Nekorektní blog Petra Kubáče na Blog.cz

Opět musím své čtenáře zklamat, jestli po minulé anonci čekáte na návod na LEDkovou barevnou hudbu pro dětičky - tak čekáte marně. Jak už jsem minule naznačil tak jsem v barevné hudbě použíl (svého druhu) Limiter / Logaritmický zesilovač a tím u mně opět propukla choroba jménem "logaritmické zesilovače" v plné síle.

Jestli jste dlouhodobí čtenáři mého blogu parně znáte tento a tento článek na dané téma a tudíž právě přestáváte číst, protože víte, že se šílencem nemá smysl diskutovat a ani jeho výplody poslouchat. Pokud vydržíte ještě jednu větu pokusím se vás přesvědčit že moje "logaritmická choroba" směřuje k něčemu užitečnému.

Tedy teoretický úvod pro ty, kdo nečetli mé starší články : Jestli má robotické čidlo, které vysílá signál a příjímá odraz - zvládat vzdálenost řekněme od 0,5 do 5 metrů - což je poměr vzdáleností 1 : 10, jsou celkem dvě možnosti jak to udělat. Buď zcela ignorovat amplitudu odrazu a prostě všechno zesílit do limitace, nebo se musí vyrovnat s poměrem intenzit signálu 1: 10000. Důvod je v tzv. "radarové rovnici", která říká, že intenzita odrazu klesá se čtvrtou mocninou vzdálenosti.

Nikdy by nemělo upadnouti v zapomenutí jedno zásadní pravidlo manželství: dávati se musí pomálu, zřídkakdy, a hlavně s nechutí. Jinak by se mohlo přihoditi, že manželství stane se místem pro ukájení živočišných tužeb. Moudrá nevěsta nikdy nedovolí, aby její muž viděl její tělo neoblečení, a nikdy nedopustí, aby on ukazoval své vysvlečené tělo jí. Pokud se sexu nejde vyhnouti , jest nezbytno , aby se provozoval v naprosté tmě. Spousta žen považuje za rozumné a užitečné nosit silnou bavlněnou noční košili a manžela oblékat do řádného pyžama. Noční úbory si manželé obléknou každý v jiném pokoji a při pohlavním aktu si je nemusí svlékati, tudíž dojde k nejnutnějšímu a nejmenšímu odhalení těl. Chytré ženy mají v zásobě novou a lepší metodu, jak odmítnouti a odraditi manžela s jeho milostnými návrhy. V tomto ohledu se použíti dá předstíraná nemoc, ospalost či bolesti hlavy. S úspěchem se setkávají také večerní hádky, škorpení, popichování, sekýrování a hašteření zhruba hodinu předtím, kdy obvykle započíná svádění. Dobrá manželka může čekat, že do konce prvního roku manželství se jí podaří snížit častost intimních sblížení na jedno týdně a do konce pátého roku svazku manželského na jedno měsíčně.

Když jsem začínal psát vidláky, moje největší fóbie byla, že se na můj blog přilepí nějaký magor, ve stylu "expertů" z doby pozdního bolševika, kteří - kdokoliv řekl "video" - tak ho opravili a řekli "CHYBA SOUDRUHU - dle normy ČSN XXXXX se správně říká magnetoskop". Prostě o co méně bolševik uměl elektroniku vyrábět o to více si uměl pěkně po Orwellovsku hrát se slovíčky ... Jenom poznámka pro mladší čtenáře - video byla bedna ležící pod televizorem, která nahrávala pohyblivé obrázky na obrovskou kazetu plnou magnetické pásky.

Takže už v počátcích vidláků jsem psal, že elektronika je plná "matení nepřítele" a exemplární příklad je "emitter follower" - tedy emitorový sledovač z anglosasské literatury je správně v češtině "zapojení se společným kolektorem".

Ergo jelikož tranzistor má běžně tři elektrody - emitor, kolektor a bázi - patrně bude existovat "zapojení se společným ..... Emitorem, Kolektorem a Bází". A světe div se - je to tak. Doposud jsem se této "učebnicové klasifikaci" vyhýbal jako čert kříži, ale jak plánuju kde se s "Vidláky" vydáme dále - je nutné abych všechna tři zapojení popsal "na plnou hubu" abyste se v příštích dílech neztráceli.

Takže učebnice pro elektroprůmyslovky píšou definici ve stylu - jestli se jedná o zapojení se společným Emitorem, kolektorem, nebo bází poznáte podle toho která elektroda je společná pro vstupní i výstupní obvody. V tom aby se čert vyznal, protože jako obvykle tam většinou nenapsali to nejpodstatnější, že to čemu my říkáme "zesilování" je ve skutečnosti spínání velkého signálu malým, a prostě jelikož všedchy signály musí nakonec dotéct do země tak jenou nožičkou tranzistoru teče zároveň i malý i velký signál (teoreticky).

Prakticky používám úplně jinou klasifikaci - Tranzistor má vždycky jednu nohu uzemněnou a podle toho se pozná jaké zapojení to je :

Příklad : známé "Zapojení se společným kolektorem" alias "emitorový sledovač". Vezměme nejprimitivnější zapojení uprostřed obrázku a hledáme která elektroda má nejmenší odpor "proti zemi" a ačkoliv se to nezdá je to opravdu kolektor - protože ten je zapojený do baterky a baterka jak víte má nepatrný vnitřní odpor - tedy baterka je pro signál vlastně zkrat na zem.

Pak máme to čemu říkám "nejubožejší tranzistorový zesilovač" a tam i blondýna vidí, že emitor je připojen na zem - ergo je to "zapojení se společným emitorem".

Přestože v rámci zlepšení vlastností tranzistoru dáváme do emitoru někdy malý odpor což už jsem opakovaně zmiňoval jako "Emitorovou degeneraci", ale tento odpor nám zase kazí zesílení, takže paralelně k němu dávámě někdy kondenzátor, který nám pro užitečný signál funguje jako zkrat.

Zbývá už jenom doposud nezmiňované "zapojení se společnou bází". Když budete toto studovat v učebnici tak najdete moře schémátek, které na kontaktním poli nebudou fungovat, tak jsem si dal záležet aby tohle, které vidíte na obrázku se dalo opravdu postavit. Na první pohled to vypadá jako chyba ve schémátku "nejubožejšího zesilovače" - protože vazební kondenzátor v bázi jde na zem a "zkratovací kondenzátor" v emitoru naopak přivádí vstupní signál. Vtip je v tom, že do báze tranzistoru musí téct nějaký proud aby tranzistor byl pootevřený, proto se báze nedá uzemnit přímo, ale jen přes kondenzátor (pro užitečný signál).

Než budeme pokračovat tak zde je stručná tabulka s vlastnostmi tří skupin zesilovačů:

Takže jenom probereme "Společnou bázi" podrobněji. Proč nezesiluje proud ? Protože Kolektorem i Emitorem tranzistoru protéká téměř stejný proud (rozdíl je jenom nepatrný proud báze) proto změny proud vstupního signálu jsou stejné jako změny proudu výstupního signálu. Ze zcela stejného důvodu má tento zesilovač (téměř) nulový vstupní odpor, protože je to taková "tlama požírající proud". A ze zcela stejného důvodu má i vysoký výstupní odpor - protože výstupní proud je dán vstupním, více z obvodu nedostanete a basta ...

Mimochodem jak ten zesilovač vlastně funguje - proud kolektorem i emitorem jsou stejné, ale na tranzistoru je napěťový úbytek a ten se prudce mění i s nepatrnými změnami napětní na emitoru. Protože nepatrná změna napětí na emitoru způsobí o něco větši změnu proudu do báze a ta způsobí velikou změnu vodivosti (a tím napěťového úbytku) na tranzistoru.

Díky tomu, že napětí na bázi, i proudy kolektorem a emitorem jsou relativně konstantní - zesilovaný signál nemusí pořád dokola nabíjet a vybíjet "parazitní kapacity" uvnitř tranzistoru, proto toto zapojení funguje do vysokých frekvencí a v historických dobách to byla jediná cesta jak stavět zesilovače pro stovky MHz.

Dnes už toto zapojení není "základ každého televizoru" ale přesto se občas vyskytne - spíše jako "chytrá finta" uvnitř jiných zapojení. K tomu se dostaneme někdy příště. Dnes už zbývá jenom rada pani Kubáčové novomanželkám : když nachytáte mužíčka jak vzdychá nad vaší podprsenkou - jsou dvě možnosti : buď jej dráždí samotná podprsenka, nebo by nutně potřeboval kontakt s jejím obvyklým obsahem. Proto nenechte nic náhodě - kontrolně se zeptejte jestli ji nechce vyzkoušet - a pak jej nemilosrdně zatáhněte do postele - jedno jestli s podpdrou na vaší, nebo jeho hrudi, na obou, nebo bez - ať je to kterákoliv varinata nakonec vám bude vděčný jak toulavý pes z útulku....

Je před vánocemi, a protože "divný strejda z Frýdku" nerozdává dárky, které se dají koupit v obchodě, tak právě stavím pro neteře jednoduchou "barevnou hudbu" - jejíž popis snad ještě stihnu zveřejnit v tomto roce.

Tedy minulý rok dárečky pro neteře dopadly katastrofou protože jsem vyrobil Drawdio - jako relaxační oscilátor, který nepotřebuje vypínač. V tom ale byl ten problém - děcka byly z "hrajících tužek" natolik nadšené, že tužky šly z ruky do pusinky a jak děti "oslizly" kontakty - tužky začaly - sice barytonem - ale neustále pískat, protože - lidské sliny, i po odpaření vody patrně nejsou dokonalý izolant.

Takže letos ne na řadě barevbná hudba ve formě krabice, která se dá k repráku od televizoru (nebo se do ní bude křičet pusou) mikrofon pochytá zvuky a podle toho budou blikat světýlka.

Takže úkol č. 1. - vstupní zesilovač, který "vyrovná" úroveň signálu aby se do krabičky dalo křičet z blízka i šeptat z dálky.

Úplně se bojím napsat "logaritmický zesilovač" - protože to mě lidi budou mít za blázna.

Stejně tak se bojím napsat "kompresor dynamiky" - protože to je "černou magií" opředený komponent u kterého "skuteční hifisti" hodnotí jestli má dostatečně křišťálový zvuk s fialkovým závanem v basech ....

Protože ale všechno se vším souvisí tak obvod, který probereme - je de-facto logaritmický zesilovač (pro malé signály) a limiter (pro silné signály). Takže vo co go. Na obrázku máte klasický zesilovač s antiparalelně zapojenými diodami ve zpětné vazbě. Vtip je v tom, že pro slabé signály, kdy diodami tečnou mikroampérové proudy má dioda relativně velký vnitřní odpor. Obráceně řečeno - pokud ne napěťový rozdíl mezi výstupen operačního zesilovače a invertujícím vstupem malinkatý (v milivoltech) diody jsou téměř zavřené a dělají "obrovský odpor" ve zpětné vazbě - tudíž veliké zesílení.

Naopak pro obrovské signály (ve voltech a v desítkách miliampérů) se diody otevřou a lze říci že amplituda signálu - špička -špička - z tohoto zapojení nikdy nebude větší než 2x0,7V (dvakrát spád na otevřené diodě).

Jenomže "ďábel se skrývá v detailech" - tedy toto zapojení je překvapivě náročné na rychlost operačního zesilovače. Podle mých zkušeností "zcela obyč." LM324 která má "šířku pásma" alias GBW (Gain Bandwith) do 1 MHZ nebude v tomto zapojení fungovat do vyšších frekvencí než asi 1 kHz !!! Vtip je totiž vtom, že když do zapojení pustíte sinusovku tak - logaritmická odezva se projevuje během každé periody a v místě přechodu nulou se dokonce obě diody uzavřou a zesilovač musí "toto místo" překonat bez zpětné vazby - což na něj klade enornmí nároky právě z hlediska šířky pásma, protože silná zpětná vazba je právě to co operační zesilovače "honí" do vyšších frekvencí.

Druhý problém - představte si že investujete 800,- a koupíte nějaký multi gigahertzový operák od Linearu. Pak začnou problémy jinde - už od stovek kilohertzů se začně projevovat nezanedbatelná kapacita diod - a ony místo aby se pravidelně uzavíraly - budou fungovat jakoby paralelně s nimi byl zapojený kondenzátor s několika desítkami pikofaradů. Proto i pro běžné použití doporučují spíše klasické (ne schottky) hrotové a rychlé diody. Pro začátek stačí i obyč 1n4148 - ale to je jen základ pro nízké frekvence.

Je tedy jasné, že za jednoduchost zapojení platíme enormními nároky na vlastnosti součástek a to i pro celkem nízké frekvence. Tohle zapojení má navíc ještě jenu zákeřnost. Odpor R1 (dopručená hodnota 1K) slouží zároveň jako součást vstupního RC členu a zároveň jako prvek, který určuje proud diodami. Z hlediska RC členu potřebujeme jeho hodnotu co největší (abychom nemuseli používat obrovskou hodnotu C1). Z hlediska zesílení je šak absolutně nejvyšší hodnota kterou si můžeme dovolit kolem 100K nad tuto hodnotu se nám zapojení změní v zesilovač se zesílením 1 a limitací pro amplitudu 0,7V.

Tak jsem vymyslel něco trošku jiného. Tedy vlastně stejného ale v neinvertujícím provedení. Tím můžeme měnit R1 zvlášť bez vlivu na vstupní kondenzátor C1 a velikost děliče R2, R3 můžeme zvolit tak velkou abychom jako C1 mohli použít běžný fóliový nebo keramický kondenzátor. Zato musíme použít veliký kondenzátor C3, ten ale de-facto není přímo v cestě signálu a navíc je jasně polarizovaný, takže tam snadno můžeme použít elektrolyt.

Tedy při mnou doporučeném JFETovém zesilovači TL072, při mnou dporučeném odporu R1 -100 ohm - 1K a mnou dporučených diodách 1n4148. Bude tento zesilovač mít přibližně logaritmickou odezvu pro vstupní signály od 1mV do 1V s frekvencí maximálně 10 KHz (lépe jen 1 kHz).

Posledních pár otázek

- proč JFET - protože při malých signálech jsou proudy diodami nepatrné ( v nanoampérech) a proud do vstupů bipolárního zesilovače by je narušoval.

- Co R4 - to je "volitelný odpor", který pokud použijeme dosti velký (doporučuju 1Mega a více) tak omezí problémy které má zesilovač ze zavřených diod, když prochází nulou - ovšem za cenu zhošení vlastností pro slabé signály ...

Takže to je celé - vím, že to není moc a proto bych takový zesilovač do robotů nikdy nedal, ale pro krabičku do které "hulákají děti" ??? Asi to stačí - zbývá už jenom rada paní Kubáčové novomanželkám - víte že po svatbě je dobré "hrát slušňačku" ve společnosti, ale v posteli můžete "odhodit zábrany" protože chlap na druhé polovině postele už stejně nemůže utéct (nebo se mu to dokonce líbí ) ....

Na to že dneska máme jubilejní 60 vidláky bude dnešní příspěvek poměrně stručný (ale práce za ním bylo spousta).

Takže velmi a velmi dávno jsem psal článeček zvaný "Šikovná dolní propust". V něm jsem zdůrazňoval, že i když naprosto nenávidíte frekvenční filtry, tak pokud se zcela nevzdáte použítí AD převodníků ve vašich robotech - budete se muset alespoň dolní propust naučit postavit jako "anti aliasing filter" - tedy filtr který nepustí do AD převodníku žádnou frekvenci vyšší než polovina vzorkovacího kmitočtu. Pokud tak neučiníte - nikdy nebudete vědět jestli data, která dostáváte jsou skutečný signál, nebo produkt mixování vzorkovací frekvence s nějakým vysokým rušicím signálem.

Takže jsem doporučoval místo prostého RC článku - naučit se alespoň filtr 2 řádu - a to nejlépe aktivní formu (se zesilovačem) abyste zároveň mohli filtrovat a dosáhnout dostatečně nízké impedance pro AD převodník. Dělící frekvenci tohoto filtru spočtete velmi hrubě tak, že

R1 = R2 , C1 = C2 a dělící frekvence

Jenomže tím vznikne filtr druhého stupně, ale s vlastnostmi nic moc. U filtrů totiž žádáme, aby propustné pásmo bylo ploché, šlo co nejblíže dělící frekvenci a pak náhlým zlomem nastal prudký útlum.

Jak jistě tušíte - tyto požadavky všechny najednou splnit nelze. Takže tu máme filtry typu :

Mimo to máme ještě spoustu dalších typů filtrů - a klasicky je to veliká "černá magie" asistenti na nich získávají docentury a docenti profesury. I já jsem se naštval a zařekl jsem se, že není boha abych se nenaučil počítat alespoň nejobyčejnější Besselův filtr - zcela korektně.

Jako vždy u předmětu obklopeného černou magií naleznete opravdu spoustu a spoustu literatury a vzorečků, které z nějakého důvodu (moje blbost?) nefungují. Až po opravdu vyčerpávajícím studiu a pokusničení jsem objevíl vzorečky které fungují.

Tedy Zapomeňte na R1 = R2 , C1 = C2. Berte to to tak, že R1 C1 je jeden filtr a R2 C2 druhý.

Pokud má být dělící frekvence filtru f - pak dělící frekvenci R1, C1 spočítáte klasicky

No a hodnoty R2, C2, spočtete stejně, akorát dělící frekvence musí být f * odmocnina ze 2.

Tedy prakticky buď R2 = R1 / 1,4142 nebo C2 = C1 /1,4142. Nebo si zvolte jinou kombinaci R2, a C2, která vyhovuje podmínce o frekvenci.

To je všechno ???? Ano to je všechno, ale zkuste si cvičně projít literaturu kolem Besselových filtrů abyste pochopili, že v jednoduchosti je nejvíce práce.

Čistě jenom pro zopakování ukážu ještě starší obrázek kde zcela vpravo vidíte Besselův filtr 2 stupně s jedním tranzistorem - doufám, že jej "tam vidíte" a je vám jasné, že R1~R3, C1~C4, R2~R4, C2~C5.

Zbývá už jenom rada paní Kubáčové novomanželkám : hrála jste před svatbou "nedobytnou" a pak jste se nechala "svést" a pak dělala "erotické dusno" ? Činíte tak i nyní, nebo je z vás po svatbě "ženská v teplákách" ?

Minule jsme začali nejjednodušším zesilovačem s tranzistorem a 2 odpory a postupně jsme přídávali a přidávali až vzniklo něco takového :

Jenom než budeme "v jízdě" pokračovat dovoluju si upozornit, že zesilovače jsou opravdu stavebnice, takže sice jsme dodali emitorovou degeneraci a dělič na vstupu, ale pokud nám nevadí Crossover distortion a potřebujeme ušetřit nějaké ty diody - pryč s D1 a D2, a pokud potřebujeme ušetřit i tranzistory na výstupu - pryč s nimi R2 zapojíme do kolektoru Q1, jenom jsme minule říkali, že R1 je 10 Kohm - to je trochu moc takže je R1 i R4 posuneme na 3K3 a 330 ohm a dokonce nemusíme dělič R2/R3 ani měnit. Američani tomu dnes říkají "performance fine tuning" - tedy nastavíte si vlastnosti (výrobku) přesně tam, kde je chcete mít.

Jedeme dále - tak jako se v matematice prohazují proměnné z levé na pravou stranu rovnice - my si můžeme dovolit zaměnit tranzistory NPN za PNP - tento zesilovač bude fungovat zcela stejně jako předchozí.

když už jsme zaměnili PNP za NPN tak jsme si udělali prostor zeilovač ještě vylepšit - a to tím, že přidáme "diferenciální stupeň". ten je zázračný, protože je rychlý, a navíc nám dokonale stabilizuje výstupní stejnosměrné napětí - takže se nemusíme z žádným počítáním příliš smolit - napětí které je mezí R7 a R8 bude i na výstupu a hotovo. Navíc poměr R2/R3 nám určuje zesílení.

Možná jste se zalekli ale schválně si porovnejte zesilovač s diferenciálním vstupem a bez něj - co tam přibylo. A protože tam přibylo trochu mnoho máme jedno zjednodušení. Vynechali jsme R5 a na funkci zesilovače to vůbec nebude mít vliv. Samozřejmě můžeme ve zjednodušování pokračovat, Diody pryč, Q2, Q3 pryč - prostě je to stavebnice, která je velice blbuvzdorná a pořád bude fungovat.

Vyhodili jsme odpor R5 a tím jsme ušetřili součástku, ale trochu plýtváme vlastnostmi zesilovače, takže místo R5 a R6 jsme zapojili "proudové zrcadlo" - Proud přes Q7 je řízen proudem přes Q6 - tim se nám zesílení diferenciálního stupně mnohonásobně zvětší. Tento zesilovač je dokonale blbuvzdorný - pomocí R7/R8 nastavujeme stejnosměrné napětí na výstupu, pomocí R2/R3 zesílení a R1 je přibližně rovno vstupnímu odporu. Všechny hodnoty odporů můžeme měnit v širokém rozmezí od stovek ohmů po stovky kiloohmů - zpětné vazby v zesilovači si s tím vždy nějak poradí. Lze si přát více ?

Zesílení zesilovače je tak vysoké že se může rozkmitat - tak použijeme fintu známou už z operačních zesilovačů - přidáme frekvenční "single pole stabilization" a to ve formě kondenzátoru C4 - doporučená hodnota je 4.7 -100 pF.

Tím jsme se natolik přiblížili ke konstrukci operačního zesilovače, že si klidně můžeme dovolit vyvést oba vystupy a takový zeslilovač si vyrobit. Jestli si myslíte, že je to blbost - tak vězte, že armádní technika v 50 letech byla plná operačních zesilovačů udělných z diskrétních součástek - zapojených velice podobně. Dokonce ještě Seymour Cray v počítačích Cray 1 používal takové moduly - ne proto, že by počítal analogově, ale proto, že analogové moduly byly rychlejší než tehdejší digitální hradla.

Našemu "operačnímu zesilovači" chybí k dokonalosti jenom jedno - odpor R1 v emitoru diferenciální dvojice omezuje napěťový rozkmit na vstupu směrem k 0V - tak se R1 zbavíme ne ? Šup tam další proudové zrcadlo a teď to máme opravdu jak z Apolla 11. Náš operační zesilovač sice není rekordman v šumu a zkreslení, ale pokud použijete vhodné tranzistory - bude rychlý jako ďábel. Jinými slovy jsme dospěli ke klasíckému vidláckému řešení - místo rychlého operáku za 300 - halda drátových součástek za 20 a taky to funguje.

Poznámka při druhém čtení : "Koncový stupeň" tvořený dvěma tranzistory a dvěma diodami (jakože D1, D2, Q2, Q3) má nezanedbatelný "ohnivý potenciál" i když použijete diody s relativně malým napěťovým spádem (dopručuju obyč 1N4007) má to to zapojení tendenci k pozitivní zpětné vazbě. Na obou tranzistorech je polovina napájení - takže se mírně zahřejí , tím se jejich napětí báze-emitor sníží (o 2 mV na stupeň) tím se proud oběma tranzistory zvýší, tím se ohřejí ještě více, tím napětí B-E zase klesne - atd - až k plamenným efektům ! Proto silně doporučuju provozovat tento koncový stupěň jenom na napětí 5V a nejlépe se stabilizátorem s proudovou pojistkou 100mA (78L05). Pokud to nejde tak jako správní vidláci - vynechte D1 i D2. to vám ale zkreslí malé signály - pokud právě ty potřebujete - tak vynechte i Q2 a dejte místo něj odpor 1K - tim se koncový stupeň změní na emitorový sledovač, který je až do 24V naprosto v pohodě.

Mimochodem za domácí úkol - všechny zesilovače postavit na kontaktním poli a vyzkoušet postupné přidávání "features". Doufám, že se mi podařilo trochu rozbít nemístný respekt některých lidí, ze složitějších analogových zapojení. Já jsem pro dnešek skončil a zbývá už jenom rada paní Kubáčové novomanželkám : Pokud jako žena subtilní postavy sedíte potichu v rohu pohovky a váš krátkozraký manžel kolem vás několikrát projde bez povšimnutí - dříve než se urazíte - zkontrolujte jestli nemá špinavé brejle !!!

Od začátku vidláků se pořád vracíme k otázce tranzistorových zesilovačů a taky se vracíme k otázce stavění velkých obvodů z malých bloků, takže dneska nás čeká - v podstatě hravá lekce - kdy budeme tranzistorový zesilovač upravovat jako rovnici v 5. třídě ve stylu

Takže bereme nejjdednodušší zesilovač, který má všechny představitelné nevýhody. Vstupní odpor je 0, výstupní odpor je R1, nemá přesně definovanou stejnosměrnou úroveň na výstupu ATD. Takže jej chceme zlepšit - alespoň v tom, že k němu dáme emitorový sledovač aby měl výstupní odpor - kolem 50 ohm.

Prásk - a máme to tady - zesilovač je zcela stejný, akorát má jeden stupeň navíc. Staří radioamatéři tomu říkali Push-Pull stupeň jakože PNP tlačí a NPN táhne - ale my víme, že tohle jsou de facto dva emitorové sledovače jeden typu PNP a druhý NPN pracující proti sobě. samozřejmě, že zpětnou vazbu je lepší zapojit az z výstupu.

Pokud střídavý signál na vstupu takového zesilovače prochází 0 jsou oba tranzistory na výstupu zavřené, protože oba potřebují pro otevření alespoň 0.7 V. Pokud nevede žádný z nich na signálu se udělá nepěkný zub, kterému klasičtí elektronici říkali "překřížení" což byl asi otrocký překlad anglického crossover distortion. Abychom tomu zabránili musíme něco udělat - takže zatím jsme si zesilovač jenom překreslili (je to zcela stejný zesilovač jako obr. 2.

To nám umožní dokreslit tam nejjednodušší způsob jak bojovat proti crossover distortion - do zesilovacího řetězce se dají dvě diody, a ty zajistí napětí na bázích "na hranici otevření" pokud by rozdíl napětí mezi bázemi obou tranzistorů byl ještě větší oba by se začaly otevírat a tekl by jimi "příčný proud" který by v určitém okamžiku mohl dosáhnout takových hodnot až by nám tranzistory spálil, proto konstruktéři audio-zesilovačů místo dvou diod používají někdy až monstrozní obvody, které "regulují" příčný proud. To nám v robotech k ničemu není - my se "prostorovým zvukem" milence chlubit nebudeme.

Zásadní nevýhoda tohoto zesilovače je v tom, že stejnosměrné napětí na výstupu , které by mělo být vždy v polovině napájení (kvůli maximálnímu prostoru pro rozkmit signálu) je definováno jenom proudem přes odpor R2 a proudovým zesílením tranzistoru - které se kus od kusu mění. Abychom napětí na výstupu stabilizovali uděláme z odporů R2 a R3 dělič. Spočteme jej tak aby v bodě spojení R2 a R3 bylo napětí 0.7V právě když je na výstupu polovnina napájení. Jistě tušíte proč - při 0.7 se tranzistor Q1 začne otvírat a tím nám jeho úbytek napětí base - emitor - pohlídá napětí na výstupu - si jako v těch primitivních napěťových zdrojích, co jsme probírali. Pokud chceme tranzistor ještě více linearizovat provedeme "emitorovou degeneraci" a do emitoru zapojíme malý odpor R4, který zavede do obvodu proudovou zpětnou vazbu a dále stabilizuje tranzistor - pak samozřejmě musíme dělič R3/R2 přepočítat podle toho.

Příklad: :dejme tomu, že R4 je 1K, R1 je 10K na výstupu potřebujeme 6V. aby na výstupu bylo 6V musí na bázi Q3 být 6.7 V to znamená, že přes R4 a R1 teče proud 6.7 / 10000 = 670 uA - to znamená, že na "horním konci" R4 je 0.67V to znamená, že na bázi Q1 musí být přibližně 1.4V. To znamená, že dělič muusí toto napětí dodat - takže dáme si R2 jako 33Kohm na jeho horním konci je 6V na dolním konci 1.4V to zanamená, že jím teče proud (6-1.4) / 33000 = 149 uA - to znamená, že aby na dolním konci bylo 1.4 V musí R3 být 1.4V / 140 uA = 10 Kohm.

Na kterém řádku jste se ztratili ? No - myslel jsem si, že to bude v lehkém duchu, ale nějak se to komplikuje, takže pro dnešek končíme - jenom si dáme radu paní Kubáčové novomanželkám - těžko mužíčka přesvědčíte, že se o něj umíte postarat, pokud se neumíte postarat sama o sebe - takže pokud doma chodíte jakoby vás zapoměli v pračce na 90 - přemýšlejte o tom.

Takže po dlouhé otravě s teoretickým úvodem je tady závěr a teoretický příklad.

Mějme signál, který má nostnou 1 MHz a na něm je namodulována informace, která má frekvencí 100 kHz. Poměr mezi "nosnou" a "daty" je zde jenom 1: 10 - což je "málo ale dost" pro jistý typ řešení.

Jak může takový signál vypadat ? 5 sinusovek na 1 MHZ jako "1" a pak stejnou dobu "0". Tak jednoduchý signál by se jistě dal demodulovat diodou a kondenzáorem jako v prvním díle. Problém je v tom, že výstupní signál by vypadal velmi uboze, proto jsem se snažil navrhnout jinou cestu.

Tedy první stupěň zpacování je mixování signálu na "nulovou mezifrekvenci" tedy mixujeme signál 1 MHZ a frekvenci hodin máme taky 1 MHz. Pokud použijeme něco jako dvojitě vyvážený mixér. (příklad diodové verze takového mixéru je na obrázku), bude výstupní signál vypadat asi takto :

Připadá vám to jako sinusovka "dvoucestně usměrněná" diodami - máte pravdu - toto je ale signál z dvojitě vyváženého mixéru - tedy jakobychom nevěřili diodám a přepínali je externím signálem. Zajímavostí tohoto signálu je že jeho základní frekvence už není 1 MHZ ale 2 MHz - máme totiž dvakrát tolik špiček směrem nahoru i 2x tolik špiček smerem dolů. To je přesně v souladu s funkcí vyvážených mixéru, které do signálu nepustí původní nenamixovaný signál a taky to hezky demonstruje jak se nám žádoucí a nežádoucí signály "frekvenčně rozestoupí" jak jsem psal minule.

Nakonec se výstupní signál musí ještě "vyhladit". Volba "cut off" frekvence výstupního filtru je zde poněkud zvláštní. Data, která potřebujeme získat mají frekvenci 100 KHz - protože se jedná o "de facto" pravoúhý signál měli bychom mít frekvenční pásmo alespoň 500 kHz.

Já jsem ale při návrhu postupoval jinak - protože se mi frekvence "nosné" mixováním přenesla až ke 2 MHz. tak jsem zlomovou frekvenci dolní propusti dal na 1 MHz a zelená křivka, kterou vidíte je výsledek filrace dvěma stupní dolní propusti 2 řádu s Cut off frekvencí 1 MHz. I přesto to není úplně "pravoúhlý" sígnál, ale ten okamžik kdy je dostatečně "ustálený" aby se dal digitalizovat procesrorem tam jistě vidíte.

Tolik tedy nepatrná poznámka ke složité oblasti filtrace různých frekvencí. Konkrétní zapojení se dozvíte až budu reportovat o obvodech, které právě dělám (a zatím jsou tajné). Místo toho tady máte radu paní Kubáčové novomanželkám - pokud zařizujete byt - jsou možné dvě varianty - "skromně přiměřeně rodinným příjmům" anebo "luxusně jako bez ohledu na peníze" - pak ale je riziko, že na nábytku se časem objeví žluté nálepky "exekučně zabaveno".

Minule jsem vám sugestivně předestřel problém jak oddělit "demodulovaný signál" a "nosnou vlnu" pokud tyto jsou k sobě frekvenčně blízko. Tento problém jsem demonstroval na AM - amplitudové demodulaci, ale tento problém je daleko širší. V podstatě se týká každé situace, kdy máme dvě frekvence, které potřebujeme od sebe oddělit.

Logicky jedna z nich je vyšší a druhá je nižší - tedy jednu budeme hnát filtrem typu "horní propust" a druhou filtrem typu "dolní propust"

Moderní elektronika se snaží takové situaci vyhnout jak jen může - radioamatéři aby se nemuseli patlat se vstupními fitlry svých rádií používají rádia konstrukce UP - konvertor - vstupní signíl třeba 3,5 MHz se převede na nějakou absurdně vysokou mezifrekvenci třeba 90 MHz - pak vám na vstupu stačí jednoduchý LC (klidně i RC) filtr.

To samé moderní radiopřijímače pro VKV, WIFI, GSM, GPS všechny jsou založeny na principu mixování signálu "na nulovou" (nebo velmi nízkou) "mezifrekvenci". Takže když máte VKV rádio na 100 MHz a potřebujeme audio max do 20 Khz - není s filtry zase takový problém.

Pak si ale představte takové Packet radio, které používalo modulaci AFSK - tedy Acoustic Frfequency Shif Keying. Zjednodušeně logická "0" byla 1200 Hz a logická "1" byla 2200 Hz. Smyslem úlohy je vymyslet dělící frekvenci pro tyto dva kmitočty. Protože "frekvenčního prostoru" je málo je potřeba vymyslet frekvenci "někde uprostřed"

Tedy průměr z 1200 a 2200 je 1700 Hz - ale je aritmetický průměr správná metoda výpočtu ?

Kdybychom měli to VKV kde bychom potřebovali spočíst střed mezi 100 MHz a 20 KHz - vyšlo by nám 50.01 MHz - kravina na kvadrát !

Tedy pro výpočty "střední frekvence" se zásadně používá geometrický průměr -

Předpokládám, že funkce z Pascalu SQRT alias SQUARE ROOT alias ODMOCNINA je vám jasná.

Tímto výpočtem nám pro Packet radio vychází kmitočet 1624 Hz (skoro totéž co 1700) ale pro VKV vychází mnohem realističtějších 1,4 MHz (v praxi by se dalo filtrovat ještě na mnohem nižší frekvenci).

Jestli jste si přečetli link o packet radiu patrně teď kroutíte hlavou - proč dědek otravuje s archaickým bezdrátovým systémem který měl přednosovou rychlost 1200 bitů / sec. Opak je pravdou - jakou modulací si myslíte že vysílají mořské bóje, meteorologické balony, nouzové majáky lodí a letadel - a co takhle nouzové spojení z družic, marsovská vozítka nevyjímaje ?

Pokud jsou dvě frekvence, se kterými pracujeme opravdu zatraceně blízko - je jedna možnost (kterou už jsem naznačil) jak z problému ven. Odfltrovat od sebe dvě rádia která vysílají na 100 a 101 MHZ je prakticky nemožné, ale zmixovat si signál "dolů" a dělit od sebe frekvence 100 KHz a 1,1 MHz - už není takové drama.

Dokonce i v případě Packet radia a AFSK se sice dají použít frekvenční filty - říká se tomu "asynchonní demodulace", ale je to jenom primitivní a málo účinná metoda. Dnes se pro většinu digitálních modulaci používá "synchronní demodulace" - kdy přijímač zjistí fázi a frekvenci přicházejícíh dat a touto frekvencí mixuje vstupní analogový signál aby se mu 0 a 1 pěkně od sebe oddělily.

Jistě tušíte, že vše směřuje k oblibenému (jak pro koho že ? ) zpracování signálů pomocí mixování. A máte pravdu. Pokud použijeme dvojitě vyvážený mixér a mixujeme signál "na nulovou mezifrekvenci" tedy více méně sám se sebou lezou z mixéru dva užitečné signály - na frekvencí 0 a na frekvenci dvojnásobku původního signálu - takže vlastně mixováním se nám signál nejenom posune na pásmo, kde jej chceme mít, ale dokonce se nám žádoucí a nežádoucí složky od sebe "frekvenčně vzdálí"

Drobný příkladi si dáme příště, dnes zbývá už jenom tradiční rada paní Kubáčové novomanželkám : co je častější - manželova ruka ve vašich kalhotkách nebo vaše ruka v jeho trenýrkách ? Přemýšlela jste, co to o vašem (novo) manželství vypovídá ?

Už jsem psal mnohokrát, že elektronický zoufalec, jako já - začne vyrábět čidla - od blikání IR LEDkou na akustické frekvenci, přes vysílání ultrazvuku nad slyšitelným pásmem a skončí u čidel která vyzařují na radiových frekvencích, takže pak může prohlásit, že stavebnice rádia pro "pionýry" je základ každého čidla.

Přece jenom rádion NIVEA je moc moderní, takže si jako základ dnešního výkladu vezměme něco mnohem jednodušší - starou dobrou krystalku v klasickém zapojení. Tedy Cívka a ladící kondenzátor rezonují na frekvenci rádia na středních, nebo dlouhých vlnách, dioda nakmitané VF napětí usměrňuje a nabíjí jím kondenzátor 2N2 a vysokoohmovým sluchátkem stanici posloucháme.

Co to má společného s roboty ? Robotické čidlo vysílá VF energii jako zvuk, světlo radiové vlny - cokoliv - a zpátky ji přijímá. Protože procesor nebude digitalizovat stovky kHz až desítky MHz musíme signál nějak demodulovat. A protože významným zdrojem informace je intenzita signálu - musíme nějak rozumně získat jeho amplitudu.

Takže příklad z krystalky - komunistická "Stanice Hvězda" - dnešní "Radiožurnál" vysílala na dlouhých vlnách frekvence 272 kHz - ergo paralelní LC člen na vstupu musí kmitat na této frekvenci. Šířka pásma pro vysílání na dlouhých vlnách byla 9 kHz a to taky byla maxímální frekvence zvuku, kterou AM modulace přenesla (pokud jste byli opravdu optimisti).

Takže "frekvenční plán" krystalky je jasný - kondenzátor 2N2 spolu impedancí sluchátek tvoří RC (LC) člen, jehož horní mezní frekvence by měla být 9 KHz - z toho hlediska by se kondenzátor dal zvětšit až na 4N7. Jasné ?

A teď robot - vysíláme signál (řekněme) na 100 kHz a potřebujeme udělat 1000 měření za sekundu. Ergo kmitočtový plán je jasný vstupní obvody musí být naladěny na 100 kHz a výsupní filtr musí propustit alespoň 2000 Hz (kvůli Shanonn - Nyquist - Kotelnikovově podmínce musí být šířka pásma 2x šírší).

Protože "ďábel se skrývá v detailech" tak tady analogie robota s krystalkou končí a to protože :

1. Nepotřebujeme propustit do procesoru 1000 Hz sinusovku, ale 1000 Hz ustálený signál.

2. U krystalky je jedno jestli do sluchátka proniká 272 kHz protože ucho to stejně neslyší, ale u procesoru to jedno není, protože frekvence digitalizace se nám může "mixovat" se špatně odfiltrovanou "nosnou vlnou" a může vznikat - falešný signál - artefakt.

Už někdy ze začátků vidláků víme, že "dělcí kmitočet" RC filtru se vypočte jako

Tento dělící kmitočet by báječně fungoval pro sinusovku, ale pokud potřebujeme "ustálený signál" tak de facto skrytě očekáváme, že výstupní signál bude pravoúhlý. Pravoúhlý signál na frekvenci 1000 Hz má výrazný obsah vyšších harmonických kmitočtů a proto aby zůstal alespoň náznakově pravoúhlý musí mít výstupní filtr dělící kmitočet vyšší než 5 x základní frekvence, aby zůstala zachována alespoň 5 harmonická, která nám "dělá hrany" signálu.

Takže vidíme že "zdola" začíná být frekvenčně trochu těsno - máme signál 100 kHz a budeme ho usměrňovat a filtrovat pomocí 5-10 kHz filtrů. Jak to vypadá shora ? RC filtr má útlum 3 dB na oktávu poměr mezi 100 kHz a 5 kHz je 4,3 oktávy - u prostého RC filtru je to útlum 13 dB - veliká bída - u filtrů 4 stupně je to 51 dB - což stále není nijak mnoho - takže vidíme, že i "shora" je frekvenčně nějak těsno.

Určitě jste pochopili kam mířím - často potřebujeme de-facto demodulovat AM signál který se mění tak rychle, že mezi frekvení "signálu" a frekvencí "nosné". není dostatek prostoru pro "pohodlný" návrh frekvenčních filtrů.

Kdybych byl cynik - tak bych teď napsal - prostudujte si vinutí cívek - protože použítí LC filtrů je jedna z cest "ven z problému". Protože robotici mají z cívek nevýslovnou hrůzu - a protože už i mně pobolívá hlava tak si dáme radu paní Kubáčové novomanželkám a pokračujeme příště.

Tedy zmíněná rada - pokud manželovi dojdou odpory 33 ohmů za 60 halířů kus - vaše informace, že jste koupila 50 bambusových plín za 100 kč kus - jej příliš neuklidní....

Bezstarosťák se mi občas pošklebuje a ukazuje mě lidem - "to je ten člověk co 3 roky dělal H-můstek pro roboty". On mě totiž považuje za fušera, který tak závažné věci věnoval jenom 3 roky a neví, že já rozhodně nejsem milovník uspěchaných rešení a H-můstek jsem dělal 6 let než jsem dokonale pochopil "vo co go". Takže tam kde jsem byl v roce 2009 s můstky jsem dneska s Trávoměrem - ač ještě neexistuje ani v náznaku definitivního řešení - už si vysloužilo pověst "legendárního čidla" pro roboty.

Takže H-Můstek než dosáhl dokonalosti měl 35 prototypů a drobných bastlů na kterých se ověřovalo kde, co. Trávoměr - ten je zatím ve stavu kdy jsem postavil asi jenom 7-8 komplexnějších prototypů . Protože nejsem ten typ co nejprve půl roku bádá nad přesnými specifikacemi, aby pak zjistil, že jsou technicky nereálné, tak paralelně s jednotlivými prototypy se mění i "globální architektura" tohoto čidla. jedna z verzí byla, že přijímač měl být stacionární a "širokoúhlý" a kolem dokola robota by bylo minimálně kolem 200 ledek různých barev mířících různýmí směry, které by nahradily rotující optiku laserových dálkoměrů typu SICK.

Když vidlák chce rozblikat 200 ledek - musí to být prakticky za hubičku. Pokud je chce rozblikat relativně vysokými proudy na frekvenci 10.7 MHz - je to "za hubičku" problém. Když se navíc jedná o to že tranzistor spínající LEDku na 10.7 MHz se v principu nijak neliší od koncového stupně radiových vysílačů "ve třídě C". To znamená že krom světla LEDky stejně ochotně vyzařují VF energii. Protože Trávoměr (a většina ostatních čidel) používá směšování na "nulovou mezifrekvenci" - tedy všechny oscilátory v celém zapojení - vysílač, přijímací filtry, oscilátor pro směšovače - všechno jede na stejné frekvenci - je trochu problém když mikrovoltový signál z fotodiody je rušen milivoltovým naindukovaným rušením, které šlo přímo z drátů k LEDce elektromagnetickou indukcí k drátům pro fotodiodu.

Tomu se dá bránit na přijímací straně "diferenciálním zapojením" předzesilovače pro LED - viz obrázek - rušení v zemním drátě, nebo v napánejí nebo rušení ve vodičích "nad" i "pod" fotodiodou se v zesilovacím stupni odečte. Je však otázka zda se vzniku rušení nedá bránit i na straně "blikače". Přemýšlel jsem přemýšlel a vzniklo něco jako "diferenciální" zapojení blikače LEDkami. Než se pustíme do "diferenciálního zapojení" probereme otázku spínání LED diod.

Naprostý základ je na obrázku - má problém v tom, že Q2 se musí vybudit až do přesycení - a tak si piště, že na 10.7 MHz vám s obyč tranzistorem za 1,10 kč blikat nebude.

Pak je možné zapojit zátěž do emitoru -to už blikat bude - ale to má pro neznalé mnoho úskalí, takže se ani nedivím, že ve svém skvělém článku to Bezstarosťák prostě zakázal a hotovo.

Z pedagogických důvodů si teď ukážeme jaké rušení do napájení produkují spínače výše uvedeného typu. Je to logické - když je LEDka vypnutá - na napájení je nominálních 12 voltů z baterie, když se LEDka zapne - proud stoupne - tím napětí poněkud poklesne - rušení v napájení tedy vypadá jako pravoúhlý signál s překmity - vidíte to taky tak ?

No a tradá - tady je Kubáčův superspínač - spotřebič - LED - je v kolektoru (jak chce Bezstarosťák) ale odpor, který řídí proud je v emitoru. Smysl celé věci je v tom, že pokud do bází tranzistorů jde maximálně 5 voltů ze CMOS hradel - funguje celé zapojení jako periodicky zapínaný zdroj konstatního proudu. Navíc odpor v emitoru působí jako velmi silná negativní zpětná vazba, která tranzistor honí tak, že i pomalý (a laciný) BC337 je schopen blikotat na 10.7 MHz. Navíc odpor v emitoru zvyšuje vnitřní odpor tranzistoru a tím umožňuje vynechat ochranný odpor do báze. Navíc, LEDky nemají blikat všechny najednou - proto mají společný odpor v emitoru, ale pokud k tomu chybou softwaru dojde - jejich SPOLEČNÝ proud bude řízen odporem R1, takže se nepřetíží obvody kolem. Lze od takto "sofisitikovaně primitivního" ;-))) zapojení žádat více ?

Všimněte si že kromě 4 větví s LEDkami je tam ještě divná pátá větev bez LEDky - navíc zapojená přes invertor. Ta pouští proud v době kdy LEDka nesvítí - to je zjevné plýtvání proudem, ale má to veliký smysl - protože když se podíváme na to jak vypadá rušení, které toto zapojení produkuje do napájení - vidíme že to jsou jenom ty překmity při přepínání tranzistorů- bez původního obdélníkového signálu (spotřeba proudu je stejná i když žádná LEDka nesvítí). Navíc kromě původních překmitů souvisejících se spíníním LEDek se nám tam dostala ještě druhá sada překmitů spojená se spínáním Q5, která je díky invertoru o polovinu periody posunutá.

To se nezdá jako velký úspěch ale je to absolutně zásadní, protože to znamená že se nám vlastně efektivní frekvence rušení zvýšila z původních 10.7 MHz kde prošla vstupními filtry na dvojnásobných 21.4 MHz, kde si z nich elektronika zbytku trávoměru nic nedělá. Stojí to za těch 20mA nebo ne ?

Takže abych uzavřel - blikat na 10 MHz ale rušení produkovat na 20MHz - to vyžaduje čas a mnoho - mnoho - mnoho ranních kadění na záchodě - než vás něco takového napadne. To je věc, do které se Bezstarosťák jako profesionál v oboru, kterému "stojí faktury" nemůže příliš pouštět. To je oblast, kde my amatéři můžeme posunout vývoj kupředu. Samožřejmě si nemyslím, že přidání 1 tranzistoru k blikátku je nějaké "posouvání vývoje kupředu", ale jako zajímavý přístup k tomu co bratři anglosassové nazývají "noise shaping" se to myslím hodí.

Dneska už zbývá jenom rada paní Kubáčové novomanželkám - když párkrát řeknete "miláčku, koupila jsem nám novou kabelku" očekávejte časem reakci " drahá , já jsem nám zase koupil nový osciloskop".....