Lineaire versterker met 80% efficientie

Het capacitieve karakter van piëzo-elementen zorgt in lineaire versterkers voor veel vermogensdissipatie. Dit veroorzaakt hitte en beperkt de efficiëntie. Als daarbij sprake is van snelle uitgangssignalen dan beperkt dat de keus voor geschikte vermogensversterkers. Apex Microtechnology heeft samen met een
partner een oplossing bedacht voor inkjetprinters. Een variant op een klasse G versterker.

Een klant van Apex wilde hun industriële inkjetprinters onder de loep nemen. Meer specifiek gaat het om de aansturing van inkjetnozzles (tuitjes) van de printers die te veel energie verbruiken. De vraag was of dit efficiënter kan. De inkjetnozzles spugen inkt uit onder invloed
van een hoogspanningspuls. Door de amplitudevorm en het aantal achtereenvolgende pulsen te veranderen manipuleer je de snelheid, vorm en grootte van de druppels.

Dit is gebaseerd op een ‘omgekeerd piëzo-elektrisch effect’ waarbij een piëzo-elektrisch materiaal in een elektrisch veld mechanische krachten opwekt. Het gedrag van een nozzle lijkt elektrisch gezien op dat van een condensator. Inkjet-printerkoppen bevatten enkele honderden tot duizenden van deze nozzles. Telkens wordt een ander aantal afgevuurd waardoor de totaal aan te sturen capaciteit continu varieert tussen enkele pico Farads tot enkele honderden nano Farads. “Een enorme spreiding”, zegt Eric Boere, field application engineer bij Apex Microtechnology.


“Vanwege het capacitieve karakter van de piëzo-elementen treedt in lineaire versterkers veel vermogensdissipatie op. De veroorzaakte hitte vergt niet alleen koeling, maar beperkt ook de efficiëntie”.

PWM
Voor de aansturing van de inkjet-printerkoppen gaat het om relatief hoge spanningssignalen tot ongeveer 150 V bij pulsflanksteilheden van 45V/μs. De vermogenssignalen zijn daarmee te snel om
pulsbreedtemodulatie (PWM: Pulse Width Modulation) toe te passen. “Apex maakt klasse D versterkers en heeft samen met
een Europese universiteit het toepassen van PWM onderzocht maar er zijn vrijwel geen schakeloplossingen voor dit soort flanksteilheden. De vermogenswinst gaat niet op door de grote schakelverliezen.
Daarnaast is het erg lastig om een controlekring te verwezenlijken en blijkt het nagenoeg onmogelijk om een goed filter-ontwerp toe te passen“, vult Boere aan.

Regeneratief
Apex heeft er iets slims op bedacht. De gekozen oplossing ligt in een variatie op een klasse G versterker waarbij de schakelfrequenties
lager zijn dan bij een klasse D versterker. Een klasse G versterker varieert de voedingsspanning van een klasse AB versterker afhankelijk van het uitgangssignaal in discrete stappen. Dat geldt ook voor de gepatenteerde technologie.


“Bij klasse G bied je discrete voedingsspanningen aan naar gelang de uitgangsspanning waarbij je het verschil tussen uitgangsspanning
en voedingsspanning zo klein mogelijk wilt houden. De extra complexiteit die wij eraan hebben toegevoegd is dat wanneer de dynamisch capacitieve lading ontlaadt, dat regeneratief is. De laadstroom voert terug naar de geschakelde vermogens-elektronica
die de voedingsspanning verzorgt. Dit maakt een beduidende vermindering van het vermogensverlies mogelijk”. Multi level converter
Een gecompliceerd filter is niet nodig. De oplossing zit in een aantal schakelende componenten. Zoals een buck-converter die de spanning van 150 V terugbrengt naar 70 V, een flyback-converter die geïsoleerde spanningen van 35 V maakt en een zogenoemde
three-level cell die de spanningen optelt of aftrekt. Hierdoor heb je drie uitgangsspanningen tot je beschikking: 35 V (70-35), 70 V of 105 V (70+35). Daarnaast zijn er twee vermogensmultiplexers waarmee
je de voedingsspanning van 150 V aan de versterker kunt leveren.


In het lab
Met de nieuwe oplossing toont Apex in hun lab een halvering aan van de vermogensdissipatie. “We zijn er nog niet”, zegt Boere, “Maar we halen dit zonder verdere optimaliseringen. Er is voor een topologie gekozen waarbij het tot 70 à 80% is op te trekken”. Er zijn verschillende markten waar deze oplossing goed tot zijn recht komt. Op dit moment werkt Apex aan een soortgelijke technologie waarin ze ver gevorderd zijn. Het gaat om een product voor de ATE-industrie
(Automatic Test Equipment) om op een snelle wijze elektronische componenten zoals diodes en mosfets te kunnen testen.

Apex Microtechnology en TOP-electronics willen net als voor de ATE-industrie telkens samen met hun klanten product specifieke
oplossingen kunnen leveren die gebaseerd zijn op de gepatenteerde techniek. Daarmee is het een onderdeel van het eindproduct
van een klant. Op maat gemaakt.

Power Electronics
Op het Power Electronics event op 14 juni is Boere zeker bereid vragen te beantwoorden. Hij is in ieder geval enthousiast en positief over het behaalde resultaat.

“Met onze oplossing kun je veel facetten verbeteren, zoals het terugbrengen van de kosten voor de koeling of de operationele
kosten. Die 50% is dan eigenlijk al een heel mooi getal. Een inkjetprinter heeft al gauw 100 tot 150 versterkers nodig die nu
bij volle toeren elk 80 W dissiperen. Als je dat met de helft kunt reduceren zou dat al fantastisch zijn”.

 

Hoe zat het ook alweer?

Vermogensversterkers zijn onder te verdelen in verschillende klassen. Elk met eigen karakteristieken en rendement:

Klasse A:
De uitgangstrap versterkt de hele sinusgolf waarbij de transistor altijd ‘aan’ staat. Het levert de meest pure vorm, lineair en zuiver. Groot nadeel is de lage efficiëntie, met een rendement van rond de 30%.
Veel toegepast bij LF-signalen;


Klasse B:
Een evolutie van klasse A, bedoeld om de efficiëntieproblemen op te lossen. Bij klasse B heb je een push-pull-schakeling met twee transistoren. Nog steeds niet ideaal vanwege de vervorming bij de faseovergangen van het signaal. Rendement van ongeveer 50%;


Klasse AB:
Deze versterkers zijn behoorlijk lineair en efficiënter dan klasse A. De hitteproductie is beduidend minder. De opeenvolgende transistoren schakelen niet rond de nul-as maar ze blijven even doorwerken. Rendement van 50 tot 60%;


Klasse C:
Slechts een deel van het ingangssignaal wordt versterkt. Je kunt hiermee korte pulsen genereren met een hoog vermogen. Niet lineair, wel interessant voor vermogensversterking. Rendement ligt rond de 75%;


Klasse D:
Een ‘schakelende’ versterker waarbij de uitgangstrap constant aan en uit wordt geschakeld. Erg efficiënt (tussen de 85 en 95%) en alleen actief indien nodig. Vervormingen vang je af met filters.


Klasse G (en H):
Geen universele klasse maar door fabrikant geïntroduceerd. In essentie een klasse AB-versterker, maar met een voeding die zich aanpast naargelang de vraag. Bij een klasse G versterker wordt de voedingsspanning van een klasse AB-versterker in discrete stappen gevarieerd afhankelijk van het uitgangssignaal. Hierdoor efficiënter dan een klasse AB (boven de 80%). De keerzijde is een hogere complexiteit.

Schrijf u in voor onze lezing tijdens het Power Electronics Event

 

Ongezoet | Mobile Ongezoet | Web Ongezoet | Social Media
Ongezoet, een cross digitaal bureau Ongezoet, een cross digitaal bureau