Nekorektní blog Petra Kubáče na Blog.cz

Studentka medicíny v minisukni dostane u zkoušky z lékařské fyziky otázku "co je to potenciometr" - celá zčervená a prohlásí : "To je přístroj na měření mužské potence !". Zkoušející se rozčílí a kříčí "Véén", studentka zmizí, jak pára nad hrncem, ale pak se ke zkoušejícímu nakloní přísedící a říká "kolego to jste se ukvapil - měl jste jí ještě nechat, ať nám nakreslí schéma"...

Takže někteří moji čtenářové, kteří už utratili hromadu pěněz, mě nebudou mít rádi, ale výklad směřuje k výrobě elektronického pH metru, protože pH metr je přístroj dětsky jednoduchý. Nicméně, pokud jej postavíte mechanicky "podle návodu" je téměř 100% jisté, že vám nebude fungovat, protože jednoduchý přístroj je obklopen teorií "střední obtížnosti" o které je dobré něco vědět abychom mohli zapojení vůbec oživit.

Druhá věc, je, že jsem zabrousil - ne do mnou vychvalovaných husákovských - ale do dnešních učebnic chemie pro 7. třídy a výsledek byl tristní - výklad i otázky byly takového druhu, že podle informací v knize byste nepochopili nic a naopak - pokud byste někde nastudovali teorii nutnou pro postavení a oživení pH metru - stejně byste dneska dostali pětku - protože smysl otázek v kontrolním testu jsem nechápal ani po 30 letech v chemii.

Tedy potenciometrie je honosný chemický název pro měření elektrického napětí, a pokud máte multimetr se vstupním odporem alespoň 1 Gigaohm - můžete k němu rovnou připojit pH elektrodu a dále se nemusíme babrat s výkladem.... Na druhé straně vám chci předat nějaké ty chemické informace v "Husákovské kvalitě" takže i přestoře jseme de-facto skončili pokračujmše dále.

Tedy pokus číslo 1 - notoricky známý - do citrónu zapíchneme měděný drát a hřebík - jaký bude "potenciál" alias napětí takto vzniklého článku ? Tedy žil byl v carské Rusi Nikolaj Beketov -chemik, který se zabýval otázkami jak je možné, že některé kovy v kyselině (ve vodě) korodují a jiné nikoliv. A jak je možné, že pokud ponoříme hřebík do roztoku měďnaté soli začne se měď vylučovat na hřebíku jehož hmota se začne rozpouštět v roztoku. A vymyslel tzv. Beketovovu řadu standardních potenicálů kovů. Zlí jazykové říkají, že nahrubo vytvořil tento seznam reakcemi kovů s kyselinami, ale "najemno" jej dolaďoval olizovnáním dvojic kovových tyčinek a podrobnými záznamy "jaký to byl pocit" na jazyku. ERGO tabulka :

ERGO měď má standardní potenciál +0,159 V železo -0,44 ERGO napětí článku bude maximálně 0,159 - (-0,44) = 0,599V což na CMOS digitálky kupodivu stačí. Proč píšu MAXIMÁLNĚ - jistě tušíte, že hřebík i měděný drát jsou "elektrody prvního druhu" a tudíž od jejich napětí je třeba odečíst postupně narůstající polarizační napětí.

Když tomu věnujeme ještě jednu nebo dvě myšleky -pohledem na řadu - vidíte že s rostoucím standardním napětím roste "korozivzdornost" daného kovu a dokonce je to tak že kovy se zápornějším potenciálem vytlačují "kladnější" kovy z jejich solí - proto se na hřebiku ponořeném do modré skalice začne vylučovat měď atd.

Zlepšovatelé mezi vámi by ještě namítli - proč nezapíchnout do citrónu třeba hliník to by bylo napětí skoro 1,5V. Na to odpovídám "ďábel se skrývá v detailech" tedy hliník se pokrývá vrstvičkou oxidu hlinitého která je korozivzdorná a nevodivá takže s hliníkem v citrónu bychom vyrobili pouze velmi uboze fungující elektrolytický kondenzátor. Pokud bychom do citrónu zapíchli třeba lithium, cesium, sodík, draslík, vápník, atd.... - zase by reakce s vodou v citrónu byla natolik prudká, že bychom se nevyhli plamenným efektům a poleptanému oku od reakcí vzniklého prskajícího hydroxidu....

OK takže to máme dva kovy v jednom elektrolytu, ale teď si představte situaci, že do "modré skalice" zapíchneme měděný drát - jaké na takovém článku bude napětí ? V principu žádné protože to není úplný článek ale jenom polovina článku. Chemici si ale s napětími tzv "poločlánků" dovedou poradit a to tak, že kombinují různé poločlánky dohromady a zkoumáním jaké napětí generují "celé články" můžeme usoudit jakým napětím se na tom podílejí jednostlivé poloviny.

OK takže vyrobíme nejjednodušší "celý článek" - do modré skalice ponoříme dva měděné dráty - jaké bude napětí ? - pořád nula a to proto že dva zcela identické poločlánky se zcela identickým napětím zapojené proti sobě ani jiné napětí nemohou produkovat. Takže potřebujeme techniku jak spojit články typu "měď v síranu měďnatém" s článkem typu "železo v chloridu železitém".

Je vám jasné, že pokud bychom do nádoby nalili síran měďnatý, chlorid železitý, a ponoříli tam měď a železo - vznikne "hňahňačka" ve které opět nenaměříme nic. Proto je třeba použt "separátor" - tedy fintu jak to udělat aby elektrony procházely z článku do článku, ale elektrolyty se přesto nemísily. Praotec "galvanického článku" Alessandro Volta třeba nechal kyselinu nasáknout od papíru, nebo se používá keramický neglazovaný květínáč, který navlhne a tím propustí elektrony, ale ionty z roztoků propouští jen velice pomalu.

MY chemici používáme jako separátory tzv "solné můstky" tedy něco jako "tekuté dráty" - alias hadičku / trubičku naplněnou nějakým velmi dobře vodivým roztokem (nasycený roztok chloridu draselného, nebo v nouzi sodného (obyč soli.)). Hadička má často ještě na obou koncích ucpávky z neglazované keramiky, neglazovaného porceláný, nebo jiné porézní a odolné hmoty, které ještě dále ztěžují možnost smíchání roztoků. U takto konstruovaných článků si pak můžeme dovolit kombinovat "cokoliv s čímkoliv". Jelikož se nám roztoky nemísí - můžeme si dovolit aby "modrá skalice" v jedné nádobě měla jinou koncentraci než modrá skalice ve druhé nádobě.

Napětí takového článku pak spočteme podle Nernstovy rovnice, která ve zjednodušené formě pro 25 stupňů teploty a vodné prostředí je ve vzorečku nahoře. Kde E0 je rozdíl standardních potenciálů elektrod (u nás 0), z je mocenství iontů (u mědi 2) a C1/C2 je poměr koncentrací měďnatých iontů v jednom a druhém poločlánku.

Jasné ? Opravdu bych se divil, kdybyste teď nebyli naprostí jeleni, kteří netuší jak od těchto chemických hrůz dojít až k pHmetru, protože toho mám taky dost tak budu jenom v bodech naznačovat, kam se vydáme příště:

Teď je to jasnější ?

Zbývá už jenom rada paní Kubáčové novomanželkám : Každá mladá žena musí bedlivě hlídat koho si pustí do podprsenky.

Opakovaně jsem od mnohých čtenářů na adresu svého blogu slyšel, že "elektronika a roboti ujdou, ale chemie je skvělá" - jelikož články o chemii mi dají tak 5% práce, co články o robotech - tak to spíše vypovídá o překvapivě malém množství informací o chemii mezi lidmi. Nicméně mezi elektronikou a chemií je disciplína "elektrochemie" nebo jak analytiční chemici říkají "instrumentální analýza" a tam dneska zabrousíme.

Ergo - co to jsou elektrody druhého řádu ? Patrně něco podřadného, co si může vidlák postavit doma, aby jimi nahradil elektrody prvního řádu ???

Tedy na obrázku máte "indikátor zálivky" z Rudého Práva - elektrický obvod, který vyšel v příloze "Haló Sobota" jak návod pro mladé elektroniky někdy v roce 1982 a protože jsem měl tehdy pár tranzistorů KC508 a LEDek LQ100 tak jsem jich postavil více a dokonce jsem za to v jakési školní akci dostal pochvalu.

Princip snad ani nemusím vysvětlovat - elektrody IN a GND se zapíchl do hlíny v květináči a vodivost vlhké půdy zkratovala bázi tranzistoru - takže LEDka nesvítila. Když hlína vyschla - zkrat přestal a LEDka se rozsvítila jako varování "zalij mně".

Zkušení elektronici vědí v čem je problém - elektrodami - které měly podobu dvou drátků - protéká stejnosměrný proud, který ve vhlké hlíně drátky postupně "elektrolyzuje" až upadnou. Každý elektronik mi taky okamžitě napíše do komentáře "takové věci musíš měřit střídavým proudem" - protože použití střídavého proudu znamená, že každá elektroda je chvíli anoda, chvíli katoda a tudíž se (tak rychle) nerozpadne.

Nebudu namítat, že primitivní jednoduchost obvodu se zavedením "střídavého proudu" změní v monstrozitu nevídanou (viděl jsem něco podobného s NE555).

Přestavte si jinou situaci - měl jsem postavené EKG, kterým jsem snímal našeho psa. Elektrody jsem měl udělané jako "za krále klacka" - mosazné desky, které se "Esmarchem" (gumovým škrtidlem) psovi připásaly na vyholený hrudník. Psi se sice nepotí, ale i tak se po čase elektrody pokryly měděnkou a pejsek měl na hrudníku zelené fleky od solí mědi. Jak tam postupovat se "střídavým měřením" když elektická aktivita srdce má charakter (téměř) DC napětí o velikosti asi 1 mV ?

Čili právě jsme viděli "elektrody prvního řádu" a jejich selhání v akci. Mohou nám "Elektrody druhého řádu" nabídnout něco více ? Nezbývá než zabrousit do teorie:

Tedy Elektrody 1 řádu jsou elektrody u kterých dochází k přímému kontaktu kov - roztok soli. Ano je to tak - kůže, voda ve studni, hlína v květináči a všechno mimo nepolárních rozpouštědel a redestilované vody jsou roztoky solí. Při ponoření elektrody 1. řádu do roztoku soli se elektroda "polarizuje". De - facto vzniká elektrický článek jehož napětí směřuje proti průchodu proudu který roztokem pouštíme. Paradoxní je, že elektroda se polarizuje i bez průchodu proudu a paradoxní je, že napětí na polarizované elektrodě je dosti vysoké i tehdy když je vrstvička "zoxidovaného kovu" na povrchu elektrody jen molekulárně tenká a tudíž okem neviditelná.

Jaké jsou technické možnosti předejití polarizace ?

Ještě než se vrhneme na elektrody 2. řádu zastavil bych se u bodu 1 - palladium, rhodium, iridium a (v nejhorším) zlato. Není to na vidláka příliš drahé ? Ano je a pokud chcete s problému s upadajícími drátky nějak vybruslit - máte alternativu a tou je GRAFIT - neboli uhlík, neboli tuha do tužky, neboli prostřední elektroda ze zinko-uhlíkové baterky. Kdybych udělal elektrody z tuhy - neměl by "indikátor zálivky" žádné problémy. Přesněji řečeno elektroda by se polarizovala a napětí na ní by pomaličku rostlo, ale drátky by neupadly.

Teprve teď se dostáváme k meritu věci - pokud drát ve vodě nefunguje, neboť se jeho povrch pokryje oxidy a solemi - nemohli by chemici nad tímto procesem nějak "převzít iniciativu". A sláva - přesně takto fungují elektrody 2 řádu.

Příklad - klasická elektroda 2 řádu, která ve vodných roztocích "z definice" poskytuje napětí 0V je "vodíková elektroda" - do roztoku je ponořen platinový drátek kolem kterého probublávají bubliny vodíku, které vytvářejí na povrchu platiny vrstvičku hydridu platiny - který je de facto teprve povrch elektrody. Platina je mimořádně inertní a navic se vrstvička hydridu neustálým bubláním vodíku stále obnovuje....

Složité ? Tak si vezmeme jednodušší variantu zvanou Argent-chloridová elektroda. Nebo taky Ag-AgCl elektroda. Dostanete infarkt (z manželky), přijede záchranka a plácnou vám na hrudník "tři kulaté lepky" na kterých je "čudlík" na který se přidělají dráty a už se snímá EKG. Co je "uvnitř lepky" ? Gel, který je nasycený chloridem draselným a do něho je zapíchnutý stříbrný drátek, který je pokrytý vrstvou chloridu střibrného. Pokud se místo ve zdravotnictví pohybujete v laboratoři vypadá Ag-AgCl elektroda jako na obrázku, ale princip je stále stejný.

Tedy i tato elektroda se postupně rozpadá - vtip je v tom, že stříbra ubývá a mění se na Chlorid stříbrný a ten se zase rozpouští v chloridu draselném. Vtip 2 je ale v tom, že "cesta elektronů" z měděného drátu do stříbrného drátu (Ag) odtud do vrstvy chloridu (AgCl), odtud do KCl a odtud do pacienta - je stále stejná, přestože se postupným (velmi pomalým) rozpadem elektrody všechna tato rozhraní "postupně posouvají" směrem dovnitř stříbrného drátku....

Životnost Ag-AgCl elektrody je opravdu veliká. máme v práci přistroj, ve kterém je elektroda už 10 let a jenom se "dolívá KCL" ale přesto chemici mají požadavky na elektrody do agresivního prostředí, proto se občas používá i "kalomelová elektroda". Kalomel je chlorid rtuťný Hg₂Cl₂- jedna z nejhůře rozpustných solí ve Vesmíru. Struktura elektrody je zcela stejná jako Ag-AgCl - drátek je ponořen do rtuti, která tvoří kapku kovu uvnitř "hromádky" kalomelu a kolem je KCl - chlorid draselný. Funkce je samozřejmě stejná - pouze tato elektroda má problém s toxicitou a korozivitou rtuti.

Doufám, že je jasné, že elektrody II. typu jsou v tektutém prostředí prakticky nezničitelné, ale doufám, že je taky jasné, že jsou vhodné jenom pro signálové použítí - pro proudy v ampérech musíme použít elektrody 1. druhu (grafit) a spokojit se s jejich ubýváním.

Obávám se, že jsem opět zcela vyčerpán, a píšu už jenom radu pani Kubáčové novomanželkám - Zlato platina iridium, rhodium - doufám, že nebudete hystericky vyvádět až uvidíte obsah své šperkovnice s naletovanými dráty a ponořené do roztoku pochybného původu.

Mým čtenářům jistě už z kondenzátorů hrabe, mně z nich hrabe taky, ale nedá se nic dělat "z hlediska vyššího prinicipu mravního" jim musíme věnovat ještě jednu kapitolu. potíž je totiž v tom, že v česku patrně nešťastným překladem z angličtiny se usadil jistý blud, který se projevuje tak, že moji čtenářové v diskusi, v mailech i osobně mi poklepávali na rameno a říkali "tos napsal dobře o těch kondenzátorech, takové kondy z hmoty Z5U jsou opravdové mrchy, když je porovnáme s konenzátory z hmoty Y7R".

A skutečně když napíšeme Z5U tak to vypadá jako chemický vzorec nějaké té exotické keramiky podle vzoru TiN - nitrid titanu by - Z5U mohlo být co ? Uranid Zinku ? Ale věřte tomu, že to není tak. Z5U je tzv. EIA klasifikace kondenzátorů - která souvisí s jeho vlastnostmi nikoliv přímo s keramikou ze které je vyroben. Pro netrpělivé si dovolím uvést tabulku ihned :

Ergo X7R je změna kapacity o ±15% na rozsahu teplot -55 +125 °C, zatímco Z5U je změna kapacity +22/−56% na teplotním rozdahu +10 - +85 °C. Kterýpak kondenzátor se tedy bude "chovat slušněji" už podle kódu od výrobce ?

Patrně jsem nebyl sám, kdo byl zmatkem v eletronické hantýrce a naštván - bratři anglosassové napsali na Wikipedii - opravdu vyčerpávající článek o keramických kondenzátorech. Tak vyčerpávající, že kdybych o něm věděl, tak bych své články snad ani nepsal. Dnes mimořádně beze stopy ironie - prosím - prosím - prosím - jestli vládnete angličtinou - věnujte čtení 20 minut a nebude dále co řešit.

Čistě jenom pro úplnost ale stručně pokračuju - tedy keramické kondenzátory se děli do tří (čtyř) tříd.

Téměř poslední tázka je otázka "co to teda je ta hmota X7R" - Pro kondenzátory Class 1 se tradičně používá oxid titaničitý - v rozemleté formě zcela běžně známý jako titanová běloba. V mých milovaných NP0 kondenzátorech je z tohoto oxidu "upečena" keramika ještě ze zirkonidem cínu. Pro Class 2 se používají křemičitany - hlinitý, hořečnatý. Pro "nekondenzátory" se téměř bez výjimky používá keramika z Barium Titanátu BaTiO₃, ale ten sám o sobě nemá příliš divoké exotické vlastnosti - ty získává teprve cíleným "znečišťováním" krystalové mřížky dalšími prvky - podobnými technologiemi jakými se "dopují" křemíkové polovodiče.

Takže ještě jednou apeluju na vaše svědomí - přečtěte si článek - a až si ho přečtete zbývá už jenom rada Pani Kubáčové novomanželkám - když se v domácnosti jednou za rok objeví "signální generátor za 12 000", je to stejná suma, jako když měsíčně utratíte tisícovku "za ženské blbosti" - jediná slabá útěcha na vaší straně je, že opakované utrácení po malých částkách neklade takové nároky na "časovou hodnotu peněz".

Poznámka při druhém čtení - když už jsem ze sebe udělal toho rádoby experta na kondenzátory - dostal jsem i otázku jestli horní mez teploty třeba u Y7R znamená, že se kondenzátor nad 125 stupňů opravdu nedá použít, nebo jenom jeho funkce není výrobcem zaručena : Vzhledem k tomu že Courieova teplota ferrokeramiky obvykle bývá jenom 10-15 stupňů nad horní povolenou teplotou a překonání této teploty znamená prudký pokles kapacity - raději bych EIA kódem doporučené teplotní rozmezí dodržoval jak směrem nahoru tak směrem dolů.

Tedy rekapitulace - kapacitu kondenzátoru určují tři faktory: Plocha elektrod, jejich vzdálenost a vlastnosti materiálu mezi nimi. Elektrolytické kondenzátory se k obrovským kapacitám vydaly cestou obrovské plochy elektrody (v houbovité hmotě hliníkového materiálu kondenzátoru) a cestou super tenké izolační vrstvy z oxidu hlinitého alias safíru.

Keramické kondenzátory se k obrovským kapacitám vydaly cestou keramiky s extrémně vysokovu "relativní permitivitou". A protože perimitivita je věc (pro mně ) nepředstavitelná, použijeme analogii - kondenzátor - cívka.

Indukčnost cívky ovlivňuje materiál jádra, který je z hlediska chování v magnetickém poli trojího druhu. Diamagnetický - magnetické pole v okolí mírně zeslabuje. Paramagnetický - magnetické pole v okolí mírně zesiluje a nakonec Feromagnetické materiály - například železo, které magnetické pole ve svém okolí zesiluje mnoho-tísíc- násobně.

Tedy nevím jak analogie funguje u para a dia - magnetických materiálů, ale bezpečně vím, že keramika moderních kondenzátorů je ferroelektrická. Opět si pomůžeme analogií s magnetismem. Bez vnějšího magnetického pole se i ferromagnetické materiály jeví jako nemagnetické. Vtip je v tom, že to je jenom zdánlivý jev, způsobený tím, že ve ferromagnetickým materiálech spontánně vznikají magnetické dipóly (lze si představit jako mikroskopické magnety) které se vzáhemně ruší a teprve vnějším magnetickým polem se zorientují jedním směrem a zesilují magnetické pole.

U ferroelektrických materiálů je to némlich to samé, akorát místo magnetického se jedná o elektrické pole. Materiál ferroelektrické keramiky se spontánně elektricky polarizuje - lze si jej tedy představit jako miliardy nepatrných kondenzátorů nabitých v jedné i druhé polaritě, které se navenek jeví jako elektricky neutrální kousek materiálu.

Pokud takový materiál strčíme mezi desky kondenzátoru - elektrony, které přicházejí do desek svým elektrickým polem otáčejí polaritu polarizovaných zón keramiky a tím se odpudivé síly mezi stejně nabitými elektrony zmenší. Proto desky kondenzátoru pojmou daleko větší náboj, než kdyby mezi deskami byl jenom vzduch (nebo vakuum).

Problémečky ferroelektrické keramiky jsou v zásadě dva

Pesimistický gráfek - z minula snad nebudu ani uvádět. jenom to berte tak pokud koupíte keramický kond 100uF na 16 V je to tak 100uF je při 0V vnějšího stejnosměrného napětí, při 16V to bude maximálně 10uF.

Aby toho nebylo dosti tak keramické koncenzátory mají i piezoelektrické vlastnosti. Vibrující kondenzátor je "mikrofonický" tedy moduluje napětí které na něm je v rytmu vibrací - jako elektretový mikrofon. A navíc díky piezo vlastnostem keramiky - má "vlastní rezonanci" tedy od jisté frekvence se najednou začne chovat jako cívka. Což jsme probírali u "Svatých trojic kondenzátorů" Konec konců jistě víte, že krom "keramických kondenzátorů" existují i "keramické filtry" myslíte že materiál ze kterých jsou vyrobeny se tak moc liší ? A aby byla situace úplně nejhorší - pokud keramickým kondenzátorem prochází velké střídavé napětí - s amplitudou pár voltů - i to ovlivňuje kapacitu během jednotlivých period - lze tedy dojít k situaci kdy "do kondenzátoru" jde krásná sinusovka a ven leze "něco velmi divného", díky změnám kapacity přímo přenášeným signálem....

Když jsme tedy po pracném rozboru došli k názoru, že žádný kondenzátor není hodem použití v našich obvodech - co tedy dělat ? Především fóliové a keramické kondenzátory z hmoty NPO jsou "ty pravé kondenzátory", které nemají těměř žádné podstatné parazitní parametry.

Elektrolytické kondenzátory včetně "tantalů" mají milion nectností, ale jejich kapacita je taky relativně konstantní.

A pak jsou ty nešťastné keramické kondenzátory z exotických keramik - co s nimi. Obecně lze říci, že jsou dvě možnosti - dám "kondenzátor jako prase" - ne 5x větší než vyšlo ze vzorečku, jak doporučuju já, ale třeba 50x větší. Nebo použiju kondenzátor s malou kapacitou z "méně exotické" keramiky - třeba takový klasický 100nF do 50V sice taky trpí poklesem kapacity s rostoucím napětím na něm, ale ten pokles se nikde moc nezmiňuje, neboť se až do 50 voltů vejde do "výrobní tolerance kapacity" ve výši 20%

Tím se dostáváme k poslení zajímavé věci - když budete pátrat po vlastnostech keramických kondenzátorů zjistíte, že nějaké poklesy kapacity jsou zmiňovány jen u kondenzátorů "renomovaných firem" jako je Murrata, Nippon Chemicon, Panasonic atd... Skoro to vypadá jako kdyby firma Ping-Pong - která krom kondenzátorů vyrábí - na stejné lince - ještě cvočky na postroje pro vodní buvoly - tímto fenoménem nijak netrpěla. Vemte však rozum do hrsti - myslíte si že datasheet zpola napsaný "rozsypaným čajem" a zpola "chinglish" má nějaký vztah k fyzikální realitě ???

Tím jsme probrali další smutnou kapitolu elektroniky a zbývá už jenom oblíbená rada paní Kubáčové novomanželkám - na jaře po odložení zimní bundy vzruší manžela i odhalený kotníček. Za letních paren - jej často nevzruší ani hluboký výstřih, který mu, celý spálený, vyvalíte rovnou do obličeje - zato takové lýtko v průstřihu letní maxisukně někde na večerní party.... Chlapi jsou čuňáci a ještě navíc divní - ach jo.

Poznámka při druhém čtení - když vidím chemický vzoreček - zavřu oči a rovnou vidím jak se molekuly srážejí - u fyzikálních jevů - nejsa fyzik - jsou moje představy o mechanismu dějů - mnohem méne přesné - proto se předem omlouvám za hrubé fyzikální chyby, kterých jsem ze zde dopustil - viz perimitivita a římské vojsko z minula.

Už jsme tady měli "nediodu" a pokud čtete nadpis patrně si myslíte, že mi hrabe, protože jsem už probíral i "nekondenzátor" ale nehrabe - minule jsme totiž probírali elektrolytické nekondenzátory.

Takže si představte situaci - potřebujete velikou kapacitu, aby kondenzátor "vydržel navěky", aby měl malý vnitřní odpor alias ESR a vůbec, aby se choval pokud možno jako kondenzátor - jaké jsou možnosti ? Dáme tam elektrolyt - jenomže ten je "nekondenzátor" tedy má trvalý svod a navíc u solidních výrobců se dočtete nedobré zprávy ve stylu "životnost 2000 hodin při plné teplotě a proudu. Tak tam dáme "tantal" tedy taky elektrolyt, jehom místo hliníkové hmoty je vyroben z oxidů tantalu. "tantal" vydrží navěky, ale "zvedněte ruku komu neexplodoval tantal" ? Tedy tantal po počátečním zahoření vydrží navěky, ale do elektroniky pro dětičky bych jej raději nedával, protože "selhání tantalu" je vždy provázeno plamennými efekty.

Takže to vypadá, že jsme u konce - ještě existují fóliové kondenzátory - které se nejvíce podobají klasické konstrukci kondenzátoru - tedy mylarová fólie pokovená z obou stran - ty se i elektrickými parametry maximálně podobají "skutečnému kondenzátoru" ale kapacity jsou mizerné 100 nF fólivoý kondenzátor už je "obrovský" a my bychom tak potřebovali 100 uF tedy 1000x více.

Zdánlivá beznaděj se zdánlivě začala ztrácet tak před 10 lety kdy se najednou začaly objevovat keramické kondenzátory dříve nevídaných kapacit. Tedy kdysi 100 nF byla běžná hodnota vhodná jako filtrační kondenzátor, ale už 470 nF byla lehká exotika a nad 1 mikroFarad ? Zbláznili jste se ? Dneska když se podíváte do katalogů předních světových dodavatelů tak keramický kondenzátor o kapacitě 22uF a velikosti 0805 - tedy "sotva viditelná bleška" je běžný. Znamená to že jsme konečně v "kondenzátorovém ráji" ? Bohužel neznamená a mně osobně na to upozornil "pisklavý Australan Dave Jones", který varoval před tím, že "moderní keramické kondenátory" mají kapacitu silně závislou na externím napětí, které na kondenzátoru je. Na závěr svého videa si stěžoval, že nemá čas prozkoumat fyzikální podstatu tohoto jevu.

Jelikož jsem sám trpěl iluzí, že s moderními keramikami jsme v "kondenzátorovém rájí" tak jsem z čiré frustrace důkladně prozkoumal fyzikální podstatu moderních keramických kondenzátorů a spíše kondenzátorů vůbec - a opravdu kromě fóliových kondenzátorů a keramik typu NPO člověk aby "opravdový kondenzátor" lupou hledal.

Tedy co je to opravdový kondenzátor - určitě si pamatujete pomůcku z kabinetu fyziky - dvě desky které se dají oddalovat a přibližovat k sobě, ale první "opravdový kondenzátor" byla "Leidenská lahev". tedy skutečná flaška, která měla (v době kdy byl hliník ještě drahý) postříbřený vnitřek i vnější stranu. Stříbrná vrstva uvnitř flašky sloužila jako elektroda, která jímá náboj a vnější postříbření sloužilo jako zem. Výrobou různých flašek "staří fyzici" brzy zjistili, že čím je flaška větší a čím má tenčí stěny tím pojme více elektrického náboje. A z toho se zrodil vzoreček pro kapacitu kondenzátoru, který nerad ale musím sem dát.

Ve vzorečku to vidíme jasně čím větší je plocha elektrod "S" a čím menší je vzdálenost mezi nimi "d" tím je kapacita větší. Pak zbývají ještě záhadné koeficienty - Epsilon₀ je "permitivita vakua" a Epsilon_r je "relativní permitivita" materiálu mezi deskami - tedy kolikrát je materiál mezi deskami "permitivnější" než vakuum. Jestli se ptáte co je to "permitivita" - prosím nečintě tak - jako starý latiník vám můžu říci jedině, že "permitto" křičeli římští legionáři když leželi na zádech a barbaři jim mířili oštěpem na krk - a znamená to "vzdávám se" - sám tedy permitivitu chápu jako vlastnost jak se materiál "poddává elektrickému náboji" - je li mezi čtenáři fyzik ovládající Maxwellovy rovnice - ať se ozve uděláme vidláky na toto téma.

Finta - jak vyrobit veliký kondenzátor je jasná - musíme mít veliké S a malinkaté d - takhle to dělají elektrolytické kondezátory, kde jedna elektroda je hliníková "pěna" pokrytá jen několik molekul tlustou vrstvičkou AL₂O₃ - což je oxid hlinitý shoppaholičkám známý jako drahokam "safír". Safírová (oxidová) vrstva se průchodem proudu neustále obnovuje a elektrolyt je tedy "samoopravný" do té doby dokud elektrolytická náplň - roztok ve formě gelu - který tvoří druhou elektrodu nevyschne.

Fóliové kondenzátory jdou taky touto cestou, ale tam je jasné, že 2x více smotané fólie = 2x větší objem kondenzátoru.

Moderní keramické kondenzátory na to jdou tak, že jejich hmota je "exotická keramika" která jednak má celkem veliký povrch elektrod, ale hlavně má "relativní permitivitu" astronomicky vysokou - tedy staré "keramiky" typu 100n filtrační kond měly keramiku s permitivitou 50 -100. "Moderní keramiky" mají permitivitu 5000 - 10 000. Příroda je mrcha - takže když jisté pro nás užitečné vlastnosti materiálu zvětšíme 100x je jasné, že začne fungovat "dábel se skrývá v detailech" a celá věc "dostane nějaký háček".

Takže "exotická keramika" má opravdu exotické vlastnosti a hlavně její "permitivita" závisí na intenzitě okolního elektrického pole - tedy kapacita "nových keramik" klesá prudce s vloženým stejnosměrným napětím a to tak, že při jmenovitém napětí, na které je kondenzátor stavěn dosahuje obvykle jen 10% nominální hodnoty, která se měří při nulovém DC napětí na kondenzátoru. Tedy nové keramické kondenzátory mají tak výraznou závislost kapacity na napětí, že "klasické varikapy" před nimi blednou závistí.

Jako obvykle jsem sám sebe zcela vyčerpal, dříve než jsem se dostal k "fyzikální podstatě" proto dnešek uzavřeme heslem "bacha na keramické kondy nad 1 uF" a taky radou paní Kubáčové novomanželkám : letní vedra vedou k dilataci cév - mimo jiné i na nohou - proto v létě jehlové lodičky nepříjemně tlačí, pokud i přesto nechcete zahodit "erotický aspekt" svých outfitů potěště (novo)manžela erotickými korkáči na platformě.

Pokud vezmeme robota z hlediska spotřeby proudu - tak největší žrout proudu jsou motory, které tam prostě musí být - jinak to není robot. Takže když se s celkovou spotřebou robota dostanete pod 200 mA - už je podezřelé - jak to s těmi motory máte a jestli se váš robot vůbec bude moci pohnout. Drobný příklad - Ferdík - když stál měl spotřebu 40mA, když jel měl spotřebu 600mA a když tlačil soupeře měl spotřebu 2.2A a to prosím všechno z destičkové devítivoltové baterky, která mimochodem do zkratu dá až 7A.

Proto u robotů nějaký miliampér neřešíte, ale když děláte cokoliv jiného než roboty - je "šetření proudem" otázkou slušného vychování. Veškerá moderní elektronika je plná marketingových fráziček typu "optimised for battery operation" a tak. V praxi to většinou znamená, že třeba foťák má obrovské proudové špičky a mezitím neodebírá z baterky skoro nic, takýže v průměru je "exceptionally energy efficient" (mimořádně energeticky úsporný).

Druhá věc, která je dneska už "otázkou slušnosti" je monitorování stavu baterií - už i LED baterka z Kauflandu má často nějaký komparátor, který jí vypne dříve než vám zničí drahé "Eneloopy" - nabíjecí baterky. Takže 1 + 2 = 3 ERGO můj dosavadní způsob, jak jsem dělal měření napětí baterky procesorem se ukázalo jako nedostatečné.

Atmel totiž u mých oblíbených AVR požaduje vnitřní odpor zdroje signálu maximálně 10 kOHM a pro rychlé děje lépe jenom 1K. Takže u robotů, kde 2A je "celkem malý odběr" jsem prostě udělal dělič nejčastěji jako 15K na baterku a 1K na zem - tím jsem měl dělící poměr 1: 16 - tudíž jsem mohl měřit i napětí 24V a navíc jsem měl impedanci těsně pod 1K. Tento dělič bere z 24V baterky 1,5 mA - u robotů zanedbatelné. Pokud byste takto chteli měřit napětí něčeho co je trvale napájené - tak 2000 mAh "Eneloopy" se jenom tímto děličem vybijí za 1333 hodin - což je 55 dní - nevím jak bych třeba neteřím vysvětloval, že vypnutá hračka za měsíc nefunguje, protože se vybila, protože má měření napětí baterky.....

ERGO je třeba na to jít jinak. Pokud se budeme podrobněji zabývat tím proč AD převodníky v procesorech potřebují zdroj s tak nízkým výstupním odporem - je to proto, protože v procesoru se nabíjí "Paměťový" Sample and Hold kondenzátor, který u mých oblíbených AVR má kapacitu 14 pF a musí se nabít velice rychle. Nešel by tedy "kondenzátor nabíjet kondenzátorem" ? A samozřejmě, že ano - viz schémátko nahoře. Tam je na obrázku typické schéma měření baterie - tedy kombinace D1 C1 je "Kubáčova protiresetovací dioda" s náležitým protiresetovacím kondenzátorem. Nás zajímá dělič R1, R2, C2 - tedy dělič je z extrémně vysokých odporů (šel by i z větších) a kondenzátor slouží jako svého druhu "paměťový prvek" když se kanál ADC1 připojí při AD převodu na kondenzátor uvnitř procesoru - nízkou dynamickou impedanci a ryché nabití zajistí náboj na C2.

Jednoduchým výpočtem spočteme že dělič je o dva řády větší a tudíž vybije hypotetickou baterku za 5555 dní - 15 let je už snesitelné. Na druhé straně AD převod bude zatížen chybou o velikosti 14pF / 100 nF = 0.014% - hluboko pod chybou odporu R1 a R2. Pochopitelně že C2 musí být keramika s malým svodovým proudem.

A pak ještě další věc - impedance samotného děliče je kolem 100K to spolu s kapacitou C2 vytváří časovou konstantu 0.01 sec - tedy napětí se na děliči ustálí až za 5-10 časových konstant což je 0.1 sec - měřit častěji než 10-20x za sekundu prostě nemá smysl - ale u baterek by častější měření spíše naznačovalo, že konstruktér by měl konzultovat psychiatra.

Úplně na závěr ještě poznámka - jak takové zapojení "naroutovat" na plošný spoj - dobé mravy by velely vést napětí baterky "na nízké impedanci" až těsně k procesoru a celý dělič i s kondenzátorem udělat v jeho blízkostí - nikoliv jak by schémátko naznačovalo udělat dělič někde u svorek baterky a drát mezi C2 a MCU táhnout přes céééélou desku, aby se na signál nachytalo maximum rušení.

Tolik pro dnešek - další drobná (a možná notoricky známá) fintička. Zbývá už jenom rada paní Kubáčové novovmanželkám - pokud chcete chodit nastrojená jako novinářka Carrie ze "Sexu ve měste" - choďte tak raději jenom ve větších městech - v ďourách typu Frýdek nebo nedej bože Studénka dojde ke 2 věcem : ženské vás pomluví, že jste coura a chlapi budu za vámi slintat a ještě vás nějaký slintající šofér přejede jak bude za vámi koukat za jízdy.

Můj oblíbenec - pisklavý Australan alias "that crazy Aussie bloke" David Jones vyrábí své elektrické obvody takto : Jako bývalý zaměstnanec firmy Altium, namaluje obvod v "Altium designeru" pak pošle návrh "into China", odkud mu dojdou udělané mnohovrstevné desky se vším co mají obsahovat to jest pozlacené kontakty, "soldering mask" - jak se to vlastně řeknce česky- Pájecí maska ? Pak v Sydney obejde pár kámošů, kteří mu vyrobí "soldering paste stencil" alias šablonu na nanášení pájecí pasty. Odtud jde do firmičky jiného kámoše, který vlastní "pick and place machine" alias robota, který mu na desky naskládá součástky a pak všechno projde přes "reflow owen" - pájecí pecí - a po vychladnutí je hotovo.

Problém je v tom, že pro něho 30 australských dolarů je "cheap" - zatímco pro paní Kubáčovou je stejná suma (za elektro) - "expensive" prototože se za to dá koupit nějaká hadra z Orsay, která se pět let nehne z věšáku a pak se vyhodí.....

Tedy jste pochopili, že moje technologie výroby elektrických obvodů je výrazně jiná. Nakreslím si desku v KiCadu - vytisknu na polyesterovou fólii "do Meotaru" na laserovce, exponuju Positivem20 nasprejovaný plošný spoj, leptám v HCL a Peroxidu. To je věc, kterou pro Davida Jonese dělá ten "Chinese PCB manufacturer" - tedy to v jeho blogu ani není, pak ovšem nastane viditelný rozdíl - já nemám kámoše, který vlastní "pick and place machine" a díky naší východí mentalitě si myslím, že i kdybych takového měl - snaha "vzít mě na hůl" by mi zabránila ve spolupráci. Takže nakonec mi nezbývá než si součástky napájet na desku sám.

Pájení klasických drátových součástek snad nemusíme probírat - prostrčíme dráty dírkami, z druhé strany nahřejeme trafopájkou a na okamžik přiložíme pájku ve formě drátu s kalafunou uvnitř a je to. Pak jenom kleštičkami ucvakneme přebývající drátový vývod.

To pájení SMD "blešek" to je jiná kapitola a lze říci - "kolik lidí tolik stylů". Vzhledem, k tomu, že jsem vidlák a v této věci možná až ultra vidlák - tak se snažím i většinu SMD součástek zapájet trafopájkou. Princip je tento - rozdělím součástky na dvě skupiny - ty které trafopájkou pájet lze a ty, které nelze.

Principiálně VŠECHNY součástky trafopájkou zapájet LZE ale u FET a CMOS - tedy polem řízených součástek je přece jenom jisté nebezpečí, které spočívá v tom, že kolem hrotu trafopájky je magnetické pole, které může ve výdodech součástky naindukovat takové napětí (zejména když trafopájku vypneme v blízkosti součástky), že to může součástku zničit.

Proto roztřídím součástky na FET/CMOS a "ty ostatní" kterými začínám. Před pájením je třeba plošný spoj nalakovat opravdu tlustou vrstvou kalafuny v toluenu a nechat důkladně zaschnout.

Pájení SMD trafopájkou probíhá takto - nanesu na hrot trafopájky trošku cínu, pak vezmu pinzetou součástku položím ji na zcela SUCHOU desku (nic předem necínuju) a pak se hrotem trafopájky dotknu součástky. Mám to už tak vychytané, že z hrotu trafopájky na suchý PAD přeskočí tolik cínu, že to sice žádná krása není, ale 100% to funguje.

I integrované obvody (bipolární) se dají pájet trafopájkou - držím je inzetou na svém míste a přejedu všechny nožičky zleva doprava - DO 1/3 jsou nožičky slité a někde ve 2/3 mi cín dojde - tak naberu na hrot trochu kalafuny a jedu ve stejném směru ještě jednou a třeba ještě jednou -až se vše rovnoměrně rozvrství. Pokud je cínu přece jenom moc a někde je cínový "můstek" vždy pomůže odsávací licna, kterou položím přes všechny nožičky a řádně prohřeju - aby si "nacucla".

Pak už zbývají jenom CMOS a FET a ostatní unipolární součástky - u těch povzdychnu - vytáhnu mikropájku a pájím je "pomalu a bolestivě" mikropájkou. Většinou klasickou metodou - pocínuju PADy, přiložím součástku a zahřátím připájím. Integrované obvody pájím podobně jako trafopájkou - umístím a pak cínem "jedu zleva doprava" - připadně odsaju licnou. Nicméně tohle už taková sranda není, proto někdy riskuju a u obvodů kde "na tom nezáleží" někdy i procesor (který je CMOS) pájím trafopájkou.

Připadá vám to jako ultra primitivismus a budete mě kritizovat za škaredě připájené součástky ? Povšimněte si že já mám odvahu vám je ukázat - schválně si prohledejte Amáro nebo Internet - kolik lidí má odvahu obrátit své výtvory "břichem vzhůru" a ukázat vám jak pájejí ?

Zbývá už jenom tradiční rada paní Kubáčové novomanželkám : Když už jste manželovi zakázala vrtačku v posteli, trafopájku na nočním stolku, malou CNC frézu v ložnici a dokonce i soustruh vedle televizoru - tak se nedivte, že on smysl nové police v ložnici taky nechápe.....

Představte si že stavíte nějakou elektroniku, kde budete potřebovat jemně nastavit nějaké parametry. Běžný způsob "dolaďování" elektrických obvodů je "dát tam trimr". Trimr je fajn, ale v mých konstrukcích má nejmnéně 3 problémy

ERGO příklad : vyjde vám výpočtem, že RC oscilátor potřebuje odpor 10K. Vy používáte kondenzátory, které mají toleranci 20% a navíc frekvence RC oscilátorů závisí i na vlastnostech aktivních prvků tak navrhnete do konstrukce "vidlákův trimr" a to takto

Při používání vidláckého trimru je pořeba poněkud přemýšlet :

Nicméně i tak - nejlepší rada je - příště se vykašlete na skutečný trimr a zkuste "vidlácký" a uvidíte, že vlastní zkušenosti jsou nad 100 stránek výkladů. Jenom vysvětlivka k obrázku - mrkněte na R2+3 a R6+7 - proč tam asi jsou ?

Další fintičku jsem vám odhalil - zbývá už jenom rada paní Kubáčové novomanželkám - brzy po svatbě lze manžela dotáhnout "na raminku od podprdy" z gauče až k pokladně do Orsay, s postupujícím časem je však třeba změnit styl na "dohodneme se" - jenom je lepší aby dohoda neměla formu "bez (mojí) nové sukně si nevrzneš".

Nevím jestli dnešní příspěvek vůbec patří do "vidláků" nebo je to spíše "blbinka, která potěší" v každé případě všechny ty kapitoly o Napětím řízených oscilátorech a fázových komparátorech směřovaly právě k dnešnímu příspěvku.

ERGO - pokud zpracováváte analogový signál digitálně - většinou na jeden signál potřebujete dva digitální kanály kterými do procesoru dostanete informaci o signálu označovaném jako I - In phase a Q - Quadrature. Signály I a Q jsou časově posunuté o 90 stupňů. Tedy nejjednodušší je "poslední mezifrekvenci" mixovat na "nulovou mezifrekvenci" pomocí dvojích hodin taky posunutých o 90 stupňů - a dneska se budeme zabývat tím jak takové hodiny pro nejběžnější mezifrekvenci 10,7 MHz generovat.

Dnešní příspěvek mimo to má i nezanedbatelný filosoficko - psychologický aspekt, protože by se dal charakterizovat i heslem "vítězství úpornosti nad zdravým rozumem". Co vidíte na obrázku jsou tři kvadraturní generátory - dva horní jsou téměř stejné. Pokud se budete dívat při maximálním zvětšení - všimnete si že integrák vpravo dole je v jednom případě 74HC86 - 4 násobné XOR Hradlo. A v druhém případě 74HC74 - dvojitý klopný obvod D. Ano ano - tyhle dva generátory fungují problematicky nebo vůbec, protože jsem si chtěl "zjednodušit konstrukci fázového komparátoru" tak jsem nevýhody jednoduchých fázových komparátorů vyzkoušel na vlastní kůži. Neboli líný se nejvíce nadře. Dva horní obvody jsou zajímavé i z jiného hlediska - oba jsou produktem "rychloroutování" které trvalo v případě prvního tak 90 minut a "přeroutování" prvního na druhý trvalo tak 10 minut (proto je rozložení obvodů stejné) - a přesto to není žádná fušeřina s proškrábáváním cestiček na DPS. Dokonce i ty "divné drátové propojky" co trčí z pravé části plošňáku jsou úmysl - jsou to místa kam se "zaháčí" osciloskopické sondy při měření.

Teprve třetí generátor je plně funkční - a ten využívá fázový komparátor ze známého CMOS obvodu 74HC4046 - což je přímo DPLL v jednom čipu (akorát pro nízké frekvence). Nedávno jsem dporučoval - vemte 16 korun a kupte si 74HC4046 tam máte XOR hradlo D kloppný obvod i nábojovou pumpu jako 3 fázové komparátory - stačí jenom "přehodit jumper". Proč jsem tedy vlastní radu nedodržel ? Protože proto, protože "dobré rady jsou výsledkem špatných zkušeností". O 74HC4046 jsem totiž v "Amáru" naposledy četl když nějaký inženýr za Jakeše a Bilaka vysvětloval jak výrobu tohoto "vysoce moderního" obvodu zvládla Tesla Rožnov - a vzhledem ke kvalitě elektroniky za bolševika - má takový článek z 80 let - silný aspekt "antireklamy"

Dosti žvanění - je čas na schémátko. A při té příležitosti se musím vrátit k "psychologii" protože tato konstrukce má značný aspekt drzosti. Principem generování kvadraturního signálu na 10,7MHZ je totiž to, že nejprve musíte vygenerovat signál na frekvenci 4x vyšší tj. 42,8 MHz. Tento signál se generuje pomocí "ring oscillatoru" - tedy pomocí 3 do kruhu zapojených hradel 74HC04, které při 5V kmitají někde kolem 50 MHz. Pomocí tohoto signálu řídíte dvojici D klopných obvodů, které produkují kvadraturní signál na frekvenci 4x nižší - tedy při 5V je to kolem 12,5 MHz. část tohoto signálu tvoří výstup obvodu a část jde do fázového komparátoru, který přes filtry produkuje napětí, které řídí napájení 74HC04 tak aby místo 50MHz kmital na žádoucích 42,8 MHZ. Napětí, při kterém k tomu dojde je kolem 3,8V.

Drzost celého obvodu spočívá v tom, že ze 74HC04 spotřebujete 3 invertory na kruhový oscilátor a 1 invertor jako oddělovací stupeň - zbydou vám ještě 2 hradla - tak co s nimi - nechat nezapojené a smolit na desku druhý 74HC04 jako zdroj krystalem řízeného referenčního kmitočtu ? NE NE NE - pěkně na drzo - zapojit zbývající dvě hradla jako Pierceův oscilátor řízený krystalem. Je vám jasné, že staří radioamatéřu by umřeli, kdyby viděli jak stejný integrák fuguje jako napětím řízený oscilátor i krystalový referenční oscilátor a navíc ne zapojen silně "nekatalogově".

Mimochodem 74VCO04 ze schématu je obyč. 74HC04 ale s přepsaným jménem, protože můj milovaný KiCad u digitálních obvodů, které zná úporně kontroluje jestli jsou správně připojeny na 5V napájení.

C16, C8, R16, R5 je klasický filtr nutný pro smyčku PLL - tento je inspirován Harry Lythallem a jeho geniálně jednoduchou PLL smyčkou. Má ale jisté "zvláštnosti" C8 není zapojen "proti zemi" ale "proti 5V" a navíc je paralelně s ním "divný odpor" R11. Obojí je kvůli startu PLL - normálně smyčky PLL startují od napětí na VCO 0V - u mně by se ale při 0V nerozkmital ani referenční krystalový oscilátor - proto je nutné donutít PLL startovat na 5V a s napětím na VCO klesat.

Operační zesilovač zesiluje 2x a to proto, že pokud tam nebyl - smyčka PLL si občas našla "divný" režim kdy se zavěsila na úplně jiný kmitočet než 10,7MHz. teoreticky by zesílení mělo být 3,8/2,5 = 1,52x protože fázový komparátor produkuje 2,5V při "dokonalé frekvenční shodě". Stejně by tam musel být nějaký "buffer" který by proudově utáhl 74HC04, protože PLL filtr se svými 100K odpory by to určitě nezvládl - tak co ?

Jinak kvadratruní generátor je přizpůsoben pro práci v robotických čidlech - tedy produkuje signál I, pak negovaný signál I se zpožděním pouhých 1,4 nanosekund a signál Q. Poslouchal jsem signál rádiem - a kmitočet je docela stabilní a čistý, 200KHz na obě strany jsou malinkaté parazitní modulace z drobné nestability PLL, ale než obvod použijete, a pak mě obvidníte, že kvůli mně jste prohráli radioamatérský "kontest" - tak si prosím uvědomte, že mým robotům stačí frekvenční stabilita 1% a "jitter jako prase". Pokud se podíváte na oscilogram - vidíte, že kvadraturní signál je celkem pěkný "zákmity" na žluté křivce jsou způsobeny tím, že mám jednu kvalitní a jednu mizernou osciloskopickou sondu.

Plošný spoj neuvádím, protože pochybuju, že by někdo moji konstrukci použil jako celek - spíše počítám, že se necháte inspirovat pro něco vlastního. Dnes nám už zbývá jenom rada paní Kubáčové novomanželkám : Až se manžel bude v noci budit, protože jej budou ve snu po ulici honit obrovité vaječníky - víte že máte jeho psýchu plně pod svou kontrolou ....

Minule jsme u nejjednodušších fázových komparátorů postavených z obyčejných NAND, NOR, XOR hradel narazili na to, že PLL obvody postavené ma těchto hradlech mohou mít problémy dosáhnout stabilních pracovních podmínek tzv. "se zavěsit" A to kvůli toho, že nejjednodušší fázové komparátory mají oblasti kdy na rozdíl fáze reagují růstem a oblasti kdy reagují poklesem výstupního napětí - trošku jako trojúhelníkový signál, nebo funkce sinus.

Staří radioamatéři vždy uváděli že jednoduchá hradla se dají použít pokud se spontánní frekvence napětím řízeného oscilátoru a referenční frekvence neliší více než v poměru 1: 2 - HAHAHAHAHA kdo jste někdy zkoušeli takové hradlo použít jako fázový komparátor víte že nejlepší je když oscilátor kmitá tak 10% od "ideální frekvence" a fázový komparátor jej jen tak "lehce postrčí". navíc abyste se trefili do bezpečného pásma je vhodné, když se oscilátory "na sebe zavěsí" při fázovém rozdílu 90 stupňů kdy u XOR hradla je napětí na výstupu 2.5V a jsme nejdále od obou nebezpečných oblastí "opačné zpětné vazby". A aby to nebylo všechno - pokud se frekvence napětím řízeného a referenčního oscilátoru liší moc - z XOR hradla tak jako tak leze "bordel" pulsů různé délky jejichž průměr je 2.5 V a s tím nenaděláte prostě nic.

Takže jako správný vídlák jsme zabrousil do oblasti fázových komparátorů s klopným obvodem - na obrázku máte učebnicovou ukázku jak takový obvod vypadá, včetně grafu fázové odezvy. Graf fázové doezvy jak vidíte dává pro celých 360 stupňů - alias od - Pi do + Pi - jednoznačnou a monotónně rostoucí odezvu. Takže zavěšení smyčky PLL je o něco jednodušší. Pokud ovšem jsou frekvence referenčího oscilátoru a napětím řízeného oscilátoru (VCO) zase příliš odlišné - fázový komparátor se chová stejně jako XOR hradlo - leze z něj "zmatek" pulsů různé délky, které se vyfiltrují na napětí kolem 2,5 V a poraď si jak umíš.

Tak jsem si říkal alespoň že se "učebnicové" zapojení dá zjednodušit na jedno hradlo D - a zkusil jsem to a odezva na fázový rozdíl byla podle zelené křivky. Krátkou úvahou - je to jasné - pokud do vstupu RESET klopného obvodu D pouštíme signál z oscilátoru, který je 50% času v LOW - tak tento signál drží celý flip-flop 50% času v resetu ať se na ostatních vstupech děje cokoliv. Proto je nutné i vstup RESET spínat hranou - což jsem "vidlácky a primitivně" řešil derivačním obvodem na vstupu. Čistě abyse nebyli zmatení - zde obrázek s kouskem schémátka, který prosím berte jako příklad JAK SE TO NEMÁ DĚLAT.

Výsledek je ten - jestli použijeme Dva klopné obvody D a jedno XOR hradlo pro "obyčejný" fázový komparátor - proč nepoužít dva klopné obvody D a NAND hradlo pro "Frequency and phase comparator" který jak literatura píše je "extremely popular" ( a mně se z počátku zdál "extrémně složitý" )

Zde je učebnicové zapojení. Celá ta věc funguje tak, že pokud přijde první puls na Vi - celý systém se překlopí tak, že se otevře horní tranzistor, který nabíjí "paměťový" kondenzátor - zde skrytý pod označením komplexní impedance "Z" pokud pak přijde druhý puls na Vo - celý systém se uvede do stavu "vše vypnuto". Pokud jako první přijde puls na Vo - otevře se dolní tranzistor a "paměťový kondenzátor" se vybíjí do země. - pak příchod opožděného pulsu na Vi zase vše uvede do stavu "vše vypnuto" alias do stavu "vysoké impedance" pokud je frekvence Vi několikanásobně vyšší - příchod více pulsů na již překlopený obvod - nic nezmění dokud jej zase "neresetuje" puls na Vo atd...

Zdánlivě tedy není rozdíl mezi tímto a předchozím fázovým komparátorem - rozdíl ovšem je a to podstatný. Jednoduché fázové komparátory mají jenom jeden výstup a pokud se frekvence liší příliš tak ven leze "bordel" pulsů, který projde filtrem jako napětí 2,5V ať je referenční frekvence vyšší nebo nížší.

U nábojové pumpy je to takto - pokud jsou frekvence příliš rozdílné - taky leze ven "bordel pulsů" - podstatný rozdíl je v tom, že leze jen z jednoho výstupu a to z toho do kterého směřuje vyšší frekvence - z druhého výstupu lezou jenom kratičké "resetovací pulsy" odpovídající nižší z obou frekvencí. Když pak následuje nábojová pumpa tak pokud je frekvence Vi vyšší než Vo - napětí na nábojové pumpě se ustálí na 2,5 + 1,25 = 3,75 V pokud je Vi Nižší než Vo na nábojové pumpě se ustálí napětí 2,5 -1,25 = 1,25 V - proto tento fázový komparátor rozlišuje i velké rozdíly frekvencí - a nakonec dotlačí VCO tam kde jej chceme mít - proto je taky "extremely popular"

Za domácí úkol - poprosíte maminku (manželku) o zvýšení kapesného o 16 korun, za které si koupíte 74HC4046 (viz obrázek) - což je kompletní PLL smyčka se všemi třemi druhy fázových komparátorů, které jsme probírali a cvičně si zkusíte udělat PLL řízené krystalem kmitající někde na 4 MHz pomocí každého z nich.

Pro dnešek kupodivu všechno - zbývá už jenom rada paní Kubáčové novomanželkám - pokud si koupíte šaty v ceně čínského osciloskopu - nedivte se když miláček není nadšen, že mu dovolíte koupit osciloskop v ceně čínských šatů !

Poznámka při druhém čtení : Existují i exotičtější fázové komparátory - příklad - obusměrný čítač, který referenčím signálem čítá nahoru a signálem oscilátoru dolů - výstup čítače pak přes DA pevodník (třeba jednoduchou R2R síť ) dělá napětí pro VCO. Nebo jako vždy dneska - plně "virtuální" varianta softwarového PLL v procesoru.