Nekorektní blog Petra Kubáče na Blog.cz

Dlouhá léta jsem měl jenom multimetr, a pro vysokofrekvenční měření jsem si udělal indikátor VF signálu - což je de facto usměrňovač z diody a kondenzátoru. I s tímto ubohým vybavením jsem něco té elektoniky postavil. Když jsem se pak vyrovnal s finanční situací po rozvodu - rozhodl jsem se, že svůj tehdejší nemalý plat (ach jo kde jsou ty časy) budu investovat do vybavení své robotické dílny.

První věcičku, kterou jsem si koupil je komunikační přjímač Yaesu VR-500 , alias skener neboli rádio, které od 100kHz do 1,3 GHz je schopno přijímat veškeré analogové modulace. Rádia tohoto typu by vydala na samostatný blog, protože krom technického aspektu mají tyto příjímače i zajímavý aspekt politický - například v kolébce svobody a demokracie - USA se prodávají s jistými pásmy "zablokovanými" ! A oficiální situace u nás je třeba taková, že je legální jej koupit ale nelegální jej vlastnit (!!!) Možná to o každém režimu vypovídá více, než si místní papaláši myslí.

Věc č. 2, kterou jsem koupil byl osciloskop. V dobách kdy jsem ho kupoval byly analogové osciloskopy mrtvá technologie, ale digitální osciloskopy byly "professional measuring equipment" za hříšné prachy - takže jsem koupil osciloskop OWON PDS6062, který je do 60 MHz - nevyniká v žádném směru - spíše naopak, přesto stál astronomických 16,5 tisíc, a přesto je to pořád lepší než nic.

Nyní tedy nastává oblíbené "okénko negativní publicity", ale nebojte se - nebudu plivat na tento konkrétní typ, spíše to berte jakože si trpce stěžuju na vlastní zlozvyky, které jsem díky osciloskopu získal.

1. Měříme možné, ale někdy i nemožné - rádio superhet má anténu, vstupní fitlry, předzesilovač, směšovač, mezifrekvenční fitlry, mezifrekvenční zesilovač, demodulátor a audio - zesilovač. Každý ten prvek tam "kvůli něčeho je". Člověk má ale tendenci být chytrolín a stavět elektroniku po blocích. To vede k patologickému chování typu - postavím anténu a "podívám se osciloskopem" co z ní leze. Víte co uvidíte - NIC ! Lépe řečeno neuvidíte ten signál, kerý chcte vidět a který by vám napověděl jakou strukturu zvolit pro další stupeň. Jinými slovy měřit mikrovoltové signály na hranici šumu na vysoké impedanci - prostě nemá smysl a mustíte zatnout zuby a zmíněné rádio dotáhnout alespoň po mezifrekvenční filtr - teprve tam se dá "něco měřit". Takže obrazně - pokud píchnete osciloskop někam kde z něho poleze jenom šum a na základě toho usoudíte - dále stavět nemá smysl - vaše chyba (moje chyba) ....

2. Pravda je na displeji - Takže si koupíte osciloskop do 60 MHZ (nebo do jakékoliv jiné frekvence) a tím vám vznikne falešný pocit, že budete pozorovat signály až do 60 MHZ a "bude to paráda". Nebude - ale musím napsat něco matematiky - takže tady je vzorec pro pravoúhlý signál

Už víte, kde je pes zakopaný ? Pokud chcete vidět signál, který bude alespoň náznakem pravoúhlý - měla by projít alespoň 3 a 5 "vyšší harmonická". Takže nejvyšší frekvence kdy uvidíte opravdu alespoň náznakem pravoúhlý signál je u 60 MHZ osciloskopu někde v pásmu 10-20 MHz. A v pásmu 20-60 MHz už u 60MHz osciloskopu neuvidíte nic než více nebo méně "zmršené" sinusovky. Říkáte si idiot - koupil mizerný osciloskop a teď si stěžuje. Pokud však koupíte LeCroy do 1 GHz - bude to stejné jenom se vám "pásmo pravoúhlého signálu" posune do 100MHz a pásmo "zmršené sinusovky" bude 200MHz -1GHz.

3. Dotkni se nebe - Osciloskopické sondy mají většinou kapactu kolem 10pF a vstupní odpor 1 Megaohm. Takže pokud "sondujeme" zdroj s vnitřním odporem 50 ohmů je mezní frekvence vzniklé dolné propusti:

Logicky, pokud ale sondujete zdroj s vnitřním odporem 1Mohm bude mezní frekvence 1592 Hz - víte o tom že přes takový filtr vám megahertzové signály neprojdou ani do LeCroye za 100 000 euro ?

S tím souvisí druhý problém - pokud je vnitřní odpor zdroje 1 megaohm - sonda osciloskou vytvoří efektní dělič který posune všechna napětí - počítáte s tím ?

S tím souvisí třetí problém - LC oscilátor pro VKV mivá kapacity kolem 20pF co se stane když k němu paralelně připojíte sondu s dalšími 10pF ???

4. Nahoru a zase dolů - Osciloskopické sondy mají určité parametry - vnitřní odpor a kapacitu už jsme probírali, ale osciloskopické sony krom toho většinou mají přepínání 1x 10x a třeba i 100x a 1000x. Takže sonda vlastně funguje jako dělič 1:10, 1:100 atd. Víte o tom, že parametry sondy jsou specifikované nejčastěji pro dělení 10x a že sondy do 100MHz (při dělení 10x) mají při dělení 1x pásmo propustnosti hrubým odhadem 10x menší tedy do 10 Mhz. Tušíte, že to znamená, že pravoúhlý signál uvidíte nejvýše do frekvence 2 MHz - bez ohledu na vlastnosti samotného osciloskopu ?

Řeknete si dobře - zaliju přeínač "vteřiňákem" v poloze 10x. Pak tu máme druhý problém - slaboulinký signál dělíme 10 a osciloskop jej pak musí o to více zesílit - což často znamená "utopení" měření v šumu.

OK- je mi jasné, že právě se slzami v očích trháte dopis : "Ježíšku - dones mi osciloskop". To nemusíte - jenom musíte mít na paměti, že každou elektroniku je třeba dotáhnout do stavu kdy z ní leze signál o frekvenci max 1-10 Mhz a na vnitřním odporu max 1-10KOhm. Ostatní měření je lepší dělat něčím jiným Jestli krystal kmitá třeba čítačem. Já osobně krystaly a oscilátory "poslouchám" svým YAESU VR-500. A jestli vysílač na několika GHZ opravu vysílá je nakonec nejlepší zjišťovat tou VF sondou s diodou a kondem.

Zbývá už jenom rada paní Kubáčové novomanželkám : pokud radikálně odmítáte vařit - manžel se nají v hospodě, nebo si dá konzervu do mikrovlnky, ale co budou dělat (budoucí) děti ???

Už jsme tady měli nekondenzátor, takže proč nepokračovat v oblíbeném "koutku negativní publicity" a dneska neprobrat diody.

Polovodičové diody - vznikly v šerém dávnověku elektroniky - vlastně ještě před oficiálním objevem polovodičového jevu jako "selenové usměrňovače" a musím konstatovat, že tato archaická "nedodělanost" jim dodnes zůstala.

Ani nebudu vypisovat linky, na články, kde jsem psal, že diody nenávidím, protože jsou úplně k ničemu a navíc se většinou tváří, že jsou něco jiného než ve skutečnosti jsou.

Takže naivně - v učebnici pro průmyslovky píšou "dioda vede proud jen jedním směrem"

Co tam ale nepíšou, že

Dioda prostě byla ideální jako usměrňovací prvek do elektronkových rádií, které měly "anodové napětí" 160V a spotřebu proudu 20mA - tam nějaký 0.7 voltový úbytek nevadil, pokud použijte diodu pro dnešní 3,3 nebo dokonce 1,8V napájení - jaké napětí "vám za ní zbyde" ???

Ano já miluju a doporučuju "Kubáčovu protiresetovací diodu" ale tam se jená o konverzi napětí z 12 na 5 V a to že vám ze 7V rozdílu, který se jinak musí protopit na stabilizátoru 0,7V ubyde je spíš dobře.

Vysoké frekvence - dida musí mít jistou plochu PN přechodu která funguje jako kondenzátor, takže už od 100 kHz tento "kondenzátor" pustí více proudu než by vám bylo milé

Malá napětí - diody se otevírají při 0,7V - mezi napětím a proudem diodou je exponenciální vztah, ale pod 0,7V ? Pokud chcete usměrnit napětí v jednotkách - desítkách - stovkách - milivoltů - zapomeňte na diody - existuje kombinace diod s operačními zesilovači, které ale mají taky problémy, protože diody mají nezanedbatelný "leak" - propouštějí i v opačném směru a to dovede s citlivými vstupy OZ pěkně zacloumat.

Takže moderní elektronika vymyslela "zlaté tele" - Schottkyho diodu - schválně si tohle heslo zadejte do BINGu, abyste viděli ten šrumec. Drobný problém je v tom, že schottkyho dioda není vůbec dioda - schválně se podívejte na běžné usměrňovací schottkyho diody do jejich datasheetu - kolik mají zpětný proud alias LEAK ? při zahřátí až 10mA !!! Copak se usměrňováním nezahříávají - klidně až na 50-60 st?

Cože ? 10 mA - pár takových diod zapojených někde v "nepropustném" směru v autě na sluníčku a baterka je za týden vybitá !! Protože i obyčejný odpor 1K pouští z baterky 12 mA.

Proto pozor pozor pozor - Schottky diody si za zmenšení úbytku v propustném směru o 0,3V nechají krvavě zaplatit. Používat Schottkyho diody pro přesné aplikace na malá napětí je blbost - to už je lepší klasická 1N4148.

A pokud potřebujete diodu která má extrémně malý leak - tak světe div se nejmenší leak mají mé oblíbené LEDky, které se klidně dají použít do precizních usměrňovačů s operačním zesilovačem, jenom obvyklé varování - nesmí na ně svítit světlo příliš intenzivně (tedy na sluníčko musí jít v krabici).

Pokud byste například chtěli razantně vylepšit vlastnosti precizního "peak detektoru" na obrázku. Jednak byste museli použít jiný operační zesilovač - nejlépe JFET nebo CMOS - třeba MCP6402 nebo TL072 - aby se vám "paměťový" kondenzátor C3 nevybíjel přes vstupy operačních zesilovačů. A pak kdybyste dali místo D2 LEDku - dosáhli byste asi nejlepších možných parametrů tohoto obvodu. Mimochodem LEDku pro tyto účely je lépe vybírat IR nebo červenou, aby měla co nejmenší úbytek napětí v propustném směru.

Před Schottkyho diodami jsem varoval, zbývá už jenom rada paní Kubáčové novomanželkám - i manžel je konec konců jenom muž a má raději sex "protože na to má chuť" nikoliv "protože dneska je ovulace".

M inule jsem se zcela vědomě věnoval spíše teorii a dnes probereme schémátka. Už minule jsem naznačil, že spínaný zdroj akumuluje svou energii v magnetickém poli cívky, proto umělá cívka netvořící magnetické pole nebude pro něj to pravé.

K čemu tedy lze syntetické indukčnosti použít ? Obecně pro proudy, které snese použitý tranzistor (desítky mA) a pro frekvence na kterých syntetické indukčnosti fungují (desítky - stokvy kHz). Takže příklady

Výhodou syntetických indukčností je, že s RC součástkami normálních hodnot to jest kiloohmy a mikrofarady vychází "indukčnost" v miliHenry - pokud bychom použili skutečné cívky byly by to nepochybně "cívky jako bejk".

Kromě toho, že syntetické indukčnosti netvoří magnetické pole - mají proti cívkám ještě jenu nevýhodu - potřebují nějaký klidový proud a nedají se jen tak zapojit do střídavého signálu. Hrubý příklad jak to zajistit máte na obrázku - "napájecí odpory" R1 a R3 by měly být alespoň 5x větší než výstupní odpor zdroje a alespoň 5x menší než vstupní odpor následujícího stupně. Pokud počítáme horní / dolní propust - můžeme z nich učinit část RL obvodu.

První příklad vlastně souvisí s tím, jak jsem k syntetickým indukčnostem přišel.Někde na internetu jsem našel tento obvod diferenciálně zapojeného předzesilovače pro fotodiodu, který prý pochází z některého marsovského vozítka. Vidíte čím je fotodioda napájena a přes jaký obvod je uzemněna ? Autoři v původním zdroji uvádějí, že obvod byl určen pro frekvenci 10 kHz.

Jirka Bezstarosti psal kdysi na Robodoupěti geniální seriál o rozlišování černé a bílé, kde k dosažení jednoznačného stavu Černá /bílá používal řízení proudu LED diodou v QRD1114 pomocí výstupního signálu aby vzniklo "něco jako" Schmidtův klopný obvod. Tím řešil situaci kdy vás zajíma barva a nikoliv rychlost jejich změn. Z mého receptáře je obvod nahoře - který zase pro změnu vůbec nezajímá na jak bílou / šedou / černou se kouká, ale jenom jak rychle se barvy mění - což je vhodné třeba do snímače optického enkodéru na kolečka.

jak vpadá výstup z tohto obvodu vidíte na obrázku - v době klidu, nebo v době ustáleného otáčení kolečka se kondenzátor nabije na střední hodnotu. Tranzistor pouští této hodnotě odpovídající střední proud až do 30 mA, pokud se před fototranzistorem roztočí černobílé proužky - tranzistor na to vůbec nereaguje čím nám na výstupu nám vznikne celkem pěkný téměř pravoúhlý signál, přitom si nemusíme hrát s přesným nastavováním proudu LED diodou, protože na stejnosměnou složku proudu fototranzistorem obvod nereaguje.

Tím jsme probrali vše - zbývá už jenom rada paní Kubáčové novomanželkám : vyměnila jste po svatbě krajky za teplákovku ? Divíte se že on vás po svatbě vyměnil za fotbal v televizi ?

Jak už tak "všechno suvisí se vším" tak některé obvody které mají jednu funkci - pokud ze zapojíme do záporne uzpětné vazby (operačního nebo jiného) zesilovače mají úplně opačnou funkci. Zesilovač s frekvenční propustí ve zpětné vazbě stává se frekvenční zádrží, exponenciální charakteristiky diody mění se v logaritmické vlastnosti zesilovače atd...

Takže existuje skupina obvodů kde ve zpětné vazbě zesilovače je kondenzátor, a celý obvod (světe div se ) se tudíž chová jako cívka.

Jelikož se s cívkami snažím pracovat celý robotický život a stejně se jim raději vyhnu - předpokládám, že ostatní robotici mají s cívek alias indukčností - naprosto nepopsatelnou hrůzu a tudíž budou tento článek hltat jako neuzavření.

Takže existují "divné obvody", které mají "divné názvy" - gyrátory - jak ze Sci-Fi z 50. let. Gyrátor je přesně ta věc, kterou nemám přiliš rád - jako je "dvojbran" a další teoretické konstrukce, za které se vyhazuje z FELu, protože teoretici je považují za zásadní věc, při analýze elektrických obvodů - ale jejich hlavní vlastnost je, že se v praxi v čisté podobě nikde nevyskytují.

Takže se pokochejte "gyrátory" zapojenými jako syntetické indukčnostmi s operačními zesilovači, kterými se zabývat nebudeme, protože indukčnosti s operačními zesilovači jsou přiliš složité a navíc díky pomalosti (i rychlých) operačních zesilovačů nepracují přiliš dobře ve vysokých frekvencích nad akustickým pásmem, kde se vyskytují pracovní frekvence našich robotů.

My se místo toho budeme zabývat klasickým vidláckým obvodem jak vyšitým neboli :

Je to přesně jak si myslíte - kondenzátor připojený na bázi tranzistoru zpomaluje změny proudu do báze a tím se tranzistor navenek brání změnám proudu, které jim protékají - což je běžná vlastnost cívky.

Pokud se budeme snažit vypočítat "virtuální" indukčnost této "cívky" zjistíme divnou věc - RC obvod v bázi tranzistoru nám ovlivňuje frekvenční vlastnosti obvodu téměř nezávisle na okolí tohoto obvodu.

Neboli dělící frekvence horní nebo doní propusti, kterou s touto syntetickou cívkou postavíte bude

kde beta je proudové zesílení tranzistoru, PI je 3,1415926535... R a C jsou ze schémátku jasné. Takže pokud tento obvod použijeme místo cívky do nějakého děliče alias RL obvodu bude "virtuální indukčnost"

kde R1 je odpor v děliči a R2 je odpor do báze tranzistoru, ale POZOR - pokud měníme "vnější" odpor R1 - mění se i "indukčnost" tak, že frekvenční vlastnosti obvodu se nenění a řídí je jenom R2 a C připojené na bázi tranzistoru. Na druhou stranu k odporu externího R1 se připočítávájí i výstupní a vstupní odpory předcnozího a následujícího stupně, které tudíž příliš neovlivňují frekvenční charakteristiku - a to je skvělé.

Pokud postavíte třeba dolní propust zjistíte, že její charakteristika pro určité frekvence opravdu dokonale odpovídá RL obvodu. Jelikož vlastnosti "cívky" závisí na zesílení tranzistoru se zvyšující se frekvencí tranzistor přestává zesilovat a frekvenčnní charakteristika se nám začíná kazit.

Nicméně - je vaší starostí aby do propusti pracující v pásmu kHz se vám nedostaly nežádoucí frekvence v pásmu MHz.

Než skončíme - je zde obyklý apel na zdravý rozum - syntetická indukčnost je opravdu "syntetická" nemá žádné magnetické pole. Z toho vyplývá výhoda, že umělá cívka neprodukuje nežádoucí magnetické pole ani není magnetickým polem ovlivněna, ale na druhou stranu pokud se vám výkonová tlumivka do spínaného zdroje za 30 kč zdá příliš drahá - doufám, že vás nenapadne tam zapojit syntetickou cívku a čekat, že to bude fungovat ?!?

Přestože jsme odvrhli "gyrátory" bylo toho dnes už dost, takže vzhůru do další padesátky "vidláků" a dnes už zbývá jenom rada paní Kubáčové novomanželkám : existují 3 druhy obuvi - boty, ve kterých se dá chodit, boty, které jsou krásné a boty na erotické hrátky do postele - dávejte si pozor na hranice mezi těmito kategoriemi - váš miláček určitě nebude nadšen, když po prochozeném dni, mu místo ladné nožky, budete ukazovat "krvavou hnátu".

Už na začátku vidláků jsem poznamenal, že akustické pásmo - 20 Hz - 20kHz je robotikovi k ničemu a vůbec se jím nebudeme zabývat. Tím pádem bychom se taky vůbec nemuseli zabývat elektrolytickými kondenzátory, protože jejich role ve filtraci napájení - je jasná. A druhá role kondenzátoru - to jest být vazebním prvkem na cestě signálu - tam elektrolyty prostě nepotřebujeme.

Jsou ale těžké okamžiky v životě lidském, takže občas se přece jenom stane, že potřebujete použít elektrolyt - k vedení signálu, a při té příležitosti bych rád upozornil na věc, která se všude učí, všude vykládá, ale nikde se "elektronicky" neřeší - a to je svod proudu elektrolytem, alias - heslo pro Bing - "electrolytic capacitor leak".

Teď bych prostě mohl napsat, každý elektrolytický kondenzátor má svod v mikroampérech - který de facto slouží k tomu aby elektrolýzou hliníkové hmoty kondenzátoru obnovoval nevodivou dielektrickou vrstvu a zbytek si nastudujte v knize. Na druhou sranu je legrace, kyž čtete veledůležitě se tvářící článek v "Amáru" o tom jak je zásadní používat operační zesilovače s nízkým offsetem a na vstupu je RC člen tvořený kondenzátorem 10uF a odporem 10kOhm - takkže má-li takový kondenzátor svod 5uA tak se na tom odporu vytvoří napětí 5uA * 10k = 50 mV a kde jsme s mikrovoltovými napěťovými offsety ???

Takže nejprve něco málo vzorečků pro svod kondenzátoru - jsou různé, podle různých norem a navíc jsou i různé pro různou dobu od zapnutí - protže svodový proud přiložením napětí na kondenzátor postupně klesá (nikdy ale nedosáhne nuly) - takže malý přehled:

kde UR je napětí na kondenzátoru a CR je jeho kapacita - jak jinak.

Samozřejmě, že svodový proud nás u filtračních kondenzátorů prakticky nezajímá - obvod který bere 100mA nemá smysl řešit z hlediska kondenzátorů co pustí 100uA. U signálového použití elektrolytů to silně závisí na výstupním a vstupním odporu obvodů, které jsou spolu spojeny. Neboli pokud připojujete 4 Ohmový reproduktor k zesilovači - taky nebudete mikroampéry řešit. Nicméně pokud třeba chcete z elektrolytu udělat náhradu AC vazby pro osciloskop - na vstupním odporu osciloskopické sondy, který bývá 1 megaOhm de vám signál pěkně zkreslí.

Jak z toho ven - vlevo vidíte naivní řešení - které je časté, ale často špatné. Uprostřed máte řešení, kdy výstup kondenzátoru je nějakým dosti velkým odporem (ale menším než vstupní odpor následujícího stupně) uzemněn a tím je zajištěna alespoň částečně definovaná stejnosměrná úroveň. Samořejmě že RC člen, který je tvořen výstupním odporem zesilovače a paralelní kombinací odporu R1 a odporu vstupu (osciloskopu) musí být spočten na frekvenční pásmo, ktré má přenášet. I v tom případě vám zbyde na výstupu stejnosměrný offset - nejčastěji kolem těch už zmiňovaných 50mV. Pokud se chcete i toho zbavit - doporučuju schémátko vpravo - výstupní RC člen je poněkud upraven a hlavně je zdvojený - takové zapojení má stále ještě offset kolem 1mV - takže můžete zapojení ztrojit atd .... ale 1 mV už většinou je snesitelný, nebo se dá v dalším obvodu kompenzovat.

Pokud budeme přes "dvojici kondenzátorů" spojovat dva operační zesilovače které místo dvojitého napájení používají napájení jedním napětím a mají děličem vytvořenou "virutální zem" - je výhodné "uzemňovací odpory" připojit na virtuální zem - protože pokud bychom je připojili na skutečnou zem baterie - moc bychom si nepomohli, protože napětí na elektrolytu byla přibližně polovina napájecího napětí a jejich svod by nám signál poškodil i kdyby byly dva v sérii.

Na druhé straně - pokud máte řetězec kondenzátory vázaných zesilovačů - je smysluplné DC offset z vazebního elytu řešit jedině tehdy, pokud jeho zesílení v následujícím stupni by přineslo problémy. To znamená že u operačních zesillovačů napojených na společnou virtuální zem to příliš smysl nemá (všechny stupně mají stejnou stejnoměrnou úroveň). Pokud by ale svod elytu měl způsobit třeba posun rozkmitu signálu z 0-5V na 2-7V - byl by to třeba pro AD převodník v procesoru veliký problém a řešit byste to museli.

Příklad - svod elytu nám způsobí 50mV offset - pokud následující stupeň zesiluje 10x - je to offset na výstupu 0,5V - pokud je i výstup zesilovače vázaný elytem - je to nepodstatné (leda byste používali moderní 1,8V napájení).

Pokud je zesílení dalšího stupně 100x - bude zkreslení způsobené svodem elytu 5V - a to už není žádná legrace.....

Tolik drobná finta za 80 haléřů, zbývá nám už jenom oblíbená rada pro brunety : Chcete aby se miláček "konečně vyjádřil" (k otázce manželství) - pokud jej dovlečete na svatební veletrh - možná se "vyjádří nohama" - bude v šoku prchat, až se mu bude za patami prášit - tak raději pozor !

Jako obvykle předem upozorňuju - rozhodně nejsem "vědec přes napěťové reference" ani "držitel kulatého razítka" - takže mé konstrukce jsou jednoduché a "vědci i držitelé" jimi pravděpodobně budou hluboce opovrhovat - nemluvě o tom, že pokud to, co zde přečtete řeknete "panu docentovi" na VUT u zkoušky - patrně neprojdete -a já to "vašim" vysvětlovat nepojedu.

Takže minule jsme probírali královnu napěťových referencí - BandGap referenci, která je nezávislá na teplotě a proto 7805 dává pořád 5 voltů, přestože se z ní už skoro kouří. Proč jsem mluvil o tom, že nejsem vědec přes napěťové reference - jako mnoho jiných oblastí elektroniky - je tohle módní záležitost, kterou řeší moře lidí, kteří už 30 let nepostavili ani blikátko, takže budou složitě řešit stabilitu teplotní, napěťovou LOAD a LINE regulaci, šum, a kdoví co ještě - většinou se závěrem - problém je moc složitý pro amatéra - vykašlete se na to a běžte si koupit rádion k Vietnamcům a nerušte naše kruhy.

My jsme ale vidláci hloupí a nepotřebujeme milivoltovou stabilitu a mikrovoltový šum - nám stačí když třeba "virtuální zem" ultrazvukového zesilovače bude přilbližně stejná při napájení 5, 12 i 24 V. Takže na schémátku vidíte můj oblíbený zesilovač - a kde teda je ta reference ? Je označená modře - je to odpor a LEDka - úbytek napětí na LEDce je konstatní, s nízkým šumem, který je ještě filtrován pomocí C3, navíc LEDka slouží i jako kontrolka jestli "deska žije". Dvě funkce za jedny prachy - co více si můžeme přát. Proto jsem taky v TOMTO článečku varoval - nechte tam tu modrou LEDku !!

Mimochodem já LEDKy jako zdroje konstntního napětí přímo miluju, právě proto, že jsou za hubičku a ještě potěší barevným světlem. Mimochodem LED a úbytek napětí na ní je krásný příklad "kvantové fyziky v domácnosti", protože čím je vlnová délka světla kratší - tím mají fotony větší energii, tím je větší spád napětí na LEDce, takže IR LED mají spád kolem 1V, a pak napěťový spád roste pěkně v řadě - červená, žlutá, zelená, modrá / bílá, ultrafialová. Modré bílé a UV ledky mají spád 3-4V je tedy z čeno vybírat.

Jenom nepatrná poznámka - aby to nebylo tak jednoduché - světlo jde nejenom z LEDky ven ale svítí i z venku do LEDKy, proto LED jako referenční zdroj - může "chytat rušení" - zejména nepříjemné jsou úsporné zářivky blikotající na frekvencích 20-100kHz - které mohou "modulovat" napětí na LEDkách - takže držte elektroniku raději "ve stínu".

Dostáváme se k notoricky se vracející otázce - paralelních a sériových zdrojů - mezi kterými dle mně není žádný rozdíl. Vlevo "paralelní zdroj" protože stabilizující diody jsou paralelně se zátězí (která je zapojena taky mezi Vout a zem). Prostým doplněním emitorového sledovače na výstup (tranzistor Q1) se nám "paralelní" reference změní na "sériovou" protože proud nyní prochází tranzistorem, který je v sérii se zátěží.

Drobné poznámky - obyšejné diody, případně zapojené do série se dají použít jako zdroj konstatního napětí - mají ale tu nevýhodu, že zapojením do série se teplotní nestabilita i šum sčítají a navíc pozor na diody ve skleněném pouzdře - jsou stejně "fotocitlivé" jako LED.

Ještě jedna poznámka - co tam vpravo dělají ty "divně zapojené" kondenzátory. Kombinace R2, C2, a tranzistoru tvoří takzvaný "násobič kapacity" - obvod se chová tak jakoby kapacita C2 byla násobena proudovým zesílením tranzistoru a tedy byla minimálně 100x větší. Pro úplné hnidopichy je tam i C3, který zase potlačuje šum tranzistoru, který tam tranzistor přidá až za "násobičem kapacity".

Psal jsem na začátku, že zdroje konstatního napětí nemusí být navázané jenom na napětí země, ale mohou sloužit jako zdroj "rozdílového napětí" od jakéhokoliv jiného napětí. Na obrázku máte příklad - napětí na bázi tranzistoru je za všech okolností o 1,4V větší než napětí na vstupu - jelikož emitorový sledovač zase stejnosměrnou úroveň o 1,4V sníží - je stejnosměrné napětí na výstupu o 0,7V vyšší než na vstupu.

Viz obrázek - zelená křivka vstup - červená křívka výstup. Odpory R2 a R3 udrují obě diody minimálním proudem otevřené. Mimochodem pro tzv. "příčný proud" diodami platí obvyklé pravidlo, že by měl být alespoň 5x-10x větší než je proud do báze tranzistoru - což je zde splněno, protože vstupní odpor emitorového sledovače je R1 * Proudové zesílení tranzistoru - což je v našem případě kolem 200 kOhm.

Na úplný závěr rekapitulace - jaké jsou možnosti.

Tím bych kapitolu zdrojů napětí považoval prozatím za vyčerpanou - což neznamená, že se nebudeme k nim vracet, kdykoliv to bude potřeba.

Zbývá už jenom tradiční rada pro brunety : Když se na Facebooku rozšíří zpráva, že bez nočníku na hlavě jste beznadějně OUT - můžete vzít jed na to, že všechny blodýny to okamžite poslechnou - ale co vy budete se k nim přidávat ?

Až vás budou zkoušet u tabule, tak se určitě budou ptát velice důležitě jaké máme zdroje referenčšního napětí a vy budete muset sypat z rukávu, že sériové a paralelní a kdoví jaké ještě, ale v principu to je zase dělení "na balony a koše" které nemá tak úplně význam.

Takže zdroje referenčního napětí se skládájí ze :

A celá složitá klasifikace, za kterou se dostávají pětky vychází jenom z toho, že některé zdroje mají všechny výše uvedené bloky, ale některým zdrojům něco z toho chybí.

Takže začneme zprudka a ukážeme si napěťovou referenci typu BandGap, která má všechny komponenty.

Vysvětlení funkce : Na čipu je 9 zcela stejných tranzistorů v matici 3x3 - trazistor Q1 je ten prostřední a tranzistor Q2 je 8 ostatních spojených paralelně. Toto uspořádání je kvůli dokonalé tepelné vazbě. Díky shodným odporům R a díky tomu, že operační zesilovač udržuje na obou vstupech stejné napětí (z principu své funkce) je proud oběma větvemi stejný. Každým z tranzistorů Q2 teče jenom 1/8 proudu, proto má Q2 menší úbytek napětí báze emitor.

V takovém případě je napěťový rozdíl na odporu R2 daný rovnicí pro napětí baze emitor, které po všem odvozování je

kde R je boltzmannova konstanta T je teplota v kelvinech a q je náboj elektronu. Stejný proud, který teče přes R2 teče i přes oba odpory R a tudíž odporem R1 teče dvojnásobek tohoto proudu ergo na R1 je napětí

Takže napětí na výstupu je tvořeno součtem napětí na R1 a napětí Báze emitor tranzistoru Q1

Vtip je v tom, že napětí na R1 s teplotou roste (viz T ve vzorečku), zatímco napětí Ube tranzistoru Q1 s teplotou klesá - tudíž lze najít takový poměr mezi R1 a R2 kdy se obě napětí mění stejně, avšak opačným směrem a tím se vzájemně kompenzují - většinou pro široký rozsah teplot od -40 do 120. (Tedy teplotní rozsah čipů -40 - +105 st. C není náhodný)

Při takovém ideálním nastavení R1 a R2 se napětí Vout ustálí většinou na hodnotě 1,25 V což je napětí reference v LM317 (nikoliv náhodou) a taky je to úbytek napětí Báze Emitor tranzistoru pri teplotě absolutní nuly neboli -273 st. Celsia (taky nikoliv náhodou)

Vhodnou volbou R1/R2 se dají dělat i jiné triky - třeba teploměr LM35 / LM335 je zapojený zcela stejně, akorát má přídavný zesilovač a jeho napětí se mění přesně o 10 mV na stupeň a ukazuje absolutní teplotu takže jeho výstup při 20 st = 293 kelvinů = 2930 mV = 2,93 V.

Pro Rusofily mezi námi zde vysvětlující obrázek - pod šikmou čarou úbytek Ube nad čarou vzrůst napětí na R1. Jasné ?

Nepředpokládám, že byste takový zdroj referenčního napětí někdy stavěli, ale budete ho používat častěji než si myslíte, neboť zdroje v tomto stylu jsou v každém integrovaném stabilizátoru.

Když už jsme si vyjmenovali všechny součásti referenčního zdroje a řekli si, že klasifickace na "sériové a paralelní" je umělá. A zároveň jsme si ukázali referencí z nejsložitejších tak si pro dnešek na záver dáme referenci z nejjednodušších - zenerovu diodu.

Schémátko je primitivně jednoduché a princip je v tom, že dioda je zapojena v nepropustném směru, a je udělána tak, že při vhodném napětí se prorazí. Při průrazu může proud diodou vzrůst mnohonásobně aniž by se napětí na ní měnilo.

Viz obrázek - tím je způsobeno, že zenerova dioda může sloužit jako "paralelní" (protože je zapojena paralelně se spotřebičem napětí na Vout ) stabilizátor. Pokud se ptáte na teplotní vlastnosti - z fyzikální podstaty zenerových diod vyplývá, že ty s napětím průrazu okolo 5,6V jsou teplotně nejstabilnější.

Pro dnešek bych dal už jenom radu pro brunety a pokračování příště : Pokud pozorujete, že více než kabelky a lodičky vás začínají zajímat dupačky a plíny - je nejvyšší čas promluvit si s miláčkem - co dále se životem....

Kdysi jsem se podivoval proč referenční zdroj v AVR, který má mít 2,56 V má 2,73 V a byl jsem seřván jako malý Jarda, že problematice referenčních zdrojů vůbec nerozumím, a že pokud dám 10 kaček za 5V stabilizátor, přece bych za ty prachy nečekal, že bude dávat 5V ?

Z toho jsem pochopil, že:

Proto prosím berte toto povídání hrubě nezávazně - a hlavně, co se zde dočtete nevykládejte u tabule na průmyslovce, nebo nedej bože, u zkoušky na elektro-fakultě.

Zdroj referenčního napětí je zdánlivě úplně zbytečná součástka - všechny naše obvody v robotech, přece mají stabilizované napájení na některé standardně používané hodnotě - třeba 5V a pokud potřebuju referenční napětí 2V - zamontuju někam dělič a je hotovo.

OK - pak ale máte situaci, že máte na baterce připojenou proudovou pojistku a v té potřebujete referenční napětí, které bude (třeba) o 1,4V nižší než napětí baterie. A abych to zkomplikoval tak předem nevíte jestli ta baterka bude LiON s 3,6V nebo dvojice olověnek na 24V nebo "něco mezi tím".

Proto spíše než zdroj referenčního napětí vázaného na zem se budeme zabývat tím jak udělat - zdroj napětí, který poskytne o X voltů větší /menší napětí než (měnící se) napětí Y.

Mimochodem jak jsme řešili otázku referenčního napětí u proudových pojistek ? Byl tam vůbec nějaký zdroj referenčního napětí ? A co často používaná věta - když napětí na snímacím odporu přesáhne 0,7V tranzistor se otevře. Takže ano - tam použité referenční napětí byl úbytek napětí na diodě báze - emitor tranzistoru NPN - což je z jistých důvodů ta nejhorší možná variatna.

Na o brázku znovu opakuju jednoduchoučký zdroj napětí, na který se nyní podíváme jinýma očima - když vám řeknu, že jeho výstupní napětí jednoznačně závisí na "referenčním napětí" báze emitor trantzistoru Q1.

Ergo logicky a matematicky - pokud máme výstup 5V zdroje "opřen" o referenci 0,7 V tak všechny neblahé vlastnosti této reference jako je šum, napěťová a teplotní nestabilita se násobí v poměru 5/0,7 = 7x a takto se nám přenesou na výstup. Ergo jsem psal, že při oteplení tranzistoru o 1 stupeň klesne napětí jeho přechodu B-E o 2 mV - tedy pokud se nám do robota opře slunko a desky dosáhnou 50 st., což není nic vzácného - viz horký volant auta v létě - klesne napětí tohoto zdroje o 30 * 2 * 7 = 420 mV - ještě jste žhaví do stavby takového zdroje ?

Předpokládám, že právě jsem rozvrátil celý svůj předchozí výklad a uvedl vás ve zmatek, takže aby to bylo ještě horší necháme si to zase rozležet a dáme si tradiční radu pro brunety : pokud se občas během pájení robota "přijdete přivinout" - je to příjemné, pokud však není v galaxii místo, kde by se muž před vámi ukryl - očekávejte kopačky a pláč ....

Podobně jako v seriálu o mixérech je dnes čas na závěrečnou a shrnující kapitolu.

Nevěřte tomu, že váš Hardware, váš Software ani celková situace nezpůsobí zkrat. Náhoda je blbec a proudové pojistky jako jakékoliv (relativně) jednoduché hardwarové opatření výrazně zvyšuje naději, že pokud během ladění, nebo používání vašeho robota něco selže, že bude ještě dále co ladit a nebude to hromádka seškvařeného šrotu.

Proto pár rad na závěr:

Kam pojistku umístit - podobně jako když jse popisoval filtrační kondenzátory - umistěte je na "významné odbočky" napájecích cest - rozhodně třeba desku, která rozvádí napájení ke vzdáleným čidlům jejichž kabely se mohou zkratovat o kostru.

Abych si nenechával nic pro sebe - dovolím si ještě podotknout, že kromě zdrojů Foldback - otrocky přeloženo - "ohnout zpět", které při zkratu radikálně omezují proud pod běžně dostupnou hodnotu, jsou i zdroje typu Foldforward - otrocky "ohnout vpřed" jejich proudovou charateteristiku vidíte na obrázku - ta nemá nic společného s ochranou proti zkratu, protože ve zkratu dávají ještě více proudu než v klidu. Zdroje tohoto typu bývají často spínané, protože tam není tak dokonalá souvislost mezi tepelným namáháním výkonového tranzistoru a proudem. Často to bývají zdroje v napájení krokových i "nekrokových" motorů, kde velký proud do zkratu usnadňuje rozběh motoru.

Poslední poznámka - proudových pojistek a jejich designů je ještě daleko více, než jsme mohli probrat Například existuje pojistka tzv. hiccup - otrocky přeloženo "škytavka" která při zkratu zdroj odpojí a pak jej podle taktu oscilátoru periodicky připojuje zpátky k zátěži "na zkoušku", jestli zkrat ještě trvá . Pokud nemáte speciální důvod se do takového zdroje pouštět - tak to berte jen jako zajímavost.

Tím bychom prozatím měli celou kapitolu proudů a zkratů za sebou - zbývá jenom tradiční rada pro brunety : feministky dneska řádí tak, až jsou z toho chlapi zakřiknutí - líbí se vám chlap v autobuse - nestyďte se ho oslovit - chlapi to berou jako, "že jste odvážná" nikoliv, jak si myslí kámošky - "že jste lehká". Ale dávejte si pozor na úplně moc nápadné krasavce a nedělejete stejnou chybu jako chlapi, kteří pracně dobývají "blondýnu s pětkama", aby pak zjistili, že to je neustálým obletováním rozmazlená blbka.

Proudovou ochranu jednoduchých spínacích tranzistorů a linerárních zdrojů jsme si probrali. Dnes musím, v rámci úplnosti udělat zase chybu a zabrousit do oblasti spínaných zdrojů, které jsme ale ještě neprobrali.

Na spínané zdroje se lze dívat ze dvou pohledů - jednodušší je říci, že tranzistor ve spínaném zdroji ne buď zcela uzavřen, nebo zcela otevřen a produkuje pravoúhlý pulsující výstup a na výstupu je LC filtr, který z pravoúhlého signálu dělá vyhlazené napětí.

To však svádí k otázce - proč se ve spínaných zdrojích smolit s cívkou - nedala by se cívka vynechat ? Odpověď : V principu dala za cenu "krvavého" zhoršení vlastností spínaného zdroje - cívka totiž nefunguje jenom jako "nějaká" filtrace, ale když se podíváte na graf proudu cívkou zjstíte, že když je tranzistor zapnutý cívka se "nabije" proudem a když se tranzistor zavře - cívka "pumpuje" proud do do filtračního kondenzátoru proud ze svého zanikajícího magnetického pole ( přes diodu D1).

Jádrem spínaného zdroje je PWM - pulse width modulator, alias puslně šřkový modulátor, který podle napětí na výstupu řídí poměr doby zapnutí / vypnutí trazistoru. Jak vidíte na schémátku je to v podstatě komparátor, který porovonává napěťovou odchylku od referenčního napětí s konstantně generovaným pilovitým napětím.

V principu - tím že je spínací zdroj spínací - tudíž výkonová ztráta na tranzistoru je minimální - není proudová pojistka pro spínací zdroje tak důležitá a stačilo by použít "spínací tranzistor jako bejk", který "vydrží všechno" a mohli bychom se na proudové pojistky vykašlat. Přesně tak vypadá konstrukce zdrojů, které mohou být až nebezpečné, protože při jejich zkratu hoří dráty, střílejí součástky, prská žhavý kov atd. - což už jsem psal.

Navíc filtr na výstupu spínaného zdroje má omezené fitlrační schopnoti, které se zhoršují při větších proudech - proto hrozí poškození zátěže pulsujícím napětím.

Proudové pojistky ve spínaných zdrojích fungují v principu podobně jako v lineárních, protože tyto zdroje jsou poněkud složitějdí jsou složitejší i proudové pojistky. Ve spínaných zdrojích tudíž máme dvě možnosti jak snímat proud (zkrat)

A pak máme dvě možnosti co může proudová pojistka regulovat

Teoreticky tedy jsou 4 kombinace, ale reálně je častější kombinace - zcela analogová tedy 1+1 nebo zcela digitální tedy 2+2.

Varianta Analogová je myslím jasná - protože ke spínanému zdroji se přistupuje jako k "černé skříňce" měříme proud na výstupu a pokud je moc vysoké začneme zkratovat vstupní referenční napětí - tedy v pricipu totéž co jsme probírali u lineárních zdrojů

Varianta digitální - taky není moc složitá - měří se proud spínacím tranzistorem a pokud přesahuje maximální povolenou hodnotu - tranzistor se pro daný cyklus vypne - a zapne se zase v příštím cyklu.

Digitální varianta je jednodušší - dá se lépe vestavět do integrovaných obvodů, proto se používá častěji. Na druhé straně ochrání spínací tranzistor ale nezaručuje přesnou hodnotu maximálního povoleného proudu na výstupu, a to protože mezi proudem spínacím tranzistorem a proudem za výsupním flitrem není úplně jednoznačný vztah.

Abychom si ukázali (zcela geniální) spínací zdroj nějakého amerického vidláka - vizte tento tří tranzistorový zázrak.

Probereme funkci. Zdroj nepoužívá klasický PWM modulátor, ale tranzistory Q1 a Q2 vytvářejí Schmidtův klopný obvod s hysterezí.

Tedy pokud je napětí v bodě Z větší než napětí na výstupu - je otevřen Q2 a tím je otevřen i Q1 - proud teče cívkou a kondenzátor C Load se nabíjí až se napětí na CLOAD dostane na hodnotu o 0,7V nižší než v bodě Z - Q1 i Q2 se zavřou - proud do Cload ještě nějakou dobu teče přes D1 a cívku - než napětí na něm polklesne a Q2+Q2 se opět otevřou.

Proudová pojistka tohoto zdroje je "analogová" pokud proud odporem RS přesáhne přibližně 500 mA trazistor QS se začne otevírat a začne zkratovat bázi Q2 - což zkracuje dobu jeho otevření i proud a napětí na výstupu.

Otázka pro hloubavé - fungoval by obvod bez C2 ? C2 vnáší do obvodu pozitivní zpětnou vazbu, která urychluje otevírání a zavírání dvojice Q1+Q2, bez něho by se otevíraly příliš pomalu a patrně by se "upekly" výkonovou ztrátou při pomalém přepínání.

Geniální obvod - hodný vyzkoušení minimálně jako "preregulátor", který omezuje výkonovu ztrátu nějakého lineárního stabilizátoru.

Ačkoliv jsem vysvětlil jenom zlomek toho, co je potřeba - myslím, že pro dnešek zase končíme.

Zbývá už jenom tradiční rada pro brunety : Štve vás "miláček", co se po sexu otoči na bok a okamžitě usne ? A co vy ? Nedráždíte jej celý večer a pak usnete než si on stihne před "erotikou" vyčistit zuby ?