Giải phẫu của Latitude Phần Một: Điều Chế Độ Rộng Xung (PWM) như một Kết quả của Sự Tiến hóa của Hệ thống Tuyến tính

Ý tưởng tuyệt vời và Giải pháp thông minh

Có nhiều kỹ thuật khác nhau trong thế giới công nghệ để đạt được các mục tiêu khác nhau, cả cuối cùng và trung gian. Một số kỹ thuật thành công đến mức chúng được sử dụng phổ biến với hiệu suất cao. Lĩnh vực điện tử không phải là ngoại lệ. Ý tưởng tuyệt vời và giải pháp sáng tạo được tìm thấy và áp dụng trong lĩnh vực này có lẽ nhiều hơn so với các lĩnh vực kỹ thuật khác. Ví dụ lớn nhất là việc sử dụng tín hiệu Điều chế Độ rộng Xung (PWM) (năng lượng), được áp dụng trong bất kỳ thiết bị điện tử hiện đại nào, dù là hệ thống tự động lái, điện thoại thông minh, máy tính bảng, laptop, đèn LED spotlight, hay thậm chí là đồ chơi điện tử, và giúp giải quyết hiệu quả và tiết kiệm các vấn đề sau:

• Biến đổi điện áp hoặc dòng điện để cung cấp năng lượng cho các mạch, nút và đơn vị riêng lẻ của một thiết bị điện tử (ổn định điện áp cung cấp cho các mạch, ổn định dòng điện cho các thiết bị chiếu sáng dựa trên LED)
• Hiệu suất khuếch đại cao cho phạm vi công suất tín hiệu âm thanh (khuếch đại công suất âm thanh lớp D với hiệu suất gần như 100%)
• Điều khiển các thiết bị thực thi như van thủy lực hoặc khí nén (động cơ của bề mặt khí động của cánh, bánh lái của máy bay và tên lửa, hộp số tự động của xe hơi, đơn vị điều khiển của động cơ đốt trong và tua-bin, tự động hóa công nghiệp trong nghĩa rộng nhất)
• Chuyển đổi một mã số kỹ thuật số thành một giá trị điện áp hoặc dòng điện tỷ lệ cụ thể (một phương án thay thế cho nhiều DAC)
• Chuyển giao thông tin (bao gồm lệnh thực thi) về vị trí của thiết bị hoạt động (ví dụ, điều khiển bộ truyền động UAV và robot)

Thực tế này đặt PWM vào vị trí hàng đầu trong danh sách để nghiên cứu và đánh giá sâu rộng trong các ứng dụng thực tế và thực hành.

Để áp dụng PWM một cách hiệu quả, cần phải hiểu những khó khăn kỹ thuật mà các kỹ sư đã đối mặt trong quá khứ, và những suy nghĩ và ý tưởng sau đó đã được kết hợp thành các giải pháp điện PWM hiệu quả, hoàn chỉnh.

Khó khăn Kỹ thuật

Ví dụ, có một thiết bị yêu cầu nguồn cung cấp điện áp ổn định 5V và tiêu thụ dòng điện 2A. Chúng ta có một nguồn cung cấp điện với điện áp đầu ra từ 10V đến 36V. Làm thế nào chúng ta có thể sử dụng nó để cấp điện cho thiết bị của mình? Ý đầu tiên là sử dụng một bộ điều chỉnh tuyến tính để "tiêu hao" điện áp đầu vào dư thừa trên 5V. Do đó, hãy tạo và mô phỏng một bộ điều chỉnh điện áp tuyến tính cho thiết bị của chúng ta và phân tích các đặc tính của nó sử dụng Altium Designer - Mixed Simulation.

Lưu ý: Để loại bỏ vấn đề tìm kiếm các linh kiện với đặc tính đặc biệt, một sơ đồ sẽ được tạo ra sử dụng các linh kiện điện tử của thư viện tiêu chuẩn Simulation Generic Components tích hợp trong Altium Designer.

Trong dự án mới, chúng ta tạo sơ đồ "Bộ điều chỉnh tuyến tính" dựa trên bộ khuếch đại hoạt động.

Sơ đồ được trình bày chủ yếu là lý tưởng hóa và chỉ bao gồm các linh kiện, mô tả chỉ ý tưởng. Bộ khuếch đại hoạt động so sánh điện áp tham chiếu V2 Ref với điện áp trên R1 và áp dụng hành động điều khiển vào transistor nối bipolar Q1, có chức năng là một yếu tố điều chỉnh. Trong trường hợp của chúng ta, sơ đồ duy trì điện áp đầu ra V(Load)=5V bằng với điện áp tham chiếu V(Ref).

Lưu ý giá trị của R1. Bộ mô phỏng cho phép bạn nhập không chỉ các giá trị cố định mà còn cả biểu diễn toán học và sự phụ thuộc như một giá trị. Trong trường hợp của chúng ta, đó là công thức của Định luật Ohm: 5V/2A, tức là 2.5 Ohm, và tất nhiên, thay vì một phân số bạn có thể chỉ viết 2.5 và kết quả sẽ như nhau.

Để hiển thị điện áp tại các nút mạch, chạy tính toán Điểm Hoạt động sau đó chọn hiển thị các đại lượng vật lý cần thiết: Điện áp, Công suất, Dòng điện.

Nhưng điều kiện ban đầu là như sau: nguồn sản xuất điện áp trong phạm vi 10-36V, vì vậy điều quan trọng đối với chúng ta là xem mạch hoạt động như thế nào trong những điều kiện này, tức là chúng ta cần xây dựng chức năng V(Tải)(V(V1)). Điều này cho phép chúng ta cấu hình loại phân tích DC Sweep sau.

• Trong DC Sweep, chọn tham số V1 mà chúng ta sẽ thay đổi sau đó xác định phạm vi của nó từ 10-36V với bước 0.1V.

  

• Trong hộp thoại Thêm Biểu Thức Đầu Ra, xác định/thêm (+Thêm) giá trị mà chúng ta muốn thấy trên Biểu đồ 1.
  

• Kết quả là, chúng tôi có một chức năng V(Load)(V(V1)) được cấu hình để hiển thị trên biểu đồ.

• Thực hiện tính toán bằng cách nhấp vào Run trong trường DC Sweep; Simulator ngay lập tức hiển thị biểu đồ.

• Trục hoành - điện áp đầu vào V(V1)

• Trục tung - điện áp tải V(Load) bằng 5 volt

Chúng ta có thể thấy rằng sơ đồ hoạt động chính xác trong toàn bộ phạm vi điện áp đầu vào.

Hãy đánh giá hiệu quả của giải pháp này. Chúng ta cần so sánh tổng công suất của sơ đồ, bằng với công suất đầu ra của nguồn V1, với công suất hiệu quả trong tải R1. Để làm điều này, chúng ta thêm (+Add) vào hộp thoại Add Output Expression trong DC Sweep các chức năng mới về điện áp đầu vào V(V1) trên các thành phần cần thiết, như P(R1), (V(V1)), và P(V1)(V(V1)), và hiển thị chúng trên Plot 2.

Chạy DC Sweep sau đó xem lại các biểu đồ.

Khi điện áp đầu vào là 10V, công suất trên tải là một nửa công suất từ nguồn cung cấp, tức là hiệu suất sơ đồ là 50%. Khi điện áp là 36V, bạn cũng có thể đánh giá giá trị bằng máy tính. Tuy nhiên, Mô phỏng có thể làm điều đó rõ ràng hơn. Cần phải thêm (+Add) vào hộp thoại Add Output Expression trong cùng chức năng DC Sweep để tính toán hiệu suất của sơ đồ.

Nhập “P(R1) / P(V1) ) từ V(V1) * 100 làm Biểu thức và đặt kết quả trên Plot 3.

Chạy DC Sweep sau đó xem xét các biểu đồ.

Kết quả là thất vọng. Plot 3 cho thấy rõ ràng cách điện áp cung cấp của sơ đồ tăng và hiệu suất của nó giảm tuyến tính từ 50% xuống 14%. Nếu chúng ta tạo ra một sơ đồ như vậy, chi phí của bộ tản nhiệt sẽ cao gấp nhiều lần so với tổng chi phí của phần điện tử của sơ đồ này, không kể đến hiệu suất sử dụng năng lượng thấp. Kịch bản này khiến chúng ta tìm kiếm các giải pháp sẽ cải thiện hiệu suất chuyển đổi năng lượng.

Mặc dù kết quả là tiêu cực, chúng ta có thể thấy những kết quả tiềm năng hứa hẹn. Trong tình huống này, hiệu quả của sơ đồ mạch tăng lên trong khi sự giảm điện áp được giảm xuống ở phần tử điều chỉnh. Điều này có nghĩa là gì?

Quan điểm “Vượt qua tầm nhìn”

Bây giờ, hãy xem điện trở tương đương của phần tử điều chỉnh từ điện áp đầu vào. Để làm điều này, theo Định luật Ohm, chúng ta chia sự giảm điện áp qua phần tử điều chỉnh cho dòng điện chảy qua nó như mô tả dưới đây.

• Rq1 = (Vsource - Load) / IcQ1 (vì dòng điện cơ bản của transistor Q1 nhỏ hơn nhiều so với dòng điện thu và phát, chúng ta bỏ qua nó và giả sử rằng dòng điện thu và phát là bằng nhau)

• DC Sweep sẽ giúp chúng ta. Hãy thêm (+Add) Biểu thức này vào hộp thoại Thêm Biểu thức Đầu ra.

Chú ý: Để thuận tiện, chúng ta biểu diễn tỉ lệ 1/IcQ1 như là (IcQ1)^-1, vậy nên hàm số như sau: (Vsorce-Load)*ic(Q1)^-1:

Hãy xem xét toàn bộ danh sách các biểu đồ mà chúng ta đã xây dựng.

Chạy DC Sweep sau đó xem xét các biểu đồ.

Biểu đồ dưới đây thể hiện sự thay đổi của điện trở tương đương Rq1 của transistor Q1. Khi hiệu suất tăng lên, Rq1 giảm xuống, tức là điện trở của phần tử điều chỉnh càng thấp thì hiệu suất càng cao. Hãy nghiên cứu xem điều gì sẽ xảy ra nếu điện trở của phần tử điều chỉnh trở thành không và kiểm tra xem năng lượng sẽ được tạo ra ở đâu và như thế nào. Chúng ta thay thế transistor Q1 bằng điện trở R2 và xem điện trở của nó ảnh hưởng như thế nào đến cân bằng năng lượng trong sơ đồ (chúng ta không quan tâm đến điện áp trên tải R1).

Để làm điều này, chúng ta thêm một điện trở vào sơ đồ và ẩn các linh kiện điện tử không sử dụng với mặt nạ biên dịch.

8:35

Lần này, chúng ta vô hiệu hóa (không xóa) các phụ thuộc không cần thiết đã tính toán trước đó trong DC Sweep bằng cách bỏ chọn các ô tương ứng.

Chọn tham số R2 trong DC Sweep (mà chúng ta muốn thay đổi) sau đó chúng ta xác định phạm vi từ 0-100 Ohm với bước 0,1 Ohm và thêm (+Add) các tính năng mới trong hộp thoại Add Output Expression: P(R2) và P(R1) trên R2.

Chạy quét DC. Sẽ có nhiều lỗi xuất hiện, được hiển thị gần phía dưới của bảng Thông điệp dưới các biểu đồ.

Chúng ta đã làm mọi thứ đúng, nhưng có một số hạn chế khi làm việc với Bộ mô phỏng, mà bạn cần biết để sử dụng Bộ mô phỏng. Sự thật là Bộ mô phỏng là một máy tính toán học hoạt động trong một "cơ thể số" có khả năng biểu diễn các số cực nhỏ và cực lớn bị hạn chế, đôi khi (nhưng không phải lúc nào!) nó sẽ thất bại. Trong tình huống của chúng ta, Bộ mô phỏng rõ ràng đã chia một cái gì đó cho không trong quá trình tính toán. Bộ mô phỏng không thích các giá trị không và vô cùng của điện trở và dẫn điện.

Trong nhiệm vụ này, Bộ mô phỏng thất bại ở giá trị không của điện trở R2. Vấn đề này dễ dàng được giải quyết. Thay vì 0 Ohm, chúng ta phải nhập một giá trị nhỏ, không bằng không, ví dụ, 1 mOhm, không ảnh hưởng đến chất lượng của kết quả. Bộ mô phỏng giờ đây xử lý điều này một cách dễ dàng.

Chạy quét DC và xem xét các biểu đồ.

Hãy cùng nhìn kỹ và chúng ta có thể thấy... Nhưng không! Có lẽ việc nhìn chằm chằm cũng không đúng. Bộ mô phỏng không chỉ là một máy tính toán học mà còn là một kính thiên văn và kính hiển vi cùng một lúc. Nó cho phép bạn thuận tiện nhìn thấy cả nhỏ và lớn trong cùng một cửa sổ bằng cách biến dạng logarit khu vực hiển thị, tức là mở rộng cái nhỏ và nén cái lớn. Mở hộp thoại Tùy chọn Biểu đồ bằng cách nhấp đúp vào trục abscissa ngang của biểu đồ.

Kích hoạt tùy chọn Logarit rồi nhấp OK. Kết quả được hiển thị bên dưới.

Trục ngang được chia thành các phần bằng nhau và giới hạn của chúng không phải là chênh lệch 10 ohm (như trong biểu đồ trước), mà là chênh lệch theo hệ số 10. Bây giờ bạn có thể thấy trên cùng một tỷ lệ những gì đang diễn ra trong các phạm vi và 0.1-1 Ohm, 1-10 Ohm, và 10-100 Ohm.

Nhìn vào kết quả, cảm giác là khả năng của biểu diễn này ở bên phải chưa được khai thác hết, vậy hãy tăng phạm vi trên trong DC Sweep cho tham số R2 lên hệ số 100, tức là lên đến 10 kOhm.

Để đánh giá sự khác biệt trong cách giải thích, hãy độc lập đánh giá tính thông tin của các biểu đồ ở tỉ lệ tuyến tính và logarit bằng cách kích hoạt các tùy chọn phù hợp trong hộp thoại Tùy chọn Biểu đồ. Hãy nhớ, không có gì là như nó vẻ, và những gì bạn thấy ở cả tỉ lệ tuyến tính và logarit là cùng một thứ. Đó là phép màu của logarit.

Hãy quay lại phân tích các biểu đồ. Biểu đồ màu đỏ là công suất truyền đến tải - R1 và biểu đồ màu xanh là công suất tiêu hao tới phần tử được điều chỉnh - R2. Như bạn có thể thấy, nếu bạn thay đổi trở kháng của phần tử được kiểm soát một cách gián đoạn (tức là càng nhanh càng tốt) từ 0 đến vô cùng và trở lại, bạn có thể cung cấp năng lượng từ nguồn đến tải theo từng phần mà không mất năng lượng trên phần tử được kiểm soát! Chế độ này của phần tử được điều chỉnh được biết đến là chế độ chìa khóa, và phần tử được điều chỉnh hoạt động trong chế độ này thường được gọi là Chìa khóa. Sự vắng mặt của mất mát năng lượng trên Chìa khóa, ở các cực của trở kháng của nó, rất thú vị cho ứng dụng. Chế độ chìa khóa là cơ sở của hoạt động năng lượng PWM và cho phép bạn giải quyết vấn đề chuyển đổi năng lượng với hiệu suất cao.

Đã đến lúc nhìn vào bên trong PWM và hiểu về cấu trúc của nó trong phần thứ hai của câu chuyện của chúng tôi: "Chỉ qua lỗ kim” trong bối cảnh của năng lượng.