Anatomia da Latitude Parte Um: Modulação de Largura de Pulso (PWM) como Resultado da Evolução dos Sistemas Lineares

Ideias Brilhantes e Soluções Inteligentes

Existem diferentes técnicas no mundo da tecnologia para alcançar vários objetivos, tanto finais quanto intermediários. Algumas técnicas são tão bem-sucedidas que são comumente usadas com alta eficiência. A eletrônica não é exceção. Ideias brilhantes e soluções engenhosas são encontradas e aplicadas nesta área provavelmente mais do que em outros campos da engenharia. O maior exemplo é o uso de sinais de Modulação por Largura de Pulso (PWM) (energia), que é aplicado em qualquer dispositivo eletrônico moderno, seja ele um piloto automático, smartphone, tablet, laptop, holofote LED ou até mesmo um brinquedo eletrônico, e ajuda a resolver de forma eficaz e econômica as seguintes questões:

• Transformação de tensão ou corrente para fornecimento de energia de circuitos individuais, nós e unidades de um dispositivo eletrônico (estabilização da tensão de fornecimento para circuitos, estabilização de corrente para dispositivos de iluminação baseados em LED)
• Amplificação altamente eficiente da faixa de potência do sinal de áudio (amplificador de potência de áudio Classe D com eficiência próxima a 100%)
• Controle de atuadores, como válvulas hidráulicas ou pneumáticas (acionamentos de superfícies aerodinâmicas de asas, lemes de aeronaves e foguetes, transmissões automáticas de carros, unidades de controle de motores de combustão interna e turbinas, automação industrial no sentido mais amplo)
• Conversão de um código digital em um valor de tensão ou corrente proporcional específico (uma alternativa para muitos DACs)
• Transferência de informações (incluindo comandos de execução) sobre a posição do dispositivo operacional (por exemplo, controle de servomecanismos de UAV e robôs)

Este fato coloca o PWM no topo da lista para estudo e revisão aprofundados em aplicações reais e práticas.

Para aplicar o PWM de forma eficaz, é necessário entender as dificuldades de engenharia que os engenheiros enfrentaram no passado, e os pensamentos e ideias que posteriormente foram combinados em soluções de potência PWM eficazes e completas.

Dificuldades de Engenharia

Como exemplo, existe um dispositivo que requer uma tensão de alimentação estabilizada de 5V e consome uma corrente de 2A. Temos uma fonte de alimentação com uma tensão de saída de 10V a 36V. Como podemos usá-la para alimentar nosso dispositivo? O primeiro pensamento é usar um regulador linear para "dissipar" a tensão de entrada extra acima de 5V. Portanto, vamos criar e simular um regulador de tensão linear para nosso dispositivo e analisar suas características usando Altium Designer - Simulação Mista*.

Nota: Para eliminar o problema de encontrar componentes com características especiais, um esquemático será criado usando os componentes eletrônicos da biblioteca padrão Componentes Genéricos de Simulação integrados ao Altium Designer.

No novo projeto, criamos o esquemático "Regulador Linear" baseado no amplificador operacional.

O esquemático apresentado é largamente idealizado e consiste apenas de componentes, que representam apenas a ideia. O amplificador operacional compara a tensão de referência V2 Ref com a tensão em R1 e aplica a ação de controle ao transistor de junção bipolar Q1, que tem a função de um elemento regulador. No nosso caso, o esquemático mantém a tensão de saída V(Carga)=5V igual à tensão de referência V(Ref).

Observe o valor de R1. O simulador permite que você insira não apenas valores estritos, mas também representações matemáticas e dependências como um valor. No nosso caso, esta é a fórmula da Lei de Ohm: 5V/2A, ou seja, 2,5 Ohm, e claro, em vez de uma fração, você pode simplesmente escrever 2,5 e o resultado será o mesmo.

Para exibir as tensões nos nós do esquemático, execute o cálculo do Ponto de Operação e então selecione a exibição das quantidades físicas requeridas: Tensão, Potência, Correntes.

Mas a condição inicial é a seguinte: a fonte produz tensões na faixa de 10-36V, então é importante para nós ver como o esquemático se comporta nessas condições, ou seja, precisamos construir a função V(Carga)(V(V1)). Isso nos permite configurar o seguinte tipo de análise de Varredura DC.

• Na Varredura DC, selecione o parâmetro V1 que vamos alterar e então especifique seu alcance de 10-36V com passo de 0,1V.

  

• No diálogo Adicionar Expressão de Saída, especifique/adicione (+Adicionar) o valor que queremos ver no Plot 1.
  

• Como resultado, temos uma função V(Carga)(V(V1)) configurada para ser exibida no gráfico.

• Execute o cálculo clicando em Executar no campo Varredura DC; o Simulador exibe imediatamente o gráfico.

• Eixo das abscissas - tensão de entrada V(V1)

• Eixo das ordenadas - tensão de carga V(Carga) igual a 5 volts

Podemos ver que o esquemático funciona corretamente em toda a faixa de tensão de entrada.

Vamos avaliar a eficiência desta solução. Precisamos comparar a potência total do esquemático, que é igual à potência de saída da fonte V1, com a potência efetiva na carga R1. Para fazer isso, adicionamos (+Adicionar) no diálogo Adicionar Expressão de Saída na Varredura DC novas funções na tensão de entrada V(V1) nos componentes requeridos, como P(R1), (V(V1)), e P(V1)(V(V1)), e as exibimos no Gráfico 2.

Execute a Varredura DC e então revise os gráficos.

Quando a tensão de entrada é de 10V, a potência na carga é metade da potência fornecida pela fonte de alimentação, ou seja, a eficiência do esquemático é de 50%. Quando a tensão é de 36V, você também pode avaliar o valor com uma calculadora. No entanto, o Simulador pode fazer isso de forma mais clara. É necessário adicionar (+Add) ao diálogo Adicionar Expressão de Saída na mesma função de Varredura DC para calcular a eficiência do esquemático.

Insira “P(R1) / P(V1) ) de V(V1) * 100 como a Expressão e coloque o resultado no Gráfico 3.

Execute a Varredura DC e então revise os gráficos.

O resultado é decepcionante. O Gráfico 3 mostra claramente como a tensão de alimentação do esquemático aumenta e sua eficiência diminui linearmente de 50% para 14%. Se criarmos tal esquemático, o custo do radiador será várias vezes maior do que o custo total da parte eletrônica deste esquemático, sem considerar a baixa eficiência do uso de energia. Esse cenário nos faz buscar soluções que irão melhorar a eficiência da transformação de energia.

Apesar do resultado negativo, podemos ver resultados potencialmente promissores. Nesta situação, há um aumento na eficiência do esquemático enquanto a queda de tensão foi reduzida ao elemento regulador. O que isso significa?

Perspectivas "Além do Horizonte"

Agora, vamos ver a resistência equivalente do elemento regulador a partir da tensão de entrada. Para fazer isso, de acordo com a Lei de Ohm, dividimos a queda de tensão através do elemento regulador pela corrente que flui através dele, conforme descrito abaixo.

• Rq1 = (Vfonte - Carga) / IcQ1 (já que a corrente de base do transistor Q1 é muito menor do que as correntes de coletor e emissor, nós a ignoramos e assumimos que as correntes de coletor e emissor são iguais)

• O Varredura DC nos ajudará. Vamos adicionar (+Adicionar) esta Expressão ao diálogo Adicionar Expressão de Saída.

Nota: Para conveniência, expressamos a razão 1/IcQ1 como (IcQ1)^-1, então a função fica da seguinte forma: (Vfonte-Carga)*ic(Q1)^-1:

Vamos dar uma olhada na lista completa de gráficos que construímos.

Execute a Varredura DC e então revise os gráficos.

O gráfico inferior mostra a mudança da resistência equivalente Rq1 do transistor Q1. Quando a eficiência aumenta, o Rq1 diminui, ou seja, quanto menor a resistência do elemento regulador, maior a eficiência. Vamos estudar o que acontecerá se a resistência do elemento regulador se tornar zero e verificar onde e que tipo de energia será gerada. Vamos substituir o transistor Q1 pelo resistor R2 e ver como sua resistência afeta o balanço de energia no esquemático (não estamos interessados na tensão na carga R1).

Para fazer isso, adicionamos um resistor ao esquemático e ocultamos os componentes eletrônicos que não são usados com a máscara de compilação.

8:35

Desta vez, desativamos (não excluímos) as dependências desnecessárias previamente calculadas no Varredura DC desmarcando as caixas apropriadas.

Selecionamos o parâmetro R2 na Varredura DC (que queremos alterar) e então especificamos a faixa de 0-100 Ohm com passo de 0,1 Ohm e adicionamos (+Adicionar) novas funções no diálogo Adicionar Expressão de Saída: P(R2) e P(R1) em R2.

Execute a Varredura DC. Haverá muitos erros, que são exibidos perto da parte inferior do painel de Mensagens abaixo dos gráficos.

Fizemos tudo certo, mas existem algumas limitações ao trabalhar com o Simulador, as quais você precisa conhecer para usar o Simulador. O fato é que o Simulador é uma máquina matemática que funciona em um "organismo digital" que é limitado em sua capacidade de representar números super pequenos e super grandes para os quais às vezes (mas não sempre!) falha. Em nossa situação, o Simulador aparentemente dividiu algo por zero durante os cálculos. O Simulador não gosta de zeros e infinito de resistências e condutividades.

Nesta tarefa, o Simulador falhou no valor zero da resistência R2. Este problema é fácil de resolver. Em vez de 0 Ohm, devemos inserir um valor pequeno, não nulo, por exemplo, 1 mOhm, que não afeta a qualidade do resultado. O Simulador agora lida com isso facilmente.

Execute a Varredura DC e revise os gráficos.

Vamos olhar de perto e podemos ver... Mas não! Talvez seja errado também fixar o olhar. O simulador não é apenas uma máquina matemática, mas também um telescópio e um microscópio ao mesmo tempo. Ele permite que você veja de forma conveniente tanto o pequeno quanto o grande na mesma janela, distorcendo logaritmicamente a área de exibição, ou seja, expandindo o pequeno e comprimindo o grande. Abra a caixa de diálogo Opções de Gráfico clicando duas vezes no eixo da abscissa horizontal do gráfico.

Ative a opção Logarítmica e clique em OK. Os resultados são mostrados abaixo.

O eixo horizontal é dividido em seções iguais e seus limites diferem não por 10 ohms (como no gráfico anterior), mas por um fator de 10. Agora você pode ver na mesma escala o que está acontecendo nas faixas de 0,1-1 Ohm, 1-10 Ohm e 10-100 Ohm.

Olhando para o resultado, sente-se que as possibilidades dessa representação à direita ainda não foram totalmente exploradas, então vamos aumentar a faixa superior no Varredura DC para o parâmetro R2 por um fator de 100, ou seja, até 10 kOhm.

Para avaliar a diferença na interpretação, avalie independentemente a informatividade dos gráficos em escalas linear e logarítmica, ativando as opções apropriadas no diálogo de Opções do Gráfico. Tenha em mente que nada é o que parece, e o que você vê em ambas as escalas, linear e logarítmica, é a mesma coisa. Esse é o mágico do logaritmo.

Vamos retornar à análise dos gráficos. O gráfico vermelho é a potência transferida para a carga - R1 e o gráfico azul é a potência dissipada para o elemento regulado - R2. Como você pode ver, se você mudar a resistência do elemento controlado intermitentemente (ou seja, o mais rápido possível) de 0 a infinito e de volta, você pode fornecer energia da fonte para a carga em porções sem perder energia no elemento controlado! Esse modo do elemento regulado é conhecido como modo chave, e o elemento regulado funcionando neste modo é frequentemente nomeado o Chave. A ausência de perda de energia no Chave, nos extremos de sua resistência, é muito interessante para a aplicação. O modo chave é a base da operação de energia PWM e permite resolver o problema de sua conversão com alta eficiência.

É hora de olhar por dentro do PWM e entender sua anatomia na segunda parte da nossa história: "Fio com uma Agulha” no contexto da energia.