14.4: Configuraciones de salida

Si aplicamos el concepto de conmutación a una topología de doble suministro, push-pull, llegamos al circuito genérico de la Figura\(\PageIndex{1}\).

Figura\(\PageIndex{1}\): Conmutación genérica push-pull.

Los dos dispositivos de salida se encienden y apagan alternativamente. Cuando el dispositivo superior está encendido, el dispositivo inferior está apagado y la corriente fluye desde el suministro positivo a la carga (ruta azul). Como alternativa, cuando el dispositivo inferior está encendido, el dispositivo superior está apagado y la corriente fluye a través de la carga vía\(V_{SS}\) (ruta roja). Podríamos usar BJT o EMOSFET para estos dispositivos.

Existen dos variaciones obvias del circuito de salida genérico. La primera versión, mostrada en la Figura\(\PageIndex{2}\), parece ser un despegue directo de una salida de clase B. Se muestra con EMOSFET pero podría hacerse con BJT. Los detalles de polarización no se muestran, en cambio, un bloque de circuito genérico “controlador” resultará suficiente para nuestra discusión.

Figura\(\PageIndex{2}\): Conmutación push-pull básica.

En este circuito, el conductor produce un tren de pulsos bipolar que oscila de negativo a positivo en lugar de tierra a positivo. Un nivel positivo del controlador encenderá el dispositivo de canal N superior, permitiendo el flujo de corriente a la carga. Por el contrario, un nivel negativo encenderá el dispositivo de canal P inferior, permitiendo el flujo de corriente de carga vía\(V_{SS}\). ¹ Vale la pena señalar que la señal de accionamiento de puerta debe oscilar más alta y más baja que las dos fuentes de alimentación. Esto se debe a que cuando un dispositivo está encendido,\(V_{DS}\) será casi cero, lo que significa que la fuente estará en el carril de alimentación. Como\(V_{GS}\) debe ser mayor que\(V_{GS(th)}\), esto significa que\(V_G\) debe ser mayor que la fuente de alimentación.

Un esquema de conexión alternativo se muestra en la Figura\(\PageIndex{3}\). Aquí, los dispositivos de canal N y P tienen posiciones conmutadas.

Figura\(\PageIndex{3}\): Conmutación alternativa push-pull.

La lógica aquí se invierte: el pulso negativo enciende el dispositivo superior y el pulso positivo enciende el dispositivo inferior. La oscilación de la puerta se reduce un poco en comparación con el circuito anterior pero sufre de una falla común a ambas configuraciones, a saber, la asimetría entre las características del dispositivo de canal N y P. Esto incluye variaciones entre las capacitancias internas del dispositivo y\(r_{DS(on)}\) los valores. Para la mejor coincidencia posible, y así la menor distorsión y el mayor rendimiento, sería mejor configurar la salida usando dispositivos idénticos. Esto se muestra en la Figura\(\PageIndex{4}\).

Figura\(\PageIndex{4}\): Conmutación de salida usando dispositivos idénticos.

Esta configuración complica la señal de accionamiento en que ya no podemos accionar ambas puertas con la misma señal; en cambio, se deben presentar señales únicas a cada terminal de puerta. A este circuito se le conoce como medio puente. Nuestro paso final será impulsar ambos extremos de la carga de manera diferencial usando un puente completo, o puente H como a veces se le conoce. Esto se muestra en la Figura\(\PageIndex{5}\).

Figura\(\PageIndex{5}\): Salida de puente completo.

Los dispositivos de salida se controlan como pares diagonales. Cuando\(Q_1\) está activado,\(Q_4\) está activado, creando una ruta para la corriente de carga de izquierda a derecha (traza roja). En contraste, cuando\(Q_2\) está activado, también\(Q_3\) estará activado, creando así una trayectoria de corriente de carga de derecha a izquierda (traza azul). Esto efectivamente duplica la amplitud de corriente que cuadruplica la potencia de carga (porque la potencia varía como el cuadrado de corriente). Esta es la misma técnica discutida en el Capítulo 9 con los amplificadores de clase B. En este diagrama se incluye un\(L_C\) filtro doble para eliminar componentes de frecuencia no deseados.

Ejemplo\(\PageIndex{1}\)

Un par de E-MOSFET están configurados para impulsar una\( \Omega \) carga de 8 como en la Figura\(\PageIndex{4}\). Suponiendo que se utilizan fuentes de\(\pm\) 50 voltios y que cada dispositivo tiene una\(r_{DS(on)}\) de 0.03\( \Omega \), determinar la corriente de carga pico y\(V_{DS}\) para los MOSFET.

En un momento dado, un MOSFET estará encendido, creando un camino entre un suministro, él mismo, la carga y el suelo. La resistencia total para limitar la corriente será la carga plus\(r_{DS(on)}\).

\[i_{load} = \frac{V_{DD}}{r_{load} + r_{DS (on)}} \nonumber \]

\[i_{load} = \frac{50 V}{8 \Omega +0.03 \Omega} \nonumber \]

\[i_{load} = 6.227A \nonumber \]

El voltaje del dispositivo se encuentra a través de la ley de ohmios ya que la corriente de carga y drenaje son idénticas

\[v_{DS} = i_{load} r_{DS (on)} \nonumber \]

\[v_{DS} = 6.227A \times 0.03 \Omega \nonumber \]

\[v_{DS} = 0.19V \nonumber \]

Preocupaciones prácticas

Quedan algunos detalles que no deben pasarse por alto. Dos de ellos están relacionados con las áreas de transición de borde, otro se refiere a la complejidad de los circuitos de accionamiento, y el tema final se ocupa de las propias fuentes de alimentación

El primer punto de preocupación es precisamente lo que sucede durante la transición. Todas las formas de salida que hemos examinado utilizan dos dispositivos activos configurados en serie entre dos fuentes de alimentación. No hay nada en ese camino para limitar la corriente. Si ambos dispositivos se activaran simultáneamente al estado encendido, fluiría una corriente enorme y posiblemente dañina. Si bien sería una tontería encender ambos dispositivos intencionalmente, los tiempos de subida y caída de los pulsos efectivamente hacen esto. Como un dispositivo se está encendiendo y el otro se apaga, ambos dispositivos están en estado de conducción, aunque no sea la conducción máxima. Esencialmente, tenemos dos dispositivos de baja impedancia en serie entre dos fuentes. Esto da como resultado un gran pulso de corriente conocido como tiroteo. Esta situación se representa en la Figura\(\PageIndex{6}\).

Figura\(\PageIndex{6}\): Shoot-through.

Los pulsos de corriente para los dos dispositivos se muestran en azul y violeta. Las corrientes máximas se dirigen a la carga, pero durante la transición, un pulso de corriente, mostrado en rojo, “dispara” a través de los dos dispositivos, de una fuente de alimentación directamente a la otra.

La solución para el disparo es ajustar la sincronización del pulso de encendido y apagado para crear un tiempo muerto, es decir, un lapso de tiempo cuando ninguno de los dispositivos está dirigido a encenderse. Esto se ilustra en la Figura\(\PageIndex{7}\).

Figura\(\PageIndex{7}\): Tiempo muerto.

El tiempo muerto se ajusta para que se corresponda con los tiempos de subida y caída de los dispositivos de salida. Básicamente, no se permite que un dispositivo se encienda hasta que el otro dispositivo esté, de hecho, completamente apagado. La inclusión del tiempo muerto altera el ancho del pulso y, en consecuencia, puede introducir distorsión de forma de onda. Se debe utilizar una cantidad mínima de tiempo muerto para evitar esto. Esta es otra razón para usar dispositivos de salida muy rápidos ya que requerirán tiempos muertos más cortos.

El segundo problema con respecto a la sincronización es uno de la capacitancia del dispositivo. Los MOSFET de potencia exhiben capacitancias de dispositivo relativamente altas. Por ejemplo, el FDMS86180 examinado en el Capítulo 12 exhibe capacitancias de entrada y salida de aproximadamente 4.4 nF y 2.7 nF, respectivamente. Aunque la resistencia de entrada de puerta extremadamente alta puede parecer indicar que se necesita muy poca corriente de accionamiento para encender estos dispositivos, la capacitancia cuenta una historia diferente.

La tasa de cambio de voltaje a través de un condensador es una función de la capacitancia y la corriente que lo impulsa:

\[\frac{dv_C}{dt} = \frac{i_C}{C} \nonumber \]

Cuanto mayor sea la corriente, o cuanto menor sea el condensador, mayor será la tasa de cambio de voltaje. Esto puede poner un serio límite en la rapidez con la que se puede controlar un dispositivo. Por ejemplo, supongamos que el circuito de accionamiento puede bombear hasta 10 mA. A primera vista eso puede parecer una enorme cantidad de corriente para impulsar un MOSFET. Ahora, considere lo que sucede si la capacitancia de entrada es de 2 nF:

\[\frac{dv_C}{dt} = \frac{i_C}{C} \nonumber \]

\[\frac{dv_C}{dt} = \frac{10mA}{2 nF} \nonumber \]

\[\frac{dv_C}{dt} = 5 E 6 V/s \nonumber \]

Si bien una pendiente de 5 millones de voltios por segundo puede sonar rápido, es de solo 5 voltios por microsegundo. En comparación con los requisitos de, digamos, una frecuencia de conmutación de 200 kHz a 300 kHz, eso es terriblemente lento.

Simulación por Computadora

Para ver el efecto de la capacitancia de entrada, se captura un amplificador de dos etapas en un simulador, como se muestra en la Figura\(\PageIndex{8}\). El circuito consiste en un amplificador de señal pequeña relativamente estándar que alimenta un E-MOSFET de potencia media, el IRF7201. Se utiliza una onda cuadrada de 10 kHz para accionar el circuito. La capacitancia de entrada del MOSFET es de 550 pF, ciertamente mayor que un FET de señal pequeña pero no un valor extremadamente grande. Un solo condensador se coloca a través de la puerta que se utilizará para simular un dispositivo mucho más grande y la capacitancia de entrada incrementada asociada.

Figura\(\PageIndex{8}\): Circuito para pruebas de capacitancia de entrada.

El análisis transitorio inicial se realiza utilizando una capacitancia de puerta de 5 pF que no tiene ningún efecto apreciable en el resultado. El resultado de la simulación se muestra en la Figura\(\PageIndex{9}\).

La traza roja es la tensión de puerta en el nodo 6 mientras que la traza azul es la salida final en el nodo 2. La señal de accionamiento de puerta está sufriendo algo en la porción superior y los tiempos de subida y caída son evidentes. La señal de salida se balancea desde la fuente de alimentación de +15 voltios hacia abajo a tierra, como se esperaba. El tiempo de subida es algo más rápido que el tiempo de caída pero, en general, la salida presenta un pulso cuadrado decente cerca del 50% del ciclo de trabajo. La simulación se repite pero esta vez la capacitancia de la puerta se incrementa de 5 pF a 5 nF, un valor más típico de un FET de gran potencia. El resultado se muestra en la Figura\(\PageIndex{10}\). La señal roja de accionamiento de la puerta ha recibido un serio golpe y ya no es de forma cuadrada. El pulso de salida en azul todavía corre hacia y desde los niveles de voltaje esperados, pero los bordes ascendentes y descendentes se ralentizan notablemente. Además, el ancho de pulso positivo se ha estirado debido a la ralentización de la señal de puerta que retarda el encendido del MOSFET. El resultado es un ciclo de trabajo que es mayor al 50%.

Figura\(\PageIndex{9}\): Formas de onda para circuito normal.

Figura\(\PageIndex{10}\): Formas de onda para circuito con capacitancia de puerta incrementada.

La conclusión es que, para maximizar la velocidad, se debe tener cuidado para minimizar la capacitancia, disminuir la impedancia de salida del circuito controlador y aumentar la corriente de accionamiento. Afortunadamente, este problema ha sido resuelto en gran medida por fabricantes de CI que ofrecen circuitos integrados de controlador FET diseñados específicamente para estas aplicaciones.

El último elemento de preocupación práctica es la propia fuente de alimentación, o más precisamente, la calidad de la tensión de alimentación. Recuerde, el dispositivo de salida se está utilizando como interruptor. Cuando el dispositivo está encendido, la fuente de alimentación se conecta directamente a la salida (con la excepción de la pequeña caída de voltaje en el dispositivo de salida). Esto significa que cualquier ruido o ondulación en la fuente de alimentación llegará al filtro de salida. Cualquier componente de ruido que se encuentre dentro del rango de señal de entrada deseado no se filtrará y, por lo tanto, se entregará a la carga. En resumen, los dispositivos de salida “filtrarán” el ruido de la fuente de alimentación en la salida, por lo que se debe tener cuidado para tener una tensión de fuente de alimentación lo más limpia posible.

Referencias

¹ Sí, está\(V_{SS}\) etiquetada a pesar de que está conectada al drenaje del dispositivo de canal P. Es cuestión de consistencia con otros circuitos. “Una rosa de cualquier otro nombre” y todo eso...