Anatomía de Latitude Parte Uno: Modulación por Ancho de Pulso (PWM) como Resultado de la Evolución de los Sistemas Lineales

Grandes Ideas y Soluciones Inteligentes

Existen diferentes técnicas en el mundo de la tecnología para alcanzar diversos objetivos, tanto finales como intermedios. Algunas técnicas son tan exitosas que se utilizan comúnmente con alta eficiencia. La electrónica no es una excepción. Grandes ideas y soluciones ingeniosas se encuentran y aplican en esta área probablemente más que en otros campos de la ingeniería. El mayor ejemplo es el uso de señales de Modulación por Ancho de Pulso (PWM) (energía), que se aplica en cualquier dispositivo electrónico moderno, ya sea un piloto automático, smartphone, tableta, laptop, foco LED o incluso un juguete electrónico, y ayuda a resolver de manera efectiva y económica los siguientes problemas:

• Transformación de voltaje o corriente para el suministro de energía de circuitos individuales, nodos y unidades de un dispositivo electrónico (estabilización del voltaje de suministro para circuitos, estabilización de corriente para dispositivos de iluminación basados en LED)
• Amplificación altamente eficiente del rango de potencia de la señal de audio (amplificador de potencia de audio Clase D con una eficiencia cercana al 100%)
• Control de actuadores como válvulas hidráulicas o neumáticas (accionamientos de superficies aerodinámicas de alas, timones de aviones y cohetes, transmisiones automáticas de automóviles, unidades de control de motores de combustión interna y turbinas, automatización industrial en el sentido más amplio)
• Conversión de un código digital a un valor de voltaje o corriente proporcional específico (una alternativa a muchos DACs)
• Transferencia de información (incluidos comandos de ejecución) sobre la posición del dispositivo operativo (por ejemplo, control de los servomecanismos de UAV y robots)

Este hecho coloca a la PWM en la cima de la lista para un estudio y revisión profundos en aplicaciones reales y prácticas.

Para aplicar efectivamente la PWM, es necesario entender las dificultades de ingeniería que los ingenieros enfrentaron en el pasado, y los pensamientos e ideas que posteriormente se combinaron en soluciones de potencia PWM efectivas y completas.

Dificultades de Ingeniería

Como ejemplo, hay un dispositivo que requiere un voltaje de alimentación estabilizado de 5V y consume una corriente de 2A. Tenemos una fuente de alimentación con un voltaje de salida de 10V a 36V. ¿Cómo podemos usarla para alimentar nuestro dispositivo? El primer pensamiento es usar un regulador lineal para "disipar" el voltaje de entrada extra sobre 5V. Por lo tanto, vamos a crear y simular un regulador de voltaje lineal para nuestro dispositivo y analizar sus características usando Altium Designer - Simulación Mixta*.

Nota: Para eliminar el problema de encontrar componentes con características especiales, se creará un esquemático utilizando los componentes electrónicos de la biblioteca estándar Componentes Genéricos de Simulación integrados en Altium Designer.

En el nuevo proyecto, creamos el esquemático "Regulador lineal" basado en el amplificador operacional.

El esquemático presentado es en gran medida idealizado y consiste solo en componentes, que representan solo la idea. El amplificador operacional compara el voltaje de referencia V2 Ref con el voltaje en R1 y aplica la acción de control al transistor de unión bipolar Q1, que tiene la función de un elemento regulador. En nuestro caso, el esquemático mantiene el voltaje de salida V(Carga)=5V igual al voltaje de referencia V(Ref).

Tenga en cuenta el valor de R1. El simulador le permite ingresar no solo valores estrictos, sino también representaciones matemáticas y dependencias como valor. En nuestro caso, esta es la fórmula de la Ley de Ohm: 5V/2A, es decir, 2.5 Ohm, y por supuesto, en lugar de una fracción, puede escribir simplemente 2.5 y el resultado será el mismo.

Para mostrar los voltajes en los nodos del esquemático, ejecute el cálculo del Punto de Operación y luego seleccione la visualización de las cantidades físicas requeridas: Voltaje, Potencia, Corrientes.

Pero la condición inicial es la siguiente: la fuente produce voltajes en el rango de 10-36V, por lo que es importante para nosotros ver cómo se comporta el esquemático en estas condiciones, es decir, necesitamos construir la función V(Carga)(V(V1)). Esto nos permite configurar el siguiente tipo de análisis de Barrido DC.

• En Barrido DC, seleccione el parámetro V1 que cambiaremos y luego especifique su rango de 10-36V con un paso de 0.1V.

  

• En el diálogo de Agregar Expresión de Salida, especifique/agregue (+Agregar) el valor que queremos ver en la Gráfica 1.
  

• Como resultado, tenemos una función V(Carga)(V(V1)) configurada para mostrarse en la gráfica.

• Ejecuta el cálculo haciendo clic en Ejecutar en el campo de Barrido DC; el Simulador muestra inmediatamente la gráfica.

• Eje de abscisas - voltaje de entrada V(V1)

• Eje de ordenadas - voltaje de carga V(Carga) igual a 5 voltios

Podemos ver que el esquemático funciona correctamente en todo el rango del voltaje de entrada.

Evaluemos la eficiencia de esta solución. Necesitamos comparar la potencia total del esquemático, que es igual a la potencia de salida de la fuente V1, con la potencia efectiva en la carga R1. Para hacer esto, añadimos (+Añadir) al diálogo de Añadir Expresión de Salida en el Barrido DC nuevas funciones sobre el voltaje de entrada V(V1) en los componentes requeridos, tales como P(R1), (V(V1)), y P(V1)(V(V1)), y las mostramos en la Gráfica 2.

Ejecuta el Barrido DC y luego revisa las gráficas.

Cuando el voltaje de entrada es de 10V, la potencia en la carga es la mitad de la potencia de la fuente de alimentación, es decir, la eficiencia del esquemático es del 50%. Cuando el voltaje es de 36V, también puedes evaluar el valor con una calculadora. Sin embargo, el Simulador puede hacerlo más claramente. Es necesario agregar (+Add) al diálogo de Añadir Expresión de Salida en la misma función de Barrido DC para calcular la eficiencia del esquemático.

Introduce “P(R1) / P(V1) ) de V(V1) * 100 como la Expresión y coloca el resultado en el Gráfico 3.

Ejecuta el Barrido DC y luego revisa los gráficos.

El resultado es decepcionante. El Gráfico 3 muestra claramente cómo el voltaje de suministro del esquemático aumenta y su eficiencia disminuye linealmente del 50% al 14%. Si creamos tal esquemático, el costo del radiador será varias veces mayor que el costo total de la parte electrónica de este esquemático, sin considerar la baja eficiencia en el uso de energía. Este escenario nos hace buscar soluciones que mejorarán la eficiencia de la transformación de energía.

A pesar del resultado negativo, podemos ver resultados potencialmente prometedores. En esta situación, hay un aumento en la eficiencia del esquemático mientras que la caída de voltaje se redujo al elemento regulador. ¿Qué significa esto?

Perspectivas "más allá del horizonte"

Ahora, veamos la resistencia equivalente del elemento regulador desde el voltaje de entrada. Para hacer esto, de acuerdo con la Ley de Ohm, dividimos la caída de voltaje a través del elemento regulador por la corriente que fluye a través de él como se describe a continuación.

• Rq1 = (Vfuente - Carga) / IcQ1 (ya que la corriente de base del transistor Q1 es mucho menor que las corrientes de colector y emisor, la ignoramos y asumimos que las corrientes de colector y emisor son iguales)

• El barrido DC nos ayudará. Vamos a añadir (+Añadir) esta Expresión al diálogo de Añadir Expresión de Salida.

Nota: Por conveniencia, expresamos la relación 1/IcQ1 como (IcQ1)^-1, así que la función es como sigue: (Vfuente-Carga)*ic(Q1)^-1:

Echemos un vistazo a la lista completa de gráficas que hemos construido.

Ejecuta el barrido DC y luego revisa las gráficas.

La gráfica inferior muestra el cambio de la resistencia equivalente Rq1 del transistor Q1. Cuando la eficiencia aumenta, la Rq1 disminuye, es decir, cuanto menor es la resistencia del elemento regulador, mayor es la eficiencia. Estudiemos qué sucederá si la resistencia del elemento regulador se convierte en cero y verifiquemos dónde y qué tipo de potencia se generará. Reemplacemos el transistor Q1 por la resistencia R2 y veamos cómo su resistencia afecta el balance de potencia en el esquemático (no nos interesa el voltaje en la carga R1).

Para hacer esto, agregamos una resistencia al esquemático y ocultamos los componentes electrónicos que no se utilizan con la máscara de compilación.

8:35

Esta vez, desactivamos (no eliminamos) las dependencias innecesarias previamente calculadas en el barrido DC desmarcando las casillas correspondientes.

Seleccionamos el parámetro R2 en el barrido DC (que queremos cambiar) luego especificamos el rango de 0-100 Ohm con pasos de 0,1 Ohm y agregamos (+Agregar) nuevas características en el diálogo de Añadir Expresión de Salida: P(R2) y P(R1) en R2.

Ejecute el barrido de CC. Habrá muchos errores, que se muestran cerca de la parte inferior del panel de Mensajes debajo de las gráficas.

Hicimos todo correctamente, pero hay algunas limitaciones al trabajar con el Simulador, las cuales necesitas conocer para poder usar el Simulador. El hecho es que el Simulador es una máquina matemática que funciona en un "organismo digital" que está limitado en su capacidad para representar números extremadamente pequeños y extremadamente grandes, por lo que a veces (¡pero no siempre!) falla. En nuestra situación, el Simulador aparentemente dividió algo por cero durante los cálculos. Al Simulador no le gustan los ceros y la infinidad de resistencias y conductividades.

En esta tarea, el Simulador falló en el valor cero de la resistencia R2. Este problema es fácil de resolver. En lugar de 0 Ohm, debemos ingresar un valor pequeño, no nulo, por ejemplo, 1 mOhm, que no afecta la calidad del resultado. El Simulador ahora maneja esto fácilmente.

Ejecute el barrido de CC y revise las gráficas.

Miremos de cerca y podremos ver... ¡Pero no! Quizás también sea incorrecto mirar fijamente. El simulador no es solo una máquina matemática, sino también un telescopio y un microscopio al mismo tiempo. Te permite ver cómodamente tanto lo pequeño como lo grande en la misma ventana distorsionando logarítmicamente el área de visualización, es decir, expandiendo lo pequeño y comprimiendo lo grande. Abre el cuadro de diálogo de Opciones de Gráfico haciendo doble clic en el eje de abscisas horizontal del gráfico.

Habilita la opción Logarítmica y luego haz clic en OK. Los resultados se muestran a continuación.

El eje horizontal se divide en secciones iguales y sus límites no difieren por 10 ohmios (como en el gráfico anterior), sino por un factor de 10. Ahora puedes ver en la misma escala lo que está sucediendo en los rangos de 0.1-1 Ohm, 1-10 Ohm y 10-100 Ohm.

Al mirar el resultado, se siente que las posibilidades de esta representación a la derecha aún no se han agotado completamente, así que aumentemos el rango superior en Barrido DC para el parámetro R2 por un factor de 100, es decir, hasta 10 kOhm.

Para evaluar la diferencia en la interpretación, evalúe de manera independiente la informatividad de los gráficos en escalas lineales y logarítmicas activando las opciones apropiadas en el diálogo de Opciones de Gráfico. Tenga en cuenta que nada es lo que parece, y lo que ve en ambas escalas, lineal y logarítmica, es lo mismo. Esa es la magia del logaritmo.

Volviendo al análisis de los gráficos. El gráfico rojo representa la potencia transferida a la carga - R1 y el gráfico azul es la potencia disipada al elemento regulado - R2. Como puede ver, si cambia la resistencia del elemento controlado de manera intermitente (es decir, lo más rápido posible) de 0 a infinito y viceversa, puede suministrar energía desde la fuente a la carga en porciones sin perder energía en el elemento controlado. Este modo del elemento regulado se conoce como modo clave, y el elemento regulado que funciona en este modo a menudo se denomina la Clave. La ausencia de pérdida de energía en la Clave, en los extremos de su resistencia, es muy interesante para la aplicación. El modo clave es la base de la operación de energía PWM y le permite resolver el problema de su conversión con alta eficiencia.

Es hora de mirar dentro del PWM y entender su anatomía en la segunda parte de nuestra historia: "Hilando Fino” en el contexto de la energía.