Anatomie de Latitude Partie Un : La Modulation de Largeur d'Impulsion (PWM) comme Résultat de l'Évolution des Systèmes Linéaires

De Grandes Idées et des Solutions Intelligentes

Il existe différentes techniques dans le monde de la technologie pour atteindre divers objectifs, tant finaux qu'intermédiaires. Certaines techniques sont tellement réussies qu'elles sont couramment utilisées avec une grande efficacité. L'électronique ne fait pas exception. De grandes idées et des solutions ingénieuses sont trouvées et appliquées dans ce domaine probablement plus que dans d'autres domaines de l'ingénierie. Le plus grand exemple est l'utilisation des signaux de Modulation de Largeur d'Impulsion (PWM) (énergie), qui est appliquée dans tout dispositif électronique moderne, que ce soit un pilote automatique, un smartphone, une tablette, un ordinateur portable, un projecteur LED, ou même un jouet électronique, et aide à résoudre de manière efficace et économique les problèmes suivants :

• Transformation de tension ou de courant pour l'alimentation de circuits individuels, de nœuds et d'unités d'un dispositif électronique (stabilisation de la tension d'alimentation pour les circuits, stabilisation du courant pour les dispositifs d'éclairage à base de LED)
• Amplification très efficace de la gamme de puissance du signal audio (amplificateur de puissance audio Classe D avec une efficacité proche de 100%)
• Contrôle des actionneurs tels que les vannes hydrauliques ou pneumatiques (commandes des surfaces aérodynamiques des ailes, gouvernails d'avions et de fusées, transmissions automatiques de voitures, unités de contrôle des moteurs à combustion interne et des turbines, automatisation industrielle au sens le plus large)
• Conversion d'un code numérique en une valeur de tension ou de courant proportionnelle spécifique (une alternative à de nombreux DACs)
• Transfert d'informations (y compris les commandes d'exécution) sur la position du dispositif opérationnel (par exemple, contrôle des servomécanismes de UAV et de robots)

Ce fait place la MLI en tête de liste pour une étude approfondie et une révision dans des applications réelles et pratiques.

Pour appliquer efficacement la MLI, il est nécessaire de comprendre les difficultés techniques que les ingénieurs ont rencontrées dans le passé, et les réflexions et idées qui ont par la suite été combinées en solutions de puissance MLI efficaces et complètes.

Difficultés d'ingénierie

Par exemple, prenons un appareil qui nécessite une tension d'alimentation stabilisée de 5V et consomme un courant de 2A. Nous disposons d'une alimentation électrique avec une tension de sortie de 10V à 36V. Comment pouvons-nous l'utiliser pour alimenter notre appareil ? La première idée est d'utiliser un régulateur linéaire afin de "dissiper" la tension d'entrée supplémentaire au-dessus de 5V. Ainsi, créons et simulons un régulateur de tension linéaire pour notre appareil et analysons ses caractéristiques en utilisant Altium Designer - Mixed Simulation*.

Note : Pour éliminer le problème de la recherche de composants aux caractéristiques spéciales, un schéma sera créé en utilisant les composants électroniques de la bibliothèque standard Simulation Generic Components intégrée à Altium Designer.

Dans le nouveau projet, nous créons le schéma "Régulateur linéaire" basé sur l'amplificateur opérationnel.

Le schéma présenté est largement idéalisé et se compose uniquement de composants, qui représentent seulement l'idée. L'amplificateur opérationnel compare la tension de référence V2 Ref avec la tension sur R1 et applique l'action de contrôle au transistor à jonction bipolaire Q1, qui a la fonction d'un élément régulateur. Dans notre cas, le schéma maintient la tension de sortie V(Load)=5V égale à la tension de référence V(Ref).

Notez la valeur de R1. Le simulateur vous permet d'entrer non seulement des valeurs strictes mais aussi des représentations mathématiques et des dépendances comme valeur. Dans notre cas, il s'agit de la formule de la loi d'Ohm : 5V/2A, c'est-à-dire 2,5 Ohm, et bien sûr, au lieu d'une fraction, vous pouvez simplement écrire 2,5 et le résultat sera le même.

Pour afficher les tensions dans les nœuds du schéma, exécutez le calcul du point de fonctionnement puis sélectionnez l'affichage des quantités physiques requises : Tension, Puissance, Courants.

Mais la condition initiale est la suivante : la source produit des tensions dans la plage de 10-36V, il est donc important pour nous de voir comment le schéma se comporte dans ces conditions, c'est-à-dire que nous devons construire la fonction V(Charge)(V(V1)). Cela nous permet de configurer le type d'analyse de balayage DC suivant.

• Dans le balayage DC, sélectionnez le paramètre V1 que nous allons changer puis spécifiez sa plage de 10-36V avec un pas de 0,1V.

  

• Dans la boîte de dialogue Ajouter une expression de sortie, spécifiez/ajoutez (+Ajouter) la valeur que nous voulons voir sur le tracé 1.
  

• En conséquence, nous avons une fonction V(Load)(V(V1)) configurée pour s'afficher sur le graphique.

• Exécutez le calcul en cliquant sur Exécuter dans le champ Balayage DC ; le Simulateur affiche immédiatement le graphique.

• Axe des abscisses - tension d'entrée V(V1)

• Axe des ordonnées - tension de charge V(Load) égale à 5 volts

Nous pouvons voir que le schéma fonctionne correctement dans toute la gamme de la tension d'entrée.

Évaluons l'efficacité de cette solution. Nous devons comparer la puissance totale du schéma, qui est égale à la puissance de sortie de la source V1, avec la puissance effective dans la charge R1. Pour ce faire, nous ajoutons (+Ajouter) au dialogue Ajouter une Expression de Sortie dans le Balayage DC de nouvelles fonctions sur la tension d'entrée V(V1) sur les composants requis, tels que P(R1), (V(V1)), et P(V1)(V(V1)), et les affichons sur le Graphique 2.

Exécutez le Balayage DC puis examinez les graphiques.

Lorsque la tension d'entrée est de 10V, la puissance dans la charge est la moitié de la puissance provenant de l'alimentation, c'est-à-dire que l'efficacité du schéma est de 50%. Lorsque la tension est de 36V, vous pouvez également évaluer la valeur avec une calculatrice. Cependant, le Simulateur peut le faire plus clairement. Il est nécessaire d'ajouter (+Ajouter) au dialogue Ajouter une Expression de Sortie dans la même fonction de Balayage DC pour calculer l'efficacité du schéma.

Entrez « P(R1) / P(V1) ) de V(V1) * 100 » comme Expression et placez le résultat sur le Tracé 3.

Exécutez le Balayage DC puis examinez les tracés.

Le résultat est décevant. Le Tracé 3 montre clairement comment la tension d'alimentation du schéma augmente et son efficacité diminue linéairement de 50% à 14%. Si nous créons un tel schéma, le coût du radiateur sera plusieurs fois supérieur au coût total de la partie électronique de ce schéma, sans considérer la faible efficacité de l'utilisation de l'énergie. Ce scénario nous pousse à rechercher des solutions qui amélioreront l'efficacité de la transformation de l'énergie.

Malgré le résultat négatif, nous pouvons voir des résultats potentiellement prometteurs. Dans cette situation, il y a une augmentation de l'efficacité du schématique tandis que la chute de tension a été réduite à l'élément de régulation. Qu'est-ce que cela signifie ?

Perspectives « au-delà de l'horizon »

Maintenant, voyons la résistance équivalente de l'élément de régulation à partir de la tension d'entrée. Pour ce faire, selon la loi d'Ohm, nous divisons la chute de tension à travers l'élément de régulation par le courant le traversant comme décrit ci-dessous.

• Rq1 = (Vsource - Charge) / IcQ1 (puisque le courant de base du transistor Q1 est bien plus petit que les courants de collecteur et d'émetteur, nous l'ignorons et supposons que les courants de collecteur et d'émetteur sont égaux)

• Le balayage en continu nous aidera. Ajoutons (+Ajouter) cette Expression au dialogue d'Ajout d'Expression de Sortie.

Note : Pour plus de commodité, nous exprimons le rapport 1/IcQ1 comme (IcQ1)^-1, donc la fonction est comme suit : (Vsorce-Charge)*ic(Q1)^-1 :

Jetons un œil à la liste complète des tracés que nous avons construits.

Exécutez le balayage en continu puis examinez les tracés.

La courbe inférieure montre le changement de la résistance équivalente Rq1 du transistor Q1. Lorsque l'efficacité augmente, le Rq1 diminue, c'est-à-dire que plus la résistance de l'élément de régulation est faible, plus l'efficacité est élevée. Étudions ce qui se passera si la résistance de l'élément de régulation devient nulle et vérifions où et quel type de puissance sera généré. Remplaçons le transistor Q1 par la résistance R2 et voyons comment sa résistance affecte l'équilibre de puissance dans le schéma (la tension sur la charge R1 ne nous intéresse pas).

Pour ce faire, nous ajoutons une résistance au schéma et masquons les composants électroniques non utilisés avec le masque de compilation.

8:35

Cette fois, nous désactivons (sans supprimer) les dépendances inutiles précédemment calculées dans le balayage DC en décochant les cases appropriées.

Sélectionnez le paramètre R2 dans le balayage DC (que nous voulons changer) puis nous spécifions la plage de 0-100 Ohm avec un pas de 0,1 Ohm et ajoutons (+Ajouter) de nouvelles fonctionnalités dans la boîte de dialogue Ajouter une expression de sortie : P(R2) et P(R1) sur R2.

Lancez le balayage DC. Il y aura de nombreuses erreurs, qui sont affichées près du bas du panneau Messages sous les graphiques.

Nous avons tout fait correctement, mais il existe certaines limitations lors de l'utilisation du Simulateur, que vous devez connaître pour pouvoir utiliser le Simulateur. Le fait est que le Simulateur est une machine mathématique qui fonctionne dans un "organisme numérique" qui est limité dans sa capacité à représenter des nombres super petits et super grands pour lesquels il échoue parfois (mais pas toujours !). Dans notre situation, le Simulateur a apparemment divisé quelque chose par zéro lors des calculs. Le Simulateur n'aime pas les zéros et l'infini des résistances et des conductivités.

Dans cette tâche, le Simulateur a échoué à la valeur zéro de la résistance R2. Ce problème est facile à résoudre. Au lieu de 0 Ohm, nous devons entrer une petite valeur non nulle, par exemple, 1 mOhm, qui n'affecte pas la qualité du résultat. Le Simulateur gère maintenant cela facilement.

Lancez le balayage DC et examinez les graphiques.

Regardons de plus près et nous pouvons voir... Mais non ! Peut-être qu'il est également incorrect de fixer. Le simulateur n'est pas seulement une machine mathématique, mais aussi un télescope et un microscope en même temps. Il vous permet de voir commodément à la fois le petit et le grand dans la même fenêtre en distordant logarithmiquement la zone d'affichage, c'est-à-dire en élargissant le petit et en comprimant le grand. Ouvrez la boîte de dialogue des options de graphique en double-cliquant sur l'axe horizontal des abscisses du graphique.

Activez l'option Logarithmique puis cliquez sur OK. Les résultats sont montrés ci-dessous.

L'axe horizontal est divisé en sections égales et leurs limites ne diffèrent pas de 10 ohms (comme dans le graphique précédent), mais par un facteur de 10. Maintenant, vous pouvez voir sur la même échelle ce qui se passe dans les gammes et 0,1-1 Ohm, 1-10 Ohm, et 10-100 Ohm.

En regardant le résultat, on sent que les possibilités de cette représentation sur la droite n'ont pas encore été totalement exploitées, alors augmentons la plage supérieure en balayage DC pour le paramètre R2 par un facteur de 100, c'est-à-dire jusqu'à 10 kOhm.

Pour évaluer la différence d'interprétation, évaluez indépendamment l'informativité des graphiques en échelles linéaire et logarithmique en activant les options appropriées dans la boîte de dialogue des options de graphique. Gardez à l'esprit que rien n'est ce qu'il semble, et ce que vous voyez en échelles linéaire et logarithmique est la même chose. C'est la magie du logarithme.

Revenons à l'analyse des graphiques. Le graphique rouge représente la puissance transférée à la charge - R1 et le graphique bleu représente la puissance dissipée à l'élément régulé - R2. Comme vous pouvez le voir, si vous changez la résistance de l'élément contrôlé par intermittence (c'est-à-dire aussi rapidement que possible) de 0 à l'infini et retour, vous pouvez fournir de l'énergie de la source à la charge par portions sans perdre d'énergie sur l'élément contrôlé ! Ce mode de l'élément régulé est connu sous le nom de mode clé, et l'élément régulé fonctionnant dans ce mode est souvent nommé la Clé. L'absence de perte d'énergie sur la Clé, aux extrêmes de sa résistance, est très intéressante pour l'application. Le mode clé est la base du fonctionnement de l'énergie PWM et vous permet de résoudre le problème de sa conversion avec une haute efficacité.

Il est temps de regarder à l'intérieur du PWM et de comprendre son anatomie dans la deuxième partie de notre histoire : "Thread with a Needle” dans le contexte de l'énergie.