Reflexiones sobre bajo coste, en estado sólido, amplificadores de HF lineales de clase...
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Reflexiones sobre bajo coste, en estado sólido, amplificadores lineales de clase kilovatio HF eficientes Durante varios años he estado pensando en maneras de construir un amplificador legal límite de estado sólido para el uso de radioaficionados. No es que yo absolutamente necesitar uno! Soy dueño de un amplificador de tipo tubo vieja Radio Nacional NCL2000, que todavía funciona muy bien. Pero de interés técnico me gustaría desarrollar un amplificador de estado sólido. Este nuevo amplificador debe tener al menos una ventaja técnica sobre los amplificadores tradicionales comunes llanura simples: o debe ser ultra bajo costo junto con un rendimiento respetable, o podría ser extremadamente pequeño y ligero, extremadamente eficiente, o cualquier otra cosa por el estilo. Debe ser una interesante amplificador, no sólo una herramienta de fuerza bruta para conseguir un alto poder de RF. Y debe cumplir con algunos requisitos básicos: El costo deberá ser lo suficientemente baja, en todo caso para que el proyecto que vale la pena; debe proporcionar suficiente calidad espectral de no ser una molestia para otros jamones, y debe operar ya sea en completo silencio, o con muy bajo nivel de ruido. Estoy harto de la soplante zumbido fuerte del NCL2000! Estoy escribiendo esta página para tres propósitos: Para poner un poco de orden y organización en mis ideas; para permitir a otros a espiar a mi trabajo y tal vez obtener una buena idea o dos de ella; y sobre todo para tratar de iniciar una discusión inteligente sobre este asunto. Acojo con gran satisfacción las contribuciones! Este artículo contiene muchos supuestos que hice, basado en mi conocimiento incompleto de las muchas peculiaridades de MOSFETs, así que si usted encuentra errores y / o si tiene buenas ideas, por favor hágamelo saber! Mi email es . Yo escribí esto en noviembre de 2010, así que si quieres pasar a leerlo en algún momento del siglo 22, me perdono por estar fuera de fecha. Conceptos básicos de diseño Yo estaba considerando varias totalmente diferentes ideas básicas para construir un amplificador: Un amplificador de clase AB push pull convencional, cuyas características especiales se encuentran básicamente en el uso de MOSFETs de alta tensión y operar directamente de la tensión de red rectificada y filtrada. Si se utilizan MOSFETs razonablemente de bajo coste, esto llevaría a un amplificador compacto, muy ligero, de bajo costo, que tiene una eficacia ligeramente mejor que los que utilizan fuentes de alimentación que convierten la tensión. Los MOSFETs podrían ser algo así como el ARF1505, o tal vez algún tipo de conmutación bajo costo presionado en este servicio. Amplificador de tracción convencional de clase AB de empuje, que opera desde una fuente de alimentación de conmutación que se modula para mantener la tensión de sólo un poco por encima de la tensión de RF producida. Esto sería relativamente simple y barato, y ofrecería razonablemente pequeño tamaño y bajo peso junto con algo mejor eficiencia que los amplificadores de clase AB estándar. Los dispositivos activos podrían ser ARF1500, IXZ210N50L, o tal vez comunes MOSFETs de conmutación de bajo coste prensadas en servicio de RF lineal. Refrigeración por agua: Es una ventaja ser capaz de ejecutar un MOSFET en el más alto de potencia posible, porque eso reduce el número de dispositivos, y por lo tanto el capacitancias, la complejidad y el costo. Esto requiere la mejor refrigeración posible. La refrigeración por agua debe permitir la ejecución de un MOSFET a una potencia mayor con refrigeración del disipador de calor y ventilador convencional. También eliminaría esencialmente ruido. Para su uso no intensivo, el calor podría simplemente ser dado de alta en un balde de agua sentado debajo de la mesa de operaciones! El único ruido sería que a partir de una bomba de agua pequeña. Clase E o tipo de amplificador F usando eliminación del sobre y la restauración: Este no sería el método más sencillo, pero que daría lugar a un amplificador de alta eficiencia, pequeño, ligero, silencioso, a un
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Reflexionessobrebajocoste,enestadoslido,amplificadoreslinealesdeclasekilovatioHF
eficientesDurantevariosaosheestadopensandoenmanerasdeconstruirunamplificadorlegallmitedeestadoslidoparaelusoderadioaficionados.Noesqueyoabsolutamentenecesitaruno!SoydueodeunamplificadordetipotuboviejaRadioNacionalNCL2000,quetodavafuncionamuybien.Perodeinterstcnicomegustaradesarrollarunamplificadordeestadoslido.Estenuevoamplificadordebeteneralmenosunaventajatcnicasobrelosamplificadorestradicionalescomunesllanurasimples:odebeserultrabajocostojuntoconunrendimientorespetable,opodraserextremadamentepequeoyligero,extremadamenteeficiente,ocualquierotracosaporelestilo.Debeserunainteresanteamplificador,noslounaherramientadefuerzabrutaparaconseguirunaltopoderdeRF.Ydebecumplirconalgunosrequisitosbsicos:Elcostodeberserlosuficientementebaja,entodocasoparaqueelproyectoquevalelapenadebeproporcionarsuficientecalidadespectraldenoserunamolestiaparaotrosjamones,ydebeoperaryaseaencompletosilencio,oconmuybajonivelderuido.EstoyhartodelasoplantezumbidofuertedelNCL2000!
Estoyescribiendoestapginaparatrespropsitos:Paraponerunpocodeordenyorganizacinenmisideasparapermitiraotrosaespiaramitrabajoytalvezobtenerunabuenaideaodosdeellaysobretodoparatratardeiniciarunadiscusininteligentesobreesteasunto.Acojocongransatisfaccinlascontribuciones!Esteartculocontienemuchossupuestosquehice,basadoenmiconocimientoincompletodelasmuchaspeculiaridadesdeMOSFETs,asquesiustedencuentraerroresy/ositienebuenasideas,porfavorhgamelosaber!Miemailes .Yoescribestoennoviembrede2010,asquesiquierespasaraleerloenalgnmomentodelsiglo22,meperdonoporestarfueradefecha.
Conceptosbsicosdediseo
Yoestabaconsiderandovariastotalmentediferentesideasbsicasparaconstruirunamplificador:
UnamplificadordeclaseABpushpullconvencional,cuyascaractersticasespecialesseencuentranbsicamenteenelusodeMOSFETsdealtatensinyoperardirectamentedelatensinderedrectificadayfiltrada.SiseutilizanMOSFETsrazonablementedebajocoste,estollevaraaunamplificadorcompacto,muyligero,debajocosto,quetieneunaeficacialigeramentemejorquelosqueutilizanfuentesdealimentacinqueconviertenlatensin.LosMOSFETspodranseralgoascomoelARF1505,otalvezalgntipodeconmutacinbajocostopresionadoenesteservicio.
AmplificadordetraccinconvencionaldeclaseABdeempuje,queoperadesdeunafuentedealimentacindeconmutacinquesemodulaparamantenerlatensindeslounpocoporencimadelatensindeRFproducida.Estoserarelativamentesimpleybarato,yofrecerarazonablementepequeotamaoybajopesojuntoconalgomejoreficienciaquelosamplificadoresdeclaseABestndar.LosdispositivosactivospodranserARF1500,IXZ210N50L,otalvezcomunesMOSFETsdeconmutacindebajocosteprensadasenserviciodeRFlineal.
Refrigeracinporagua:EsunaventajasercapazdeejecutarunMOSFETenelmsaltodepotenciaposible,porqueesoreduceelnmerodedispositivos,yporlotantoelcapacitancias,lacomplejidadyelcosto.Estorequierelamejorrefrigeracinposible.LarefrigeracinporaguadebepermitirlaejecucindeunMOSFETaunapotenciamayorconrefrigeracindeldisipadordecaloryventiladorconvencional.Tambineliminaraesencialmenteruido.Parasuusonointensivo,elcalorpodrasimplementeserdadodealtaenunbaldedeaguasentadodebajodelamesadeoperaciones!Elnicoruidoseraqueapartirdeunabombadeaguapequea.
ClaseEotipodeamplificadorFusandoeliminacindelsobreylarestauracin:Estenoseraelmtodomssencillo,peroquedaralugaraunamplificadordealtaeficiencia,pequeo,ligero,silencioso,aun
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costorazonable.LosMOSFETspodranserlostiposdeRFdeconmutacin,deloscualesIxystienealgunosagradables.Dehecho,meconstruunprototipoaescalareducida,perosemetienproblemas.Mssobreesovienemsabajoenestapgina.
Anchodepulsomoduladoamplificadordetipodeconmutacin.Estaesmiltimaideamascota.LafrecuenciadelpulsoeslafrecuenciadeRF,lainformacindefasesellevaraporlaposicindepulso,ylainformacindeamplitudporelanchodepulso.RequieremuyconmutacinrpidaMOSFETylosconductores,peropodradarlugaraunbajocosto,amplificadordealtaeficiencia.Esteconceptosepuedeutilizarunafuentedealimentacinnoreguladaquetienesolamentefiltradomediocre,sindesventajasignificativa.
Antesdecomenzarconelartculoprincipal,megustarallamarsuatencinhaciaunelementoprimero,queesamenudomalentendido:
ArquitecturasdesalidadeclaseconvencionalABamplificadorespushpull
Estatecnologaestmuybienestablecido,hastaelpuntodequemuchosdiseadoressimplementecopiandiseosestndaryoptimizarlosvaloresdeloscomponentes,envezdevenirconnuevasideas.Estollevaalacopiadeloserrores,ascomolasbuenasideas!Unodeestoserroreseslacomprensinyelusoincorrectodeltransformadortpicodesalidapushpull,eltipoqueseenrollasobreunncleodeferritadedosorificios,endostubosdeferrita,oendospilasdetoroidesdeferritacolocadosladoalado.Voyaexplicaresto,ymegustaraleersuscomentariosenesteasunto,siustedtienecualquiera!
EsteeselesquemabsicodelcircuitodesalidadeunamplificadorclaseABvaivntpico:
Nohayabsolutamentenadamaloenestecircuito.Funcionaas:Cuandonohayunidad,lostransistoresestnsesgadosalbordedelaconduccin,ylatensinenlastresterminalesdelprimariodeltransformadoresVcc.Cuandoseinicialaunidad,duranteunoQ1semicicloconduceunacorriente,mientrasqueQ2estapagado.LacorrientefluyedesdelafuentedealimentacinatravsdelamitadsuperiordeldevanadoprimarioyatravsdeQ1atierra.Estacorrientecomienzapequea,aumentahastaunpico,yobtienepequeadenuevo.Almismotiempo,elvoltajeeneldevanadodelterminalsuperiorprimariosetirahaciaabajodesdeelvalordeVcc.Debidoalacoplamientoentrelasvueltas,latensinenelterminalinferior,yporlotantosobrelafugadeQ2,vamsaltoqueVcc.Cuandoelamplificadorestsiendoimpulsadosloparaellmitedesucapacidadlineal,latensineneldrenajedeQ1alcanzarunvalormuycercanoacero(estoeslatensindesaturacinparaqueeltransistor),mientrasqueelvoltajeendrenajedeQ2vaasubirdesdeVccporlamismacantidadquededrenajedeQ1fueabajo,llegandoacasieldobledeVcc.Elvoltajeenelterminaldesalidaserproporcionalaqueeneldevanadoprimario,conlarelacindevoltajedadoporlarelacindevueltas.Lacorrientequefluyeeneldevanadosecundariodependerdeestevoltaje,yenlacargaconectada.LacorrienteenQ1dependerdeestacorrientesecundariayenlarelacindevueltas,mientrasQ2realizarningunacorriente.
Paraponernmerosatodoesto,supongamoselcasodeunamplificadorde100vatiosalimentadopor13.8V,comolosutilizadosenlostransceptoresHFtpicos.InclusosilamayoradeellosutilizantransistoresbipolaresenlugardeMOSFETs,elcircuitodesalidanoserdiferente.Larelacindevueltasenunamplificadortalserde1:4entrelosdevanadossecundariostodalaprimariay.Cuandoseoperaa100vatiosenunacargade50ohmiosderesistencia,enlaformadeondadepicodedrenajedeQ1estaren
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1.3VydrenajedeQ2sera26.3V.Estohace25Vatravsdelprimario.El1:Transformador4planteaestoa100V.Enunacargade50Ohm,estohaceunpicodecorrientesecundariade2A.Desdelamitadinferiordeldevanadoprimarionosepuederealizarningunacorriente,dadoqueQ2noestllevandoacabo,tododelacorrienteprimariatienequefluirenlamitadsuperior.Asquetenemosunarelacindevueltasde1:8all,loquesignificaquelacorrientemximaquecirculaporQ1ser16A.
Enelsiguienteciclomedio,porsupuesto,lasfuncionesdelosQ1yQ2inversa,perolamatemticasiguesiendoelmismo.
Enestascondiciones,lacarga50Ohmveunpicodetensinde100V,latensindepicoapicode200V,yunatensinRMSde70.71V,queproducepotenciadesalidade100Wenesacarga.Almismotiempo,lacorrienteDCconsumidadelafuentedealimentacineselpromediodelaformadeondasinusoidal(noelvalorRMS!),quees2veces/PIelvalordepico.Esoes10.186Aenestecaso,demodoquelapotenciadeentradaaesteamplificadores140.6W.Porlotantolaeficienciadeestaetapaes71%.
Siustedtienealgunaexperienciadetrabajoconlaradio,ustedsabrqueelmundorealamplificadoreslinealesdebandaanchadeestadoslidosoncasinuncataneficientescomoeste.Laeficienciaseafirmaamenudo,yaquesloel45%!Estonecesitaporlomenosdosexplicaciones:
Enprimerlugar,losclculosquehiceanteriormentenotieneencuentatodaslasprdidas.Lanicaderrotaqueconsidereselquepasaporserlasaturacindeltransistormuyporencimadecerovoltios.Peroenlaprcticahayprdidasadicionaleseneltransformador,circuitosderetroalimentacin,ytambinhayunpequeoperodistintodecerocorrientedepolarizacinquefluye,parahacereltrabajodelaetapaenlaclaseABenlugardepuraclaseB,quenoproporcionarasuficientelinealidad.Adems,elusuarioquierevera100vatiosenlaterminaldelaantenadelaradio,porloqueelamplificadortienequeentregarunospocosvatiosadicionalesparacubrirprdidasenelfiltrodepasobajoycircuitosdedeteccin.Portodasestasrazones,serarazonableparaconseguirlaeficienciasloel65%enlugardel71%,peromuchasimplementacionesprcticasestnmuypordebajodeestameta!Curiosamente,muchosdetipotubodeamplificadoreslinealestieneneficienciadealrededordel65%.Noesquelostubossonmejoresquelostransistores,niqueloscircuitossintonizadosdebeentregarunamejoreficienciaquelosdebandaancha.Lasrazonessonotros.
Partedeestadiscrepanciapuedeexplicarseporlashojasdedatosavecesindicandolaeficienciadeetapasdeamplificacinlinealbasadoenunasealdedostonos,nounsolotono,comosupusearriba.Unasealdedostonosdaunaformadeondaquepasamuchomstiempoenlosnivelesdetensininferiores,enlosqueunamayorproporcindeVccsedisipaenlostransistoresenlugardeseraplicadaaltransformadordesalida.Asqueesnormalquelaeficaciaendostonosesmuchomenorqueeldeunsolotonouno.Peroelproblemaesquemuchasetapasprcticasamplificadoresutilizadosenlasradiosactualesmuestranunamenorquelaeficiencianormal,inclusoenlaspruebasdeunsolotono!Laetapafinaldemiradiode100vatiosestableceentre14y17Aalentregar100W,dependiendodelabanda.Laradiocompletadibujahasta21A.Esaesunaeficienciadeunsolotonoparalafasefinalentreel52%yel43%!Esdemasiadobaja,encomparacinconlosvalorestericosparalaclaseBoamplificadoresAB,ytienequehaberunaraznparaello.
Estafoto,tomadadelManualARRL,muestralaformatpicadelostransformadoresdesalidaparaestosamplificadoresestnconstruidos.Laprimaria1asuvezesthechodetrozosdetubodemetalqueseinsertaenlosncleos,seunienunextremoporunpedazodePCBparaformarunavueltacompleta.Sehaceevidentedeinmediatoqueestedispositivonopuedeserrepresentadocorrectamentecomosemuestraenelesquemadearriba!Estedispositivopuedeserconsideradocomounsolotransformadorsolamentesinoseutilizala"tomacentral"(quenoesunaverdaderatomacentralenabsoluto!)delabobinaprimaria!Estoesporquetienedosindependientesncleosmagnticos.Elflujomagnticocreadoporcadaunodelostubosdemetalfluyesloeneltubodeferritaquelocubre,ynoensuvecino.Sinoseutilizala"tomacentral",losdostubosdemetalestnsiempreenserie,siempreverlamismacorriente,yporloquenoimportasieltransformadortieneunsoloncleo,odosncleos.Perosilostubosdemetalpuedentomardiferentescorrientes,comosucedecuandoseutilizael"tomacentral",acontinuacin,losdostubosdeferritapuedentenertotalmentediferenteflujoenellos,formandoefectivamentedostransformadores
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separados,consussecundariosconectadosenseriesinungrifoenlaconexin,ylasprimariasconectadasenserieconungrifo!
Cabesealarquelaprcticacomndeutilizarunniconcleodeferritaquetienedosagujerosnocambianadadeesto.Inclusosilaferritaesunsolotrozoenlugardedostrozosseparados,loscircuitosmagnticosalrededordelosdosagujerossontodavaindependiente.
Parahacerlomsclaro,estaeslaverdaderarepresentacinesquemticadeunamplificadorencontrafasedeusarestetransformadordesalida:
Desdeestedibujoseparecedemasiadoaunplatodefideos,podemosutilizarunequivalentesimplificadoensulugar:
Elhechoimportanteesquelosdosncleosestnseparados,yestotieneseriasimplicacionesenlaformaenqueelcircuitofunciona.
Repitiendoelmismoanlisisrealizadoparaelcircuitoenlafigura1,obtenemosunasorpresa:CuandoQ1estempezandoallevaracaboalcomienzodesusemiciclo,seesttirandobajoelladosuperiordelarrollamientoprimarioenT1a.EstohacequeunvoltajeapareceenT1adelsecundario,conelladonegativohaciaarriba.Estetratadehacerunflujodecorrienteenlacarga,yporlotantotambinenelsecundariodelT1b,yaquetodosellosestnenserie.PerodeT1bsecundarianopuedenconducirunacorrienteahora,porqueQ2estapagadoyloquenohaylugarlacorrienteprimariacorrespondientepodrair!Untransformadoridealnopuedetenerlacorrienteenuncambiodeenrollado,sinelcorrespondientecambioopuestoenelactualensuotroarrollamiento.YqueremosT1aserbastantecercadelideal,no?
Loqueocurreentoncesesquenofluyeningunacorrienteenlacarga,yelvoltajecompletodesarrolladoen
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elsecundariodeT1aapareceenelsecundariodelT1b,conelladopositivohaciaarriba.AsqueunvoltajemenorcorrespondienteapareceenprimariadeT1b,tambinconelladopositivohaciaarriba.Esosignificaque,Q1tirandosudrenajepordebajodeVcctambinbajarlatensinsobrelafugadelaQ2,porlamismacantidad!LatensineneldrenajedeQ2debeirhaciaarribaenestasituacin,sielcircuitopushpullfuncionabancorrectamente,peroensulugarsevahaciaabajo!Nohaysalidaapareceatravsdelacarga,perohayalgodetensinderedDCatravsdelasprimariasdelostransformadores,loquellevarpidamenteasusaturacin,y,probablemente,ladestruccindelostransistores.
Huelgadecirqueesteamplificadornofuncionaraenabsoluto,siloscomponenteseranperfectos.Perocuandointroducimoslasimperfeccionesqueafectanatodaslasimplementacionesprcticasdediseosagradablestericamenteperfecto,comienzaatrabajar!Porlomenosunaespeciede...
Unodetalesimperfeccinesquetodoslostransformadoresprcticostienenunacorrientedemagnetizacin,quepuedefluirenundevanadomientrasnoestcompensadaporunacorrienteopuestaenotrodevanado.Otraimperfeccinessimplementequeelacoplamientoentredevanadosdeltransformadornoesperfecto,asqueestotambinpermitequepequeasdesviacionesdelaregladebalanceactual.Entoncestenemoscapacitanciasenlostransistores,atravsdelcualunacorrientedeRFpuedefluirinclusosieltransistorseapaga.Losdiseadoresdecircuitosamenudoaadencantidadesgenerosasdecapacitanciaadicionalenparaleloconlostransistoresyconlosdevanadosdeltransformador!Porltimo,lostransformadorescarganconDCharnellossecomportancomotransformadoresflyback,lacreacindeunaltovoltajeenlosdesages,alfinaldecadasemiciclo,forzandounacorrientedeavalanchaatravsdelostransistores.Todasestascosashacenquetalescircuitostipodetrabajo,conunpocodepotenciadeRFapareceenlasalida,peroalpobreeficienciayconformasdeondahorribles.
Cuandoconstrumiprimeramplificadordebandaanchapushpull,alos14aos,todavanoentendaestosasuntos.Tengolaeficienciaapenas30%,muypobregananciayquemadovariostransistores.HeaadidodiodosZenerparadescargarlosimpulsosderetrocesodealtatensin,hastaquedecidiqueeldiseomeestabacopiandodeunlibrotenaungravedefecto.Nopudeencontraracaboluegoquefallaqueera.Iconstruidounamplificadordiferente,unafinadouno,yquetenamejorque60%deeficiencia,utilizandolosmismostransistores,ynuncafallenmsde30aosdesdequefueconstruido.
TengaencuentaquesilostransistoresestabansesgadosenlaclaseA,estecircuitofuncionarabien!EnlaclaseA,cadaunodelosdostransistoresrealizaraduranteelciclodeRFentero,sloenfaseopuesta.Cadaunodelosdostransformadoresveraunaondasinusoidalcompletaconuncomponentedecorrientecontinuasuperpuestasobresuladoprimario,yunaondasinusoidalpuraenelladosecundario.ElcomponenteDCesgeneralmenteirrelevanteentransformadoresdeRF,yaquenoesmsgrandequeelcomponentedeRFyRFdensidaddeflujotienequesermantenidomuybajodetodasformasparaevitarlaprdidaexcesivaenelncleo,porloquelabajadensidaddeflujoDCresultanteesmuylejosdecausandolasaturacin.As,elcircuitoconlosdosncleosdetransformadoresseparadosfuncionabienenlaclaseA,yalgunosdiseadoresdehechohandescubiertoquetienenquesesgarsusamplificadoresbienenlaclaseAparallegaratrabajar.ElsntomahabitualesgananciapsimoylaeficienciaenlaclaseB,conuncomportamientonormalenlaclaseA.cargadaalaclaseAB,losamplificadorestienenbuenagananciahastaelniveldepotenciacuandolaoperacinsemuevedelaclaseAensumayoraenlaclaseB,yalllagananciabruscamentecaeryproblemas,seiniciar.
Sieltransformadordesalidaestconstruidaenunsoloncleo,quetieneunbuclemagnticonico,comountoroide,porsupuesto,elcircuitonotendrnningnproblemaenclaseAByclaseBtambin.Ysieltransformadorestconstruidoapartirdedosncleosseparados,comoeldelafoto,perolabobinaprimariatienedosturnos,conunavueltacompletaencadaladodelatomacentral,entoncestodofuncionarbientambinenlaclaseABoclaseB!Sinembargo,muchosdiseadoresdecircuitos(odeberadecirmsbien"copiadorascircuito"?)Parecequelesencantaelestilodeconstruccinconvencionaldeestetransformador,ycopiarsindudarloniningunacomprensindesucomportamiento.
Notodoestperdido.Esposible,yenrealidadbastantehabitualenlasradiosdelmundoreal,parahacerunapequeaadicinaestecircuito,quevaaresolverelproblema:
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T2esunrelativamentepequeotoroidedeferrita,sobreelqueseenrollanunascuantasvueltasbifiliar.Estoestconectadocomounestranguladorcontomacentral,consusdosladosestandoacopladosmuyestrechamente,graciasalestilodebobinadobifiliar.Elamplificadorsealimentaatravsdeestedispositivo,enlugardeutilizarla"tomacentral"implementadoincorrectamentedeT1.T2seconsideraamenudoserslounestranguladordealimentacindeCCenlaliteratura,ymuchosautoresquenuncahantoughtsobreesteasuntoconsiderancompletamenteopcional,pero,dehecho,enuncircuitocomoestenoesopcionalentodos,ysuverdaderopapelesbastanteunpocomsinvolucrado!
Vamosaanalizarloquesucede:CuandoQ1conducealacimadesusemiciclo,tendr1.3Vensudrenaje,haciendo12.5VentreVccysudesage.Estocolocaa12,5VenunmediodeT2.Debidoalaestrechaconexin,quelasfuerzasde25VqueaparezcaatravsdetodalaT2,haciendodedrenajedeQ2irhasta26.3V.LasprimariasdeT1vernuntotalde25V,quesetransformaen100Venlasalida,ylacargade50ohmiostendrnunacorrientede2A.DadoqueambasprimariasdeT1estnllevandoacabo,tenemosunaverdadera1:4vueltasrelacin,porloquelacorrienteprimariaes8A.Estos8Aprovenirdelafuentedealimentacin,fluyaatravsdelamitadinferiordelT2,acontinuacin,atravsdelasprimariasdeT1ydesdeallatravsdeQ1atierra.DesdeT2seacoplahermticamente,lacorrienteatravsdesumitadinferiorescompensadaporotracorrienteigual,otro8A,quefluyedesdelafuentedealimentacinatravsdelamitadsuperiordeT2,tambinatravsdeQ1yatierra.
Asquetenemoslamismacorrienteylatensinenlostransistoresylafuentedealimentacincomoenelanlisisdelafigura1,ytambinlamismapotenciayeficiencia.ElnicoefectoprcticodeaadirT2esqueahorapodemosusarunT1construidocomoeltransformadorenlafoto,sinningnproblema!Enotraspalabras,T2simplementeproporcionalaverdaderatomacentralquenopuedeexistirenuntransformadorqueutilizadosncleosyslounavez,primaria!
EnestecircuitoesunabuenaideacolocaruncondensadordebloqueodeCCenserieconlasprimariasdelT1.Sitodofueraperfectamenteequilibrado,noseranecesarioqueelcondensador,perolascosassoncasinuncamuybienequilibrado.InclusounapequeaDCnetopodrasaturarT2,yaqueestearranqueenfroestporlogeneralterminconvariasvueltasenunpequeoncleo.
Laliteraturatcnicacontieneungrannmerodeejemplosdeesquemasquecontienenelerrordirigidaaqu.Autorescopienunosdeotros,sinllegaraconstruirelcircuitoyprobarlo.Asquenosedancuentadelerror.
Yahoraquehedejadosuficientevaporfuera,vamosairalaparteprincipaldeesteartculo!
MOSFETsdealtapotenciadelosamplificadoreslinealesdeclaseAB
SiqueremosconstruirunamplificadordealtapotenciaHF,laseleccindelostransistoresadecuadosnoesmuyamplia.AlgunosbromistassugierenutilizarelMRF154oMRF157.Encercade1.000dlareselpar,quesimplementenopuedeserunaopcinpopular.MuchaspersonasprefierenlosMRF150osimilaresqueridos,quesonmuchomspequeosyporigualalaantigua.Tpicamentesenecesitancuatroparesdeestos,comomnimo.Esohacequeparaunamplificadorcadavezmscomplejo.
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Perohayotrasopciones.MuyrecientementealgunosotrosfabricanteshansalidoconMOSFETdepotenciarelativamentealtosclasificadosparaservicioamplificadorlinealenlasfrecuenciasde30MHzymsall.LaserieARF1500,ylosdispositivosIxysRF,sonbuenosejemplos.EstostransistoressonmenoscostososquelosvenerablesybastanteantiguosdelosMotorola/Macom,peroanassucosteessignificativo.Unjamntpicaconstruccindeunamplificadorinevitablementepreocuparseporquemarunjuegoodosdelostransistores,antesdecurarcualquierenfermedadesinfantilesdesuproyectofavorito.Silostransistorescuestanunpocodedinero,esonoesproblema.Perosicadapequeanubedehumosedibujatecuesta2.000dlaresparaunquaddetransistoresMRF154,podrahacerpensardosveces,porlomenos,antesdeembarcarseenelproyecto!Notienemelopensdosveces,detodosmodos:Eseprecioesdemasiadoalto,ypunto!Nisiquieramereceunsegundopensamiento.
HepensadointensamentesobrelostransistoresIxysRF,comoelIXZ210N50L.Ellostienenunmontndecosasasufavor:Fuerondiseadosespecficamenteparasuusoamplificadorlineal.Suscapacidadesdeenergapermitiranhacerunamplificadorjurdicolmiteconbastantepocosdispositivos.Suformafsicaseprestabienalaconstruccinsimpleconreactanciasparsitasbajas.Ysucoste,deacuerdoconlospreciosanunciados,podrahabermsde300dlaresporunjuegocompletoqueproduceunasalidade1500W.Slotengodosproblemasconellos:Unaesqueseparecenbastantenico,demaneraquesiIxysRFdecidetirardeellos,nohabraningunamaneraenelmundoparaquecualquierapuedacopiarmidiseo,niparampararepararlo,silostransistoresnuncafallar.Ylaotraesqueestosdispositivosparecenserensumayoravaporware!Nohesidocapazdeencontrarcualquierdistribuidorqueenrealidadseracapazydispuestoavendermealgunos.Mepreguntosiestostransistoressonenrealidadenlaproduccin,osisonunaespeciedefantasma.
LosdispositivosARFvenpenatambin,peroellostambinnosonfcilesdeencontrar,ysonmscaros.TambinsuscaractersticasparecenserunpocomenosatractivosquelosIxys,porejemploquetienencapacidadesmsaltasparaunconjuntodadodecondiciones.
HepasadomuchotiempopensandoenelusodeMOSFETsdeconmutacindepotenciacomndecivilparaaltapotenciaelusodelamplificadorlineal.Estosestnampliamentedisponibles,enunsinnmerodecaractersticasyformasycoloresysabores,ysonmuybaratos.Nuevosymejoresaparecentodoeltiempo.MuchosjamoneshanutilizadoconxitopequeasMOSFETsdeconmutacincomoelIRF510paralaamplificacindeRFlineal.As,unopodratenerlatentacindeinvestigarlasdiferenciasentrelosMOSFETRFlineales,yMOSFETsdeconmutacin.
Lasdiferenciassondehechomuchos.Algunosdeellosestnrelacionadosconelfactor"RF",yotrosestnrelacionadosconelfactor"lineal".Veamos:
MOSFETsdeconmutacinestnoptimizadosparatenerlamenorresistenciaposiblealencendido,ylamsaltaposiblecuandounofuera.Ydebenirdeapagadoaencendido,ylaespalda,lomsrpidamenteposible.Esoestodoloquehayquehacer.RFMOSFETlinealenlugarnoesnecesariotenermuybajoenlaresistencia,porquevanaoperarensurangolineal,noenlasaturacinyunamenorresistenciaONseranslomarginalmenteaumentarsueficiencia.Ensulugar,necesitatenerlosmsbajosposiblesabsolutamentecapacidadesinternas,debidoaqueestossonsiempredemasiadoaltaenMOSFETsycausanmuchosproblemascuandoseoperaaRF.AsMOSFETsdeconmutacintendrnunaestructuradelapuertadensa,mientrasquelosMOSFETRFtendrnunamsabierta.
MOSFETRFnonecesitancambiarrpidamente,ynoeshastadeseableparaquelohagan!Esmejorquesercapazdecontrolarlentaysuavementelacorriente.PoresaraznMOSFETRFtienentransconductanciamuchomsbajosquelosdeconmutacin.Esteesunefectosecundariodeladensidaddepuertadeabajotambin,asquevamanoamanoconcapacidadesinferiores.
SeencuentraenlanaturalezadelosMOSFETdequesuresistenciaSOBREtieneuncoeficientedetemperaturapositivo.SidosMOSFETestnenparalelo,yunopasaatenerlacorrientemsqueelotro,serelevarsuresistenciaycompensareseefecto.EstohadadolugaralafamaqueMOSFETspuedenconectarenparalelosinningndispositivodeintercambioactuales.Porlamismarazn,lacorrientetiendeadistribuirdemanerauniformesobrelasuperficiedeunchipdeMOSFET.Algunaspersonasseolvidan,sinembargo,queestemecanismodedistribucinactualslofuncionamientraselMOSFETestenestadoON,esdecir,enlasaturacin!Nofuncionamientrasqueeltransistorestensurangolineal,yaseaporqueest
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enelmediodeunprocesodecambio,oporqueseutilizaenelservicioamplificadorlineal.CambiodeMOSFETscolocadosenparaleloestngeneralmenteequipadosconresistenciasenserieindependientesasuspuertas,loqueaseguraelintercambioadecuadodelacargadeconmutacin.Peroenserviciolinealestonofuncionabastantebien.
MientrasqueunMOSFETestensurangolineal,suresistenciaON(elquetieneelcmodocoeficientedetemperaturapositivo)esirrelevante.Enlugardelacorrienteescontroladaportransconductanciadeldispositivo.Y,pordesgracia,enmuchosMOSFETslavariacindelatemperaturadelatransconductanciajuegaencontradenosotros,enlamayorpartedelagamaactualdeldispositivo,yporlogeneralsobrelatotalidaddelagamaenlaquecadavezseutilizarduranteelserviciolineal!EnlaprcticaestonoslosignificaquelosMOSFETdeconmutacinenparalelo,mientrasqueenserviciolinealtendrproblemasderepartodecargaseveras,sinotambinqueunsoloMOSFETdeconmutacincorrerenserviciolinealpuedetenerproblemasdeintercambiodecargaatravsdesusuperficie,loquellevaahotspottingydestruccin!
Porestarazn,MOSFETsdiseadosparaelserviciolineal(independientementedesisetratadelaCC,audiooRF)necesitatenerunaconstruccinlastradointernamente.Esoquieredecir,debehabersuficienteresistenciaincorporada,distribuidoatravsdelasuperficiedeldispositivo,pararepartiruniformementeelactual.
DesafortunadamenteMOSFETsdeserviciolinealtienenunmercadomuypequeo,encomparacinaladelosMOSFETsdeconmutacin.Comoconsecuencia,haypocosMOSFETslinealesdisponibles,ysonmuchomscarosquesusprimosdeconmutacin.
Otradiferenciaestenlaencapsulacin.MOSFETRFvienenenpaquetesquetienenmuybajainductanciaplomo,especialmenteparalosconductoresdeorigen.MOSFETsnormalesdeconmutacindepotenciaenvezvienenenpaquetesconvencionalesdefriccin,quetieneninductanciasmuchomsaltas.TambinconMOSFETsdeRFescasiunaregladequeeldispositivoobientieneaislamientointernodelasuperficiedemontajedeldisipadordecalor,otienelafuenteconectadaalasuperficiedemontaje,mientrasqueconMOSFETsdeconmutacinqueesmsbienunaexcepcin,conlaconfiguracinusualesladedrenajeconectadoalasuperficiedemontaje.PeroaislamientointernoesmuytilenaplicacionesdeRF,casiesencialenalgunoscasos.
As,puedenMOSFETsdetipodeconmutacinpuedenutilizarenRFamplificadoreslineales?Omsbien,tienesentidoconsiderarinclusousarlos?
Respuestasimple:UnMRF154cuesta450dlares.UnMOSFETdeconmutacinquetienenlamismacapacidaddedisipacindeenerga,conunamejortensinycorriente,cuesta15dlares.Tienequehaberunamaneradehacerquefuncione,nocrees?
Echemosunvistazoaalgunasdelasespecificacionesbsicasparaalgunostransistores.Enprimerlugar,megustaracompararelMOSFETRFMRF157linealoelMOSFETdeconmutacinIXFX180N25T.ElegelMRF157simplementeporqueesbiensabidoydisponible,yelotroqueyoelegsinmuchopensamientoocualquierseleccin,buscandounoquetendraaproximadamentelamismadisipacindeenergaytienenunconjuntoequilibradodeotrascaractersticas.
MRF157 IXFX180N25T
Vmax 125V 250VImax 60A 160APmax 1350W 1390WRDSon 75miliohmios 12.9miliohmioTransconductancia 24S 160SCin 1800pF 2050pFCout 750pF 158pFCreverse 75pF 28pF
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Caso cermica/stripline plstico/clientespotencialesAislamiento No(fuentealalengeta) No(drenajealalengeta)Costo US$400 US$15
EstatablahacequelostransistoresdeconmutacincomoesteIxysmuy,muyatractivo!Nocrees?Enesencia,lamismacapacidaddedisipacindeenerga,puedetrabajaraldobledelatensin,casitresveceselactual,tienecasiseisvecesmejorsobrelaresistencia,msdeseisvecessuperiortransconductancia(ganancia),sloligeramentesuperiorcapacidaddeentrada(queestlejossobrepasabanporlatransconductanciamayorquerequiereunatensindeaccionamientoinferior),desalidaydetransferenciainversacapacidadesmuchomsbajos,yquecuesta27vecesmenosdinero!Porestasgrandesventajassepodraaceptarelmenosdecarcasaptima,verdad?
Perotenemosquemirarmsprofundoquesloestasespecificacionesbsicas.Enprimerlugar,elproblemaconelcaso.UntransistorRFcomoelMRF157puedeseratornilladodirectamentealdisipadordecalor,ylasconexionesespresentadaatirasanchas.Esodalugaraslounosnanohenriosdeltotalinductanciaparsita.Eltransistordeconmutacinlugarseencuentraenunplsticoconducepaquetequetiene,queseconectaninternamenteenelchipdesiliciomedianteprobablementeslounospocoscablesdeunin.Lainductanciaparsitapodrafcilmenteser10vecesmayorqueparaelcasotransistorRF.Siejecutamoseltransistordeunsuministrode80V,entonceslavoluntaddecorrientedepicoentorno50A.Sinostocaconseguir13nHenelplomodeorigen,segnlosugeridoporalgunashojasdedatos,acontinuacin,enlabandade10metrosobtenemosunareactanciainductivadealrededorde2,4Ohm.Asqueelplomofuentecausarunacadadetensindepico120V!Claramente,estonopuedefuncionarenabsoluto!Aunqueslosea3NHdeinductanciaparsitaalacabezafuenteanserademasiado!ElMRF157vez,usandosusuperficiedemontajecomoconexindeorigen,probablementetieneunainductanciafuentedemenosde1nH,porloquenotienedemasiadomalosproblemasenestarea,siempreycuandoeltrazadodelcircuitoydelaconstruccinqueesbueno.
Tambin,busquequeestetransistordeconmutacintieneeldrenajeconectadoaldisipadordecalor.Amenosqueutiliceuncircuitocomplicarbastanteparacolocareldesageaniveldelsuelo,ustednecesitarundisipadordecalorelctricamenteflotante,queesproblemticoenRF,osinecesitaaislareltransistordeldisipadordecalor.Silohace,laresistenciatrmicaadicionallimitarestetransistoraunadisipacindepotenciamuchomenorqueelMRF157puedetrabajar.
As,elpaqueteplsticoplomadotontaparecesereltalndeAquilesdeestaotramaneraagradabletransistor!
Peronoslo.Tenemosquemiraralasotrasespecificaciones,yluegoaveriguaralgunascosas.Primerounabuenanoticia:Segnlahojadedatos,transconductanciadeestetransistordeconmutacindisminuyeconlatemperatura.Esoestbien,porquedebehacerestetransistorfuncioneenmodolinealsinhotspotting!
Perohabraquerealmentefuncionanbien?Sutransconductanciaesmuyalta.UstedtendraquemenosdelamitaddeunvoltiodeRFenlapuertadeconducirtotalmenteestetransistor.Endichagananciaalta,esprobablequelalinealidadserbastantepobre.Esosignificaquelasalpicadurapesadadetodoelgrupoymsall!Podraserposibleparalinealizarelamplificadorlosuficientementebienmedianteelusodelaretroalimentacinnegativa,peroprobablementenoestanfcilcomoloescontransistoresdiseadosparaelserviciolineal.Ymantenersuficientelaconstantecorrientedereposo,cuandolatransconductanciaestanalto,esotroproblemaporsucuenta!
Otrossurgendudassobreeltiempodepropagacinalolargodelaestructuradelapuerta.MOSFETsquenofuerondiseadosparaelusodeRFpodransimplementeserdemasiadolentoenestesentido.AsqueunodelosextremosdelchipMOSFETyapodraestarterminandolaconduccin,mientrasqueelotroextremosetrataslodeponerloenmarcha!Eltransistorvaatrabajarfueradesintonaconsigomismosiesosucede.Talvezestonosucede,perocuandonoseespecificauntransistorparaeltipodeserviciodeunoselopusoen,unoslopuedeadivinar,esperanza,tratardever!
Detodosmodos,conlosproblemasdelacajadeplsticoconplomo,utilizandoestetransistordealtapotenciadeRFesunacausaperdida,porloquenonecesitamossiquieraprobarlo.
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SignificaestoquenopodemosusartransistoresdeconmutacinenabsolutoparaRFamplificadoreslineales?Bueno,nonecesariamente!Dosideasvienenalamente,quepuedealiviarelproblemadelaexcesivainductanciaplomo.
Enprimerlugarestutilizandolamsaltatensindealimentacinposible,juntoconMOSFETsdealtatensin.Estoreducirlacorriente,yporlotantolacadadetensinenlainductanciadeplomofuente,quesefijaesencialmenteparauntipodadodeencapsulacin.LaotratcnicaeselusodemuchaspequeasMOSFETenlugardeunpardelosgrandes.Loscasosmspequeostieneninductanciasinferioresymsdispositivosenparalelotieneninductanciatotalcombinadomuchomenor!Tambinesteparalelodemuchosdispositivosfacilitalagestintrmica.Esmuchomsfcilparaenfriaradecuadamentemuchospequeosdispositivosquedisipanunapequeacantidaddepotenciacadauno,derefrigeracinslodosdispositivosunpocomsgrandesqueproducentantocalorcomoelrangodecocina!
Porotrolado,enparaleloconMOSFETsintroduceproblemasdecomparticindecarga,ylaalineacindefaseentreellos.Nomegustaparticularmentedeutilizar32pequeosMOSFETsen16mdulosamplificadorespushpullseparados,yluegointerconectarlosmediantedivisores,combinadores,yunRATSNESTdecablescoaxialesdelongitudesemparejados.Funciona,peronoeselegante,ydemasiadocaro.Enlugardeesoestoybuscandounamaneradeconstruirunasolaetapapushpull,conmuchospequeosMOSFETsdecadalado,quetodavafuncionabastantebien.PodraserporparaleloalosdesagesyelusodetransformadoresdeferritacargadopequeasseparadasparaelaccionamientodepuertadecadaMOSFET,conlasprimariasdetodosellosimpulsadosenparalelootalvezenserie.Elconjuntotendraquesercompacto,sinembargo,paraevitarproblemasdefaseexcesivas,yquevaencontradeladifusindecalorfcil.
EchemosunvistazoaalgunosMOSFETsmsdeconmutacinenA247casos,valoradosen1kV,paravercmoseveelescenarioparalosamplificadoresdealtatensinconmuchosMOSFETs.Melimitaraelegirunospocosdispositivosdisponiblesmsomenosalazar:
APT7F100B STW11NK100Z IXFH12N100F
Vmax 1000V 1000V 1000VImax 7A 8.3A 12APmax 290W 230W 300WRDSon 2000miliohmio 1100miliohmio 1050miliohmioTransconductancia 7.5S 9S 12SCin 1800pF 3500pF 2700pFCout 158pF 270pF 305pFCreverse 25pF 60pF 93pF
Caso plstico/clientespotencialesplstico/clientespotenciales
plstico/clientespotenciales
Aislamiento No(drenajealalengeta)No(drenajealalengeta)
No(drenajealalengeta)
Costo US$9 US$6 US$8
Laideaesejecutardichostransistoresdelaredelctricarectificadosyfiltrados,aunatensincontinuade310Vomenos.Encondicionesdelmundorealestosdispositivosdebensercapacesdedisipar100a150vatios,demodoqueenunamplificadordeclaseABcadaunodeellosseejecuteaunacorrientedepicodeaproximadamente2A,promediodealrededorde0.7A.BajoestascondicioneselplomoinductanciafuentedeunencapsuladoTO247hacequesloalrededorde5Vdecadadevoltajepicoenlabandade10metros,quepuedesermanejadoporelcircuitodeaccionamiento.LaresistenciaONesbueno,ypodracausarunaprdidamnimaenestascondiciones.
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Peroestoesacercadedndeterminalabelleza:Bastaconmiraralascapacidades!Inclusoteniendoelmejordelostresenestesentido,todavaconseguimos25pFdecapacitanciatransferenciainversa.Enunamplificadorlmitelegal,necesitaramosalrededordeseisdeestosdispositivosenparaleloencadalado.Esohace150pFdelacapacitanciadetransferenciainversaencadalado.Conunswingde600Venlosdesages,yestacapacidad,elefectoMilleresunespectculoasesino!Estamoshablandodeunosseisamperiosdelafasede90gradosnodeseadodesplazadocorrientederealimentacindeentrarenlaspuertasatravsdelacapacidaddetransferenciainversa!Inclusosihacemosuncircuitodeaccionamientoadaptadoparamanejaresto,esprobablequelasestructurasdelapuertaylasconexionesquenolevaagustarmucho.Ylascapacidadesdeproduccinsontanaltosqueacabaramosconcercade40omsamperiosdereactivoRFcorrientequecirculaporellos!Nohayformaenelmundoparamanejarestoenuncircuitodebandaancha.SerequerirauncircuitotanquesintonizadoconunfactorQporencimade8oas,aligualqueenlosamplificadoresbasadosentubos.
Esevidentequeestonovaafuncionar.
NotacmocapacitanciamsaltasvandelamanoconunamenorresistenciaONysuperiortransconductancia.Estoestpico.ParaelusodeRFdebemosmirarMOSFETstienenlascapacidadesmsbajasposibles,transconductancia,yporlotantoelmsaltoenlasresistenciasdesuclase.Paralasaplicacionesdebajafrecuenciadeconmutacinenlugarcabranormalmentemirarsobretodoaconseguirelmsbajoenlaresistencia.
VamosacompararaunMOSFETRFdealtatensin:
ARF1505 IXFB30N120PVmax 1200V 1200VImax 25A 30APmax 1500W 1250WRDSon 920miliohmio 350miliohmioTransconductancia 10S 22SCin 5400pF 22500pFCout 300pF 950pFCreverse 125pF 28pFCaso cermica/stripline plstico/clientespotencialesAislamiento S No(drenajealalengeta)Costo US$270 US$35
Comopuedever,laprincipaldiferenciaestmarcadaporcapacidadesinferioresdeentradaysalida,msaltoenlaresistenciaymenortransconductancia,todoestoindicaunaestructuradelapuertamsligeroeneltransistordeRF.Elmuchomsaltodecapacidaddetransferenciainversaesunaanomala.Mepreguntosiestosvaloressimplementesurgierondediferentemetodologadepruebautilizadaparaestosdostransistores,haciendoqueeltransistorIXparamostrarcapacitanciatransferenciainversamenosacambiodemuyaltacapacidaddeentrada.
Y,porsupuesto,laotradiferenciamuyimportanteeslaencapsulacin.Eltransistordeconmutacinvieneenunacajadeplsticoconplomosinaislamiento,mientrasqueeltransistorRFvieneenunacajadecermicaaisladoconterminalesdelneadecinta.Sielcasoesdeplsticoocermicanoesunadiferenciatandramtica,peroelaislamientointernoylosterminalesdelneadecintatantohacenunagrandiferencia.Entrminosprcticos,laARFpodrasercapazdedisipar700o800vatiosenlascondicionesdelmundoreal,mientrasqueelIXWilselimitara150vatiostalvezdespusdeaadirelaislamientorequerido!YlosterminalesdelneadecintabajainductanciapermitirqueeltransistordeRFparatenerunacadadetensinbajaaaltacorrientedeRFqueesmuchomejorqueloqueeltransistordeconmutacinjamspodralograr.
ParececlaroqueparalosamplificadoresdeRFdebemosusartransistoreshechosdeesaaplicacin,yno
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presionelostransistoresdeconmutacineneseservicio.ElproblemaesquelostransistoresdeRFsonmuchomscarosyconfrecuenciadifcildeconseguir.Cuandolepreguntaundistribuidoruntantooscuroparaunacita,lepreguntcuntosmilesdetransistoresMegustaracomprarpormes.Cuandoledijequenecesitabasloalgunosdeellos,slounavez,nuncaotravezrespondi.Lostransistoresdeconmutacinencambiosepuedenpedirdesdemuchoslugares,sinproblemas,inclusoenpequeascantidades.
Tegustanmistablasdecomparacin?Vamosaverunams,lacomparacindetresgeneracionesdeMOSFETdepotenciadeRF.UnodeMotorolaquedatadeladcadade1970,unomuchomsnuevadeAPT(ahoraMicrosemi),ylaanmsnuevadeIxysRF:
MRF154 ARF1500 IXZ210N50LVmax 125V 500V 500VImax 60A 60A 10APmax 1350W 1500W 470WRDSon 75miliohmios 187miliohmio 1000miliohmioTransconductancia 24S 13.5S 3.8SCin 1800pF 3920pF 622pFCout 750pF 350pF 77pFCreverse 75pF 100pF 12pFCaso cermica/stripline cermica/stripline plstico/striplineAislamiento No(fuentealalengeta) S SCosto US$400 US$250 US$35
ElMRFdebeencendersedesdeaproximadamente50V,mientrasqueelIRAsepuedeejecutardesdecualquiercosaentre50yaproximadamente120V,quetienemrgenesdetoleranciadeancho.ElIxysesmuchomenoralrededordetresocuatrodeellosharaunadelaARFoMRF,peroconmejorescalificacionesdecapacitancia,menorprecioymejordifusindecalorymayorcomplejidad,pordesgracia.
Encuantoalprecio,claramenteelviejoMRFesdemasiadocaroparaserdignodeconsideracin.ElARFesmejor,perosiguesiendocaro.ElprecioestablecidoparalasIxysesunpocodeodas,yaqueeldistribuidorqueindicaqueelprecioestagotadoynopuedesuministrarellos,perosiescierto,cuatrodeestostransistoresIxysseraunaalternativaatractivaaunodelosotros.
NoestoyaltantodelosMOSFETsdeotrosfabricantesqueserarealmenteinteresanteparalosamplificadoresdeclasekilovatios.LoshevistoporSTylosfabricantesjaponesestiendenaser50Vdispositivosdeuntamaoquerequierelacombinacindevarios,yenunrangodeprecios(porpoder)comoelMRF.ExistendispositivosMRFmspequeosquecompitendirectamentecontraellos,comoelMRF150ubiquituous,perotodosterminanproduciendoamplificadorescomplicar,voluminosos,pesadosycaros.
Unapreguntabsicaesloquelatensindealimentacinautilizar.Laantiguatradicindeladcadade1970,alparecerestablecidoporMotorola,es50V.Esorequiereunafuentedealimentacincapazdesuministrar60A,yresultaenunaresistenciadrenajealafugadecargadesloel3Ohm,contodoslosproblemasresultantes.MOSFETsmsnuevosestndiseadosparatrabajardesde50Vhasta,atravsde80V,100V,yavecesms,hastallegaraalrededorde300V.Engeneral,estosimplificalafuentedealimentacinylaadaptacindeimpedancia,siempreycuandolacapacitanciadesalidanoseinterponeenelcamino.Lashojasdedatos,notasdeaplicacin,yloscomentariosdepersonasquehanintentado,sugierenquealtastensionesdesuministrosonunproblemasielamplificadortienequetrabajarenelmodolineal.Esmuydifcilconseguirinformacinfiable,inteligenteacercadeestosproblemas.ParecequeMOSFETsmodernosestnmuybienpara80Vomenos,talvez100V,peronomuchomsalto,enelserviciodeRFlineal.Estoyasetraduceenmuchomscmodaimpedancias,perotodavarequierenuna
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fuentedealimentacindeplenoderecho,yaseausandoungrande,pesado,transformadorcaro,oelusodecomponentesdeconmutacinenlugardealtapotencia.Unamplificadorlinealalimentadodirectamentedesdelaredelctricarectificadosyfiltradospareceserunobjetivodifcildealcanzar.Lospasesqueutilizan117Vlneaselctricastienenmuchomsposibilidadesenestesentidoquelosqueutilizan230V,inclusosilaalimentacindeunamplificadordelmitelegaldeunalneade117Vplanteaalgunosproblemaspropios.EjecucindeunamplificadorbasadoenunpardeARF1505rectadesde310VDCpodraserproblemticoenmuchosaspectos,slounodelosproblemasquelacapacitanciadesalidade300pF,queen30MHztieneunareactanciacasi4vecesmenorquelaresistenciadecarga.Esoseradifciloimposibledemanejarconuncircuitodebandaanchareal,requiriendolugaralgntipodecircuitodebandadeconmutacinderesonancia.
Esoesunamplificadorounaestufa?
Porqusonjamonessiguedispuestoausaramplificadoresdepotenciaquetienenunaeficienciainferioral50%?Losorganismosderadiodifusinhacemuchohandejadodeusarlos!Untransmisorderadiodifusinquenotengaalmenosun80%deeficiencianotieneposibilidadesdemercadoms,ymuchosexceda90%deeficiencia.Laenergaessimplementedemasiadocaroparadesperdiciarloencalor,mientrasquelaproduccindeunasealdeRF!Eshoradequelosjamonesseguiranestatendencia.Debemosserlderesentecnologaderadio,noadoptantestardos,ymuchodetractoressolos!
Unamplificadordealtaeficienciatendramuchasventajas:Mspequeo,msligero,posiblementemsbarato,menorconsumodeenerga,yalavidatildeloscomponentesylafiabilidad,menoroningnruidodelventilador,entreotros.Ysielamplificadorutilizaunesquemadeconmutacinenlugardeamplificacinlinealconvencional,cambiandoMOSFETtipoRFsepuedenutilizar,quesonmsabundantesymenoscostososquelostiposlineales,mientrasque,almismotiempotodaslaspreocupacionesacercadeIMDylalinealidadmudofueradelbloqueamplificadoradecuado,yenelcircuitodecontrol,quefuncionaabajapotenciayasesmuchomsfcildemanejar.
SoymuyaficionadoalaideadehacerunamplificadorlegallmitemuyeficienteparalasbandasdeHF.Porsupuestoqueesunpocomsdifcilhacerunamplificadorlineal1,830MHzdebandaanchaparaSSBenlatecnologadeconmutacin,deloqueeshaceruntransmisordeconmutacinAMporlabandaderadiodifusin0,51,6MHz,oinclusoparalasbandasderadiodifusindeondacorta.Ambosrequierenlinealidaddeamplitud,peroademselamplificadorSSBrequierelinealidaddefase,ylafrecuenciaesmsalta.
Lamodulacindelafuentedealimentacin
Unamanerarelativamentesimpledemejorarlaeficienciadeunamplificadoresparamodularlafuentedealimentacindemodoqueelamplificadorrecibeslolosuficientetensinparaelniveldepotenciasetienequeproducirencualquierinstantedado.UnbuenamplificadordeclaseABescapazdeproducirlaeficienciaalrededordel65%aplenapotencia,peroestasedesintegratodoelcaminoacero,yaqueelniveldeenergasereduce!Porlotanto,unamplificadordeclaseABbsicoconvencionaltendrunaeficienciaglobaldetalvezentre20y45%,dependiendodeltipodemodulacin,niveldecompresin,yassucesivamente.Sicontrolamoslatensindealimentacin,elamplificadorpuedefuncionaral100%desupotenciadesalidaposible(enlatensindealimentacindeterminada)todoeltiempo!Esopermitiraconseguirunaeficienciaglobaldel65%,elahorrodecercadelamitaddelcalorproducido.
Paraello,lonicoquesenecesitaesparaalimentarelamplificadordeunafuentedealimentacindeconmutacinquepuedeaceptarlosuficientementerpidomodulacin,yunotienequeproporcionaralgntipodedetectorqueproducelasealdemodulacin.
Lafuentedealimentacindebetenerundeterminadoconjuntomnimodetensin,porqueMOSFETsaumentarconsiderablementesuscapacidadescuandolatensinseponemuybaja,yqueperjudicaraseriamentelalinealidad.Peroanas,unamplificadordeclaseABquetieneunafuentedealimentacinde
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conmutacinpodramejorarseamuybajocostoadicional,mediantelaadicindeestamodulacintensindealimentacin.Lamejoraenlaeficiencianoeslosuficientementedramticaparaacabarcondisipadoresdecaloryventiladores,peroessuficienteparajustificarlapequeacomplejidadadicional.Elahorroenlascalificacionesdetransistoresyheatsinkingprobablementepaganporloscircuitosadicionales,conunpocodeexcedenteylosahorrosdeenergasernunfreeby.
Sobrelaeliminacinyrestauracin
Esposibledividirlasealdeconduccinenloscomponentesdefaseydeamplitud,amplificarcadaunoporseparado,yrecombinarellosenlasalida.Enlaprcticaestosevecomoponerundetectordeamplitudenlaentradayelusodesusalidaparamodularlafuentedealimentacin,mientrasquealmismotiempocuadrandolasealdeunidadyloutilizanparaconducirunaaltaeficiencia,laconmutacinamplificadortipo,porlogeneralenlaclaseEoclaseFparalograrunaeficienciamsalldel90%.Laamplituddesalidadeesteamplificadorsesiguelatensindealimentacin,ylafaseserladelasealdeconduccin.Recibimosamplificacinlinealconunaeficienciaglobal(conectorderedalconectorRFOUT)decercadel80%.Casiparecedemasiadobuenoparaserverdadydehechohayseriosproblemasenesteenfoque!
UnproblemaesquelatrayectoriadelasealRFatravsdelamplificador,yelcaminoatravsdelamodulacindelafuentedealimentacindeconmutacin,tpicamentetienenmuydiferentestiemposderetardo.Peroenlasalidaquenecesitanparallegaralmismotiempo!Porlotanto,senecesitaunpocoderetrasodelasealdeRF.
PeoraneselproblemacausadoporlascapacitanciasdentrodelosMOSFETs.Ellossonbastantegrandes,ycambiandrsticamentecuandolatensindealimentacinestbajo.Enlugaresbajosdeamplituddelaformadeondadelatensindealimentacinseponemuybajaylascapacidadespuedeobtenerdiezvecesmsaltaqueenlosvoltajesnormales.Estonoslofueradesintonaalareddesalida,sinoquetambindestruyetotalmentelarespuestadefase!Anivelesbajosdeamplitud,elpasodecablesdesealunidadobtienemayorquelasealamplificadaylasealdeunidadtienefaseopuesta!Estoesademsdelamodulacindefasecausadodirectamenteporlascapacitanciascambiantes.
En2006construunmodeloapequeaescaladeunamplificadortal.Creomsenelexperimentoprcticoqueenelanlisismatemtico,especialmenteporquesoymshbilconelsoldadoryelosciloscopio,luegoconlasmatemticasavanzadasyMathCAD.Losresultadosqueobtuvefueronbellamentealtaeficiencia,utilizandoMOSFETsdeconmutacincomunesen80y40metros,perolalinealidadenlatransmisindevozenSSBerapobre.LosproductosdetercerosparaIMDbajaronapenas18dB,yqueeraelmejorqueherecibido.Eseniveldelasalpicaduraesidealparajamonesquequierenhacerenemigosinstantneosencualquierbandaseimaginanacontaminar.
UnaformadereduciresteproblemaesejecutarelamplificadorenmododeEERsloparalosnivelesdeamplitudmsaltos.Paralaspartesdeamplitudmsbajosdelaseal,latensindealimentacinsefijaaunvalorfijo,losuficientementealtaparaevitarlapeorfaseefectoscambiantes,yelsesgoenelamplificadordeclaseAB.SauloQuaggio,PY2KO,construyunamplificadordeestetipoylopublic(QEX,julio/agostode2006).Perolutiliztubos,evitandolascambiantescapacidadesdeMOSFETs!Aunas,loperasuamplificadorenclaseABennivelesbajos,ylaclaseFconEERsloenlosnivelesmsaltos.
ElusodeMOSFETs,deberaserposibleejecutarunamplificadortalenelmododealtaeficienciaEERpuro,mediantelamodulacintantodelaetapafinaly,almenos,elconductoralamisma,paraevitardealimentacindepasodealimentacindelaunidad,yluegousandopredistorsinconfigurableyprogramabledelafasedeinformacin,msprobableesqueelusodeprocesamientodesealdigital.Peroesteenfoqueesdemasiadocomplejoparautilizarenunamplificadorsimple,debajocosto,homebrewradioaficinlineal,ydetodosmodosseadaptamejorauntransmisorautnomoqueaunaddonamplificador.
Enestemomento,noveocmollegaraunabuenaimplementacindeEERdeunamplificadorlinealderadioaficionado,dondelapalabra"bueno"essinnimode"simple,debajocosto,conunrendimientoadecuado".
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Anchodepulsomodulacin
Asquehecambiadomiaproachaunamplificadoreficiente:Miconceptoahoragiraentornoalamodulacindeanchodepulso.PeronoenlaformaamplificadoresPWMaudiosehacen,queutilizanunasealportadoradealtafrecuenciasobrelaqueelaudioeslaanchuradelimpulsomodulada,yentoncesunsimplefiltrodepasobajoenlasalidaquepasaelaudioperorechazalaportadora.Conaudiosepuedehacereso,porqueMOSFETpuedencambiarmuyfcilmenteenlasfrecuenciasnosuperioresa1MHzrequeridosporesteenfoque.ConunamplificadordeHFencambio,losMOSFETstendranquecambiardemaneraeficiente,almenosenlagamaaltadeVHF,yesoesmuchopedir.AsquemiconceptotienelugarlosMOSFETscambiaralafrecuenciadetransmisinreal.ParaqueestofuncioneenSSB,tienequeserhechopreservarlamodulacindefasequeestpresenteenlasealdeaccionamiento,ysinintroducirningunamodulacindefaseadicional.
Esteeseldiagramadebloquesdelamplificadorquetengoenmente:
Lasealdeentradasepasaatravsdeunlimitadorquegeneraesencialmenteunaondacuadradaquetienelamismafasequelaentrada(exceptoporelretrasoenelcircuito).Estoasuvezsehacepasaratravsdeunintegradorsimple,queproduceunaondatriangularquetienesuspicosenloscrucesporcerodelaondacuadrada.Esoimplicaundesfasede90grados,peroesonoesunproblema,porqueelretrasoesconstante.
Estaondatriangulardeamplitudfija,quesiguelamodulacindefasedelasealdeaccionamiento,secomparaconunasealdeerror,obtenidaapartirdelacomparacindelaamplituddesalidaalaamplituddeentrada.AlosresultadosdelasealPWM,laslongitudesdepulsoseajustaparaobtenerlaamplitudcorrectaenlasalida,mientrasquelaposicindelpulsosiguesloloscambiosdefasedelasealdeaccionamiento.Enunaimplementacinprctica,elcomparadorprobablequetengaqueproducirdossealesdesalida,paraconduciralosdosladosdeunamplificadordepotencia,perounaimplementacindeunsoloextremoesconcebibletambin.Laetapadepotenciaesuncircuitodeconmutacinsimpleperomuyrpido.Elfiltrodepasodebandareconstruyelaondasinusoidal.
Elcomparadornosepuedeutilizartantodehistresis,porqueesodaralugaralanolinealidadenelextremodebajaamplitud,debidoaimpulsosdeabandonarporcompletoenvezdeconseguirmsestrecho.Sinhistresis,quetienequeseruncomparadordepocoruido,paraevitarenloposibleelriesgodemltiplespulsosporsemiciclo.Talvezsepodrautilizarunamuypequeacantidaddehistresis.
Enamplitudesmuybajas,lomsprobableesquelospulsosseiniciarelabandonodetodosmodos.Esocreasubarmnicosenlasealdesalida,yestaeslaraznporlaquenecesitamosunfiltrodepasodebandaenlugardeunsimplefiltrodepasobajo.Conelfiltrodepasodebandaensulugar,suficientementealtaQ,ygraciasallazodecorreccindeamplitud,lalinealidaddebepermanecerdecenteinclusoasealesmuypequeas.Peroamedidaquelasealsiguedisminuyendo,coneltiemponohabrsuficientesealparaellimitadorparatrabajaren,yelsistemasevendrabajo.Esonoesproblema,sinembargo,eltiempoquepasaenunaamplitudqueestanbajoqueanadieleimportadigamos,60o70dBpordebajodelpicodepotencia.Estodeberaserfcildelograr.Eldiseodetalladopodraincluiruncircuitoquesecierracompletamentefueradecualquierimpulsosdesalidapordebajodeunaciertaamplituddeaccionamiento,paraevitarcualquiersentidodesdeapareceenlasalidabajotalescondiciones.
Elbucledeamplitudtienequetenerunanchodebandalosuficientementegrandeparapasartodoslos
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componentessignificativosdelaenvolvente.EnunasealdeSSB,stasseextiendenmuchomsalldelanchodebandadeaudio,yaqueelsobresevecomounasealdeaudiorectificada,conbordesafiladosenelnivelcero.Unanchodebandade100kHzseramiprimerasuposicin,peroelesquemapropuestopodraserfcilmenteimplementadoconunanchodebandadelazoenvolventeanmsampliaqueesovarioscientosdekHzomenos.Labandamsbajaenlaquesesuponequeelamplificadorfuncionees1.8MHz,porloquetodavadasuficientediferenciadefrecuenciaparasepararadecuadamentelasealRFdeloscomponentesdelaenvoltura.
Lafuentedealimentacinalaetapadepotencianonecesitaserregulado,oinclusomuybienfiltrada.Cualquiervariacindezumbidosytensinsernatendidosporelbucledeamplitud,compensandolasvariacionesdetensindealimentacinporloscambiosdeanchodepulsodeoposicin.Lasnicaslimitacionesparalatensindealimentacinseratenersuficientetensinentodomomentoparasercapazdeproducirelpicodeamplituddeseada,ynotantoquelascapacitanciasMOSFETseconviertenendemasiadodeunproblema.
Todoelprocesamientodesealpequeadeesteamplificadorsepuedeimplementarfcilmente.Probablementesepuedehacerinclusoutilizandomtodosdeaudiocomo,empleandoamplificadoresoperacionales!UnaampliagamademuybuenosamplificadoresoperacionalesdeRFestndisponibleshoyenda.Elproblema,sinembargo,radicaenlaetapadepotencia.Loidealseraqueestaetapadebecambiarmuyrpido,encomparacinconelperododelasealdeRF.Estoexigeelcambiovecescercadeunnanosegundo,paraoperarbienhasta30MHz!Hastaunospocosnspodraseraceptable,acostadeunamenoreficienciaenlasbandasmsaltas.MOSFETRFconmutacinmuyrpidosseestnhaciendodisponibles,juntoconICscontroladoradecuado,peroanasesunverdaderomanejodecapacidadesdelMOSFETcuandosecambiatanrpidoproblema.ElfiltrodepasodebandasiguiendolosMOSFETsabsolutamentedebeestardiseadodetalmaneraqueabsorbeestascapacitancias,ypresentalosngulosdefasedecargaadecuadaalMOSFETsparalograrunaoperacineficiente.AsqueestamoshablandodeclaseEodeclaseFdenuevo,peroconladificultadaadidadetenerlongitudesdepulsomuyvariables,enlugardeunabuenaondacuadradaconstante,yaquelasealdelafuente!Noheanalizadoesteproblemaenprofundidad,sinembargo,loqueenestemomentonisiquierasabersiesPosiblenadaparasolucionarlo,osialgncompromisoseriotendraqueseralcanzado.EstepuntopodrasereltalndeAquilesdetodoesteconcepto.
Debetenerseencuentaqueamedidaquelosanchosdepulsoseponenmuypequeaenamplitudesbajas,ningnMOSFETsseleccionadosyanosercapazdecambiarcompletamenteencendidoyapagadoentanpocotiempo.Estoesnounproblema,deverdad.SimplementeelamplificadorsedegradardelaclaseEoFaclaseinsaturadosenlosnivelesdesealbajos,loquereducelaeficienciaenciertamedida.Peroyaquesloocurreenlasamplitudesmsbajas,lasprdidasserncasiinsignificante,ylaprdidadelalinealidaddeamplitudenlaseccindepotenciadebensermuybiencorregidoporelbucledeamplitud.ElnicoverdaderopuntodeverenestareaesquenecesitamoslosMOSFETsysusconductoresapermanecersimtricaensuconexinydesconexinrendimiento!DelocontrariounamodulacindefaseseintroduceenamplitudessuficientementebajasparaevitarquelosMOSFETsdesaturarcompletamente,yquedegradaraseriamentepurezaespectral,porquevaaocurrirenunniveldepotenciaqueanessignificativo,especialmenteenlasbandasmsaltas,dondelaconmutacinMOSFETeltiempoesunapartemssignificativadelperiododelasealtotal.EstasimetraprobablementesepuedeobtenerhastaungradosuficientemediantelamanipulacindeloscontroladoresMOSFET,oalosumopodrarequeriralgnsesgoaplicadoparaesefin.
Encualquieramplificadorqueseparalafasedelaamplitudylosrecombinaenlasalida,comoste,esimportantequelosretrasosenlosdosrecorridosdelasealcoincidebastantebien.ConamplificadoresEERmoduladadesuministroestoesamenudounproblema,debidoalosretrasosdelasealdeamplitudatravsdeunafuentedealimentacindeconmutacinpuedeserbastantelargo.EnesteconceptoPWM,encambio,elretardoenelbucledeamplitudesmuchomscorto.Talveznisiquieranecesitasercompensado,ysilohace,quesepodrahacerusodeunalneaderetardoenlugarmodestoenelcaminodeRF.
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Altaeficiencia,oconvencional?
Leersobreunconceptotancomplejo,esposiblepreguntarseporqunosimplementeseguirconstruyendo,amplificadoreslinealesdeclaseABconvencionales,yslohayqueponeraldaconsubajaeficiencia.Ydehecho,casitodos(oquizstodos!)Losfabricantesdeequiposderadioaficionadosestnhaciendoexactamenteeso.Lacomunidaddejamnengeneral,aparentementenosepreocupaporlaeficiencia,ahorrodeenerga,ysimilares.Inclusohayalgunosjamonesretrgradasquejuzganlacalidaddecualquierequipoporsupesoelmspesado,mejorqueellospiensanquees!Asque,porqumolestarse?
Tedaralgunasrazonesverdaderasporqulosamplificadoresdealtaeficienciasonunametaquevalelapena.No,reducirsufacturadeelectricidadrealmentenoeslarazndeconduccin,yaquelosahorrossernbastantepequeas,exceptotalvezpararagchewersmuyadepto.Lasrazonessonmsbiencomolossiguientes:
Costo:Unamplificadordealtaeficienciaproducemuypococalor.EsosignificausarmenosMOSFETs,elahorrodecostes.Tambineldisipadordecaloryventiladoressernmuchomspequeos,yporlotantomenoscostoso.Lomismoocurrecontodosloscomponentesdelafuentedealimentacin.Fuentesdealimentacinreguladassepuedenutilizar,reduciendoanmsloscostes.Elcuadrosermspequeomenosdinerogastadoenl.Almismotiempo,laspartesadicionalesnecesariasparaelprocesamientodelasealmsbienextensaencomparacinconunamplificadorconvencional,cuestanmuypoco,porqueestossontodospartesdesealpequeos.Todoelpaquetededosdetectoresdeenvolvente,amplificadordeerror,limitador,integradoryanchodepulsodelmodulador,podraencajarfcilmenteenmenosde10cm^2delaplacadecircuitoimpreso,yelcostoslo10dlaresenpartes.Laetapadepotencia,tambin,esmssimplequeunaclaseABuno,quenorequierenderetroalimentacinnegativa,porejemplo,niobtenercompensacin.LaseccinsloesmscaroenelamplificadorPWM,frenteaunoconvencional,eselbancodefiltrosdepasodebanda,enlosqueunamplificadorconvencionalrequiereslounospasobajo.
Tamao:Comoinsinuadoanteriormente,unamplificadordeeficienciatanaltaseramuchomspequeoymsligeroqueunoconvencional.
Estabilidad:unamplificadordeconmutacinnotieneproblemasconlaestabilidaddesesgo,yaqueutilizaningunacorrientedereposo.Amplificadoresdeestadoslidoconvencionalesrequierenmuchaatencinaestepunto.
Parallelability:EncasodequeseanecesarioutilizarvariosMOSFETsparaalcanzarlapotenciadeseada,lomsprobablesepuedenconectarenparalelo.Amplificadoresconvencionalesenlugartpicamenterequierenlaconstruccindevariosbloquesdeamplificadoresidnticos,yseunenaellosatravsdedivisoresycombinadores,porquedelocontrarioescasiimposibleconseguirMOSFETsdecompartiradecuadamentelacargaentodaslascondicionescuandoseoperaenelmodolineal.
YlasventajasparalosamplificadoresMOSFETclaseABconventinal?Tienenalgunostambin,porsupuesto:Cadaniopuedetenerunesquemadeunanotadeaplicacin,desarrolladaporalguienmsypruebadetiempo,comprarlaspartes(siempreycuandosetratadeunniorico!)Ymontarlo.Nosenecesitaningnesfuerzocerebro,ylosresultadossonmsomenosgarantizado,comoamplificadoressehanconstruidoconlosmismosdiseosdemsde30aos.Esinclusoposiblecomprarkitsquetienentodaslaspartes,comprarlosPCB,cualquiercosa.Inclusosepuedencomprarlosamplificadorescompletos.Esfcil.Perocaro,yenmiopinin,bastanteaburrido.
RecuerdaselCdigodelRadioaficionado?Parte3deelladice"LaRadioaficinesPROGRESIVO...conelconocimientotantodelaciencia,unbienconstruidoyeficienteestacinde..."
QuclasedeunaltopoderABajusteamplificadorDnde?
Volveraelectronicushomoludens.
http://ludens.cl/Electron/Electron.html
