6. Amplificatori di potenza

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1 6.1 Amplificatori switching 6. Amplificatori di potenza Lo studio degli amplificatori in classe A (capitolo 4) ha mostrato come ci sia una relazione lineare fra l ampiezza del segnale d ingresso e quello d uscita. I segnali associati alle correnti e tensioni sono stati controllati in modo da evitare fenomeni di clipping ovvero siamo sempre rimasti nelle regioni di funzionamento lineare del dispositivo. Ad esempio se in una amplificatore lineare a FET (ricordiamo che i FET si comportano come generatori di corrente controllati in tensione) sul gate G insiste una tensione (componente continua di polarizzazione più componente variabile del segnale informativo, nell esempio sinusoidale ) in uscita sul carico è possibile avere una replica fedele ma amplificata del segnale informativo (la sinusoide mentre, come analizzato nel capitolo 4, la continua può essere bloccata tramite condensatori di blocco) Negli amplificatori switching o a commutazione, il dispositivo attivo viene utilizzato come un interruttore (switch). In tali amplificatori si perde la relazione lineare fra l ampiezza del segnale d ingresso e l ampiezza del segnale d uscita. Il transistor ha solo due stati: - acceso 1 (per un FET, VG in ingresso di valore elevato ed in uscita V DS 0 e I D 0 e il cui valore dipendente dal resto del circuito, idealmente Rds=0) - spento 0 (per un FET, VG in ingresso al di sotto della soglia di accensione e in uscita I D 0 e V DS 0 e il cui valore dipendente dal resto circuito). Il principale vantaggio degli amplificatori switching è quello di lavorare con efficienze più elevate (teoriche fino al 100%) rispetto al classe A (teorico 25% per carico resistivo e 50% carico induttivo). Per tale motivo gli amplificatori switching sono utilizzati per la parte di attuazione quando ci sono in gioco elevate potenze ed un basso rendimento non sarebbe accettabile sia per ragioni di efficienza energetica che per problemi relativi a costi e dimensioni di packaging, dei sistemi di raffreddamento, dei componenti di potenza. Lo svantaggio è che gli amplificatori switching sono non lineari e quindi il loro utilizzo è meno adatto, rispetto a quelli lineari, ad amplificare segnali dove l informazione da trasmettere è associata all ampiezza del segnale stesso. Mentre gli amplificatori switching possono essere utilizzati dove l informazione associata al segnale da amplificare non dipende dalla sua ampiezza come ad esempio segnali modulati in frequenza. 6.2 Classe D Tra le possibili implementazioni di amplificatori switching vi è la classe D: Nel classe D servono due dispositivi attivi che vengono utilizzati come interruttori (nella figura due FET). In particolare vengono controllati in modo che non siano mai accesi contemporaneamente. Il filtro risonante serie LF CF si comporta come un aperto per tutte le armoniche della fondamentale, mentre è un cortocircuito alla fondamentale. Di conseguenza la corrente che scorre sul carico è una sinusoide pura. La capacità CBYP serve per mantenere costante la tensione al drain di T1 (che sarà pari a VCC). L unica potenza dissipata è quella sulla resistenza di carico RL. Dato che la corrente che vi scorre è una sinusoide pura, l efficienza di tale amplificatore è pari al 100%. Ovvero, tutta la potenza assorbita dall alimentazione viene trasformata in potenza sul carico. Perché? 51

2 I componenti reattivi (ideali) non dissipano potenza I transistor (usati come interruttori ideali) hanno sempre tensione nulla ai loro capi quando sono in conduzione. Da notare che Vsw in fugura si può scrivere come Solo la componente di VSW alla fondamentale contribuisce alla corrente che scorre sul carico che sarà quindi di tipo sinusoidale. 52

3 L efficienza teorica dell amplificatore in classe D è pari al 100%. In realtà, fenomeni parassiti sui dispositivi e le non idealità dei componenti reattivi fanno si che l efficienza dell amplificatore in classe D reale sia minore del 100%. L amplificatore in classe D presenta però uno schema circuitale a 2 transistor, uno dei quali (T1) è scollegato dal segnale di massa. Questo comporta delle complicazioni in fase progettuale, e tipicamente la realizzazione di amplificatori in classe D diventa praticamente impossibile per frequenze di funzionamento a radio frequenza. L amplificatore in classe D viene utilizzato per frequenze fino a MHz. 6.3 PWM Negli amplificatori switching il controllo dei gate degli interruttori di potenza avviene utilizzando la tecnica PWM (Pulse Width Modulation). La modulazione PWM consiste nel variare la durata degli impulsi della portante, proporzionalmente ai valori istantanei del segnale modulante; il periodo e l ampiezza degli impulsi sono mantenuti costanti. Ciò può essere ottenuto spostando in sensi opposti gli istanti relativi al fronte di salita e a quello di discesa degli impulsi, oppure tenendo fisso uno dei due fronti e modulando l altro. Un metodo per generare un segnale PWM può essere schematizzato come segue: una forma d onda a dente di sega (1) è applicata al comparatore, il cui livello di soglia è funzione del segnale modulante (2); la successione di impulsi (3) che si ha all uscita del comparatore ha ampiezza costante, però durata che è funzione del segnale modulante. 53

4 Nello spettro sono presenti la frequenza di ripetizione degli impulsi, la frequenza modulante, le loro armoniche e tutte le possibili combinazioni di somma e differenza. La demodulazione può essere ottenuta applicando il segnale PWM ad un filtro passa-basso. Nota che la generazione del segnale PWM di cui sopra si riferisce al caso in cui la portante a dente di sega entra nel terminale V + del comparatore e il segnale modulante in quello V -. In questo caso maggiore è l ampiezza del segnale modulante e minore è il duty-cycle d dell onda PWM. (ovvero il Ton rapporto ). Ovviamente è possibile fare in modo che la portante a dente di sega entra nel Ton + Toff terminale V - del comparatore e il segnale modulante in quello V +. In questo caso maggiore è l ampiezza del segnale modulante e maggiore è il duty-cycle d dell onda PWM. 6.4 MOS di potenza Componente IRF 530 per potenze di centinaia di W. - Package 54

5 - Range di utilizzo (Safe Operating Area) - Resistenza R DS in caso di conduzione (in switch ideale R DS =0) 55

6 - Caratteristiche statiche (correnti, tensioni, temperature) e dinamiche (tempi di risposta) 56