SOA (Safe Operating Area SOA)

26 nobembre 2016

 

SOA=“Area Operativa Sicura”

Viene definita per qualsiasi dispositivo ma in particolare per i dispositivi di potenza (quali transistor e MOSFET). Il grafico qui sotto riporta la corrente in ordinata e la tensione in ascissa. La SOA  (quando le scale sono lineari) è delimitata da due tratti rettilinei e un ramo di iperbole (isopotenza) . La figura a destra mostra una SOA rappresentata su un grafico con scala logaritmica.

 Il dispositivo, durante il funzionamento , non deve uscire dalla regione di SOA.

Nelle figure che seguono si vedono la SOA e le rette di carico per un transistor con corrente massima di 25A e tensione Vce massima di 120V. La massima potenza dissipata da questo transistor vale 125 Watt.

 

 

Area Operativa Sicura SOA  di un transistor di potenza. Il ramo di iperbole e l’ isoterma che corrisponde alla massima Potenza (temperatura) sopportata.

Come la figura a sinistra ma con assi logaritmici, come tipicamente usato nelle schede di transistor.

Larea di SOA sembra molto grande.

 

 

 

SOA e rette di carico per carico resistivo

 

la retta di carico blu porta il dispositivo oltre i limiti di dissipazione.

 

verde = 8 ohm (63 Volt)

rosa = 4 ohm.  (44 Volt)

 

Con carichi reattivi  le rette verde e rosa degenerano in ellissi e portano il dispositivo oltre i limiti di SOA.

 

 

 

Stessa SOA della figura precedente

ma con l'asse espanso, mostra rette di carico degenerate in ellissi per una impedenza di 8 ohm con  angolo di fase di 60 °.

 

 

la parte reale di una impedenza con modulo 8 e fase 60° vale 4 ohm: 4 ohm = 8 cos(60°)

 

 

Quandi il carico presenta uno svasamento tra corrente e tensione di 60° la retta di carico arancione degenera in ellisse e, per rimanere nei limiti di SOA, deve essere ridotta alla ellisse viola (riducendo la tensione di alimentazione.

 

Da qui si vede che i transistor preferiscono lavorare a bassa tensione ed alta corrente.

 

La retta di carico rappresenta lo stato di polarizzazione dei dispositivi di uscita di un amplificatore. In genere, in letteratura, si accenna al fatto che, con carichi reattivi, la retta di carico degenera in una ellisse e ciò può portare a superare i limiti di SOA (e alla distruzione del dispositivo).

Qui di seguito si vede la degenerazione della retta di carico quando l’amplificatore deve erogare corrente su un carico reattivo a tre frequenze diverse (ciascuna con una fase diversa). Si notano gli “arricciolamenti” che, nella figura centrale causano il clipping (superamento della linea rossa verticale a sinistra).

Nelle effettive condizioni d’uso la polarizzazione dei dispositivi di uscita assume andamenti molto vari (ed imprevedibili) dipendenti dal particolare programma musicale e dal particolare carico offerto dal sistema di altoparlanti.

Alla luce di questa incertezza diventa importante realizzare sistemi di altoparlanti con impedenza conforme alla normativa e con rotazioni di fase contenute. In effetti la normativa DIN per l’impedenza dei diffusori non indica un limite sulla fase ma impone un limite molto stringente sul modulo consentendo una variazione limitata a più o meno 20% che implicitamente significa variazioni di fase molto limitate.

 

Per allargare i limiti della SOA si usa impiegare più dispositivi in parallelo. In questo modo, a parità di corrente totale, ogni dispositivo viene attraversato da una frazione della corrente e dissipa una frazione della potenza disponibile.

Un amplificatore per uso audio deve essere in grado di mantenere l’erogazione di potenza per almeno 700 millisecondi. Ne segue che l’unico dato cui fare riferimento è la potenza continua misurata con entrambe i canali in funzione. La potenza “istantanea” o musicale non sono di alcuna utilità.

 

 

rette di carico degenerate a causa della reattività del carico. Sovrapposizione di più frequenze

 

Fortunatamente lo spettro dei segnali musicali ha un andamento simile al rumore rosa e quindi l’ampiezza delle componenti spettrali diminuisce con la frequenza. Ciò porta a concentrare l’attenzione sulle frequenze più basse in particolare nella regione dove i diffusori acustici presentano i picchi di impedenza con le rotazioni di fase più importanti e i minimi di impedenza con il massimo assorbimento di corrente.

I diffusori più difficili da pilotare sono quelli con le variazioni maggiori di impedenza (e fase) nelle prime ottave. Per contro la sospensione pneumatica che presenta un unico picco di risonanza (che può anche essere smorzato) sono i meno problematici.

L’amplificatore processa tutto lo spettro del segnale e una eccessiva rotazione di fase a bassa frequenza può portare al clipping della gamma media e alta producendo intermodulazione (come illustrato nella figura centrale poco sopra dove la curva supera il limite a sinistra).

 

La biamplificazione con cross-over attivi riduce drasticamente la distorsione di intermodulazione e migliora la qualità della riproduzione.

La biamplificazione “passiva” riduce solo la richiesta di corrente quindi porta dei miglioramenti più apprezzabili con gli amplificatori meno performanti.