Anatomie der Breitengrade Teil Eins: Pulsweitenmodulation (PWM) als Ergebnis der Evolution linearer Systeme

Großartige Ideen und intelligente Lösungen

Es gibt verschiedene Techniken in der Welt der Technologie, um verschiedene Ziele zu erreichen, sowohl endgültige als auch Zwischenziele. Einige Techniken sind so erfolgreich, dass sie häufig mit hoher Effizienz eingesetzt werden. Die Elektronik ist keine Ausnahme. Großartige Ideen und geniale Lösungen werden in diesem Bereich wahrscheinlich mehr als in anderen Ingenieursdisziplinen gefunden und angewendet. Das größte Beispiel ist die Verwendung von Pulsweitenmodulation (PWM) Signalen (Energie), die in jedem modernen elektronischen Gerät eingesetzt wird, egal ob es sich um einen Autopiloten, ein Smartphone, ein Tablet, einen Laptop, einen LED-Scheinwerfer oder sogar ein elektronisches Spielzeug handelt, und hilft, die folgenden Probleme effektiv und wirtschaftlich zu lösen:

• Spannungs- oder Stromumwandlung zur Stromversorgung einzelner Schaltkreise, Knoten und Einheiten eines elektronischen Geräts (Stabilisierung der Versorgungsspannung für Schaltkreise, Stromstabilisierung für LED-basierte Beleuchtungseinrichtungen)
• Hochgradig effiziente Verstärkung des Leistungsbereichs des Audiosignals (Audio-Leistungsverstärker der Klasse D mit einer Effizienz nahe 100%)
• Steuerung von Aktuatoren wie hydraulischen oder pneumatischen Ventilen (Antriebe von aerodynamischen Flächen von Flügeln, Rudern von Flugzeugen und Raketen, automatische Getriebe von Autos, Steuereinheiten von Verbrennungsmotoren und Turbinen, industrielle Automatisierung im weitesten Sinne)
• Umwandlung eines digitalen Codes in einen spezifischen proportionalen Spannungs- oder Stromwert (eine Alternative zu vielen DACs)
• Übertragung von Informationen (einschließlich Ausführungsbefehlen) über die Position des Betriebsgeräts (z. B. Steuerung von UAV- und Roboterlenkgetrieben)

Diese Tatsache setzt PWM an die Spitze der Liste für eingehende Studien und Überprüfungen in realen und praktischen Anwendungen.

Um PWM effektiv anzuwenden, ist es notwendig, die technischen Schwierigkeiten zu verstehen, mit denen Ingenieure in der Vergangenheit konfrontiert waren, und die Gedanken und Ideen, die anschließend zu effektiven, vollständigen PWM-Leistungslösungen kombiniert wurden.

Technische Schwierigkeiten

Als Beispiel gibt es ein Gerät, das eine stabilisierte Versorgungsspannung von 5V benötigt und einen Strom von 2A verbraucht. Wir haben ein Netzteil mit einer Ausgangsspannung von 10V bis 36V. Wie können wir es verwenden, um unser Gerät zu versorgen? Der erste Gedanke ist, einen linearen Regler zu verwenden, um die überschüssige Eingangsspannung über 5V zu "verbrauchen". Daher erstellen und simulieren wir einen linearen Spannungsregler für unser Gerät und analysieren seine Eigenschaften mit Altium Designer - Mixed Simulation*.

Hinweis: Um das Problem der Suche nach Komponenten mit speziellen Eigenschaften zu eliminieren, wird ein Schaltplan unter Verwendung der elektronischen Komponenten der Standardbibliothek Simulation Generic Components erstellt, die in Altium Designer integriert ist.

In dem neuen Projekt erstellen wir das Schaltbild "Linearer Regler" basierend auf dem Operationsverstärker.

Das vorgestellte Schaltbild ist weitgehend idealisiert und besteht nur aus Komponenten, die lediglich die Idee repräsentieren. Der Operationsverstärker vergleicht die Referenzspannung V2 Ref mit der Spannung am R1 und wendet die Steuerungsaktion auf den bipolaren Junction-Transistor Q1 an, der die Funktion eines Regulierungselements hat. In unserem Fall hält das Schaltbild die Ausgangsspannung V(Last)=5V gleich der Referenzspannung V(Ref).

Beachten Sie den Wert von R1. Der Simulator ermöglicht es Ihnen, nicht nur strikte Werte einzugeben, sondern auch mathematische Darstellungen und Abhängigkeiten als Wert. In unserem Fall ist dies die Formel des Ohmschen Gesetzes: 5V/2A, d.h. 2,5 Ohm, und natürlich können Sie anstelle eines Bruchs einfach 2,5 schreiben und das Ergebnis wird dasselbe sein.

Um Spannungen in den Schaltplan-Knoten anzuzeigen, führen Sie die Berechnung des Arbeitspunktes durch und wählen Sie dann die Anzeige der erforderlichen physikalischen Größen aus: Spannung, Leistung, Ströme.

Aber die Ausgangsbedingung ist folgende: Die Quelle erzeugt Spannungen im Bereich von 10-36V, daher ist es wichtig für uns zu sehen, wie sich der Schaltplan unter diesen Bedingungen verhält, d.h. wir müssen die Funktion V(Last)(V(V1)) aufbauen. Dies ermöglicht es uns, die folgende Art der DC-Sweep-Analyse zu konfigurieren.

• Wählen Sie im DC-Sweep den V1-Parameter aus, den wir ändern werden, und geben Sie seinen Bereich von 10-36V mit 0,1V Schritt an.

  

• Im Dialog "Ausdruck hinzufügen" geben Sie den Wert an, den wir auf Plot 1 sehen möchten (+Hinzufügen).
  

• Als Ergebnis haben wir eine Funktion V(Load)(V(V1)) konfiguriert, um auf dem Diagramm angezeigt zu werden.

• Führen Sie die Berechnung durch, indem Sie im Feld DC Sweep auf Run klicken; der Simulator zeigt sofort das Diagramm an.

• Abszissenachse - Eingangsspannung V(V1)

• Ordinatenachse - Lastspannung V(Load) gleich 5 Volt

Wir können sehen, dass das Schema im gesamten Bereich der Eingangsspannung korrekt funktioniert.

Lassen Sie uns die Effizienz dieser Lösung bewerten. Wir müssen die Gesamtleistung des Schemas, die der Ausgangsleistung der Quelle V1 entspricht, mit der effektiven Leistung in der Last R1 vergleichen. Dazu fügen wir (+Add) im Dialog Add Output Expression im DC Sweep neue Funktionen zur Eingangsspannung V(V1) an den erforderlichen Komponenten, wie P(R1), (V(V1)) und P(V1)(V(V1)), hinzu und zeigen sie auf Plot 2 an.

Führen Sie den DC Sweep aus und überprüfen Sie die Diagramme.

Wenn die Eingangsspannung 10V beträgt, ist die Leistung in der Last halb so groß wie die Leistung aus dem Netzteil, d.h. die Schaltungseffizienz beträgt 50%. Wenn die Spannung 36V beträgt, können Sie den Wert auch mit einem Taschenrechner bewerten. Der Simulator kann dies jedoch klarer durchführen. Es ist notwendig, im gleichen DC-Sweep-Funktion (+Hinzufügen) zum Dialog "Ausdruck hinzufügen" hinzuzufügen, um die Effizienz der Schaltung zu berechnen.

Geben Sie „P(R1) / P(V1) ) von V(V1) * 100“ als Ausdruck ein und platzieren Sie das Ergebnis auf Plot 3.

Führen Sie den DC-Sweep aus und überprüfen Sie die Plots.

Das Ergebnis ist enttäuschend. Plot 3 zeigt deutlich, wie die Versorgungsspannung der Schaltung zunimmt und ihre Effizienz linear von 50% auf 14% abnimmt. Wenn wir eine solche Schaltung erstellen, wären die Kosten für den Kühler mehrmals höher als die Gesamtkosten des elektronischen Teils dieser Schaltung, ohne die geringe Effizienz der Energieverwendung zu berücksichtigen. Dieses Szenario veranlasst uns, nach Lösungen zu suchen, die die Effizienz der Energietransformation verbessern werden.

Trotz des negativen Ergebnisses können wir potenziell vielversprechende Ergebnisse erkennen. In dieser Situation gibt es eine Steigerung der Effizienz des Schaltplans, während der Spannungsabfall am Regulierungselement reduziert wurde. Was bedeutet das?

„Über-den-Horizont“-Perspektiven

Nun, sehen wir uns den äquivalenten Widerstand des Regulierungselements von der Eingangsspannung an. Um dies zu tun, teilen wir gemäß dem Ohmschen Gesetz den Spannungsabfall über dem Regulierungselement durch den Strom, der durch es fließt, wie unten beschrieben.

• Rq1 = (Vquelle - Last) / IcQ1 (da der Basisstrom des Transistors Q1 viel kleiner als die Kollektor- und Emitterströme ist, ignorieren wir ihn und nehmen an, dass die Kollektor- und Emitterströme gleich sind)

• Ein DC-Sweep wird uns helfen. Lassen Sie uns diesen Ausdruck zum Dialog „Ausdruck hinzufügen“ hinzufügen (+Add).

Hinweis: Zur Vereinfachung drücken wir das Verhältnis 1/IcQ1 als (IcQ1)^-1 aus, so dass die Funktion wie folgt lautet: (Vquelle-Last)*ic(Q1)^-1:

Lassen Sie uns einen Blick auf die gesamte Liste der Plots werfen, die wir erstellt haben.

Führen Sie den DC-Sweep durch und überprüfen Sie dann die Plots.

Das untere Diagramm zeigt die Änderung des äquivalenten Widerstands Rq1 des Transistors Q1. Wenn die Effizienz steigt, sinkt Rq1, d.h. je niedriger der Widerstand des Regelungselements, desto höher die Effizienz. Lassen Sie uns untersuchen, was passieren wird, wenn der Widerstand des Regelungselements null wird und überprüfen, wo und welche Art von Leistung erzeugt wird. Lassen Sie uns den Transistor Q1 durch den Widerstand R2 ersetzen und sehen, wie sein Widerstand das Leistungsgleichgewicht im Schaltplan beeinflusst (die Spannung an der Last R1 interessiert uns nicht).

Um dies zu tun, fügen wir dem Schaltplan einen Widerstand hinzu und verbergen die elektronischen Komponenten, die nicht verwendet werden, mit der Kompilierungsmaske.

8:35

Dieses Mal deaktivieren wir (löschen nicht) zuvor berechnete unnötige Abhängigkeiten im DC-Sweep, indem wir die entsprechenden Kästchen abwählen.

Wählen Sie den R2-Parameter im DC-Sweep (den wir ändern möchten), dann geben wir den Bereich von 0-100 Ohm mit 0,1 Ohm Schritt an und fügen im Dialog "Ausdruck hinzufügen" neue Funktionen hinzu: P(R2) und P(R1) auf R2.

Führen Sie den Gleichstrom-Durchlauf durch. Es wird viele Fehler geben, die in der Nähe des unteren Randes des Nachrichtenfensters unter den Diagrammen angezeigt werden.

Wir haben alles richtig gemacht, aber es gibt einige Einschränkungen bei der Arbeit mit dem Simulator, die Sie kennen müssen, um den Simulator zu nutzen. Tatsache ist, dass der Simulator eine mathematische Maschine ist, die in einem "digitalen Organismus" arbeitet, der in seiner Fähigkeit, super kleine und super große Zahlen darzustellen, begrenzt ist, weshalb er manchmal (aber nicht immer!) scheitert. In unserer Situation hat der Simulator anscheinend etwas durch null geteilt während der Berechnungen. Der Simulator mag keine Nullen und Unendlichkeiten von Widerständen und Leitfähigkeiten.

In dieser Aufgabe ist der Simulator am Nullwert des Widerstands R2 gescheitert. Dieses Problem ist leicht zu lösen. Anstelle von 0 Ohm müssen wir einen kleinen, nicht nullwertigen Wert eingeben, zum Beispiel 1 mOhm, der die Qualität des Ergebnisses nicht beeinflusst. Der Simulator kann dies jetzt problemlos handhaben.

Führen Sie den Gleichstrom-Durchlauf durch und überprüfen Sie die Diagramme.

Schauen wir genau hin und wir können sehen... Aber nein! Vielleicht ist es auch falsch, zu starren. Der Simulator ist nicht nur eine mathematische Maschine, sondern gleichzeitig ein Teleskop und ein Mikroskop. Er ermöglicht es Ihnen, bequem sowohl Kleines als auch Großes im selben Fenster zu sehen, indem er den Anzeigebereich logarithmisch verzerrt, d.h. das Kleine erweitert und das Große komprimiert. Öffnen Sie das Dialogfeld "Diagrammoptionen", indem Sie auf die horizontale Abszissenachse des Diagramms doppelklicken.

Aktivieren Sie die Option "Logarithmisch" und klicken Sie auf OK. Die Ergebnisse werden unten angezeigt.

Die horizontale Achse ist in gleiche Abschnitte unterteilt und ihre Grenzen unterscheiden sich nicht um 10 Ohm (wie im vorherigen Diagramm), sondern um einen Faktor 10. Jetzt können Sie auf derselben Skala sehen, was in den Bereichen und 0,1-1 Ohm, 1-10 Ohm und 10-100 Ohm vor sich geht.

Wenn man das Ergebnis betrachtet, hat man das Gefühl, dass die Möglichkeiten dieser Darstellung auf der rechten Seite noch nicht vollständig ausgeschöpft sind, also lassen Sie uns den oberen Bereich im DC Sweep für den Parameter R2 um einen Faktor 100 erhöhen, d.h. bis zu 10 kOhm.

Um den Unterschied in der Interpretation zu bewerten, bewerten Sie unabhängig die Informativität der Diagramme in linearen und logarithmischen Skalen, indem Sie die entsprechenden Optionen im Dialogfeld "Chart Options" aktivieren. Behalten Sie im Hinterkopf, nichts ist so, wie es scheint, und was Sie in beiden Skalen, linear und logarithmisch, sehen, ist dasselbe. Das ist die Magie des Logarithmus.

Lassen Sie uns zur Analyse der Diagramme zurückkehren. Das rote Diagramm ist die an die Last übertragene Leistung - R1 und das blaue Diagramm ist die an das geregelte Element abgegebene Leistung - R2. Wie Sie sehen können, wenn Sie den Widerstand des geregelten Elements intermittierend (d.h. so schnell wie möglich) von 0 auf Unendlich und zurück ändern, können Sie Energie vom Quellgerät zur Last in Portionen übertragen, ohne Energie am geregelten Element zu verlieren! Dieser Modus des geregelten Elements ist als Schlüsselmodus bekannt, und das im Schlüsselmodus funktionierende geregelte Element wird oft als der Schlüssel bezeichnet. Das Fehlen von Energieverlust am Schlüssel, an den Extremen seines Widerstands, ist sehr interessant für die Anwendung. Der Schlüsselmodus ist die Basis der PWM-Energiebetriebsweise und ermöglicht es Ihnen, das Problem seiner Umwandlung mit hoher Effizienz zu lösen.

Es ist an der Zeit, in das PWM hineinzuschauen und seine Anatomie im zweiten Teil unserer Geschichte zu verstehen: "Faden durch die Nadel ziehen" im Kontext von Energie.