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AMPLIFICADOR ÁUDIO COMUTADO CONVERSORES ELECTRÓNICOS DE POTÊNCIA A ALTA FREQUÊNCIA
Beatriz Vieira Borges, Carlos Ferreira e Hugo Marques
AMPLIFICADOR AAMPLIFICADOR AÚÚDIO COMUTADODIO COMUTADOÁudio é parte integrante de muitos aparelhos (multimédia):
I&D para obter aparelhos com:Integração de múltiplas funcionalidades, compactos, leves e com baixo consumo (autonomia)
I&D para obter aparelhos com:Integração de múltiplas funcionalidades, compactos, leves e com baixo consumo (autonomia)
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AMPLIFICADOR ÁUDIO COMUTADO CONVERSORES ELECTRÓNICOS DE POTÊNCIA A ALTA FREQUÊNCIA
Beatriz Vieira Borges, Carlos Ferreira e Hugo Marques
AMPLIFICADOR AAMPLIFICADOR AÚÚDIO COMUTADODIO COMUTADO
Rendimento (%)
0
20
40
60
80
100
-50 -40 -30 -20 -10 0PO (dB)ref=POmax
Classes de amplificação linear:
• Baixa distorção
• Ganho constante (Zout)
• Tecnologia bem conhecida
• η reduzido
• Volume elevado
• Fonte potente
• Dissipação elevada
Características:
Classe A
Classe A push-pull
Classe B
Classe G (α=0,4)
Solução: Novas abordagens ao conceito de amplificação
Até há relativamente pouco tempo representavam cerca de 99% dos amplificadores comerciais.
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Beatriz Vieira Borges, Carlos Ferreira e Hugo Marques
Porque utilizar uma tecnologia comutada?• Vantagens:
• Rendimento– Menor potência dissipada– Dimensões dos dissipadores
• Frequência de comutação elevada– Menor distorção harmónica– Redução das dimensões dos
componentes de armazenamento de energia
– Dimensões dos transformadores reduzidas
Desvantagens:
• Ruído radiado
• Compatibilidade electromagnética
• Transitórios de alta-frequência
• Não idealidades dos dispositivos de comutação
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Beatriz Vieira Borges, Carlos Ferreira e Hugo Marques
Sinal de comando
Comutação Filtragem(desmodulação)
Modulação
Sinalcomutado
Comutação: dispositivos actuam como interruptores, alternando entre os estados ON e OFF, minimizando o produto P=I×U (perdas).
• Distorção elevada
• Ruído
• Ganho variável f(Zout)
>
Circuito de sinal Circuito de potência
Características:
• η elevado
• Dissipação baixa
• Volume baixo
• Fonte de baixa potência
Amplificação comutada, Classe D:
Saída
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Beatriz Vieira Borges, Carlos Ferreira e Hugo Marques
Como obter o sinal áudio nestas topologias?
• Sinal Áudio– Analógico – Contínuo– Bipolar– Largura de Banda 20 Hz – 20 kHz
• Tecnologias comutadas– Sinais com valores discretos de amplitude– Largura de banda superior à de Áudio
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Sinal de comando
Comutação Filtragem(desmodulação)
Modulação
Sinalcomutado
>
Meia-ponte (2N): +U
SH
SL
-U
vS+_CMP
vref
vtrg
U
-U
t
vS
Amplificação comutada, Classe D:
Saída
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Modulação de Largura de Impulso a dois níveis
Sinal de Entrada Sinal Modulado Sinal de Referência
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Beatriz Vieira Borges, Carlos Ferreira e Hugo Marques
Modulação de Largura de Impulso a dois níveis
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1Ain
ffcfi 2.fc 3.fc 4.fc
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AMPLIFICADOR ÁUDIO COMUTADO CONVERSORES ELECTRÓNICOS DE POTÊNCIA A ALTA FREQUÊNCIA
Beatriz Vieira Borges, Carlos Ferreira e Hugo Marques
Modulação de Largura de Impulso a três níveis
Sinal de Entrada Sinal Modulado Sinal de Referência
t
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Ponte completa (3N):
+_CMP
-vref
SHL
SLL
vSL+_CMP
SHR
SLR
vSR
U
t
vSL-vSRU
-Uvtrg
vref
vtrg
Amplificação comutada, Classe D:
Entrada Sinal de comando
Comutação Filtragem(desmodulação)
Modulação
Sinalcomutado
>
Saída
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Beatriz Vieira Borges, Carlos Ferreira e Hugo Marques
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1Ain
f
Modulação de Largura de Impulso a três níveis
fcfi 2.fc 3.fc 4.fc
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Que topologias permitem obter
sinais modulados emLargura de Impulso?
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• Conversor em meia ponte (half-bridge converter)
.
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Beatriz Vieira Borges, Carlos Ferreira e Hugo Marques
• Conversor em meia ponte (half-bridge converter)
.
vCarga
t
VDC/2
-VDC/2
Dois níveis possíveis para a tensão na carga
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• Conversor em ponte completa (full-bridge converter)
.
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• Conversor em ponte completa
Vcarga
nula
.
Vcarga
positiva
Vcarga
negativa
Vcarga
nula
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• Conversor em ponte completa
.
vCarga
t
VDC
-VDC
Três níveis possíveis para a tensão na carga
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Como obter a a tensão de
alimentação dos conversores ?
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Primeira possibilidade: Fonte de alimentação independente
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Primeira possibilidade: Fonte de alimentação independente– Isolamento galvânico para a rede eléctrica– Tensão contínua de saída estabilizada
Desvantagens:– Custo acrescido– Dimensões– Peso– Fiabilidade– Rendimento
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Hipótese alternativa: Garantir o isolamento galvânico no próprioconversor
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Hipótese alternativa: Garantir o isolamento galvânico no próprioconversor– Tensão contínua obtida por um processo mais simples (não
isolado)
Vantagens:– Custo– Fiabilidade– Rendimento– Modularidade
Desvantagens:– Aumento da complexidade do
conversor– Forma de onda da corrente de
entrada– Harmónicas de 100 Hz
resultantes da rectificação– Dimensões– Peso
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AMPLIFICADOR ÁUDIO COMUTADO CONVERSORES ELECTRÓNICOS DE POTÊNCIA A ALTA FREQUÊNCIA
Beatriz Vieira Borges, Carlos Ferreira e Hugo Marques
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1Ain
f
fcfi 2.fc 3.fc 4.fc
Hipótese alternativa: Garantir o isolamento galvânico no próprioconversor
Dimensões
Peso
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Hipótese alternativa: Numa implementação estéreo Dimensões
Peso
Dois transformadores de baixa frequência
Quatro braços para o conversor
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Amplificação comutada, Classe D:
-
vref
vtrg1
SH2
SL2
+_CMP
SH1
SL1
+_CMP
SH3
SL3
+_CMP
-
vtrg2
vtrg3
Multinível (ex.:4N):
Sinal de comando
Comutação Filtragem(desmodulação)
Modulação
Sinalcomutado
>
Saída
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Beatriz Vieira Borges, Carlos Ferreira e Hugo Marques
Amplificação comutada, Classe D:
Entrada Sinal de comando
Comutação Filtragem(desmodulação)
Modulação
SaídaSinal
comutado
>
ω (log)
Ganho (dB)
10ωnωn
Fase (º)90º
0º
-90º
-180º
ωn/10
0dB
ω (log)
-40dB
fc
fs
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Beatriz Vieira Borges, Carlos Ferreira e Hugo Marques
Sinal de comando
Comutação Filtragem(desmodulação)
Modulação
SaídaSinal
comutado
>
Carga (tweeter)
CZ
RZ
Le
Re
Compensação
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• Frequência de comutação fs
• Frequência de corte do filtro fc
• Topologia de conversor (n.º níveis)
Problemas:
• Susceptibilidade a ΔU (PSRR baixo)
• THD elevada (tp)
• Tremor da tensão de saída
• Variação do ganho ΔG, (variação de Zout)
• Ruído
• Ruído electromagnético
Dimensionamento:
• fs tremor , perdas, ruído electromagnético
• fc ΔG , tremor
• n.º níveis da topologia tremor , ruído electromagnético, complexidade, custo
• THD (tp) inalterada (2 a 25% para valores de tp comuns: 100ns)
Implicações:
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Controlo linear:
• Aumenta PSRR
• Diminui THD
• Diminui a variação do ganho ΔG, (em função de Zout)
• Diminui ruído
• Instabilidade
• HAB tipicamente de 18dB@ 20kHz (reduzido)
Características:
Entrada
Comutação FiltragemModulação
>+-
Controlo PID
dHAB
refHAB
HAy+
++
=1
11
Href y
d
A+++
B
_
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Modulação e controlo não linear “One Cycle Control”:
Entrada
Comutação FiltragemModulação e controlo OCC
>
O conceito básico inerente ao sistema OCC é“forçar” a média do valor da variável comutada, vS, a ser exactamente igual ao valor do sinal de referência, em cada período de comutação.
REF
t
Gs
vdtvT
on
=∫0
1
vINT t
t
VO
vS
vREF
vG t
Relógio
vD
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• Idealmente compensa os erros do sistema (com reflexo no PSRR, THD e ruído)
• Estável
Vantagens :
• Não compensa a variação do ganho ΔG, (ΔZout)
• Exige um Integrador com Resetrápido e preciso, a operar a fs
Inconvenientes :
Foi desenvolvida nova topologia de integrador com Reset:
Modulação e controlo não linear “One Cycle Control”:
+
_RiCi Ci
Reset
+
_
Ci
Ri
Reset
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Foi desenvolvida uma nova topologia para o filtro assim como critérios de dimensionamento
Filtro “Notch Low Pass”:
RLC
L
Cr
Lr
• Grande atenuação a fs (tremor reduzido)
• Permite uma fc elevada minimizando ΔG, com ΔZout
Vantagens :
Filtro tradicional
f rfc
[dB]
vi
vO
(log)ffc
Filtro NLP
Banda de
áudio
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AMPLIFICADOR ÁUDIO COMUTADO CONVERSORES ELECTRÓNICOS DE POTÊNCIA A ALTA FREQUÊNCIA
Beatriz Vieira Borges, Carlos Ferreira e Hugo Marques
Amplificador comutado com técnicas desenvolvidas:
• Grande atenuação a fs (tremor reduzido)
• Permite fc elevado, minimizando ΔG, com ΔZout
• Permite topologias simples para conversor (meia ponte)
• THD reduzida, insensível a tp, PSRR elevado
• Sem instabilidade
Vantagens :
Entrada
Comutação FiltragemModulação e controlo OCC
>
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AMPLIFICADOR ÁUDIO COMUTADO CONVERSORES ELECTRÓNICOS DE POTÊNCIA A ALTA FREQUÊNCIA
Beatriz Vieira Borges, Carlos Ferreira e Hugo Marques
Protótipo: Conv. meia ponte, fs=333kHz fc=85kHz, +-32V
RL
Filtro
OCCRelógio
IR2110
HOHIN
LINLO
-U+5V
-U+13V U
-U
74HC02
VREF
VSS COM
VB
VCC
VS
vO
R19
680
R21 150
C11
100pF
D6
BYV27
C12
100pF
R20
680
R22 6.8
R23 6.8
C13
150nF
C14
100nF
C15
10uF
C16
100uF
C17
680uF
C18
680uF
C19
220nF
C20
220nF
D9
20V
D10
20V
D11
BYV27
D12
BYV27
D13
P6KE100
D14
P6KE100
L1 190nH
L2 190nH
Q1IRFB41N15D
Q2IRFB41N15D
D7 BYV27
D8 BYV27
RLvO
C22
68nF
L3 15.8uHComutaçãode potência
OCCVREF
LMC vO1
vO2C21
150nF
C23
330nF
L4
3.3uH
R24
5
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Beatriz Vieira Borges, Carlos Ferreira e Hugo Marques
Resultados experimentais:
relógio
vS
vINT
vO
One CycleControl
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Beatriz Vieira Borges, Carlos Ferreira e Hugo Marques
Resultados experimentais:
vO
vref
Filtro tradicional Filtro NLP
vO
vref
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Beatriz Vieira Borges, Carlos Ferreira e Hugo Marques
Resultados experimentais:
00,20,40,60,8
11,21,4
0 10 20 30 40 50 60 70
THD(% )
PO(W)
PSRR>30dB
Rendimento (% )
0
20
40
60
80
100
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1K
RLvO
FiltroComutaçãode potência
-U
U
OCCRelógio
vREF’
+_C24 1.5uF
R27
1k
+_
R26
150
R25 10k
R32 560 C25 220pF
R31 5.6kR30 15kR29 5.6k
R33 2.2k C26 1.2nF
R34 10M
R28
33k
VREF
Há a possibilidade de utilizar realimentação linear: 16dB@20kHz
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AMPLIFICADOR ÁUDIO COMUTADO CONVERSORES ELECTRÓNICOS DE POTÊNCIA A ALTA FREQUÊNCIA
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Existirá alguma forma de eliminar as
componentes de baixa frequência nos
transformadores, utilizando o processo
de modulação?
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Modulação de Fase
VA
VA com factor de ciclo 50%
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AMPLIFICADOR ÁUDIO COMUTADO CONVERSORES ELECTRÓNICOS DE POTÊNCIA A ALTA FREQUÊNCIA
Beatriz Vieira Borges, Carlos Ferreira e Hugo Marques
Modulação de Fase
VA
VB
VA com factor de ciclo 50%
VB com factor de ciclo 50% desfasado de VA
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Beatriz Vieira Borges, Carlos Ferreira e Hugo Marques
Modulação de Fase
VA
VB
VAB
φVAB com factor de ciclo igual à diferença de fase entre VB e VA
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Beatriz Vieira Borges, Carlos Ferreira e Hugo Marques
Modulação de Fase
VA
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AMPLIFICADOR ÁUDIO COMUTADO CONVERSORES ELECTRÓNICOS DE POTÊNCIA A ALTA FREQUÊNCIA
Beatriz Vieira Borges, Carlos Ferreira e Hugo Marques
Modulação de Fase
VA
VB
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AMPLIFICADOR ÁUDIO COMUTADO CONVERSORES ELECTRÓNICOS DE POTÊNCIA A ALTA FREQUÊNCIA
Beatriz Vieira Borges, Carlos Ferreira e Hugo Marques
Modulação de Fase
VA
VB
VAB
φ
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AMPLIFICADOR ÁUDIO COMUTADO CONVERSORES ELECTRÓNICOS DE POTÊNCIA A ALTA FREQUÊNCIA
Beatriz Vieira Borges, Carlos Ferreira e Hugo Marques
Modulação de Fase (MF)vs
Modulação de Largura de Impulso (MLI)
Largura dos impulsos igual nos dois tipos de modulação
Frequência de comutação dos dispositivos em MF émetade da de em MLI
Informação da polaridade da tensão de entrada é perdida na MF
t
t
MLI
MF
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AMPLIFICADOR ÁUDIO COMUTADO CONVERSORES ELECTRÓNICOS DE POTÊNCIA A ALTA FREQUÊNCIA
Beatriz Vieira Borges, Carlos Ferreira e Hugo Marques
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
Ain
f
Modulação de Fase (MF) vs
Modulação de Largura de Impulso (MLI)
Componentes de baixa frequência eliminadas em MF
Transformadores, peso e dimensões menores
Recuperação do sinal em MF, já não é possível apenas com um filtro
MF
fc
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1Ain
f
MLI
fc
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AMPLIFICADOR ÁUDIO COMUTADO CONVERSORES ELECTRÓNICOS DE POTÊNCIA A ALTA FREQUÊNCIA
Beatriz Vieira Borges, Carlos Ferreira e Hugo Marques
t
UA
UB
t
UC
UD
Implementação estéreo com modulação de fase
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AMPLIFICADOR ÁUDIO COMUTADO CONVERSORES ELECTRÓNICOS DE POTÊNCIA A ALTA FREQUÊNCIA
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Dois transformadores de alta frequência
Três braços para o conversor
Implementação estéreo com modulação de fase
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AMPLIFICADOR ÁUDIO COMUTADO CONVERSORES ELECTRÓNICOS DE POTÊNCIA A ALTA FREQUÊNCIA
Beatriz Vieira Borges, Carlos Ferreira e Hugo Marques
t
UB
UC
UA
− Factor de ciclo 50% nos três nós
− Fase fixa na tensão do nó B
− Modulação independente para os dois canais através dos desfasamentos de VA e VC em relação a VB
Implementação estéreo com modulação de fase
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AMPLIFICADOR ÁUDIO COMUTADO CONVERSORES ELECTRÓNICOS DE POTÊNCIA A ALTA FREQUÊNCIA
Beatriz Vieira Borges, Carlos Ferreira e Hugo Marques
Como recuperar o sinal áudio após o processo de
modulação de fase ?
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AMPLIFICADOR ÁUDIO COMUTADO CONVERSORES ELECTRÓNICOS DE POTÊNCIA A ALTA FREQUÊNCIA
Beatriz Vieira Borges, Carlos Ferreira e Hugo Marques
Ideia base:
1. Encontrar um processo que, a jusante dos transformadores, permita transformar os impulsos modulados em fase nos que se obteriam por modulação de largura de impulso.
2. Recuperar então o sinal através de um filtro passa baixo
t
MLI
t
MF
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Solução: Ciclo-conversor de ciclo integral
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AMPLIFICADOR ÁUDIO COMUTADO CONVERSORES ELECTRÓNICOS DE POTÊNCIA A ALTA FREQUÊNCIA
Beatriz Vieira Borges, Carlos Ferreira e Hugo Marques
Ciclo-conversor de ciclo integral
Tensões nas cargas iguais ou simétricas às tensões nos secundários dos transformadores, independentemente do sentido da corrente
Possibilidade de comutação dos dispositivos no zero da tensão• Eliminação das perdas de comutação
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AMPLIFICADOR ÁUDIO COMUTADO CONVERSORES ELECTRÓNICOS DE POTÊNCIA A ALTA FREQUÊNCIA
Beatriz Vieira Borges, Carlos Ferreira e Hugo Marques
Vsec
Vcarga
S11S12
S13S14
S11S12
S13S14
S11S12
S13S14
S11S12
S13S14
S11S12
S11S12
Ciclo-conversor de ciclo integral
MF
MLI
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IST-DEEC 2007
AMPLIFICADOR ÁUDIO COMUTADO CONVERSORES ELECTRÓNICOS DE POTÊNCIA A ALTA FREQUÊNCIA
Beatriz Vieira Borges, Carlos Ferreira e Hugo Marques
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1Ain
f
MF >MLI
Filtro de saída
fi 2 . fc
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IST-DEEC 2007
AMPLIFICADOR ÁUDIO COMUTADO CONVERSORES ELECTRÓNICOS DE POTÊNCIA A ALTA FREQUÊNCIA
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Sumário:
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• Ausência de fonte de alimentação• Transformador de alta frequência• Braço comum para os dois canais• Perdas de comutação nulas no ciclo-
conversor• Modularidade
CARACTERÍSTICAS:
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AMPLIFICADOR ÁUDIO COMUTADO CONVERSORES ELECTRÓNICOS DE POTÊNCIA A ALTA FREQUÊNCIA
Beatriz Vieira Borges, Carlos Ferreira e Hugo Marques
• Esquema do protótipo a construir
• Especificações de dimensionamento
• Conversor em ponte
• Transformador
• Ciclo-conversor
• Filtro de saída
• Realimentação
Projecto e construção do protótipo
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AMPLIFICADOR ÁUDIO COMUTADO CONVERSORES ELECTRÓNICOS DE POTÊNCIA A ALTA FREQUÊNCIA
Beatriz Vieira Borges, Carlos Ferreira e Hugo Marques
Esquema do protótipo a construir
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AMPLIFICADOR ÁUDIO COMUTADO CONVERSORES ELECTRÓNICOS DE POTÊNCIA A ALTA FREQUÊNCIA
Beatriz Vieira Borges, Carlos Ferreira e Hugo Marques
• Potência de saída 1000 W por canal• Tensão DC 400 V• Colunas de áudio com impedância
de 8 Ω• Relação do número de espiras do
transformador N1 : N2 = 4 : 1• Frequência de comutação de 132 kHz
Especificações de dimensionamento
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AMPLIFICADOR ÁUDIO COMUTADO CONVERSORES ELECTRÓNICOS DE POTÊNCIA A ALTA FREQUÊNCIA
Beatriz Vieira Borges, Carlos Ferreira e Hugo Marques
• Escolha dos Mosfets e circuitos de comando– Tensões e correntes máximas– Resistência de condução– Tempos de comutação
• Projecto do circuito de controlo– Modulação de fase– Ajuste do tempos de comutação dos MOSFETS superior e inferior
do mesmo braço– Circuito de protecção– Isolamento eléctrico entre circuito de controlo e circuito de potência
Conversor em ponte
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AMPLIFICADOR ÁUDIO COMUTADO CONVERSORES ELECTRÓNICOS DE POTÊNCIA A ALTA FREQUÊNCIA
Beatriz Vieira Borges, Carlos Ferreira e Hugo Marques
Problemas de construção:
• Aparecimento de oscilações transitórias em que se atingem correntes e tensões elevadas capazes de danificar os componentes
Amplificador Áudio Modular de Potência
Conversor em ponte
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AMPLIFICADOR ÁUDIO COMUTADO CONVERSORES ELECTRÓNICOS DE POTÊNCIA A ALTA FREQUÊNCIA
Beatriz Vieira Borges, Carlos Ferreira e Hugo Marques
Conversor em ponte
Causas:• Existência de
elementos parasitas• Presença de tensões
elevadas com declives acentuados
• Deformação das tensões de comando dos MOSFETS
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AMPLIFICADOR ÁUDIO COMUTADO CONVERSORES ELECTRÓNICOS DE POTÊNCIA A ALTA FREQUÊNCIA
Beatriz Vieira Borges, Carlos Ferreira e Hugo Marques
Soluções:• Diminuição da frequência
de comutação• Circuitos de comando
mais eficientes• Circuito de inibição de
transitórios
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AMPLIFICADOR ÁUDIO COMUTADO CONVERSORES ELECTRÓNICOS DE POTÊNCIA A ALTA FREQUÊNCIA
Beatriz Vieira Borges, Carlos Ferreira e Hugo Marques
Conversor em ponte (resultados)
• Canal 1: VA
50 V / div
• Canal 2: VB
50 V / div
• Referência 1: VAB
50 V / div
• Base Tempo:2,5 μs / div
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AMPLIFICADOR ÁUDIO COMUTADO CONVERSORES ELECTRÓNICOS DE POTÊNCIA A ALTA FREQUÊNCIA
Beatriz Vieira Borges, Carlos Ferreira e Hugo Marques
Conversor em ponte (resultados)
• Referência 1: VGS1
5 V / div• Canal 1: VGS2
5 V / div• Referência 2: VGS3
5 V / div• Canal 2: VGS4
5 V / div• Base Tempo:
2,5 μs / div
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Beatriz Vieira Borges, Carlos Ferreira e Hugo Marques
Conversor em ponte (resultados)
• Canal 1: VREF
2 V / div
• Canal 2: VMLI
5 V / div
• Base Tempo:5 μs / div
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Beatriz Vieira Borges, Carlos Ferreira e Hugo Marques
Conversor em ponte (resultados)
• Referência 1: VMLI
10 V / div
• Canal 1: VS3
10 V / div
• Canal 2: VS1
10 V / div
• Base Tempo:2,5 μs /
div
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Beatriz Vieira Borges, Carlos Ferreira e Hugo Marques
Conversor em ponte (resultados)
• Canal 1: VS1
10 V / div
• Canal 2: VS2A
10 V / div
• Referência 1: VS1A
10 V / div
• Base Tempo:2,5 μs /
div
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CA-CC-CAhf-CA
Amplificador Amplificador AudioAudio ComutadoComutado
Frequência:
[132 kHz]
Pot<2kW η<80%
Circuito de controlo
Circuito de controlo
Circuito de potênciaCircuito de potência
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