Formas de proteger los transistores de las etapas de salida en amplificadores de audio.
Resumen:
En este artículo se pasará revista a los esquemas más comunes de protección
Además se va a tratar de de hacer un acercamiento al método de cálculo matemático de las protecciones.
Se comenzará con el esquema más básico para llegar al último con compensación por temperatura pero sin emplear un multiplicador de tensión externo.
Introducción:
En un amplificador de clase AB o B, la etapa de salida de potencia esta normalmente formada en base transistores de potencia (Redundancia), estos poseen una curva de operación que forma un Área de Operación Segura (SOA Safe Operating Area)
La curva SOA estará formada por los parámetros particulares de cada transistor, los límites están determinados por:
Capacidad de corriente del enlace de alambre con el chip.
Capacidad de corriente del chip en si.
Límites de disipación de energía por excesivo aumento de temperatura en el chip.
Voltaje de ruptura.
Límites de segunda ruptura. Fig. 1
Para el análisis y diseño, la tensión de salida del amplificador, formas de onda, impedancia de carga y de fase se considerarán situadas en el mismo plano que las líneas de carga VCE-ICE de la curva SOA, siendo en realidad un diagrama tridimensional.
Cualquier condición de funcionamiento que provoque la salida del dispositivo del área determinada por la curva SOA debe provocar un inmediato accionar de los sistemas de protección para evitar la destrucción del dispositivo de salida.
Haciendo un análisis mas completo de la curva SOA, esta deberá incluir las variables Temperatura-Tiempo.
Los circuitos de protección se pueden diseñar para lograr el control de la etapa de salida, incluso tomando en consideración esas variables.
Fig. 1. Curva SOA y las líneas de carga.
(A) Estado 25C constante SOA
(B) SOA 100 º C en estado estacionario
(C) La línea de carga resistiva
(D) La línea de carga reactiva
Circuitos considerando Tiempo / Temperatura Invariantes.
Limitador de corriente simple
Fig. 2: Limitador de corriente simple
El uso del circuito de la figura. 2 dará una protección lugar, como se muestra en la figura. 3.
Fig. 3. Limitador de corriente simple
(A) Estado 25ºC constante SOA
(B) SOA 100 º C en estado estacionario
(C) La línea de carga resistiva
(D) La línea de carga reactiva
(E) Limitación de corriente por la protección
El umbral de protección es:
Podemos ver este circuito, aunque muy simple, no puede ser optimizado para proteger adecuadamente el dispositivo de salida y preservar el funcionamiento normal del amplificador
Limitador de pendiente simple.
Fig. 4. Limitador de pendiente simple
Con el uso del circuito de la figura. 4 se da una protección, como se muestra en la figura. 5.
Este circuito es mejor que el limitador simple por corriente, y puede ser utilizado de forma efectiva cuando los rail´s de alimentación están a una tensión inferior que la soportada por el dispositivo se salida.
En estas condiciones, los límites de segunda ruptura no entran en juego.
El umbral de protección es:
Esto se deriva de la superposición de varios simplificadores supuestos.
Suponemos R3 es grande, con respecto a la R1 y R2, y que RE es pequeño, con respecto a la R1, R2 y R3.
También suponemos VRAIL es grande en comparación con la tensión de saturación de Qout y la tensión en la resistencia del emisor, RE.
Fig. 5. Limitador de Pendiente Simple.
(A) Estado 25C constante SOA
(B) SOA 100 º C en estado estacionario
(C) La línea de carga resistiva
(D) La línea de carga reactiva
(E) Limitación por la protección.
Procedimiento de diseño
1) En primer lugar se elige el valor de R2 de cuyo valor, luego dependerán todas las resistencias restantes.
2) A continuación se determinará la Y intersección (Vce = 0, el Ice = Ilim1) mediante el establecimiento de Vce = 0 en Eq. (2) y despejando R1.
En este punto, VOUT es igual (lo ideal) para Vrail y no hay flujo de corriente en R3, por lo que el equivalente circuito es el mismo que el límite actual de la figura simple.
2.
3) Siguiente R3 es determinado por la intersección X (Vce = Ice Vlim1, = 0). En este momento, no hay tensión a través de RE, y R1 está en paralelo con R2.
Establecer Ice = 0 en Eq. (2) y resolver para R3.
Limitador de pendiente doble.
Fig. 6. Limitador de Pendiente Doble.
(A) Estado 25C constante SOA
(B) SOA 100 º C en estado estacionario
(C) La línea de carga resistiva
(D) La línea de carga reactiva
(E) Limitación por la protección
El uso del circuito de la figura. 6 dará una protección, como se muestra en la figura. 7. El umbral de protección es:
Para Vrail > Vce:
Para Vrail < Vce:
Este circuito produce una curva de limitación mas ajustada a los límites reales del dispositivo (Capacidad).
El circuito se analizara por partes, primero con D2 en condición Off, y luego con D2 On. Con D2 Off, que degeneran a la inclinación única (Figura. 4).
El diodo entra en juego cuando la tensión de salida está por encima de GND, es decir, cuando VCE es menor o igual a VRAIL. Fig. La figura 8 muestra las dos líneas, donde se utiliza el límite de la pendiente de un solo ILIM1 para el análisis, pero es superado por los ILIM2 nuevo límite después de el punto de interrupción.
Fig. 8. Limitador de pendiente doble
Resumen:
En este artículo se pasará revista a los esquemas más comunes de protección
Además se va a tratar de de hacer un acercamiento al método de cálculo matemático de las protecciones.
Se comenzará con el esquema más básico para llegar al último con compensación por temperatura pero sin emplear un multiplicador de tensión externo.
Introducción:
En un amplificador de clase AB o B, la etapa de salida de potencia esta normalmente formada en base transistores de potencia (Redundancia), estos poseen una curva de operación que forma un Área de Operación Segura (SOA Safe Operating Area)
La curva SOA estará formada por los parámetros particulares de cada transistor, los límites están determinados por:
Capacidad de corriente del enlace de alambre con el chip.
Capacidad de corriente del chip en si.
Límites de disipación de energía por excesivo aumento de temperatura en el chip.
Voltaje de ruptura.
Límites de segunda ruptura. Fig. 1
Para el análisis y diseño, la tensión de salida del amplificador, formas de onda, impedancia de carga y de fase se considerarán situadas en el mismo plano que las líneas de carga VCE-ICE de la curva SOA, siendo en realidad un diagrama tridimensional.
Cualquier condición de funcionamiento que provoque la salida del dispositivo del área determinada por la curva SOA debe provocar un inmediato accionar de los sistemas de protección para evitar la destrucción del dispositivo de salida.
Haciendo un análisis mas completo de la curva SOA, esta deberá incluir las variables Temperatura-Tiempo.
Los circuitos de protección se pueden diseñar para lograr el control de la etapa de salida, incluso tomando en consideración esas variables.
Fig. 1. Curva SOA y las líneas de carga.
(A) Estado 25C constante SOA
(B) SOA 100 º C en estado estacionario
(C) La línea de carga resistiva
(D) La línea de carga reactiva
Circuitos considerando Tiempo / Temperatura Invariantes.
Limitador de corriente simple
Fig. 2: Limitador de corriente simple
El uso del circuito de la figura. 2 dará una protección lugar, como se muestra en la figura. 3.
Fig. 3. Limitador de corriente simple
(A) Estado 25ºC constante SOA
(B) SOA 100 º C en estado estacionario
(C) La línea de carga resistiva
(D) La línea de carga reactiva
(E) Limitación de corriente por la protección
El umbral de protección es:
Podemos ver este circuito, aunque muy simple, no puede ser optimizado para proteger adecuadamente el dispositivo de salida y preservar el funcionamiento normal del amplificador
Limitador de pendiente simple.
Fig. 4. Limitador de pendiente simple
Con el uso del circuito de la figura. 4 se da una protección, como se muestra en la figura. 5.
Este circuito es mejor que el limitador simple por corriente, y puede ser utilizado de forma efectiva cuando los rail´s de alimentación están a una tensión inferior que la soportada por el dispositivo se salida.
En estas condiciones, los límites de segunda ruptura no entran en juego.
El umbral de protección es:
Esto se deriva de la superposición de varios simplificadores supuestos.
Suponemos R3 es grande, con respecto a la R1 y R2, y que RE es pequeño, con respecto a la R1, R2 y R3.
También suponemos VRAIL es grande en comparación con la tensión de saturación de Qout y la tensión en la resistencia del emisor, RE.
Fig. 5. Limitador de Pendiente Simple.
(A) Estado 25C constante SOA
(B) SOA 100 º C en estado estacionario
(C) La línea de carga resistiva
(D) La línea de carga reactiva
(E) Limitación por la protección.
Procedimiento de diseño
1) En primer lugar se elige el valor de R2 de cuyo valor, luego dependerán todas las resistencias restantes.
2) A continuación se determinará la Y intersección (Vce = 0, el Ice = Ilim1) mediante el establecimiento de Vce = 0 en Eq. (2) y despejando R1.
En este punto, VOUT es igual (lo ideal) para Vrail y no hay flujo de corriente en R3, por lo que el equivalente circuito es el mismo que el límite actual de la figura simple.
2.
3) Siguiente R3 es determinado por la intersección X (Vce = Ice Vlim1, = 0). En este momento, no hay tensión a través de RE, y R1 está en paralelo con R2.
Establecer Ice = 0 en Eq. (2) y resolver para R3.
Limitador de pendiente doble.
Fig. 6. Limitador de Pendiente Doble.
(A) Estado 25C constante SOA
(B) SOA 100 º C en estado estacionario
(C) La línea de carga resistiva
(D) La línea de carga reactiva
(E) Limitación por la protección
El uso del circuito de la figura. 6 dará una protección, como se muestra en la figura. 7. El umbral de protección es:
Para Vrail > Vce:
Para Vrail < Vce:
Este circuito produce una curva de limitación mas ajustada a los límites reales del dispositivo (Capacidad).
El circuito se analizara por partes, primero con D2 en condición Off, y luego con D2 On. Con D2 Off, que degeneran a la inclinación única (Figura. 4).
El diodo entra en juego cuando la tensión de salida está por encima de GND, es decir, cuando VCE es menor o igual a VRAIL. Fig. La figura 8 muestra las dos líneas, donde se utiliza el límite de la pendiente de un solo ILIM1 para el análisis, pero es superado por los ILIM2 nuevo límite después de el punto de interrupción.
Fig. 8. Limitador de pendiente doble
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