Anatomia della Latitudine Parte Uno: La Modulazione di Larghezza di Impulso (PWM) come Risultato dell'Evoluzione dei Sistemi Lineari

Grandi Idee e Soluzioni Intelligenti

Ci sono diverse tecniche nel mondo della tecnologia per raggiungere vari obiettivi, sia finali che intermedi. Alcune tecniche sono così efficaci che vengono comunemente utilizzate con alta efficienza. L'elettronica non fa eccezione. Grandi idee e soluzioni ingegnose vengono trovate e applicate in questo settore probabilmente più che in altri campi dell'ingegneria. Il più grande esempio è l'uso dei segnali di Modulazione di Larghezza di Impulso (PWM) (energia), che viene applicato in qualsiasi dispositivo elettronico moderno, sia che si tratti di un pilota automatico, smartphone, tablet, laptop, faretto a LED o anche un giocattolo elettronico, e aiuta a risolvere in modo efficace ed economico i seguenti problemi:

• Trasformazione di tensione o corrente per l'alimentazione di circuiti individuali, nodi e unità di un dispositivo elettronico (stabilizzazione della tensione di alimentazione per i circuiti, stabilizzazione della corrente per dispositivi di illuminazione a LED)
• Amplificazione altamente efficiente della gamma di potenza del segnale audio (amplificatore di potenza audio Classe D con un'efficienza vicina al 100%)
• Controllo di attuatori come valvole idrauliche o pneumatiche (azionamenti delle superfici aerodinamiche delle ali, timoni di aerei e razzi, trasmissioni automatiche delle auto, unità di controllo dei motori a combustione interna e turbine, automazione industriale nel senso più ampio)
• Conversione di un codice digitale in un valore di tensione o corrente proporzionale specifico (un'alternativa a molti DAC)
• Trasferimento di informazioni (inclusi comandi di esecuzione) sulla posizione del dispositivo operativo (ad es., controllo dei servocomandi di UAV e robot)

Questo fatto pone la PWM in cima alla lista per uno studio approfondito e una revisione nelle applicazioni reali e pratiche.

Per applicare efficacemente la PWM, è necessario comprendere le difficoltà ingegneristiche che gli ingegneri hanno affrontato in passato, e i pensieri e le idee che successivamente sono stati combinati in soluzioni di potenza PWM efficaci e complete.

Difficoltà Ingegneristiche

Ad esempio, c'è un dispositivo che richiede una tensione di alimentazione stabilizzata di 5V e consuma una corrente di 2A. Abbiamo un'alimentazione con una tensione di uscita da 10V a 36V. Come possiamo usarla per alimentare il nostro dispositivo? Il primo pensiero è utilizzare un regolatore lineare per "dissipare" la tensione in ingresso extra oltre i 5V. Pertanto, creiamo e simuliamo un regolatore di tensione lineare per il nostro dispositivo e analizziamo le sue caratteristiche utilizzando Altium Designer - Mixed Simulation*.

Nota: Per eliminare il problema della ricerca di componenti con caratteristiche speciali, verrà creato uno schema utilizzando i componenti elettronici della libreria standard Simulation Generic Components integrata in Altium Designer.

Nel nuovo progetto, creiamo lo schema "Regolatore lineare" basato sull'amplificatore operazionale.

Lo schema presentato è in gran parte idealizzato e consiste solo di componenti, che rappresentano solo l'idea. L'amplificatore operazionale confronta la tensione di riferimento V2 Ref con la tensione su R1 e applica l'azione di controllo al transistor a giunzione bipolare Q1, che ha la funzione di elemento regolatore. Nel nostro caso, lo schema mantiene la tensione di uscita V(Carico)=5V uguale alla tensione di riferimento V(Ref).

Nota il valore di R1. Il simulatore ti permette di inserire non solo valori precisi ma anche rappresentazioni matematiche e dipendenze come valore. Nel nostro caso, questa è la formula della Legge di Ohm: 5V/2A, ovvero 2,5 Ohm, e naturalmente, invece di una frazione puoi semplicemente scrivere 2,5 e il risultato sarà lo stesso.

Per visualizzare le tensioni nei nodi dello schema, esegui il calcolo del Punto di Funzionamento e poi seleziona la visualizzazione delle quantità fisiche richieste: Tensione, Potenza, Correnti.

Ma la condizione iniziale è la seguente: la fonte produce tensioni nell'intervallo di 10-36V, quindi è importante per noi vedere come si comporta lo schema in queste condizioni, ovvero dobbiamo costruire la funzione V(Carico)(V(V1)). Questo ci permette di configurare il seguente tipo di analisi di Scansione DC.

• Nella Scansione DC, seleziona il parametro V1 che cambieremo poi specifica il suo intervallo di 10-36V con passo di 0,1V.

  

• Nella finestra di dialogo Aggiungi Espressione di Uscita, specifica/aggiungi (+Aggiungi) il valore che vogliamo vedere su Tracciato 1.
  

• Di conseguenza, abbiamo una funzione V(Carico)(V(V1)) configurata per essere visualizzata sul grafico.

• Avvia il calcolo cliccando su Esegui nel campo Scansione DC; il Simulatore visualizza immediatamente il grafico.

• Asse delle ascisse - tensione di ingresso V(V1)

• Asse delle ordinate - tensione di carico V(Carico) uguale a 5 volt

Possiamo vedere che lo schema funziona correttamente in tutto l'intervallo della tensione di ingresso.

Valutiamo l'efficienza di questa soluzione. Dobbiamo confrontare la potenza totale dello schema, che è uguale alla potenza di uscita della fonte V1, con la potenza effettiva nel carico R1. Per fare ciò, aggiungiamo (+Aggiungi) al dialogo Aggiungi Espressione di Uscita nella Scansione DC nuove funzioni sulla tensione di ingresso V(V1) sui componenti richiesti, come P(R1), (V(V1)), e P(V1)(V(V1)), e le visualizziamo sul Grafico 2.

Avvia la Scansione DC e poi esamina i grafici.

Quando la tensione di ingresso è di 10V, la potenza sul carico è la metà della potenza fornita dall'alimentatore, ovvero l'efficienza dello schema è del 50%. Quando la tensione è di 36V, è possibile valutare il valore anche con una calcolatrice. Tuttavia, il Simulatore può farlo più chiaramente. È necessario aggiungere (+Add) al dialogo Aggiungi Espressione di Uscita nella stessa funzione di Scansione DC per calcolare l'efficienza dello schema.

Inserisci “P(R1) / P(V1) ) da V(V1) * 100 come Espressione e posiziona il risultato su Tracciato 3.

Esegui la Scansione DC e poi esamina i tracciati.

Il risultato è deludente. Il Tracciato 3 mostra chiaramente come la tensione di alimentazione dello schema aumenti e la sua efficienza diminuisca linearmente dal 50% al 14%. Se creassimo uno schema del genere, il costo del radiatore sarebbe diverse volte superiore al costo totale della parte elettronica di questo schema, senza considerare la bassa efficienza nell'uso dell'energia. Questo scenario ci spinge a cercare soluzioni che miglioreranno l'efficienza della trasformazione energetica.

Nonostante il risultato negativo, possiamo vedere risultati potenzialmente promettenti. In questa situazione, c'è un aumento dell'efficienza dello schema mentre la caduta di tensione è stata ridotta all'elemento regolatore. Cosa significa questo?

Perspettive "oltre l'orizzonte"

Ora, vediamo la resistenza equivalente dell'elemento regolatore dalla tensione di ingresso. Per fare ciò, secondo la Legge di Ohm, dividiamo la caduta di tensione sull'elemento regolatore per la corrente che lo attraversa come descritto di seguito.

• Rq1 = (Vsource - Carico) / IcQ1 (poiché la corrente di base del transistor Q1 è molto più piccola delle correnti di collettore ed emettitore, la ignoriamo e assumiamo che le correnti di collettore ed emettitore siano uguali)

• La simulazione DC Sweep ci aiuterà. Aggiungiamo (+Add) questa Espressione al dialogo Aggiungi Espressione di Uscita.

Nota: Per comodità, esprimiamo il rapporto 1/IcQ1 come (IcQ1)^-1, quindi la funzione è come segue: (Vsorce-Carico)*ic(Q1)^-1:

Diamo un'occhiata all'intera lista di grafici che abbiamo costruito.

Esegui la simulazione DC Sweep e poi esamina i grafici.

Il grafico inferiore mostra il cambiamento della resistenza equivalente Rq1 del transistor Q1. Quando l'efficienza aumenta, la Rq1 diminuisce, ovvero più bassa è la resistenza dell'elemento di regolazione, maggiore è l'efficienza. Studiamo cosa succederà se la resistenza dell'elemento di regolazione diventa zero e verifichiamo dove e che tipo di potenza verrà generata. Sostituiamo il transistor Q1 con la resistenza R2 e vediamo come la sua resistenza influisce sul bilancio energetico nello schema (non ci interessa la tensione sul carico R1).

Per fare ciò, aggiungiamo una resistenza allo schema e nascondiamo i componenti elettronici non utilizzati con la maschera di compilazione.

8:35

Questa volta, disabilitiamo (non eliminiamo) le dipendenze precedentemente calcolate non necessarie in DC Sweep deselezionando le caselle appropriate.

Selezioniamo il parametro R2 in DC Sweep (che vogliamo cambiare) poi specifichiamo l'intervallo da 0 a 100 Ohm con passi di 0,1 Ohm e aggiungiamo (+Aggiungi) nuove funzionalità nella finestra di dialogo Aggiungi Espressione di Output: P(R2) e P(R1) su R2.

Esegui lo Sweep DC. Ci saranno molti errori, che vengono visualizzati vicino al fondo del pannello Messaggi sotto i grafici.

Abbiamo fatto tutto correttamente, ma ci sono alcune limitazioni quando si lavora con il Simulatore, che è necessario conoscere per poter utilizzare il Simulatore. Il fatto è che il Simulatore è una macchina matematica che opera in un "organismo digitale" che è limitato nella sua capacità di rappresentare numeri estremamente piccoli ed estremamente grandi per cui a volte (ma non sempre!) fallisce. Nella nostra situazione, il Simulatore apparentemente ha diviso qualcosa per zero durante i calcoli. Al Simulatore non piacciono gli zeri e l'infinito di resistenze e conduttività.

In questo compito, il Simulatore ha fallito al valore zero della resistenza R2. Questo problema è facile da risolvere. Invece di 0 Ohm, dobbiamo inserire un piccolo valore non nullo, per esempio, 1 mOhm, che non influisce sulla qualità del risultato. Il Simulatore ora gestisce facilmente questo.

Esegui lo Sweep DC e rivedi i grafici.

Guardiamo attentamente e possiamo vedere... Ma no! Forse è sbagliato anche fissare troppo. Il simulatore non è solo una macchina matematica, ma anche un telescopio e un microscopio allo stesso tempo. Ti permette di vedere comodamente sia il piccolo che il grande nella stessa finestra distorcendo logaritmicamente l'area di visualizzazione, ovvero espandendo il piccolo e comprimendo il grande. Apri la finestra di dialogo delle Opzioni Grafico facendo doppio clic sull'asse orizzontale delle ascisse del grafico.

Attiva l'opzione Logaritmica e poi clicca su OK. I risultati sono mostrati di seguito.

L'asse orizzontale è diviso in sezioni uguali e i loro limiti non differiscono di 10 ohm (come nel grafico precedente), ma di un fattore di 10. Ora puoi vedere sulla stessa scala cosa sta succedendo nei range e 0,1-1 Ohm, 1-10 Ohm e 10-100 Ohm.

Guardando il risultato, si ha la sensazione che le possibilità di questa rappresentazione sulla destra non siano ancora state completamente esaurite, quindi aumentiamo il range superiore in DC Sweep per il parametro R2 di un fattore di 100, ovvero fino a 10 kOhm.

Per valutare la differenza nell'interpretazione, valuta indipendentemente l'informatività dei grafici nelle scale lineari e logaritmiche abilitando le opzioni appropriate nella finestra di dialogo delle Opzioni Grafico. Tieni presente che nulla è come sembra, e ciò che vedi sia nelle scale lineari che logaritmiche è la stessa cosa. Questa è la magia del logaritmo.

Torniamo all'analisi dei grafici. Il grafico rosso rappresenta la potenza trasferita al carico - R1 e il grafico blu rappresenta la potenza dissipata all'elemento regolato - R2. Come puoi vedere, se cambi la resistenza dell'elemento controllato in modo intermittente (cioè il più velocemente possibile) da 0 a infinito e viceversa, puoi fornire energia dal generatore al carico a porzioni senza perdere energia sull'elemento controllato! Questa modalità dell'elemento regolato è nota come modalità chiave, e l'elemento regolato che funziona in questa modalità è spesso denominato la Chiave. L'assenza di perdita di energia sulla Chiave, agli estremi della sua resistenza, è molto interessante per l'applicazione. La modalità chiave è la base del funzionamento dell'energia PWM e ti permette di risolvere il problema della sua conversione con alta efficienza.

È il momento di guardare all'interno del PWM e di comprendere la sua anatomia nella seconda parte della nostra storia: "Thread with a Needle” nel contesto dell'energia.