Los amplificadores de potencia vienen con una gran variedad de funciones de protección de circuitos, que incluye la sobretensión, la sobrecorriente y la tensión transitoria. Ahora que hay sistemas informáticos con capacidades de inteligencia artificial que pueden integrarse en sistemas en chip (SoC) de bajo costo, es posible que los amplificadores de potencia también puedan integrar capacidades predictivas, no solo para proteger de amenazas inmediatas, sino para evitar que se produzcan posibles problemas.
El papel de los amplificadores de potencia
Para comprender el papel que desempeñan los amplificadores de potencia y por qué son dispositivos electrónicos esenciales, primero debemos comprender qué son los amplificadores de potencia. Un amplificador de potencia es un dispositivo que amplifica una señal eléctrica para generar cargas mucho mayores que las que podría producir la señal que se amplifica.
Por ejemplo, una salida de puerto GPIO de microcontrolador nunca podría usarse para potenciar un motor de CC, ya que un automóvil con motor de CC requiere decenas de amplificadores para comenzar a encenderse, mientras que el puerto GPIO de los microcontroladores generalmente no permite más de 20 mA. En lugar de eso, podría usarse un amplificador de potencia capaz de proporcionar decenas de amperios para alimentar el motor de CC mientras que lo controla una salida de puerto GPIO (es decir, 20 mA se estarían amplificando a decenas de amperes).
Entonces, ¿dónde se encuentran exactamente los amplificadores de potencia? Un ejemplo común de amplificadores de potencia es el ejemplo dado anteriormente. Los microcontroladores generalmente deben controlar grandes cargas, y esto se hace mejor mediante el uso de un amplificador de potencia.
Los amplificadores de potencia también se encuentran comúnmente en los dispositivos de administración de potencia, como, por ejemplo, los cargadores de batería. Un circuito integrado (IC) de administración de la batería es responsable de detectar la tensión en una batería mientras que un amplificador de potencia externo puede estar controlado por el IC de administración de potencia para cargar la batería con una corriente específica.
Los sistemas industriales son otra aplicación común para los amplificadores de potencia. Cualquier motor de CC usado en un entorno industrial requerirá un controlador de motor especializado, ya que la potencia casi siempre es CA de tres fases, y estos controladores requerirán amplificadores de potencia que puedan rectificar y modular la potencia (a través de la modulación por ancho de pulsos [PWM]) que va hacia estos motores.
Los sistemas de frecuencia de radio (RF) también dependen de los amplificadores de potencia. Generar señales de radio complejas para utilizar en antenas celulares, de radar y en fase requiere procesadores de señales digitales de primer nivel, pero estos son similares a los puertos GPIO en el hecho de que no pueden obtener demasiada corriente. En lugar de eso, los amplificadores RF especiales pueden amplificar la salida de estos procesadores y convertirla a energía de RF en una antena para lograr una transmisión de alto alcance.
¿Qué métodos comunes de protección de circuitos existen en los amplificadores de potencia?
Las grandes variaciones de corriente y tensión que están presentes en los circuitos de alta potencia pueden ser perjudiciales para los dispositivos semiconductores, incluidos los amplificadores y los procesadores. Por esta razón, es común ver amplificadores de potencia integrados con varios métodos de protección, no solo para protegerse a sí mismos de comportamientos inesperados del circuito, sino para proteger a los circuitos externos (como los microcontroladores y los procesadores de señales digitales).
Los valores nominales de corriente máximos en los amplificadores de potencia existen para prevenir los daños térmicos causados por las corrientes altas (las mayores corrientes también pueden dañar el semiconductor a una escala atómica, pero, por lo general, el aumento de temperatura es más dañino). Por esta razón, los amplificadores de potencia frecuentemente integran circuitos de protección de sobrecorriente para evitar grandes picos en el consumo de corriente.
Los circuitos de protección de sobrecorriente (también conocidos como protección transitoria) previenen que se dañen componentes sensibles en un amplificador de potencia. También evitan la ruptura total de una unión de semiconductor. Por ejemplo, los amplificadores de potencia basados en el MOSFET tienen una compuerta delgada que puede dañarse fácilmente con la alta tensión; por lo tanto, estas tensiones se suelen fijar usando un Zener.
Los sistemas de protección de apagado térmico evitan que los amplificadores de potencia se sobrecalienten, y esto es extremadamente importante en las aplicaciones de alta corriente. Algunos semiconductores pueden sufrir de un efecto de fuga térmica, en el que el aumento de temperatura provoca un aumento en la conducción, lo que, a su vez, provoca un mayor aumento en la temperatura. Los semiconductores que se calientan demasiado pueden deteriorarse rápidamente, y eso puede llevar a una degradación del rendimiento.
La tensión inversa es un sistema de protección que previene que las grandes tensiones negativas dañen los componentes sensibles del semiconductor. Esos circuitos protectores generalmente involucran el uso de un diodo en modo de polarización inversa para que conduzca electricidad en presencia de tensiones negativas y, de esta manera, fije el valor. Generalmente se encuentran en los MOSFET como diodo de cuerpo y son esenciales en los amplificadores de potencia que alimentan cargas inductivas (como los motores) y que pueden generar grandes fuerzas electromotrices traseras (EMF).
¿A qué desafíos se deben enfrentar estos métodos de protección?
Aunque los antes mencionados métodos de protección funcionan, también presentan algunos desafíos. Por lejos, el mayor problema con estos circuitos de protección es que son reaccionarios, por lo que responden cuando algo sale mal. Por ejemplo, el circuito de apagado térmico se activará cuando la temperatura del amplificador llegue a un umbral definido, y los circuitos de sobretensión se activan si la tensión de todo el amplificador es demasiado grande.
Este es un problema porque, aunque los sistemas de protección están diseñados para evitar los daños, pueden fallar. Por esta razón, un dispositivo corre el riesgo de sufrir daños si experimenta una situación de protección. Por ejemplo, si se producen apagados térmicos frecuentes, se corre el riesgo de degradación del dispositivo con el tiempo, además de haber posibles riesgos de incendio.
Se puede lograr una mayor protección mediante el monitoreo activo de un microcontrolador a través de pines de alerta. Por ejemplo, un amplificador de potencia puede tener un pin de alerta de salida que cambie de estado cuando se produzca sobretensión, y este podría ser utilizado por el microcontrolador para desconectar la energía y, así, prevenir mayores daños; sin embargo, esta situación sigue requiriendo de un circuito de protección para activarse, lo que hace que el amplificador de potencia corra riesgos.
¿Cómo podría usarse la inteligencia artificial para crear amplificadores de potencia inteligentes?
En lugar de crear sistemas de protección que sean reaccionarios, imagine si un sistema de protección pudiera predecir problemas antes de que ocurran. Este amplificador no solo podría protegerse a sí mismo de las condiciones con anticipación, sino que también podría avisarles a los procesadores conectados que se está por producir un problema, lo que les permitiría a los dispositivos tomar decisiones. Bajo condiciones de falla, este amplificador de potencia hubiera evitado ingresar en zonas operativas peligrosas y hubiera reducido la cantidad de degradación a la que se expuso. Pero, ¿cómo podría construirse un amplificador así?
Desde sus comienzos, los algoritmos de inteligencia artificial se transformaron con rapidez de interesantes experimentos científicos en sistemas completamente funcionales capaces de realizar tareas muy complejas. Los algoritmos de IA no solo pueden predecir comportamiento en sistemas complejos, sino que pueden aprender a reconocer comportamiento anormal.
Por ejemplo, una IA conectada con un dispositivo de medición de potencia podría reconocer la operación nominal después de aprender cómo debería ser un comportamiento normal. Sin embargo, incluso los cambios graduales de la corriente o la tensión podrían detectarse como comportamiento inusual, incluso si los valores estuvieran dentro del rango esperado, y esto podría usarse para determinar si algo cambió (posiblemente un componente de sobrecalentamiento, un dispositivo inesperado que se conectó, un error de software, etc.).
Esta capacidad predictiva podría integrar la IA en muchos sensores y maquinarias industriales, ya que puede informarles a los operadores de planta si el equipo está comenzando a comportarse anormalmente. Este comportamiento podría incluir una mayor vibración, un mayor consumo de corriente o mayores temperaturas de operación, y todo esto podría indicar una necesidad de servicios mantenimiento. Sin embargo, el uso de mantenimiento predictivo también permite que los operadores de planta planifiquen servicios futuros que coincidan con otros trabajos de mantenimiento para que el tiempo improductivo se reduzca (es decir, se pueden arreglar varias máquinas al mismo tiempo, en lugar de arreglar cada máquina individualmente después de que se produzcan las fallas).
Considerando que hay sistemas informáticos que pueden integrarse en pequeños SoC con capacidades de inteligencia artificial, es posible que a los amplificadores de potencia se les puedan incorporar sistemas predictivos de protección de circuitos. Esta IA monitorearía todos los aspectos del amplificador de potencia, incluido el consumo de corriente, la tensión en cada terminal y la temperatura de unión. Desde allí, la operación nominal puede determinarse mediante el aprendizaje automático en el chip o con un programador externo.
Si la IA detecta una actividad inusual, el amplificador de potencia podría realizar muchas tareas para determinar el curso de acción adecuado. La primera tarea podría ser enviarle una señal al controlador principal de que podría haber un posible problema. Si el comportamiento inusual continúa, el amplificador podría tomar el control y hacer que los sistemas de protección de circuitos apaguen el amplificador o reduzcan el consumo de corriente.
Además, la IA en el chip también podría usar datos del sensor para determinar el estado del dispositivo. Si se determina que el rendimiento del amplificador de potencia se está degradando, puede enviarle una señal al controlador principal para indicarle que el amplificador podría necesitar un reemplazo.
Pero no es solo la protección de circuitos a la que podría integrarse un amplificador de potencia con IA, también podría usarse para maximizar la eficiencia del dispositivo. Especialmente al cambiar de amplificador, la eficiencia del amplificador depende de la tensión de conmutación, los tiempos de ascenso y caída y la caída de tensión en todo el amplificador. La IA en el chip podría monitorear la eficiencia del dispositivo y hacer correcciones en los circuitos conductores internos a fin de maximizar la eficiencia del amplificador para todas las tensiones de entrada y de salida.
Por último, la IA en el chip en un amplificador de potencia incluso tiene el potencial de controlar el malware. Como se estableció anteriormente, la inteligencia artificial es muy buena para detectar comportamiento anormal, y resulta que la corriente consumida por un procesador suele depender de las tareas que se están ejecutando. Entonces, un procesador que está infectado con malware probablemente tenga un cambio en el consumo de corriente, y esto es algo que podría detectar la IA de un amplificador de potencia, ya que podría enviar una señal al controlador principal para advertirle de una posible infección.
¿Ya existen amplificadores así?
Lamentablemente, todavía no existen en la actualidad este tipo de amplificadores, y esto podría deberse a varias razones. Por un lado, integrar un SoC en un amplificador sería caro, ya que los semiconductores usados para alimentar los amplificadores podrían no ser aptos para los SoC. Por esta razón, un SoC tendría que ser un chip secundario integrado junto al amplificador de potencia con cables que los unan.
Por otro lado, los sistemas de IA todavía deben mejorar mucho, y tratar de integrar la IA en un amplificador de potencia podría requerir varios años más de desarrollo. En tercer lugar, los amplificadores de potencia han pasado por décadas de desarrollo, y el circuito de protección ofrecido por tales dispositivos es más que suficiente para la mayoría de las aplicaciones.
Eso no quiere decir que no se estén realizando investigaciones en el área. Una simple búsqueda de Google de los términos “inteligencia artificial” y “amplificador de potencia” le mostrará unos resultados interesantes sobre el uso de la IA en los amplificadores de potencia. Un resultado que suele aparecer con frecuencia es sobre los amplificadores de potencia celulares y cómo utilizar la IA para mejorar la eficiencia (algo que será esencial para aumentar el ancho de banda y para reducir la cantidad de energía utilizada).
Conclusión
La inteligencia artificial es una herramienta increíblemente poderosa que ofrece capacidades de mantenimiento predictivo además de detección de anomalías. Considerando que los sensores individuales ahora se están integrando con capacidades predictivas, se entiende que los amplificadores de potencia están listos para una integración de IA. Un amplificador de potencia con IA podría no solo tomar decisiones según su estado actual, sino que también podría ayudar a descargar tareas predictivas de energía de un controlador central.
Además, una IA integrada a un amplificador de potencia podría ajustar sus propias características de rendimiento para maximizar la eficiencia, algo que se está volviendo cada vez más importante con el aumento de los costos de la energía y el posterior cambio a usar recursos de energías renovables.