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Ampliación del ancho de banda útil de una fuente de alimentación programable para generar formas de onda sinusoidales

Introducción

 

Muchas aplicaciones requieren la generación de formas de onda de tensión sinusoidales en cargas capacitivas de baja impedancia de AC. Es lo que ocurre, por ejemplo, cuando hay que emular el zumbido del alternador de un automóvil para comprobar la capacidad que tiene un sistema estéreo para rechazar ruido. Estas aplicaciones pueden requerir la generación de formas de onda de hasta 20 kHz con amplitudes de pico a pico de 500 mV en una carga capacitiva de hasta 1 mF-1 F. 

Dado que una fuente DC necesita alimentación de potencia en combinación con una frecuencia relativamente alta, este tipo de pruebas suele requerir un amplificador de potencia de alto ancho de banda que alimente la parte AC de la forma de onda junto con una fuente de alimentación que proporcione la tensión DC. Muy pocas fuentes de alimentación programables con capacidad para modular la salida tienen el ancho de banda especificado para alimentar frecuencias suficientemente altas sin atenuación, y los amplificadores de potencia de audio no disponen de suficiente capacidad de alimentación para excitar estas cargas de baja impedancia. Dadas estas capacidades combinadas, los tipos de amplificadores de potencia empleados en esta configuración suelen resultar caros y ser específicos para cada aplicación.  

Si pudiéramos utilizar una fuente de alimentación programable de uso general para pruebas como estas, ya no necesitaríamos amplificadores caros y especializados. Asimismo, se simplificaría considerablemente la configuración de las pruebas, ya que la tensión DC y la parte AC podrían alimentarse desde el mismo dispositivo. 

Afortunadamente, la limitación del ancho de banda de programación de una fuente de alimentación no impide programar formas de onda sinusoidales por encima de esa frecuencia. El intento de programar una forma de onda sinusoidal de tensión más allá del ancho de banda especificado de una fuente de alimentación programable produce simplemente la atenuación de la parte de AC de la forma de onda. Dado que la atenuación es predecible, es posible cuantificarla para frecuencias mucho más allá del ancho de banda nominal. Calculando cómo compensar esta atenuación en cada frecuencia especificada es posible alimentar formas de onda de la amplitud deseada hasta frecuencias muy superiores al ancho de banda de programación especificado. El ancho de banda útil de una fuente de alimentación menos costosa y nominalmente más lenta se puede ampliar con efectividad para generar formas de onda sinusoidales.  

 

Ancho de banda de la fuente de alimentación

 

La principal limitación para el ancho de banda de programación de una fuente de alimentación suele ser el ancho de banda de control, es decir, la frecuencia en la cual comenzará la atenuación debido a las limitaciones del sistema de realimentación que controla la tensión. Por ejemplo, si programamos una forma de onda sinusoidal relativamente lenta cuya frecuencia es muy inferior al ancho de banda de control de la fuente, el sistema de retroalimentación permitirá que la tensión de la salida se mantenga fácilmente en el nivel de la entrada de referencia móvil. Sin embargo, si intentamos programar una forma de onda sinusoidal rápida más allá del ancho de banda de control, la compensación no podrá mantener el nivel, y la salida será una versión atenuada y retardada de la entrada de referencia. Esta compensación de la retroalimentación se ve limitada por diseño para asegurar una buena estabilidad de la fuente y es posible que se pueda cambiar esta compensación.  

 

Atenuación debida a la configuración de carga

 

Otra fuente de atenuación que debe tenerse en cuenta es la configuración de carga e hilos. Si tiene hilos largos con resistencia e inductancia en serie y una gran carga capacitiva, se formará un filtro LC bipolar. Aunque la propia fuente de alimentación fuera una fuente de tensión ideal con ancho de banda infinito, la tensión sinusoidal que detecta la carga capacitiva se atenuaría significativamente después de la frecuencia angular de este filtro LC. La respuesta de frecuencia de la atenuación debida a la configuración de carga se puede predecir calculando los valores de resistencia, condensador e inductor y sus respectivas impedancias en las frecuencias de interés.   Por ejemplo, si tiene hilos de carga con una inductancia total (L) de 1 µH con resistencia en serie (R) de 10 mΩ y una capacitancia de carga (C) de 20 mF, la ganancia desde la “tensión de los terminales de la fuente de alimentación” hasta la “tensión de carga” comenzará a atenuarse progresivamente después de  

 

 

                           ≈ 1,6 kHz 

 

y se acercará rápidamente a una tasa de atenuación de 40 dB/década (véase la Figura 1). En este ejemplo, las formas de onda sinusoidales programadas con una frecuencia de 1,6 kHz se verán atenuadas por un factor de dos desde los terminales hasta la carga, las formas de onda de 5 kHz experimentarán un factor de atenuación de 20 y las formas de onda de 16 kHz, una atenuación de 200. El factor de atenuación debido a la configuración de carga e hilos se multiplica por la atenuación procedente del ancho de banda de control de la fuente de alimentación para producir la atenuación total.  Al minimizar la inductancia y la capacitancia se maximizará la frecuencia en la que comienza la atenuación.  La inductancia es aproximadamente de 20 nH por pulgada de longitud del hilo de carga, por lo que el uso de hilos más cortos reducirá la inductancia. Trenzar los hilos positivos y negativos puede reducir la inductancia alrededor de la mitad para una longitud determinada, y el uso de cables especiales de baja inductancia puede hacer que disminuya aún más. Puede resultar difícil reducir la capacitancia si el dispositivo sometido a prueba requiere un determinado valor. La resistencia equivalente en serie (ESR) del condensador puede limitar la atenuación, pero también limitará la capacidad del condensador para minimizar la caída transitoria en el ruido de la tensión de filtro y de la tensión de carga de la fuente de alimentación.

 

Compensación de la atenuación

 

Si desea programar formas de onda sinusoidales discretas de determinadas amplitudes cuyas frecuencias superen las limitaciones de ancho de banda mencionadas, deberá calcular o medir la cantidad de atenuación que se produce en cada frecuencia. La idea básica es programar inicialmente una forma de onda con la amplitud deseada a una frecuencia determinada, medir la amplitud de AC de la forma de onda de salida de la carga y dividir la amplitud programada por la amplitud de salida para obtener un factor de atenuación. Para programar formas de onda en esta frecuencia se compensa la forma de onda programada con el factor de atenuación (véase la Figura 2). 

La generación de una tabla de factores de atenuación en función de la frecuencia para una configuración de carga determinada le permitirá compensar automáticamente la atenuación en todas las pruebas sucesivas para la misma configuración de la carga. Algunas fuentes de alimentación programables avanzadas tienen capacidades de digitalizador y un ancho de banda de medida muy superior al ancho de banda de control. Estas fuentes pueden permitir que este proceso de medida de la atenuación en función de la frecuencia se realice de forma autónoma sin necesidad de un osciloscopio que mida la amplitud. Por ejemplo, podría escribirse una rutina en MATLAB o en VBA para Microsoft® Excel® para programar una forma de onda sinusoidal de una frecuencia determinada, medir y calcular la amplitud real de la salida utilizando medidas digitalizadas de tensión de salida de la fuente de alimentación, y luego calcular la atenuación resultante. Este proceso se puede repetir para una lista fija de frecuencias hasta el máximo permitido por el ancho de banda de medida. Esto sería especialmente útil si la configuración de carga estuviera sujeta a cambios frecuentes y necesitáramos una manera rápida de recalcular la respuesta de frecuencia. Un ejemplo destacado de familia de fuentes de alimentación con esta capacidad es el Sistema de alimentación avanzado de la Serie N7900 de Agilent.

 

Limitaciones prácticas de la compensación de amplitud

 

La capacidad para compensar la atenuación de amplitud de una fuente de alimentación tiene varias limitaciones. Supongamos un escenario en el que desea programar una forma de onda de 5 Vpp y 20 kHz con un nivel de 12 V DC utilizando una fuente de alimentación de 24 V. A primera vista, estos valores parecen estar dentro de los rangos de la fuente, ya que la tensión de carga máxima será de 14,5 V y la mínima de 9,5 V. El ancho de banda de programación es de 2 kHz, por lo que la atenuación debida a la fuente de alimentación podría ser de alrededor de 14 si la compensación del bucle de control está atenuándose progresivamente a 20 dB/década. Si los hilos de carga tienen una inductancia de 1 µH y una resistencia de 10 mΩ, y la capacidad de carga es de 1 mF, el factor de atenuación debido a la configuración de carga e hilos será de alrededor de 5. La atenuación total será de 70. En teoría, habría que programar la parte sinusoidal de la forma de onda para que fuera de 350 Vpp y terminara con la amplitud deseada en la salida. Obviamente, la fuente de alimentación no tendría funcionalidad para permitir valores programados tan grandes.  Es necesario comprobar que la forma de onda de programación de tensión compensada no supera los rangos de la fuente. En caso contrario, la fuente de alimentación será incapaz de generar la forma de onda deseada.Además, las limitaciones de corriente de protección interna de la fuente de alimentación pueden inhibir su capacidad para alimentar formas de onda de alta frecuencia con amplitudes relativamente grandes. Incluso si la amplitud se encuentra dentro de los rangos de la fuente, la pendiente de las transiciones (“slew rate”) requerida puede ser demasiado alta para que la fuente de alimentación genere la forma de onda. Si intenta programar estas formas de onda, pueden quedar distorsionadas y un tanto triangulares. Este efecto se agrava para cargas de baja impedancia y alimentación de corriente DC de nivel superior. Si la baja distorsión es deseable para las pruebas, conviene revisar la forma de onda de salida real para asegurarse de que es un sinusoide limpio.  

 

Conclusión

 

La ampliación del ancho de banda útil de una fuente de alimentación programable puede ayudarle a sacar a su equipo más rendimiento del previsto inicialmente. También permite comprar equipos menos costosos para realizar las mismas pruebas.



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