º Por Osvaldo LW1DSEº

Hasta aca  hemos visto como utilizar los sistemas de PWM como convertidores DC-DC (de Corriente Continua a Corriente Continua) aplicado a fuentes de alimentacion conmutadas. Empero, esta no es la unica aplicacion de esta tecnica. Vamos a analizar brevemente algunas de ellas.

Una de las mas actuales es lo que se denomina amplificacion de audio en clase D. Algunos dicen que la "D" obedece a "Digital", otros dicen que se debe a un avance con respecto a la clase C ampliamente utilizada como amplificadores de RF de potencia y en osciladores, principalmente con valvulas termoionicas. La verdad, no la se.

Basicamente un amplificador de audio en clase D o amplificador digital, o amplificador por PWM, es una especializacion de una fuente conmutada, con la diferencia de que se omite la etapa rectificadora sea cual fuera, y que el valor medio de la corriente continua a la salida debe ser escencialemte nula a lo largo del tiempo. Tampoco, no son utiles aquellas topologias que imponen el uso de un duty cycle limitado (caso de), por ejemplo, la Forward y en lo posible aquellas que forzosamente necesiten de un transformador para ser utiles, como el caso del Push Pull.

En la figura 1 puede apreciarse como una etapa Half Bridge se puedeadaptar a funcionar como amplificador clase D de audio. Los MOSFET funcionan de manera bastante similar a como lo hacen en una fuente switching normal.
Difiere, como ya se dijo, en la ausencia de un transformador de RF, y del rectificador, y a la salida del Half Bridge se ha conectado un filtro pasabajos o integrador, compuesto por una o mas inductancias y uno o mas capacitores, y cuya frecuencia de corte se halla en algun valor conveniente entre el limite superior de la banda audiofrecuente, 20 KHz, y la frecuencia de "sampling" del amplificador, normalmente por encima de los 250 KHz. Dice el teorema del muestreo, que para poder reproducir una determinada señal, basta con tomar un par de muestras de la misma. Empero, esa es una condicion de minimo, y si asi se hiciera, el resultado seria calamitoso, al menos en la banda de audio, donde un oido medianamente educado reconoce hasta la minima distorsion. Ergo, desde el punto de vista puramente teorico, cuanto mas alta sea la frecuencia de muestreo, mayor es la fidelidad de la misma posterior a su amplificacion y ulterior filtrado. No obstante, como ya sabemos, aumentar desmesuradamente la frecuencia de la conmutacion de los MOSFET, trae una serie de complicaciones en el diseño de la etapa de potencia, ya estudiadas.

En condiciones de ausencia de señal de entrada (de audio), ambos MOSFET est n operando a un duty cycle de un 50% cada uno, y con un dead time tan estrecho como sea posible, dado que un excesivo dead time genera un tipo de distorsion en el contenido audiofrecuente. En esas condiciones, el nivel de DC a la salida es cero volts. Si aumentamos el ciclo activo del MOS MF1 al mismo tiempo que se lo reducimos al MF2, el valor medio de la tension de salida ya no puede ser nulo, es positivo respecto de masa y existe un desbalance en la DC de la etapa. Al aparecer esa resultante de DC, se genera sobre la carga Ro una corriente que circula por la misma hacia masa (GND). Si ahora hacemos a la inversa, es decir aumentamos el duty cycle del MF2 con respecto al de MF1, al que se lo reduce en la misma proporcion, el resultado es que la salida tiende a negativo, con lo cual, la corriente que atraviesa a Ro ahora tiene sentido inverso al anterior.

La Matematicas nos dice que:

Si ë (Duty cycle) es de .5 o 50%, las dos tensiones de la fuente partida se cancelan a lo largo del tiempo de integracion en el filtro. Para que esto sea cierto, se debe cumplir que las dos tensiones de fuente se igualen en valor, pero de distinta polaridad. Como es practicamente imposible garantizar dicha condicion, normalmente se incluye un lazo de realimentacion de corriente continua y de audio, a fin de ajustar ë para cumplir la premisa de cero volts con ausencia de señal de audio. Si, suponemos que ë se lleva a .75 y a .2, y con Ei= ñ12V, se tiene:

A medida que nos acercamos a ë = 0 o ë = 1, estaremos en presecia de las tensiones de fuente a la salida. Lo cual no es una condicion normal de trabajo, pero vemos que el dead time nos impide llegar a los valores de fuente. En la practica, las perdidas en inductores y en la RDSon de los FET's tambien cooperan para no poder alcanzar la plena tension de las fuentes a la salida, cosa que en los sistemas de audio tradicionales tampoco se puede lograr por la VCEsat de los BJT's de salida. La ventaja radica, en que las perdidas por conmutacion son constantes en cualquier condicion de trabajo (siempre a lo largo de un ciclo conmutan los transistores de a uno por vez), y variando las de conduccion con el material de audio. No obstante, como eligiendo un par de buenos MOSFET's durante la etapa de diseño, y correctamente exitados los mismos, son minimizables ambas. De hecho se puede hacer un amplificador de 100 Watts en un impreso de 10 * 10 cm y sin discipadores termicos.

Se puede entonces deducir, que si al PWM de la fuente lo modulamos, no solamente con una muestra de la tension de salida (como haciamos en una fuente), sino con una señal sinusoidal, esta sera  convertida a un PWM que ira  alterando en forma regular al ciclo de actividad de uno de los MOSFET, e inversamente al otro, y como dicha señal cae dentro de la banda pasante del filtro, sera  integrada por el mismo, y repuesta a su forma original, con un valor de amplitud convenientemente mayor y aplicado a la carga. Y lo mismo le suceder  a una informacion de audio cualquiera que sea aplicada al modulador de ancho de pulsos, y que sea de una frecuencia tal que "pase" por el filtro.

En la figura 3 vemos un amplificador clase D de audio, exitando un altoparlante. Se puede apreciar una doble etapa de filtrado, no siempre necesaria. Por lo general, el filtro utilizado responde a las caracteristicas del tipo "Butterworth", que posee una pendiente de -20 dB por decada y por etapa, con lo cual el filtrado de la frecuencia de PWM es atenuada 80 dB/dec. y posee ademas, un corte suave, sin irregularidades en la banda pasante. Por el contrario, por una cuestion de economia de recursos, en algunos pocos casos se elimina por completo el filtrado, y se aplica la onda rectangular directamente a los terminales del parlante. Efectivamente, como la masa movil del sistema electro-mecanico-acustico del mismo en ningun caso podra  reproducir semejantes frecuencias (250 KHz), y de poder hacerlo resultaria inaudible, la onda rectangular resulta integrada por la inertancia del sistema motor, con el resultado similar al del filtrado anterior. Empero, la irradiacion de la portadora y sus armonicas por parte de los conductores de interconexion y el sobrecalentamiento de la bobina movil por las corrientes de RF y del entrehierro y partes metalicas asociadas, hacen severamente objetable tal disposicion resultando casi siempre limitada al interior de un equipo completo (TV o similar)

Por Osvaldo LW1DSE

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