generan con la conmutación dura y la conmutación suave. La conmutación dura en un dispositivo de potencia se define cuando se presenta al mismo tiempo un traslape de corriente y voltaje durante los transitorios de encendido y apagado. Por lo tanto, la conmutación dura de un dispositivo semiconductor de potencia se puede presentar tanto en la fase de encendido, (permanece el voltaje de bloqueo, mientras el dispositivo está ya conduciendo corriente), (Figura 2.1a) como en la fase de apagado (permanece la corriente de conducción, mientras el dispositivo está ya bloqueando voltaje), (Figura 2.1b). Con las condiciones anteriores se genera una buena cantidad de pérdidas, mientras que con las técnicas de conmutación suave se reducen significativamente.

Clase E

El amplificador clase E (ACE) fue investigado por Gerald Ewing en 1964, y desarrollado y patentado por Nathan y Alan Sokal en 1975. Ha tenido gran aceptación debido a su simplicidad y alta eficiencia, y pertenece al grupo de convertidores resonantes ya que cuenta con un circuito resonante serie dentro de su estructura. El amplificador clase E representa una atractiva solución para el diseño de amplificadores a potencias medias con altas eficiencias de conversión de potencia. A frecuencias bajas el amplificador clase E proporciona altas eficiencias con una mejor linealidad que los amplificadores clase A, clase B, clase C y clase F. Su alta eficiencia es mantenida en un gran rango de potencias de salida. Inicialmente la aplicación del amplificador clase E fue limitada a la banda VHF. Recientemente el rango de funcionamiento del amplificador clase E abarca desde las altas frecuencias (HF) hasta las microondas.

Amplificador clase E conmutado a voltaje cero (ACECVC)

El circuito básico del ACECVC se muestra en la Figura 2.2. Consta de un dispositivo semiconductor de potencia funcionando como interruptor, un circuito L0-C0-R resonante serie, un capacitor Cs y un inductor fuente de corriente Lc. El interruptor se enciende y se apaga a la frecuencia de funcionamiento f=ω/(2*π) determinado por el circuito de control de compuerta. La capacitancia de salida del transistor, y la capacitancia parásita del inductor Lc son incluidas en el capacitor paralelo. A altas frecuencias de funcionamiento, toda la capacitancia Cs puede ser sustituida por la capacitancia parásita del dispositivo. La resistencia R representa la resistencia de carga del circuito. La  inductancia Lc se considera infinita con la finalidad de que el rizo de la corriente de la fuente pueda ser despreciado.

Las características sobresalientes de este amplificador las podemos resumir de la siguiente manera:

- estructura sencilla, debido a la cantidad reducida de componentes que contiene.

- eficiencia, teóricamente del 100 %.

- frecuencias de funcionamiento altas, en el rango de los GHz.

- bajos esfuerzos de corriente en el dispositivo de conmutación.

Dentro de los inconvenientes de este circuito podemos mencionar los siguientes:

- altos esfuerzos de voltaje en el dispositivo de conmutación.

- potencias medias, debido a que consta de un solo dispositivo de conmutación.

- análisis complicado.

Principio de Funcionamiento

El funcionamiento del circuito lo determina la señal de compuerta que se aplica al dispositivo semiconductor mediante un circuito de control adecuado, cuya finalidad es hacer que el dispositivo funcione como interruptor (abierto-cerrado), con un ciclo de trabajo del 50% (Figura 2.2a) para desarrollar la máxima capacidad de potencia de salida. La disipación de potencia en el interruptor es idealmente cero, debido a que no existe traslape entre las formas de onda de corriente y voltaje en las terminales del mismo. Cuando el interruptor está cerrado, el voltaje a través de él es cero, mientras que la corriente es cero cuando el interruptor está abierto. Cuando el interruptor está abierto, la corriente a través del inductor fuente de corriente se divide en dos partes, de las cuáles una parte circula hacia la carga (R) y la otra hacia el capacitor paralelo (Cs). El capacitor Cs se empieza a cargar y genera el voltaje a través del interruptor. Cuando el interruptor se cierra, cualquier carga almacenada en el capacitor, se descarga hacia tierra por medio del mismo, generando pérdidas de potencia. Para evitar estas pérdidas, el circuito se debe diseñar de tal manera que el voltaje a través del interruptor sea cero antes de que éste se cierre, como se muestra en la Figura 2.2b. En condiciones ideales, la eficiencia del amplificador clase E es del 100%. Sin embargo, en la práctica, el interruptor tiene una resistencia de encendido finita y los tiempos de transición del apagado al encendido y viceversa no son despreciables. Ambos factores generan pérdidas de potencia en el interruptor y reducen la eficiencia. La resistencia de encendido limita la eficiencia máxima y la capacitancia parásita limita la frecuencia máxima de operación.

Formas de onda típicas del ACECVC

En la Figura 2.3 se muestran las señales típicas de voltaje y corriente del ACECVC en conmutación óptima y sub-óptima. La principal diferencia entre ambas conmutaciones es que en la conmutación sub-óptima conduce el diodo interno del dispositivo, mientras que en la conmutación óptima nunca conduce. Las señales mostradas son: señal de control de compuerta, señales de corriente y voltaje en el interruptor, y señal de voltaje en la carga.

Pérdidas de potencia en el ACECVC

 Idealmente, el amplificador clase E no tiene pérdidas de potencia, sin embargo. En realidad el amplificador presenta pérdidas de potencia inherentes al funcionamiento de los dispositivos semiconductores (en conducción y en conmutación), pérdidas en los elementos reactivos ya que éstos no son ideales, pérdidas debido a inductancias parásitas en el cableado del mismo, así como pérdidas en el impulsor de compuerta.
Las pérdidas inherentes al funcionamiento del dispositivo se presentan en la conducción y en la conmutación del mismo.

Pérdidas en conducción

 Los MOSFETs se caracterizan por una resistencia constante durante la saturación; la corriente que fluye a través de esta resistencia disipa potencia en el dispositivo. La potencia disipada por la resistencia de saturación RDS(on) puede ser calculada aproximadamente asumiendo que la potencia de entrada, la potencia de salida, y todas las formas de onda (excepto el voltaje del drenaje durante la saturación) permanecen igual a las del amplificador ideal. La potencia disipada es entonces:

Resultando en:

Las pérdidas debidas a la resistencia interna del MOSFET pueden ser minimizadas seleccionando un MOSFET de mayor capacidad de corriente que la requerida, a cambio de un precio más alto a pagar (lo que se paga es la superficie de silicio)

Pérdidas en conmutación

Cuando un ACE funciona, en operación optima o sub-óptima las conmutaciones en el interruptor son a voltaje cero, es decir no se tienen pérdidas durante el encendido, pero si en el apagado. 

Pérdidas debido al tiempo de bajada de la corriente en el apagado del dispositivo

Pérdidas debido a los elementos reactivos

 Las pérdidas de potencia en los dispositivos semiconductores no son las únicas que se presentan en el amplificador clase E, también se presentan pérdidas debido a que los componentes reactivos no son ideales, de los cuáles la bobina resonante es la que genera la mayor cantidad de pérdidas debido a su resistencia interna. Las pérdidas de la bobina resonante dependen de la frecuencia de conmutación, así como de la calidad de los elementos de construcción. La alta frecuencia a la que trabaja el amplificador clase E obliga a tomar en cuenta fenómenos como el efecto piel y el efecto proximidad. Además conforme se incrementa la frecuencia, son mayores las pérdidas por histéresis debido a la corriente senoidal que circula por la bobina. El empleo de ferritas cerámicas para el núcleo de la bobina es imprescindible, ya que reduce en gran medida las pérdidas por corriente de Foucault y el uso de hilo de Litz reduce los problemas generados por el efecto piel. Es difícil evaluar con precisión las pérdidas en la bobina resonante, sin embargo, éstas pueden ser reducidas significativamente con un buendiseño y utilizando los materiales adecuados.

Pérdidas debido a la inductancia serie del cableado 

La inductancia total del alambrado entre el drenaje y el capacitor paralelo, así como la inductancia del alambrado entre la fuente y tierra son también fuentes de pérdidas de potencia. Si Ls representa la inductancia total del alambrado, la energía almacenada en el apagado es:

donde se obtienen las pérdidas:

donde f es la frecuencia de conmutación, con D = 50% y                                                                              

       

resulta:

Pérdidas debido al impulsor de compuerta del dispositivo
Pérdidas debido a la carga de la compuerta:

Cuando un capacitor se carga y se descarga a través de una resistencia, la mitad de la energía almacenada en el capacitor se descarga a través de la misma. Por lo tanto las pérdidas en el impulsor de compuerta debido a la resistencia interna y externa para un ciclo completo es la siguiente:

La potencia necesaria para impulsar la compuerta del MOSFET se disipa en el circuito impulsor. En la Figuras 2.4 los componentes disipativos se pueden identificar como una combinación de impedancias serie en la ruta del impulsor de compuerta. En cada ciclo de conmutación, la carga de compuerta requerida pasa a través de la impedancia de salida del impulsor,el resistor externo a la compuerta y el resistor interno de acoplamiento de la compuerta. La disipación de potencia puede ser expresada como:  

Continuara....................