[Схемотехника, Производство и разработка электроники, Электроника для начинающих] Анатомия широты
Автор
Сообщение
news_bot ®
Стаж: 6 лет 7 месяцев
Сообщений: 27286
Если кратко, то постараюсь на примере рассуждений и анализа полезной технологии научить читателя пользоваться новейшим модулем Mixed SIM программного комплекса Altium Designer...
ЧАСТЬ ПЕРВАЯ: ШИМ, как результат эволюции Линейных Систем.
Прекрасные идеи и гениальные решения В мире технологий есть различные приемы достижения тех или иных целей как конечных так и промежуточных. Некоторые приемы являются настолько удачными, что в своей нише применяются повсеместно и с высокой эффективностью. Электроника не является исключением, где прекрасных идей и гениальных решений найдено и применяется пожалуй больше чем в других инженерных направлениях. Ярчайшим примером является применение Широтно-Импульсной Модуляции (ШИМ) сигналов (энергии), которая применяется в любом современном электронном устройстве, будь то автопилот, смартфон, планшет, ноутбук, светодиодный прожектор или даже электронная игрушка и помогает эффективно/экономично решить следующие задачи:
- Преобразование напряжения или тока для электропитания отдельных цепей, узлов и блоков электронного устройства (стабилизация напряжения питания для схем, стабилизация тока для питания осветительных приборов на основе светодиодов)
- Высокоэкономичное и эффективное усиление мощности сигнала звукового диапазона (УМЗЧ класса D с КПД близким к 100%)
- Управление исполнительными механизмами такими как гидравлические или пневматические клапаны (привода аэродинамических плоскостей крыльев, рулей самолетов и ракет, АКПП автомобилей, блоки управления ДВС и турбин, промышленная автоматизация в самом широком смысле)
- Преобразование цифрового кода в конкретное пропорциональное значение напряжения или тока (является альтернативой многим ЦАП)
- Передача информации (в том числе и в виде команд на исполнение) о положении исполнительного устройства (например, управление рулевыми машинками БПЛА и роботов)
Данное обстоятельство ставит ШИМ в первые ряды для глубокого изучения, и рассмотрения “её работы” в реальных и практических задачах.Для эффективного применения ШИМ необходимо понимать инженерные трудности с которыми столкнулись инженеры в прошлом, как шла мысль и идеи, впоследствии соединяясь в эффективные законченные решения на основе ШИМ энергии.Инженерные трудностиЕсть устройство, которое требует стабилизированное напряжение питания 5В и потребляет при этом ток 2А. У нас имеется источник питания с выходным напряжением от 10В до 36В. Как с помощью него запитать наше устройство? Первое что приходит на ум, это применить линейный стабилизатор идея которого состоит в том чтобы “рассеять” лишнее входное напряжение сверх 5В. Давайте создадим и промоделируем схему линейного стабилизатора напряжения для нашего устройства и проанализируем его характеристики, с помощью симулятора Altium Designer - Mixed Simulation* :*Примечание: Подготовительные мероприятия по запуску в работу симулятора Mixed Simulation хорошо описаны в документе Guide_SS, поэтому сейчас и далее будут описываться действия и рассуждения применительно к работе схем и их характеристик, а сами схемы, для исключения проблем поиска компонентов с особыми характеристиками, будут создаваться из ЭК стандартной библиотеки Simulation Generic Components интегрированной в Altium Designer.Создадим в новом проекте схему “Linear regulator” Линейного стабилизатора напряжения на основе ОУ:
Представленная схема во многом идеализированная и состоит только из компонентов, которые представляют только суть идеи. ОУ сравнивает образцовое напряжение на опорном источнике V2 Ref с напряжением на нагрузке R1 и подает управляющее воздействие, на биполярный транзистор Q1 выполняющий функции регулирующего элемента (РЭ). В нашем случае схема поддерживает выходное напряжение V(Load)=5В равное опорному напряжению V(Ref).Обратите внимание на номинал R1: Симулятор позволяет в качестве номинала писать не только строгие значения, но и математические представления и зависимости, в нашем случае это формула Закона Ома: 5В/2А, т.е. 2,5 Ом, и конечно же вместо дроби можно просто написать 2.5 и результат будет тот же.Для отображения напряжений в узлах схемы необходимо запустить расчет рабочей точки схемы (Operating Point) и тут же выбрать отображение необходимых физических величин: Напряжение, Мощность,Токи.Но в Задаче исходное условие: Источник выдает напряжение в диапазоне 10-36В, поэтому нам важно видеть как схема ведет себя в этих условиях, т.е. нам надо построить функцию V(Load)(V(V1)), это нам позволяет сделать следующий вид анализа: DC Sweep, который мы и настроим:
- Выберем в DC Sweep параметр V1, который будем менять, тут же указав его диапазон 10-36В с шагом 0,1В:
- В Output Expression Укажем/Добавим (+Add) величину, которую хотим видеть на Первом графике:
- В итоге имеем настроенный к выводу на график функцию V(Load)(V(V1))
Для этого запустим расчет: Смело жмем RUN в поле DC Sweep и тут же Симулятор нам покажет график: 
По оси абсцисс - входное напряжение V(V1)
По оси ординат - напряжение в нагрузке V(Load) равное 5 ВольтамМы видим - схема корректно работает во всем диапазоне входного напряжения.Давайте теперь оценим эффективность данного решения. Для этого нам необходимо сравнить полную мощность схемы, которая равна выходной мощности источника V1, с полезной мощностью в нагрузке R1, для этого там же в DC Sweep добавляем (+Add) в Output Expression новые функции по мощности от входного напряжения V(V1) на интересующих компонентах, а именно P(R1) (V(V1)) и P(V1)(V(V1)) и выведем их на 2 график:
Запускаем расчет (RUN) DC Sweep и Смотрим графики: 
Уже при входном напряжении 10В Мощность в нагрузке в 2 раза меньше мощности отдаваемой источником питания, т.е. КПД схемы 50%, а при напряжении 36В картина еще более печальная, которую тоже можно оценить с помощью калькулятора, но зачем?, у нас же есть Симулятор, который может это сделать за нас и более наглядно! Для этого необходимо там же в DC Sweep добавить (+Add) в Output Expression функцию расчета КПД схемы, в нашем случае это: ( P(R1) / P(V1) ) от V(V1) * 100, почти именно так и запишем разместив результат на 3 графике:
Запускаем расчет (RUN) DC Sweep и Смотрим графики: 
Печальный результат. Третий график наглядно показывает как при увеличении напряжения питания схемы, её КПД линейно падает с 50% до 14%. Если реализовать такую схему, то стоимость только радиатора будет в несколько раз больше суммарных затрат на электронную часть данной схемы и это не говоря уже о низкой эффективности использования энергии. Описанное заставляет искать решения, которые улучшат эффективность преобразования энергии.Несмотря на отрицательный результат, можно, а главное нужно, видеть потенциально перспективные результаты, в нашем случае это рост КПД схемы при уменьшении напряжения падения на РЭ, что это значит?Загоризонтные перспективы Давайте посмотрим эквивалентное сопротивление РЭ от входного напряжения, для этого в соответствии с Законом Ома падение напряжения на РЭ поделим на протекающий через него ток, т.е.: Rq1 = (Vsource - Load) / IcQ1 (т.к. ток базы транзистора Q1 много меньше токов его коллектора и эмиттера пренебрежем им и будем считать, что токи коллектора и эмиттера равны)И опять нам поможет в этом DC Sweep. Добавим (+Add) в Output Expression эту функцию: 
Примечание: Для удобства представления отношение 1/IcQ1 выразим в виде (IcQ1)^-1, в итоге функция будет выглядеть так: (Vsorce-Load)*ic(Q1)^-1:Посмотрим весь перечень графиков, которые мы построили: 
Запускаем расчет (RUN) DC Sweep и Смотрим графики: 
Нижний график это и есть изменение эквивалентного сопротивления Rq1 транзистора Q1. Обратите внимание: при увеличении КПД, Rq1 уменьшается, т.е. чем меньше сопротивление РЭ, тем выше КПД. Давайте изучим, что будет если сопротивление РЭ станет равным нулю, при этом посмотрим где и какие мощности выделятся. Для этого транзистор Q1 заменим на резистор R2 и посмотрим, как его сопротивление будет влиять на баланс мощностей в схеме (при этом нас не будет интересовать напряжение на нагрузке R1): Для этого в схему добавим резистор, а не участвующие ЭК спрячем за маской компиляции: 
В этот раз в DC Sweep отключаем (не удаляем) ранее рассчитанные ненужные зависимости снятием соответствующих галочек:
Выберем в DC Sweep параметр R2, который будем менять, тут же указав его диапазон 0-100 Ом с шагом 0,1 Ом и добавим (+Add) в Output Expression новые функции следующих зависимостей: P(R2) и P(R1) от R2: 
Запускаем расчет (RUN) DC Sweep и натыкаемся на “калейдоскоп” ошибок, которые отображаются в нижней панели Messages сразу под графиками:
Нет, мы сделали все правильно, но при работе с Симулятором есть некоторые ограничения, их не много, но их нужно знать и чувствовать, чтобы Симулятор был нашим надежным помощником. Дело в том, что Симулятор, это все-таки математическая машина, которая работает в “цифровом организме”, у которого есть ограничения по возможности представления сверхмалых и сверхбольших чисел, на которых он иногда (но не всегда!) спотыкается, (в нашем случае при расчетах Симулятор видимо что-то поделил на ноль), поэтому Симулятор “не любит” нули и бесконечность сопротивлений и проводимостей. Вот и в нашей задаче Симулятор споткнулся на нулевом значении сопротивления R2… Проблема эта решается просто, вместо 0 Ом Симулятору нужно предложить малое, но уже не нулевое значение, например 1 мОм, которое для нас не влияет на практическое качество результата, но при этом Симулятор с легкостью его обрабатывает:
Запускаем расчет (RUN) DC Sweep и Смотрим графики: 
Присмотримся и можем видеть… Но нет!, пожалуй вглядываться это тоже неправильно. Симулятор это не только математическая машина, но и телескоп и микроскоп одновременно, который позволяет удобно видеть и малое и большое в одном окошке, логарифмически хитро искривляя область отображения малое растягивая, а большое сжимая: для этого откройте панель Chart Options двойным кликом по горизонтальной оси абсцисс графика: 
поставьте галочку напротив Logarithmic, и далее OK. Что мы видим: 
Горизонтальная ось поделена на равные участки, границы которых различаются не “на 10 Ом” (как на предыдущем графике), а “в 10 раз”, т.е. теперь одинаково видно в одном масштабе, что творится в диапазонах и 0,1-1 Ом и 1-10 Ом и 10-100 Ом и это замечательно! Глядя на результат, чувствуется, что возможности такого представления в полной мере справа еще не исчерпались, поэтому давайте в DC Sweep для параметра R2 увеличим верхний диапазон в 100 раз т.е. до 10 кОм:
Для оценки разницы восприятия самостоятельно оцените информативность графиков в линейном и логарифмическом масштабах переключая соответствующие галочки в Chart Options и имейте в виду, не верьте глазам своим, то что вы видите и в линейном и в логарифмическом масштабе это одно и тоже! Вот оно волшебство логарифмирования.Вернемся обратно к анализу графиков. Красный график, это мощность переданная в нагрузку - R1, а синий график это мощность рассеянная на РЭ - R2. Как можно заметить, если менять сопротивление РЭ скачкообразно (т.е. как можно быстрее) от 0 к бесконечности и обратно, то можно поставлять энергию от источника к нагрузке порциями без потери энергии на РЭ!. Данный режим работы РЭ называется ключевым, а РЭ работающий в таком режиме часто называют Ключом. Отсутствие потерь энергии на Ключе, в крайних значениях его сопротивления, весьма привлекательно для применения и оказывается именно ключевой режим лежит в основе работы ШИМ энергии позволяя с высокой эффективностью решать задачи по ее преобразованию. Настало время заглянуть внутрь ШИМ, так сказать понять ее анатомию, которую мы рассмотрим во второй части нашего рассказа: “Нитка с иголкой в ткани энергии.”
===========
Источник:
habr.com
===========
Похожие новости:
- [Производство и разработка электроники, Процессоры, IT-компании] СМИ: из-за глобального дефицита полупроводников TSMC ставит в приоритет автопроизводителей и Apple
- [Анализ и проектирование систем, Производство и разработка электроники, Электроника для начинающих] Использование оптимизации выводов ПЛИС для повышения эффективности проектирования печатных плат
- [Носимая электроника, Здоровье] Исследование показало, что Amazon Halo Band высчитывает процент жира в теле не хуже лабораторий
- [Микроформаты, Схемотехника, Производство и разработка электроники, Научно-популярное] Стэнфорд сообщил об успехах гибких одноатомных транзисторов
- [Производство и разработка электроники, Финансы в IT, Процессоры] Группа «Вартон» купила «Байкал Электроникс»
- [Анализ и проектирование систем, Бизнес-модели, Схемотехника, Разработка на Raspberry Pi, Компьютерное железо] Создание терминала для СКУД и УРВ
- [Научно-популярное, Финансы в IT, Транспорт] Как ажиотажный спрос на туалетную бумагу привел к дефициту электроники
- [Машинное обучение, Производство и разработка электроники, Научно-популярное, Искусственный интеллект, Звук] Немецкие исследователи научили беспилотник искать людей по крикам для поисково-спасательных операций
- [Изучение языков] All и Whole: как отличить все, всё и весь в английском
- [Анализ и проектирование систем, CAD/CAM, Производство и разработка электроники, Электроника для начинающих] Ускорение проектирования РЧ-, СВЧ-устройств (5/5)
Теги для поиска: #_shemotehnika (Схемотехника), #_proizvodstvo_i_razrabotka_elektroniki (Производство и разработка электроники), #_elektronika_dlja_nachinajuschih (Электроника для начинающих), #_modelirovanie (Моделирование), #_spice, #_shemotehnika (схемотехника), #_elektronika (электроника), #_altium, #_sapr (сапр), #_teorija (теория), #_shim (шим), #_elektropitanie (электропитание), #_preobrazovatelnaja_tehnika (преобразовательная техника), #_shemotehnika (
Схемотехника
), #_proizvodstvo_i_razrabotka_elektroniki (
Производство и разработка электроники
), #_elektronika_dlja_nachinajuschih (
Электроника для начинающих
)
Вы не можете начинать темы
Вы не можете отвечать на сообщения
Вы не можете редактировать свои сообщения
Вы не можете удалять свои сообщения
Вы не можете голосовать в опросах
Вы не можете прикреплять файлы к сообщениям
Вы не можете скачивать файлы
Текущее время: 21-Сен 12:42
Часовой пояс: UTC + 5
| Автор | Сообщение |
|---|---|
|
news_bot ®
Стаж: 6 лет 7 месяцев |
|
|
Если кратко, то постараюсь на примере рассуждений и анализа полезной технологии научить читателя пользоваться новейшим модулем Mixed SIM программного комплекса Altium Designer... ЧАСТЬ ПЕРВАЯ: ШИМ, как результат эволюции Линейных Систем.
 Представленная схема во многом идеализированная и состоит только из компонентов, которые представляют только суть идеи. ОУ сравнивает образцовое напряжение на опорном источнике V2 Ref с напряжением на нагрузке R1 и подает управляющее воздействие, на биполярный транзистор Q1 выполняющий функции регулирующего элемента (РЭ). В нашем случае схема поддерживает выходное напряжение V(Load)=5В равное опорному напряжению V(Ref).Обратите внимание на номинал R1: Симулятор позволяет в качестве номинала писать не только строгие значения, но и математические представления и зависимости, в нашем случае это формула Закона Ома: 5В/2А, т.е. 2,5 Ом, и конечно же вместо дроби можно просто написать 2.5 и результат будет тот же.Для отображения напряжений в узлах схемы необходимо запустить расчет рабочей точки схемы (Operating Point) и тут же выбрать отображение необходимых физических величин: Напряжение, Мощность,Токи.Но в Задаче исходное условие: Источник выдает напряжение в диапазоне 10-36В, поэтому нам важно видеть как схема ведет себя в этих условиях, т.е. нам надо построить функцию V(Load)(V(V1)), это нам позволяет сделать следующий вид анализа: DC Sweep, который мы и настроим:
 Для этого запустим расчет: Смело жмем RUN в поле DC Sweep и тут же Симулятор нам покажет график:  По оси абсцисс - входное напряжение V(V1) По оси ординат - напряжение в нагрузке V(Load) равное 5 ВольтамМы видим - схема корректно работает во всем диапазоне входного напряжения.Давайте теперь оценим эффективность данного решения. Для этого нам необходимо сравнить полную мощность схемы, которая равна выходной мощности источника V1, с полезной мощностью в нагрузке R1, для этого там же в DC Sweep добавляем (+Add) в Output Expression новые функции по мощности от входного напряжения V(V1) на интересующих компонентах, а именно P(R1) (V(V1)) и P(V1)(V(V1)) и выведем их на 2 график:   Запускаем расчет (RUN) DC Sweep и Смотрим графики:  Уже при входном напряжении 10В Мощность в нагрузке в 2 раза меньше мощности отдаваемой источником питания, т.е. КПД схемы 50%, а при напряжении 36В картина еще более печальная, которую тоже можно оценить с помощью калькулятора, но зачем?, у нас же есть Симулятор, который может это сделать за нас и более наглядно! Для этого необходимо там же в DC Sweep добавить (+Add) в Output Expression функцию расчета КПД схемы, в нашем случае это: ( P(R1) / P(V1) ) от V(V1) * 100, почти именно так и запишем разместив результат на 3 графике:  Запускаем расчет (RUN) DC Sweep и Смотрим графики:  Печальный результат. Третий график наглядно показывает как при увеличении напряжения питания схемы, её КПД линейно падает с 50% до 14%. Если реализовать такую схему, то стоимость только радиатора будет в несколько раз больше суммарных затрат на электронную часть данной схемы и это не говоря уже о низкой эффективности использования энергии. Описанное заставляет искать решения, которые улучшат эффективность преобразования энергии.Несмотря на отрицательный результат, можно, а главное нужно, видеть потенциально перспективные результаты, в нашем случае это рост КПД схемы при уменьшении напряжения падения на РЭ, что это значит?Загоризонтные перспективы Давайте посмотрим эквивалентное сопротивление РЭ от входного напряжения, для этого в соответствии с Законом Ома падение напряжения на РЭ поделим на протекающий через него ток, т.е.: Rq1 = (Vsource - Load) / IcQ1 (т.к. ток базы транзистора Q1 много меньше токов его коллектора и эмиттера пренебрежем им и будем считать, что токи коллектора и эмиттера равны)И опять нам поможет в этом DC Sweep. Добавим (+Add) в Output Expression эту функцию:  Примечание: Для удобства представления отношение 1/IcQ1 выразим в виде (IcQ1)^-1, в итоге функция будет выглядеть так: (Vsorce-Load)*ic(Q1)^-1:Посмотрим весь перечень графиков, которые мы построили:  Запускаем расчет (RUN) DC Sweep и Смотрим графики:  Нижний график это и есть изменение эквивалентного сопротивления Rq1 транзистора Q1. Обратите внимание: при увеличении КПД, Rq1 уменьшается, т.е. чем меньше сопротивление РЭ, тем выше КПД. Давайте изучим, что будет если сопротивление РЭ станет равным нулю, при этом посмотрим где и какие мощности выделятся. Для этого транзистор Q1 заменим на резистор R2 и посмотрим, как его сопротивление будет влиять на баланс мощностей в схеме (при этом нас не будет интересовать напряжение на нагрузке R1): Для этого в схему добавим резистор, а не участвующие ЭК спрячем за маской компиляции:  В этот раз в DC Sweep отключаем (не удаляем) ранее рассчитанные ненужные зависимости снятием соответствующих галочек:  Выберем в DC Sweep параметр R2, который будем менять, тут же указав его диапазон 0-100 Ом с шагом 0,1 Ом и добавим (+Add) в Output Expression новые функции следующих зависимостей: P(R2) и P(R1) от R2:  Запускаем расчет (RUN) DC Sweep и натыкаемся на “калейдоскоп” ошибок, которые отображаются в нижней панели Messages сразу под графиками:  Нет, мы сделали все правильно, но при работе с Симулятором есть некоторые ограничения, их не много, но их нужно знать и чувствовать, чтобы Симулятор был нашим надежным помощником. Дело в том, что Симулятор, это все-таки математическая машина, которая работает в “цифровом организме”, у которого есть ограничения по возможности представления сверхмалых и сверхбольших чисел, на которых он иногда (но не всегда!) спотыкается, (в нашем случае при расчетах Симулятор видимо что-то поделил на ноль), поэтому Симулятор “не любит” нули и бесконечность сопротивлений и проводимостей. Вот и в нашей задаче Симулятор споткнулся на нулевом значении сопротивления R2… Проблема эта решается просто, вместо 0 Ом Симулятору нужно предложить малое, но уже не нулевое значение, например 1 мОм, которое для нас не влияет на практическое качество результата, но при этом Симулятор с легкостью его обрабатывает:  Запускаем расчет (RUN) DC Sweep и Смотрим графики:  Присмотримся и можем видеть… Но нет!, пожалуй вглядываться это тоже неправильно. Симулятор это не только математическая машина, но и телескоп и микроскоп одновременно, который позволяет удобно видеть и малое и большое в одном окошке, логарифмически хитро искривляя область отображения малое растягивая, а большое сжимая: для этого откройте панель Chart Options двойным кликом по горизонтальной оси абсцисс графика:  поставьте галочку напротив Logarithmic, и далее OK. Что мы видим:  Горизонтальная ось поделена на равные участки, границы которых различаются не “на 10 Ом” (как на предыдущем графике), а “в 10 раз”, т.е. теперь одинаково видно в одном масштабе, что творится в диапазонах и 0,1-1 Ом и 1-10 Ом и 10-100 Ом и это замечательно! Глядя на результат, чувствуется, что возможности такого представления в полной мере справа еще не исчерпались, поэтому давайте в DC Sweep для параметра R2 увеличим верхний диапазон в 100 раз т.е. до 10 кОм:  Для оценки разницы восприятия самостоятельно оцените информативность графиков в линейном и логарифмическом масштабах переключая соответствующие галочки в Chart Options и имейте в виду, не верьте глазам своим, то что вы видите и в линейном и в логарифмическом масштабе это одно и тоже! Вот оно волшебство логарифмирования.Вернемся обратно к анализу графиков. Красный график, это мощность переданная в нагрузку - R1, а синий график это мощность рассеянная на РЭ - R2. Как можно заметить, если менять сопротивление РЭ скачкообразно (т.е. как можно быстрее) от 0 к бесконечности и обратно, то можно поставлять энергию от источника к нагрузке порциями без потери энергии на РЭ!. Данный режим работы РЭ называется ключевым, а РЭ работающий в таком режиме часто называют Ключом. Отсутствие потерь энергии на Ключе, в крайних значениях его сопротивления, весьма привлекательно для применения и оказывается именно ключевой режим лежит в основе работы ШИМ энергии позволяя с высокой эффективностью решать задачи по ее преобразованию. Настало время заглянуть внутрь ШИМ, так сказать понять ее анатомию, которую мы рассмотрим во второй части нашего рассказа: “Нитка с иголкой в ткани энергии.” =========== Источник: habr.com =========== Похожие новости:
Схемотехника ), #_proizvodstvo_i_razrabotka_elektroniki ( Производство и разработка электроники ), #_elektronika_dlja_nachinajuschih ( Электроника для начинающих ) |
|
Вы не можете начинать темы
Вы не можете отвечать на сообщения
Вы не можете редактировать свои сообщения
Вы не можете удалять свои сообщения
Вы не можете голосовать в опросах
Вы не можете прикреплять файлы к сообщениям
Вы не можете скачивать файлы
Вы не можете отвечать на сообщения
Вы не можете редактировать свои сообщения
Вы не можете удалять свои сообщения
Вы не можете голосовать в опросах
Вы не можете прикреплять файлы к сообщениям
Вы не можете скачивать файлы
Текущее время: 21-Сен 12:42
Часовой пояс: UTC + 5