Las tolerancias en los componentes de los circuitos, así como el envejecimiento modifican los valores de los componentes. Esto es especialmente crítico en sistemas que dependen de la resonancia ente varios componentes para su funcionamiento, como es el caso del circuito evaluado en este proyecto. Las desviaciones de los valores deben tenerse en cuenta a la hora de estimar la vida útil del sistema.
En este apartado se estudian los efectos de la modificación de los valores ideales de capacidades de primario y secundario para modelar estos efectos.
Figura 93: Prototipo con red ZVS y sin red auxiliar
5.1.4.1. Modificación de condensador de primario
Se representan en las figuras la potencia y rendimientos del frente a una variación porcentual de la capacidad del primario para cuatro situaciones:
• Sin circuito auxiliar para frecuencia fija 6.78MHz • Con circuito auxiliar para frecuencia fija 6.78MHz
• Sin circuito auxiliar compensando la reactancia de primario con la frecuencia • Con circuito auxiliar compensando la reactancia de primario con la frecuencia
Figura 94:Potencia frente a variación de condensador de primario
Variaciones de más de un 5% en el valor de la capacitancia en primario sin compensar en frecuencia suponen una modificación drástica en el funcionamiento del sistema. Esta variación reduce tanto la potencia entregada como el rendimiento muy por debajo de los requerimientos del implante. Esto es debido a la influencia de la reactancia del primario X1 sobre el rendimiento
y la potencia de salida, como modela la ecuación (3.56). La disminución en la potencia de salida a su vez en circuitos con circuito auxiliar hace perder la condición de ZVS y aumenta las pérdidas en el circuito.
Por otro lado, si se añade una compensación en frecuencia a la variación e la reactancia en primario, la potencia de salida se mantiene sobre un rango mayor de variación del condensador de primario. En esta situación la adición del circuito auxiliar permite mantener la resonancia en el secundario para cualquier frecuencia, lo que se ve traducido en una mayor potencia de salida y rendimiento en comparación a circuitos con condensadores fijos, en los que la reactancia en el secundario disminuye tanto la potencia de salida como el rendimiento.
Sin embargo, la modificación de la frecuencia de conmutación no está permitida por las limitaciones espectrales del ISM. Esta normativa específica que el 50% de la potencia emitida debe estar limitado por 30kHz alrededor de la frecuencia central fc (OBW). Una modificación
de la frecuencia de conmutación fuera del rango de f1-f2 supondría el incumplimiento de las
limitaciones en el ancho de banda.
Figura 96: Limitaciones de ancho de banda de ISM
f1 fc f2 OBW
6.765 MHz 6.78MHz 6.795MHz 30kHz
Tabla 36: Limitaciones de ancho de banda
5.1.4.2. Modificacion de condensador de secundario
Se representan en las figuras la potencia y rendimientos del frente a una variación porcentual de la capacidad del secundario para cuatro escenarios:
• Sin circuito auxiliar para frecuencia fija 6.78MHz
• Con circuito auxiliar y un condensador extra en serie para frecuencia fija 6.78MHz • Con circuito auxiliar para frecuencia fija 6.78MHz. Nótese que para este caso no tiene
sentido la consideración de la variación de C2 y se superpone a las gráficas como
comparación.
Figura 97: Prototipo con circuito auxiliar, red ZVS y condensador secundario
Figura 98: Rendimiento frente a variación de capacidad del secundario
Figura 99: Potencia frente a variación de capacidad de secundario
El efecto del circuito auxiliar en este escenario es el de anular la reactancia en el secundario para cualquier escenario. Como modelaba la ecuación 3.55) el rendimiento del circuito es dependiente de la reactancia del secundario, disminuyendo si no es completamente compensada.
Dividir la tensión resonante entre el circuito auxiliar supone una reducción de la tensión de bloqueo que sufren los dispositivos del circuito auxiliar, y por tanto unas mejores especificaciones que darán lugar a un mayor rendimiento. Sin embargo, para un dispositivo dado la adición de un condensador supone una reducción de rendimiento y potencia de salida. Como se observa en la Figura 98 y Figura 99 el efecto del circuito auxiliar para variaciones positivas de la capacidad del secundario es el de mantener la potencia y rendimiento frente al circuito que carece del circuito auxiliar. Cabe destacar que la caída de la potencia y rendimiento para variaciones negativas de la capacitancia es debida al funcionamiento en modo capacitivo del circuito auxiliar perdiendo ZVS. Esta situación puede ser evitada y tener una gráfica simétrica cambiando la fase de excitación del circuito auxiliar de 0º a 180º si se detecta una tensión negativa en el circuito auxiliar.
En vista a los resultados presentados en los apartados anteriores y las restricciones en la frecuencia de operación, la utilidad del circuito auxiliar queda relegada a la absorción de tolerancias y envejecimiento de C2. En este contexto, es de capital importancia la selección de
los materiales dieléctricos y de las tolerancias de los condensadores de primario y secundario. Por su estabilidad tanto en variaciones de tensión como en temperatura, y por su despreciable envejecimiento y factor de disipación, los únicos condensadores cerámicos válidos para aplicaciones de IPT resonante, son los de Clase I, con diléctrico NP0 o COG según los códigos IEC/EN 60384/1/8/9/21/22 o EIA RS-198. La utilización de condensadores cerámicos permite
tecnologías de condensadores como film, que pueden ofrecer la misma estabilidad, pero ocupando un espacio mucho mayor.