Leistungsverstärker sind mit einer Reihe von fortschrittlichen Schaltungsschutzfunktionen ausgestattet, darunter Überspannung, Überstrom und Spannungsspitzen. Jetzt, da ganze Computersysteme mit künstlicher Intelligenz in kostengünstige System-on-Chips (SoCs) integriert werden können, ist es möglich, dass Leistungsverstärker auch Prognosefunktionen beinhalten, die nicht nur vor unmittelbaren Bedrohungen schützen, sondern auch vor potenziellen Problemen, die auftreten können.
Die Rolle von Leistungsverstärkern
Um zu verstehen, welche Rolle Leistungsverstärker spielen und warum sie wichtige elektronische Geräte sind, müssen wir zunächst wissen, was Leistungsverstärker sind. Ein Leistungsverstärker ist ein Gerät, das ein elektrisches Signal verstärkt, um dadurch Lasten anzutreiben, die weit über das hinausgehen, was das verstärkte Signal sonst erzeugen könnte.
Beispielsweise könnte der Output eines Mikrocontrollers (GPIO) niemals zum Antrieb eines großen Gleichstrommotors verwendet werden, da ein Gleichstrommotor mehrere Dutzend Ampere benötigt, um sich zu drehen, während GPIO von Mikrocontrollern im Allgemeinen nicht mehr als 20 mA zulassen. Stattdessen könnte ein Leistungsverstärker, der einige zehn Ampere liefern kann, verwendet werden, um den Gleichstrommotor mit Strom zu versorgen, während er über den GPIO-Output gesteuert wird (d. h. 20 mA werden auf einige zehn Ampere verstärkt).
Wo genau findet man Leistungsverstärker? Das oben genannte Beispiel ist ein gängiges Beispiel für Leistungsverstärker. Mikrocontroller werden oft benötigt, um große Lasten zu steuern, und dies geschieht am besten mit Hilfe eines Leistungsverstärkers.
Leistungsverstärker finden sich auch häufig in Geräten zum Energiemanagement, wie z. B. in Akkuladegeräten. Ein integrierter Schaltkreis (IC) für das Batteriemanagement ist für die Erfassung der Batteriespannung verantwortlich, während ein externer Leistungsverstärker vom IC für das Energiemanagement gesteuert werden kann, um die Batterie mit einem bestimmten Strom zu laden.
Industrielle Systeme sind eine weitere häufige Anwendung für Leistungsverstärker. Für jeden Gleichstrommotor, der in einer industriellen Umgebung eingesetzt wird, ist ein spezieller Motortreiber erforderlich, da die Stromversorgung fast immer dreiphasig ist, und diese Treiber benötigen Leistungsverstärker, die die an diese Motoren gelieferte Leistung gleichrichten und modulieren können (durch Impulsbreitenmodulation (PWM)).
Auch Hochfrequenzsysteme (RF) sind auf Leistungsverstärker angewiesen. Die Erzeugung komplexer Funksignale für den Einsatz in Mobilfunk-, RADAR- und Phased-Array-Systemen erfordert digitale High-End-Signalprozessoren, die jedoch ähnlich wie GPIOs nur wenig Strom liefern können. Stattdessen können spezielle HF-Verstärker den Output dieser Prozessoren verstärken und in RF-Energie umwandeln, die an einer Antenne zur Übertragung über große Entfernungen ankommt.
Welche gängigen Schaltungsschutzmethoden gibt es in Leistungsverstärkern?
Die großen Strom- und Spannungsschwankungen, die in Hochleistungsschaltungen auftreten, können für Halbleiterbauelemente, darunter Verstärker und Prozessoren, schädlich sein. Daher ist es üblich, dass Leistungsverstärker mit verschiedenen Schutzmethoden ausgestattet sind, um nicht nur sich selbst vor unerwartetem Schaltungsverhalten zu schützen, sondern auch externe Schaltungen (z. B. Mikrocontroller und digitale Signalprozessoren) zu schützen.
Die maximalen Nennströme in Leistungsverstärkern dienen dazu, thermische Schäden durch hohe Ströme zu verhindern (große Ströme können den Halbleiter auch auf atomarer Ebene schädigen, aber im Allgemeinen ist der Temperaturanstieg schädlicher). Daher sind in Leistungsverstärkern oft Überstromschutzschaltungen integriert, um große Stromspitzen zu verhindern.
Überspannungsschutzschaltungen (auch Transientenschutz genannt) verhindern, dass empfindliche Bauteile in einem Leistungsverstärker beschädigt werden. Sie verhindern auch den totalen Zusammenbruch eines Halbleiterübergangs. Leistungsverstärker auf MOSFET-Basis haben beispielsweise ein dünnes Gate, das bei hohen Spannungen leicht beschädigt werden kann; daher werden diese Spannungen im Allgemeinen mit einem Zener geklemmt.
Thermische Abschaltschutzsysteme verhindern eine Überhitzung von Leistungsverstärkern, was bei Hochstromanwendungen äußerst wichtig ist. Bei einigen Halbleitern kann es zu einem thermischen Durchlaufeffekt kommen, bei dem der Temperaturanstieg zu einem Anstieg der Leitfähigkeit führt, was wiederum einen weiteren Temperaturanstieg zur Folge hat. Halbleiter, die zu heiß werden, können schnell beschädigt werden und zu Leistungseinbußen führen.
Ein Sperrspannungsschutz ist ein Schutzsystem, das verhindert, dass große negative Spannungen empfindliche Halbleiterbauteile beschädigen. Bei solchen Schutzschaltungen wird häufig eine Diode in Sperrrichtung eingesetzt, die bei negativen Spannungen leitet und so den Wert begrenzt. Diese Dioden sind häufig in MOSFETs als Body-Diode zu finden und sind in Leistungsverstärkern, die induktive Lasten (z. B. Motoren) antreiben, welche große elektromotorische Gegenkräfte (EMK) erzeugen können, unerlässlich.
Welche Herausforderungen gibt es für diese Schutzmethoden?
Die gerade genannten Schutzmethoden funktionieren zwar, aber es gibt trotzdem Herausforderungen. Das bei weitem größte Problem bei solchen Schutzschaltungen ist, dass sie reaktiv sind und somit auf eine Fehlfunktion reagieren. So werden beispielsweise thermische Abschaltvorrichtungen aktiviert, wenn die Temperatur des Verstärkers einen bestimmten Schwellenwert erreicht, und Überspannungsschaltungen werden aktiviert, wenn die Spannung am Verstärker zu hoch ist.
Dies ist ein wichtiges Thema, denn auch wenn Schutzsysteme dazu dienen, Schäden zu verhindern, sind sie doch fehleranfällig. Daher besteht die Gefahr, dass ein Gerät beschädigt wird, wenn es in ein Schutzszenario gerät. Häufige thermische Abschaltungen bergen beispielsweise das Risiko, dass das Gerät mit der Zeit beschädigt wird, und stellen zudem ein potenzielles Brandrisiko dar.
Ein zusätzlicher Schutz kann durch eine aktive Überwachung von einem Mikrocontroller über Warnpins erreicht werden. Ein Leistungsverstärker kann beispielsweise über einen Ausgangsalarmstift verfügen, der bei Überspannung seinen Zustand ändert. Dies könnte vom Mikrocontroller genutzt werden, um die Stromzufuhr zu trennen, damit weitere Schäden vermieden werden. Allerdings müssen in dieser Situation immer noch Schutzschaltungen aktiviert werden, die eine Gefahr für den Leistungsverstärker darstellen.
Wie könnte künstliche Intelligenz zur Entwicklung intelligenter Leistungsverstärker genutzt werden?
Wie wäre es, wenn ein Schutzsystem Probleme im Voraus erkennen könnte, bevor sie auftreten, anstatt nur zu reagieren? Ein solcher Verstärker wäre nicht nur in der Lage, sich selbst im Voraus zu schützen, sondern könnte auch den angeschlossenen Prozessoren signalisieren, dass ein Problem bevorsteht, so dass diese Geräte ebenfalls Entscheidungen treffen könnten. Unter Fehlerbedingungen hätte dieser Leistungsverstärker sich selbst davor bewahrt, in gefährliche Betriebsbereiche einzudringen, und so den Grad der Beschädigung verringert. Aber wie kann ein solcher Verstärker gebaut werden?
Seit ihren Anfängen haben sich Algorithmen der künstlichen Intelligenz schnell von interessanten wissenschaftlichen Experimenten zu voll funktionsfähigen Systemen entwickelt, die äußerst komplexe Aufgaben erfüllen können. KI-Algorithmen können nicht nur das Verhalten komplexer Systeme zuverlässig vorhersagen, sie können auch lernen, abnormales Verhalten zu erkennen.
Eine KI, die mit einem Strommessgerät verbunden ist, könnte beispielsweise den Nennbetrieb erkennen, nachdem sie gelernt hat, wie das Nennverhalten aussehen sollte. Aber auch allmähliche Änderungen des Stroms oder der Spannung könnten als ungewöhnliches Verhalten erkannt werden, selbst wenn die Werte innerhalb des erwarteten Bereichs liegen, und dies könnte dann genutzt werden, um festzustellen, ob sich etwas geändert hat (möglicherweise eine überhitzte Komponente, ein unerwartetes angeschlossenes Gerät, ein Softwarefehler usw.).
Aufgrund dieser Vorhersagefähigkeit wird KI in viele industrielle Sensoren und Maschinen integriert, da sie die Anlagenbetreiber informieren kann, wenn die Geräte beginnen, sich abnormal zu verhalten. Zu diesem Verhalten können erhöhte Vibrationen, eine erhöhte Stromaufnahme oder höhere Betriebstemperaturen gehören, die alle auf eine erforderliche Wartung hinweisen können. Der Einsatz der vorausschauenden Wartung ermöglicht es den Anlagenbetreibern jedoch auch, künftige Wartungsarbeiten zu planen, die mit anderen Wartungsarbeiten zusammenfallen, so dass die Ausfallzeiten der Anlage reduziert werden (d. h. mehrere Maschinen werden gleichzeitig repariert, anstatt jede Maschine einzeln nach dem Auftreten von Fehlern zu reparieren).
Wenn man bedenkt, dass ganze Computersysteme in kleine System-on-Chips (SoCs) mit künstlicher Intelligenz integriert werden können, ist es möglich, dass Leistungsverstärker auch mit vorausschauenden Schaltungsschutzsystemen ausgestattet werden. Eine solche KI würde alle Aspekte des Leistungsverstärkers überwachen, einschließlich des Stromverbrauchs, der Spannung an jedem Anschluss und der Sperrschichttemperatur. Von dort aus kann der Nennbetrieb entweder durch maschinelles Lernen auf dem Chip oder über eine externe Programmierung bestimmt werden.
Wenn die KI eine ungewöhnliche Aktivität feststellt, kann der Leistungsverstärker eine Vielzahl von Aufgaben ausführen, um die beste Vorgehensweise zu bestimmen. Die erste Aufgabe könnte darin bestehen, dem Hauptsteuergerät zu signalisieren, dass ein potenzielles Problem vorliegen könnte. Wenn das anormale Verhalten weiterhin anhält, könnte der Verstärker selbst aktiv werden und Schaltungsschutzsysteme aktivieren, um den Verstärker entweder abzuschalten oder den Stromverbrauch zu reduzieren.
Darüber hinaus könnte die On-Chip-KI auch Sensordaten verwenden, um den Zustand des Geräts zu ermitteln. Wenn festgestellt wird, dass die Leistung des Leistungsverstärkers nachlässt, kann sie dem Hauptcontroller signalisieren, dass der Verstärker möglicherweise ausgetauscht werden muss.
Aber nicht nur der Schaltungsschutz könnte in einen KI-Leistungsverstärker integriert werden, sondern auch die Maximierung der Geräteeffizienz. Insbesondere bei Schaltverstärkern hängt die Effizienz des Verstärkers stark von der Schaltspannung, den Anstiegs- und Abfallzeiten und dem Spannungsabfall über dem Verstärker ab. Eine On-Chip-KI könnte die Geräteeffizienz überwachen und Korrekturen an den internen Treiberschaltungen vornehmen, um die Effizienz des Verstärkers für alle Eingangs- und Ausgangsspannungen zu maximieren.
Schließlich hat die On-Chip-KI in einem Leistungsverstärker sogar das Potenzial, Malware zu erkennen. Wie bereits erwähnt, ist künstliche Intelligenz sehr gut darin, anomales Verhalten zu erkennen, und es hat sich gezeigt, dass der von einem Prozessor verbrauchte Strom oft von den ausgeführten Aufgaben abhängt. So wird ein mit Malware infizierter Prozessor wahrscheinlich eine Veränderung des Stromverbrauchs feststellen, die von der KI eines Leistungsverstärkers festgestellt werden könnte, woraufhin ein Signal an den Hauptcontroller gesendet werden kann, das vor einer möglichen Infektion warnt.
Existieren solche Verstärker bereits?
Leider gibt es im Augenblick keinen solchen Verstärker, wofür es eine Reihe von Gründen geben kann. Erstens wäre die Integration eines SoC in einen Verstärker teuer, da die für Leistungsverstärker verwendeten Halbleiter möglicherweise nicht für SoCs geeignet sind. Ein SoC müsste also als Sekundärchip neben dem Leistungsverstärker integriert werden, wobei Verbindungskabel die beiden miteinander verknüpfen.
Zweitens gibt es bei KI-Systemen noch viel Raum für Verbesserungen, und der Versuch, eine KI in einen Leistungsverstärker zu integrieren, könnte noch einige Jahre Entwicklungsarbeit erfordern. Drittens haben Leistungsverstärker eine jahrzehntelange Entwicklungsgeschichte hinter sich, und die Schutzschaltungen, die solche Geräte bieten, sind für die meisten Anwendungen mehr als ausreichend.
Dies soll nicht heißen, dass in dem Bereich nicht geforscht wird. Eine einfache Google-Suche nach den Begriffen „künstliche Intelligenz“und „Leistungsverstärker“ liefert interessante Ergebnisse zum Einsatz von KI in Leistungsverstärkern. Ein Ergebnis, das häufig auftaucht, sind zellulare Leistungsverstärker und die Frage, wie KI zur Verbesserung der Effizienz eingesetzt werden kann (was für die Erhöhung der Bandbreite und die Senkung des Energieverbrauchs von entscheidender Bedeutung sein wird).
Fazit
Künstliche Intelligenz ist ein unglaublich leistungsfähiges Werkzeug, das sowohl eine vorausschauende Wartung als auch die Erkennung von Anomalien ermöglicht. In Anbetracht der Tatsache, dass einzelne Sensoren jetzt mit Vorhersagefunktionen integriert werden, ist klar, dass Leistungsverstärker reif für die Integration von KI sind. Ein Leistungsverstärker mit KI wäre nicht nur in der Lage, Entscheidungen auf der Grundlage seines aktuellen Zustands zu treffen, sondern könnte auch dazu beitragen, eine zentrale Steuerung von Aufgaben der Energievorhersage zu entlasten.
Darüber hinaus wäre eine in einen Leistungsverstärker integrierte KI in der Lage, seine eigenen Leistungsmerkmale anzupassen, um die Effizienz zu maximieren, was angesichts der steigenden Energiekosten und der damit verbundenen Umstellung auf erneuerbare Energiequellen immer wichtiger wird.