Nekorektní blog Petra Kubáče na Blog.cz

Z minula nám zbyl domácí úkol, takže naivní mezi vámi si myslí, že dnes ukážu jedno schémátko jako řešení a jdeme dále, ale není to tak jednoduché jak se zdá.

Tedy zadání znělo máme tento zdroj:

Ke kterému máme přidat dva odpory abychom do něj zavedli hysterezi a přeměnili ho na zdroj s proudovou ochranou typu "foldback" jak jsme probírali minule.

Prostou analogií mezi jednoduchým spínačem bez Foldback

A s Foldback ochranou. Dojdeme k řešení, které je průhledně jednoduché a je ná následujícím obrázku.

Oproti zcela původnímu schémátku jednoduchoučkého stabilizátoru s proudovým omezením nám tam přibyly - zmiňované dva odpory - a to R5 a R6. Pokud je analogie mezi jednoduchým spínačem a kompletním zdrojem s regulací tak jednoznačná - zdá se že stejná bude i matematika kolem výpočtu proudové pojistky - částečně ano - Pro stav ve zkratu je vzoreček úplně sejný jako minule

Problém je se situací mimo zkrat. U prostého spínače jsem tvrdil, že tranzistor Q1 je plně otevřený, tím jsou oba konce děliče R6, R6 zkratované na obou koncích a tím prakticky vypadají ze hry. V případě napěťového zdroje tomu ale tak není, protože Q1 není otevřený do saturace, ale jenom pootevřený a je na něm napěťový úbytek Vcc - Vout = 7V.

Takže pro proud mimo zkrat máme trochu složitější vzoreček

To je trochu nepříjemné, protože proud pojistky nám závisí i na vstupním i na výstupním napětí, ale nedá se nic dělat - rozhodně je lepší počítat o 5 minut déle hodnotu součástek, než při připadném zkratu plakat nad zkaženou soutěží.

Jenom cvičně si spočteme proudy

Mimo zkrat - I = ( 0.7V - 7V * (330 / 7130) ) / 6.8 = ( 0.7 - 0.32) / 6.8 = 55mA

Ve zkratu - I = ( 0.7V - 12V * (330 / 7130) ) / 6.8 = ( 0.7 - 0.32) / 6.8 = 22mA

Když se podíváte na obrázek - zjistíte, že obojí celkem sedí.

Aby to zase nebylo tak jednoduché - tak kromě poznámky o změně proudu ve zkratu - který se snižuje s rostoucím napětím baterie (Vcc), která platí stejně jako pro minulý obvod - je tu ještě druhé čertovo kopýtko - čím je výstupní napětí menší - tím je menší i práh proudové pojistky a pro 0V dosahuje stejnou hodnotu jako proud ve zkratu. Když nad tím přemýšlím tak to zase takové čertovo kopýtko není - protože sice budete mít proudu ze zdroje méně a méně, ale pokud jste dobře spočetli proudovou pojistku pro zkrat - nic vám neshoří.

Pro dnešek už zbývá jenom tradiční rada pro brunety : Pokud ve střízlivém stavu umíte chodit na 12 cm podpatcích a chystáte se na mejdan, kde chcete dosáhnout 3 promilí alkoholu v krvi - pamatujte si jednoduchý vzoreček pro výpočet výšky podpatků, které si můžete vzít do hospody a to 12 / 3 = 4 cm maximálně - jasné ?

Jako učitel bych se teda skutečně neuživil. Minule jsem probíral Schmidtovy klopné obvody a pak jsem si myslel, že v dnešních vidlácích napíšu - abyste nespálili spínací tranzistor - jak jsem demonstroval předminule - musíte proudovou pojistu zapojit "tak nějak" jako Schmidtův klopný obvod.

Drobný problém je ale že "tak nějak" jako Schmidtův klopný obvod - neznamená "doslova" jako Schmidtův klopný obvod. Protože součástí mnoha a mnoha napájecích obvodů jsou kondenzátory a co vznikne pokud proud kondenzátorem řídíte pomoci Schmidtova klopného obvodu (byť je součásti proudové pojistky) ?

Ano máte pravdu je to RC oscilátor, který jsme tady dokonce už probírali. Taky když se podíváte jak takový proud obvodem se proudovou pojistkou na principu "holého" Schmidtova klopného obvodu vypadá tak vidíte hrůzu která následuje.

Neboli - proudová pojistka vám obvod spolehlivě rozkmitá - tím spínací tranzistor prochází neustále lineární oblastí "velké výkonové ztráty" a navíc zátěž dostává proudové pulsy na tak vysoké frekvenci jak jen parazitní kapacity obvodu dovolí (desítky až stovky kHz).

Shrnuto - použíjete li mnou nedoporučovanou lineární proudovou pojistku - shoří vám spínací tranzistor. Pokud použijete mnou doporučovaný Schmidtův klopný obvod - Shoří vám tranzistor i zátěž - to jsou výsledky žejo ?

Takže nezbývá než probrat nějakou tu teorii - což jsem původně chtěl vynechat.

Běžné zdroje - od nejjednodušších proudových pojistek, po zdroje laboratorního typu mají tzv. pravoúhlou voltampérovou charakteristiku. To zní složitě jak u tabule na průmyslovce, ale zas tak složité to není. Když se podíváte na levý graf - je to celkem jasné - zdroj urdžuje konstantní napětí, dokud se neaktivuje proudová pojistka a pak udržuje konstantní proud. Pokud dojde ke zkratu - je jediná možnost jak udržovat konstantní proud a to tak, že veškerý výkon Umax * Imax se propálí na výkonovém tranzistoru - pokud tento je spínací a není na takový výkon stavěn nastane - kouř - smrad - jiskry - slzy.

Takže existují zdroje typu FOLDBACK - což je "něco jako" Schmidtův klopný obvod. Vidíte to na grafu vpravo - pokud zdroj dosáhne svého maximálního proudu - tak se přepne do režimu nízkého proudu, který je spočten tak nízko, aby to spínací tranzistor vydržel. Krom ochrany tranzistoru to má ještě tu vlastnost, že pomocí malého produ zdroj "testuje" zdali zkrat už přestal a může se tedy přepnout do "normálního režimu". Jinými slovy - zdroj, který dá třeba až 1A se při zkratu přepne do režimu kdy dává třeba jenom 20mA. Takhle to dělají všechny lineární analogové stabilizátory 7805, LM317, a další, které si jen vymyslíte.

Jak jen takový zdroj vypadá - liší se od prosté proudové pojistky z předminulých vidláků jenom dvěma odpory navíc, které do obvodu zavádějí "hysterezi". Ty dva odpory jsou R2 a R3 a celá věc funguje takto - pokud je Q1 sepnutý jsou R2 a R3 zapojeny paralelně přes sepnutý Q1 (na kterém je napěťový úbytek jen v desítkách miliVoltů). Pokud se pojistka aktivuje Q1 se "přivře" tím napětí na "horním konci" R3 prudce stoupne a R2/R3 začne fungovat jako dělič napětí, který je "opřený" o snímací rezistor R3. To že snímací rezistor a napětí na něm je stále součástí zpětné vazby - je vlastně rozdíl oproti klasickému Schmidtovu klopnému obvodu, který se o drobné výkyvy proudu v mezích své hystereze "vůbec nezajímá". Je vám jasné, že tento rozdíl mezi Schmidtovým klopným obvodem a foldback pojistkou - je klíčový, protože díky "zbytku" zpětné vazby se foldback obvody (většinou) nerozkmitají.

Proud pro stav mimo zkrat se spočte klasicky 0,7 V / R1 - což je v našem případě 100 mA

Proud pro stav ve zkratu se (přibližně) spočte jako (0,7 - Vcc (R2/ (R2+R3) ) / R1 - což je v našem případě (0.7 - 12 / 23) / 6.8 = ( 0,7 - 0,52) / 6.8 = 26 mA

Když se podíváte na graf proudu zkušebním obvodem vidíte, že výpočet celkem funguje - proud obvodem stoupal až nepatrně nad 100mA a pak prudce klesl něco nad 20 mA (těch oscilací si nevšímejte ty jsou artefakt ze simulátoru, kte tyto křivky generuju). Někde v oblasti 0,9 mSec - vidíte, že proud obvodem poklesl pod 26 mA a obvod se vrátil zpět do režimu - bez zkratu. Rozdíl mezí 100 a 26 mA je "něco jako" hystereze ve Schmidtově klopném obvodu.

Na samotný závěr - upozornění - jestli jste četli vzorečky pro "foldback" pozorně jistě jste si všimli, že proud sepnuté pojistky je závislý na napájecím napětí. Tudíž pokud proud spočteme pro jiné napětí než nakonec v robotovi bude mohou nastat dvě možnosti

1. Skutečné napětí bude větší než ve výpočtu - v tom případě člen Vcc (R2 / R2+R3) může být vyšší než 0,7 V a tím se pojistka začne chovat tak, že sepne a už nevypne, protože tranzistor v proudové pojistce - bude očekávat záporný proud obvodem.

2. Skutečné napětí v robotovi bude menší než to ve vašem výpočtu - v tom případě nemusí být proud zkratovaného obvodu dosti nízký - a tranzistor se upeče i přes foldback.

Jak z toho ven ? Pokud počítáte s napájecím napětím "od Šumavy k Tatrám" - třeba 5-24V - musíte spočítat foldback tak aby "kompromisně" fungoval pro obě krajní napětí, i všechny varianty mezi nimi - tedy pro 5-24V alespoň pro klasickou trojici 5, 12, 24 V.

Pro dnešek končíme - zbývá jenom oblíbená rada pro brunety - blondýny by to nikdy nepřiznaly, ale víte, že manžel, který se snaží alespoň průměrně - porazí v posteli 90% milenců, prostě jenom proto, že za dlouhá léta se naučil, které "čudlíky" a kdy je třeba mačkat ?

Jestli jste byli naladěni na pokračování článku o zkratech - musím se omluvit. Jak jste si jistě všimli jsem zmatený a mojí specialitou je v polovině výkladu zjistit, že jsem neprobral nějakou fundamentální věc, bez které se nelze hnout dále, ale která k tématu přímo nepatří - mea maxima culpa...

Takže minule jsme celou oblast napěťových zdrojů rozdělili na lineární - kdy výkonový tranzistor je pootevřený a funguje jak o řízený odpor a spínané - kde tanzistor rychle přechází mezi stavem vypnuto a zapnuto. Tahle informace je elementární, a možná se zkouší u tabule na elektro-průmyslovce. Poněkud méně elementární je fakt, že lineárním zdrojům nejlépe sluší lineární pojistky a spínaným zdrojům spínané, protože když spínací tranzistor přepnete blbě postavenou proudovou pojistkou do lineárního režimu - obvykle shoří i přesto - jen o pár desítek milisekund později.

Takže jak na spínací proudové pojistky - Schmidtovým klopným obvodem. Takže si vysvětleme lidsky jak to funguje - představte si automatiku která udržuje hladinu v nádrži - není dobré když čerpadlo spíná každé 3 sekundy, proto je taková automatika udělnána většinout takto - začni čerpat když je hladina pod 80 cm a vypni se až je hladina nad 120 cm. Mezi 80-120 cm udržuj předchozí stav. Průměr obou těchto hodnot je "střed přepínání" - v našem případě 100 cm a rozdíl - v našem případě 40 cm je tzv hystereze.

Analogicky v elektrickém obvodu - vypni tranzistor když je proud nad 1 A a zapni ho až proud poklesne pod 0,5 A - jasné ?

Obvodově se Schmidtův klopný obvod staví nejšastěji z operačního zesilovače- vidíte sami "obvyklé zapojení" akorát odpor ve zpětné vazbě z výstupu na vstup nejde do invertujícího vstupu aby obvod linearizoval, ale naopak do neinvertujícího aby překlápění ještě zrychlil a stav mezi jedním a druhým překlopením maximálně urychlil.

Jak to celé funguje - výstup operačního zesilovače ovlivňuje rozdíl mezi invertujícím (-) a neinvertujícím (+) vstupem. Představme si že napětí na neinvertujícím vstupu postupně roste, protože výstup OZ je na maximálním negativním napětí - "odsává" přes R2 z neinvertujícího vstupu proud, takže k překlopení dojde teprve pokud - k překlopení dojde teprve tehdy, pokud je větší než referenční napětí Vref o napětí Vref * R1/R2 - což je taky vzoreček pro výpočet hystereze klopného obvodu. Pokud se klopný obovod překlopí - jeho výstup místo aby přes R2 odsával proud tak začne přídávat proud, takže k překloopení zpět může dojít teprve když napětí na vstupu je menší než Vref o podíl Vref * R1/R2.

V tomto režimu je klopný obvod ztv "neinvertující" to jest když máte na vstupu 0 na výstupu je taky 0 a naopak. Pokud chcete schmidtův klopný obvod jako "Invertující" prostě jenom zapojíte Vref místo Vin a naopak - ostatní je naprosto stejné.

Uvnitř operačního zesilovače jsou nějaké ty differenciální tranzistory, takže pokud si differenciální pár tranzistoorů zapojíme někde na bastldesce můžeme si schmidtův klopný obvod postavit i z diskrétních součástek. Hystereze tohoto obvodu je V*R1/R2 a práh překlopení je přibližně V*R1/R2 + 0,7V. principem je totéž co u operačního zesilovače a "drát" z kolektoru Q1 do báze Q2 je totéž co odpory ve zpětné vazbě Operačního zesilovače.

Abychom probrali všechno - když se řekne Schmidtův "klopný obvod" - zavání to digitální logikou - a taky ano. Schmidtovy klopné obvody existují j jako součástky pro digitální obvody, kde většinou upravují signály, tak aby měly jednoznačné ostré hrany. Jak je takový obvod zapojený vidíte na obrázku

A schematickou značku vidíte tady - nahoře Schmidtův klopný obvod neinvertující a dole invertující (čistě pro blondýny - rozdíl je v kolečku u výstupu).

Tím bychom probrali základy, které jsem měl probrat předem, a příště se vracíme k proudovým pojistkám. Dnes už zbývá jenom oblíbená rada pro brunety : Víte že český právní řád nezná znásilnění muže ženou - už jste to někdy na miláčkovi zkoušela ? Bránil se doopravdy, nebo vrněl jako kocour ?

Pokud se jedná o ochranu proti nadměrnému proudu (zkratu) všichni intuitinvě tušíme jak to má vypadat. obvod, který napájí spotřebíč / zbytek obvodu / motor / čidlo / cokoliv ... by neměl do své záátěže pustit větší než nastavené napětí a při velké spotřebě / zkratu - by neměl do spotřebiče pustit ani nadměrný proud.

Ideově nejjednodušší zdroje tohoto typu jsou tzv "zdroje s pravoúhlou Voltampérovou charakteristikou". Takový zdroj se chová jako zdroj konstatního napětí s (téměř) nulovým vnitřním odporem, dokud nedosáhne nastaveného proudového prahu, od kterého se chová jako zdroj proudu s (téměř) nekonečným vnitřním odporem

Příklad vidíte na obrázku - jednoduché jako facka ( a taky dosti nespolehlivé ). Tranzistor Q2 se proudem z odporu R4 otevírá tak dlouho dokud napětí dělené děličem R2 + R1 na bázi tranzistoru Q1 nedosáhne 0,7V pak se Q1 začne otevírat a tím začne přivírat Q2. To je režim stabilizace napětí. Pokud ze zdroje odebíráme více než 100 mA vznikne na R3 ubytek 0,7 V, který začne otevírat Q3 a ten začne přivírat Q2 - což je, jak tušíte, režim stabilizace proudu. Obě smyčky zpětných vazeb pracují najednou, ale uplatní se vždy jenom jedna. Takže pokud si nakreslíme závislost napětí na proudu daného zdroje dostaneme graf asi tohoto typu.

To je ona "pravoúhlá" charakteristika - poněkud nedokonalá - při vzestupu proudu z 20 na 60 mA poklesne napětí na zdroji o 20 mV - pro tento proud je vnitřní odpor 20 mV / 40 mA = 0,5 ohmu. V režimu omezení proudu při vzestupu proudu ze 107 na 115 mA poklesne napětí z 4 V na 0V - to je vnitřní odpor 4V / 8mA = 500 ohmů.

Jasné ?

Proč je tento zdroj problematický ? Klidně jej můžete používat, ale mějte na paměti, že jeho přesnost závisí na úbytku napětí Báze-Emitor trantzistorů Q1 a Q3, který je kolem 700 mV, ale je pro každý tranzistor jiný a navíc klesá přibližně o 2 mV na každý stupeň Celsia. Mimo to ani zpětné vazby nemají dostatečné zesílení, proto ani proudové ani napěťová stabilizace nejsou tak "tvrdé" jak by mohly být. Jinými slovy 78L05 je daleko lepší, ale při zkratu omezuje proud mnohem více takže nemá tak pěknou pravoúhlou charakteristiku.

Po tomto výkladu se zdá, že ochrana proti zkratu je primitivní zálezitost prostě všude nastrkáme ochranné tranzistory a snímací odpory jako je dvojice Q3 R3 a je vystaráno.

Že to tak není, se vás pokusím přesvědčit na konkrétním případě. Do svorky Signal IN jde spínací signál z procesoru, dvojice Q2 R1 je kombinace ochranného tranzistoru a snímacího odporu. Výstup obvodu je připojen na spotřebič a spíná spotřebič proti zemi. Tranzistor BC337 (dle mého datasheetu od Fairchildu) snese kolektorový proud 800 mA takže jsem nastavil proudvou pojistku na 0,7/ R1 = 320 mA.

Co se stane když dojde ke zkratu - tedy jakobychom OUT přijojili třeba přímo na 12V ? Tranzistor Q2 se otevře a začne přivírat tranzistor Q1. Problém je v tom, že Q1 byl původně otevřen do saturace - tj. na něm bylo napětí kolem 50mV - což s maximálním proudem 300 mA dává výkonovou ztrátu 15 mW. Při zkratu poteče poootevřeným Q1 zase 300 mA, ale napětí na něm bude téměř 12 V což je výkonová ztráta 3.6W - což za pár sekund tranzistor spolehlivě upeče. (BC 337 snese dle Fairchildu jen 0,625W). Jasné ?

Princip problému je v tom, že pro spínací tranzistor, který je stavěn pouze na stav VYPNUTO / ZAPNUTO a nic mezi tím - používáme lineární (analogovou) pojistku která jej dostane do lineárního stavu kdy nebude ani ZAPNUTO ani VYPNUTO.

Jaké jsou možnosti ?

Jistě už tušíte, proč jsem v předchozím článečku kladl tolik otázek, protože proudových pojistek je spousta - v principu tolik, kolik je typů zdrojů (spínačů) napětí.

Pro dnešek končíme - zbývá už jenom oblíbená rada pro brunety : Je jaro, květiny kvetou a voní, vy taky kvetete a taky chcete vonět, ale až na sebe budete lít parfém - vemte rozum do hrsti a nepoužívejte jej v množství, které zastavuje mouchy v letu.

Původně jsem nadcházející minisérii chtěl nazvat "Proudová ochrana", ale proudová ochrana je něco, na co je norma ISO a ČSN, a borci s kulatým razítkem, co neumí postavit ani blikátko to veledůležitě kontrolují, a vystavují na to certifikáty, které tiskou na notebooku z WORDU, za což berou hříšné prachy. Až by článek vyšel, tak by vyskakoval při hledání na Googlu a nakonec by mě zavřeli, protože píšu o tom co mi doma v robotech funguje a ne o tom co nařizuje ISO 0x4DEAD2BABE.

Už jsem zmiňoval, že regulaci napětí se věnuje mnohem více pozornosti než regulaci proudu. Důvod je asi v tom, že "Arduino na 220V nejede". Proto je pro každý elektrický obvod nutné "nějak" získat alespoň správné napětí. Jaké má použitý zdroj vlastnosti z hlediska proudu - je buď dáno ochranami integrovaného stabilizátoru (třeba 7805), nebo "je to ve hvězdách".

Taky jsem to podceňoval, ale pak i mně - letělo pouzdro rozžhaveného MOSFETu kolem oka , a pak jsem si vzpomněl jak roztavený šroubovák propálil postel a exmanželka se hned na to odstěhovala za milencem - a zjistil jsem, že ani vidlák se bez proudových regulací a proudových ochran neobejde.

Takže jsme probírali proudové zdroje, které ale jsou spíše pro signálové použití - 100 mA to už je elektrárna a zdroj konstantního proudu 1A to už je Temelín. Takže dnes pokračujeme s proudem, ale jiným směrem. Tedy směrem k regulaci proudu ve výkonových obvodech. Vtip je v tom, že pokud jste klasický bastlíř, který staví jenom pískátka a blikátka, tak 100 mA vám vystačí skoro až do penze. A navíc všechny vaše elektrické obvody jsou 99% času napájeny nějakým laboratorním zdrojem, který má vlastní proudové pojistky, takže úplně strašné plamenné efekty nehrozí, ani když se na proudové ochrany bastlíř vykašle.

V robotech je to jinak. Jednak takového robota potřebujete rozpohybovat a už malinkatý robot na sumo běžně při "přetlačování" se soupeřem bere kolem 2A. Navíc vaši roboti musí být mobilní - což znamná používat baterie (alias akumulátory) a snahou výrobců akumulátorů je co nejnižší vnitřní odpor, protože dnešní elektronika jako foťáky a mobily mají krátkodobé, ale mohutné proudové odběry - což by velký vnitřní odpor baterie komplikoval.

Takže dáte do robota "Olověnku" nebo "Li-POlku", robot jede krásně, pak se kolečko zasekne o překážku a už se kouří, hoří dráty, praskají MOSFETy, šlehají plameny atd... To už vůbec nemluvím o tom, že pouužíváte nějaké obskurní konektory a provizorní dráty, které se vám zkratují o kovovou kostru robota - to je teprve sranda - (takhle mi letěl ten MOSFET kolem hlavy)....

Pro dnešek už se nebudeme dále pouštět, jenom domácí úloha - přemýšlejte kde všude v robotech je ochrany proti nadměrnému proudu potřeba. Jenom sugestivní otázky pro inspiraci : Motory ? Velká čidla ? Jednotlivé větve napájení z akumulátoru ? Každý samostaný obvod ?

A pak jaká by měla ochrana být : Jednorázová ? Nevratná ? Vratná ? Lineární ? Spínaná ? Je vysoký proud obvodem příznak katastrofy ? Nebo je to normální stav (třeba u motoru při rozjezdu) ?

Přemýšlejte nad tím vším, já už mám na mysli jenom radu pro brunety : Víte, že nejenom drát, ale i váš miláček se může proudem pěkně rozžhavit ?

Pod pojmem "Větší napětí" míním, že 5V procesorem spínáte 24V baterku. Pokud budete chtít spínat 380V motor - je nutno použít jiné obvody, které ale v robotech jen tak mít nebudete.

Takže tak jak "všechno tak nějak souvisí se vším" existují LOW side a HIGH side měření proudu, regulace proudu a samozřejmě i spínání proudu.

Takže LOW side spínání proudu snad ani nebudu probírat - nic jednoduššího neexistuje, samozřejmě i s tou nevýhodou, že spínáte zem spotřebiče - což nese komplikace, zejména pokud ze spotřebidče do procesoru vedou ještě další signály. Low side spínání je jednoduché, ale vhodně tak pro nějaká světla, LEDky, malý větráček, nebo jiný spotřebič, který už nikam dále není připojen. Samožejmě, že je tu i ta nevýhoda, že zkrat 24V svorky na zem je průšvih - protože to obchází spínací tranzistor.

Proto tu máme High SIDE spínání, které je na obrázku zapojeno s kombinací tranzistorů PNP a NPN aby napěťový úbytek na spínači byl minimální. Podobně jsou zapojeny i výstupní tranzistory v LOW Drop stabilizátorech. Přesto každé zapojení s bipolárními tranzistory má probém a to v proudu do báze spínacího tranzistoru. Pokud chcete spínat kolem 100 mA (což není nic moc) musí být proud do báze Q1 alespoň 5 mA a proud do báze Q2 alespoň 300 uA - hlavně těch 5 mA je hodně, pokud máte v robotu takových spínačů více (a to mít budete)

Proto je vhodné PNP tranzistor nahradit P-MOSFETEM, který v klidu pro své buzení nepotřebuje žádný proud jen napětí (proud potřebuje pro nabíjení a vybíjení kapacity GATE elektrody, ale to je jiná pohádka). Všimněte si že součástek nám ve schémátku nějak moc přibylo - tak si probereme co a jak. R1 omezuje proud do báze Q2 - R2, R3 tvoří dělič, na kterém se tvoří vhodné napětí pro GATE MOSFETU a navíc omezují proud tranzistorem Q2. Takhle by to fungovalo pro napětí pod 20V - MOSFETy mají ovšem jistou nectnost v podobě toho že snesou jenom omezené napětí mezi GATE a SOURCE - většinou 20V - taže při jistých napětích se dělič z R2 a R3 nedá dobře spočítat a musí se přidat ještě "ochranná" zenerova dioda D1, která v našem případě omezuje napětí GATE - SOURCE na 15V.

To už je trochu monstrum, tak se pokusíme o vidlácký přistup k věci a zkusíme některé součástky vynechat. Jak vidíte tak jsem oproti původnímu spínači ušetřil dva odpory - jak je to možné? Vím že vstup INPUT je z procesoru a že více než 5V na něm nikdy nebude - tak jsem kombinaci Q2 + R1 zapojil jako jednoduchý proudový zdroj, který dává (5V-0,7V) / 1000 ohm = 4,3 mA. Odpor R1 zároveň funguje jako proudová zpětná vazba, která ohromně zvyšuje vstupní odpor Q2, mohl jsem proto vynechat i odpor do jeho báze. Protože vím, že do kolektoru Q2 nepoteče nikdy více než 4,3 mA což Q1 v pohodě snese mohl jsem vynechat i ochranný odpor do jeho báze.

Aby nebylo chvále konec - díky zpětné vazbě přes R1 spíná celé zapojení mnohem rychleji, ale to při rychlostech spínání pod 1 MHz nemá význam - tudíž je to pro Vás nezajímavé.

Úplně stejně se dá zjednodušit i obvod s MOSFETEM, kde dokonce můžeme vynechat i ochrannou zenerovu diodu, protože víme, že celý proud 4,3 mA poteče přes R2 na kterém bude tutíž 3300 ohm * 4,3 mA = 14,2 V a větší napěťový rozdí na GATE MOSFETU nidky nebude.

Aby to nebyla taková idyla - zdroj konstantního proudu nabíjející GATE MOSFETu může způsobit pomalé spínání a tím přehřívání MOSFETU - vezměme tedy "vidlácký" zjednodušený vzorec pro nabíjení kodenzátoru

a zkusme spočítat jak dlouho se MOSFET bude otevírat. V je 14V C - kapacita gate může být i kolem 2 nF, I je 4,3 mA. Takže T = V * C / I tedy T = 14 * 2nF / 4,3 mA - vychází mi 6,5 uS (mikrosekundy) - což je spíše optimistický odhad který nepočítá s proudem přes R2 - tento čas není nic moc - dnes se MOSFETY spínají ve stovkách nanosekund, ale pro spínání párkrát za sekundu ( do 10 Hz ) to v pohodě vyhoví.

Jistě jste pochopili, proč tento článeček následuje ihned po proudových zdrojích - chtěl jsem naznačit k čemu se proudové zdroje dají použít. Samořejmě, že v budoucnosti probereme i další možnosti.

Dnes už zbývá jenom oblíbená rada pro brunety : Až budete balit Geeka - můžete se mu snažit přiblížit tím, že si opatříte mikinu s chemickým vzorcem LSD, pak ale nemáte jistotu, jestli se potenciální kořist kouká na mikinu a luští vzoreček, nebo na to co máte pod ní - takže halenka s volánky a výstřihem po "symfýzu" je prostě jistota.

Na úvod jenom malá mentální rozcvička

Ačkoliv to vypadá neuvěřitelně na obrázku je kompletní napěťový zdroj s primitivní stabilizací proudu i napětí. Takže si to probereme

Jednoduché jako facka a je to klasické vidlácké řešení za tři kačky, které pro hrubou stabilizaci zcela vyhoví. Potenciometr můžete nahradit dvěma odpory a pokud chcete dostat na výstupu napětí 5V spodní z nich by měl být 1K5 a horní 3K9. Pokud chcete omezení do 100 mA - Rsense by mělo být 6.8 ohm. Jasné a jednoduché.

Samozřejmě že jako u jiných stabilizátorů je třeba doplnit kondenzátory na vstup i výstup - ale to ani nepíšu neb je to samozřejmé.

Poslední co máme probrat jsou proudové zdroje s integrovanými obvody - proto na obrázku je zdroj konstantního proudu s oblíbenou LM317. Schémátko je myslím jasné LM 317 udržuje mezi vývodem OUT a vývodem ADJ napětí 1,25 V takže nastavený proud je I = 1,25V / R1. Pokud vám není líto propáleného proudu můžete takto zapojit kterýkoliv jiný třísvorkový stabilizátor klidně třeba 7812 pro který bude platit I =12V / R1. Jinak toto zapojení je ekvivalent High Side regulace jak to mají pěkně rozdělné bratři anglosasové.

Ve své době byly oblíbené jednoduchoučké nabíječky na NiCd, NiMh nebo na olověné baterky kde první LM317 byla zapojena právě takto a regulovala proud a druhá byla zapojena dle katalogového zapojení a regulovala napětí. Schémátko neuvádím snad si každý dovede klasické zapojení LM317 místo LOAD představit.

Samozřejmě existuje i Low side regulace - po třech lekcích o zdrojích proudu snad nemusím ani nic dalšího psát. Snad jenom pro blondýny - vzoreček Iload = Vin / Rsense - jak taky jinak že?

Ke zdrojům proudu jsme už čichli, ale očekávejte, že budeme čichat i nadále, protože často se proudovým zdrojem dá zapojení ohromně zjednodušit ve stylu mého "nejlépe funguje součástka, která tam není".

Zbývá už jenom tradiční rada pro brunety : Závidíte blondýnám jejich bohatý sexuální život ? Slyšela jste už pojem Chlamydia Trachomatis nebo Herpes Simplex Genitalis ?

NA začátku další kapitoly odbočíme - chcete-li proud regulovat - není špatné umět jej měřit. Bratři anglosasové to mají krásně didakticky rozdělené na High Side measurement a Low Side measurement. neboli můžete měřit proud tekoucí z baterky do spotřebiče - to je High Side a pak ze spotřebiče do země - to je Low Side.

Jeden obrázek je za 1000 slov. Vlevo High side - vpravo LOW side. jenom si dovolím páír poznámek -

Kolem High side měření proudu kdysi byl opar "záhadnosti" a integrované obvody k tomu určené byly astronomicky drahé, proto jsem jako vidlák lakomý úplně odvrhl jejich použití - nikoliv však jejich zapojení které si teď probereme.

Takže si představte, že přes Rs (Rsense) teče tolik proudu, že na něm je úbytek napětí 0,1V - V tom případě má neinvertující (+) vstup operačního zesilovače 0,1V větší než invertující vstup (-) - operační zesilovač se to snaží vyrovnat a to tím, že se otevře a tím otevře i tranzistor - a to tak, že proud, který teče přes Levý 5K odpor způsobí úbytek napěří stejný jako je na Rs (aby se napětí na obou vstupech vyrovnalo). Proud tranzistorem se musí nějak dostat do země - tak mu dáme do cesty druhý měřící odpor , terý může být mnohem větší než Rs - a na tomto odporu snímáme napětí ekvivalentí měřenému proudu ale už vztažené k napětí země. Pozorní z vás by namítli že proud přes RL je větší než proud přes 5K odpor - o proud báze tranzistoru - máte pravdu, ale pokud použijete tranzistor se zesílením přes 100 bude to pod 1% a to se dá snést.

Jenom drobný matematický rozbor

Kýženého bylo dosaženo - až to budete stavět - místo 5k použijte 4K7 nebo 10K a zahrňte to do vzorečku. Operační zesilovač vhodný pro toto nasazení je TL072 - ten zvládá napětí až do 36V a umí pracovat blízko napětí baterky.

Otázka hodnoty Rs je "kontroverzní" - čím větší odpor tím větší (a méne rušený) signál, ale tím větší výkonová ztráta, která se na odporu "propálí" a tudíž se musí uchladit. Jenom jako hrubou orientaci uvedu, že osobně používám pro malé roboty 0,1 ohm odpor do 2W - který krátkodobě snese proud kolem 4A - kdy je na něm ztráta 1,6W.

Obávám se že vzorečky budete muset trochu vydýchat - takže ač je název kapitoly vlastně špatný - proudové zdroje jsme vůbec neprobírali - pro dnešek už končím.

Zbývá jenom tradiční rada pro brunety : Minisukně "svádějí k nahlédnutí", ale maxisukně svádějí k vyhrnutí a k tomu se muž musí přibížit mnohem blíže - zvažte to až "půjdete na lov".

Jako obvykle jsem minule popsal hrůzné zážitky s vysokými proudy a až pak mě napadlo - probrali jsme vůbec proudové zdroje?

Ano máte pravdu - proudové zdroje jsme neprobrali a taky proudové zdroje se nikde moc nebrobírají a mají nádech tajemna a "elektroničtí čarodějové" a magoři jsou o nich schopni sáhodlouze diskutovat. Vtip je v tom, že pokud připojíte procesor ke zdroji bez napěťové stabilizace - pokud nemáte to štěstí na zdroj s vhodným napětím, zakouří se a je konec. Pokud připojíte procesor na zdroj napěťově stabilizovaný, ale bez proudové regulace - do doby prvního zkratu se nic neděje a všechno funguje zdánlive OK - proto tlak na "umění" řídit proud není tak velky.

Bratří Anglosasové to mají rozříděné pečlivě - oni rozeznávaji "Current source" a "Current sink". Current source je zdroj konstatního proudu zapojený mezi baterku a spotřebič - tedy SOURCE = PRAMEN. Current sink je zdroj konstatního proudu zapojený mezi spotřebič a zem - tedy SINK = VÝLEVKA. Tohle dělení vypadá velice vědecky a asi byste z toho mohli psát písemku na průmyslovce, ale pokud zaměníte PNP za NPN nebo N-MOSFET za P-MMOSFET - dá se "source a sink" převést jeden na druhý.

V tomto okamžiku už jsem vytahoval editor schémátek, abych začal kreslit ale pak jsem objevil tyto skvělé stránky. Povinně prostudovat - kam se já vidlák a primitiv na autora hrabu. Tam jsem objevil tento skvělý článek o proudových zdrojích. Opět - pokud vládnete angličtinou - PŘEČÍST NASTUDOVAT !!!

Na jeho stránkách jsem objevil výše uvedený skvělý obrázek, který teď probereme bod po bodu.

Schémátko 1 je "Current Source" tranzistorem protéká takový proud aby na R1 byl takový úbytek napětí, aby na R2 byl úbytek odpovídající úbytku napětí báze-emitor tj 0,7 V ted Io = 0,7 / R2. pokud R3 uzemníte získáte primitivní zdroj konstantního napětí - na bázi tranzistoru totiž bude R3 * 0,7 / R2.

Schémátko 2. - zapomeňte, že by tohle mohlo někdy spolehlivě fungovat - úbytek napětí na diodě je teplotně závislý, stejně jako na tranzistoru - na každém však poněkud jinak a navíc obě součástky mají obvykle nepatrně odlišnou teplotu kvůli průchodu odlišného proudu a nepatrně odlišné napětí kvůli odlišnému poměru plochy PN přechodu k proudu.... Prostě zapomeňte na to.

Schémátko 3. - používá jako zdroj konstatního proudu do báze tranzistoru LED diodu. místo LED můžeme použít jakýkoliv vhodný zdroj konstantího napětí - proud do kolektoru trantistoru pak bude (Uref - 0,7) / R2 neboli podle autora (Uled-0,7) / R2 - tento zdroj si velmi dobře zapamatujte je nekomplikovaný, spolehlivý a můj oblíbený.

Schémátko 4. Je proudový zdroj a zároveň jednoduchá proudová pojistka. Vin může být třeba napětí z procesoru. pokud proud pravým stoupne natolik, že napětí na horním konci R2 stoupne nad 0,7V začne téct proud do báze levého tranzistoru, který se začne poootevírat a brát část proudu z R1 čímž se pravý tranzistor začne přivírat. Pokud tohle zapojení používáte jako proudový zdroj pro malé proudy OK - pokud jej používáte jako pojistku - dovejte si pozor - spínací tranzistory který v saturaci má minimální výkonovu ztrátu se aktivací pojistky dostane do lineárního "odporového" režimu a může se velmi rychle spálit. Pochopitelně že max proud obvodem je obvyklých 0,7V / R2.

Schémátko 5. Klasické "Proudové zrcadlo" proud I2 je stejný jako referenční proud I1, velmi oblíbené zapojení používané prakticky v každém analogovém integrovaném obvodu (tranzistor zabere na čipu méně křemíku než odpor). S dostatečně vysokofrekvenčními tranzistory funguje až do několika MHz. Má však probém podobný schémátku č. 2. Oba tranzistory musí být zcela stejné, dokonce nejlépe ze stejné série, co nejblíže sebe a se stejnou teplotou (tepelně vodivě slepená pouzdra). Jinak toto protudové zrcadlo má obrovskou výhodu, že pro spolehlivou funkci stačí na tranzistorech minimální napětí mezi 0,7 - 1 V. Pokud nemáme jistotu, že jsou oba tranzistory zcela idnetické a stejně teplé můžeme stabilitě obvodu pomoci mírnou "emitorovou degenerací" - vložít do emitorů tranzistorů malé odpory 50 - 300 ohm pokud vložíme do emitoru záměrně různé odpory bude referenční a výstupní proud v poměru těchto odporů.

Schémátka 6 a 7. - vylepšená proudová zrcadla schema 7 se jmenuje WIDLAR CURRENT SOURCE podle Boba Widlara - kterého my bychom spíše měli psát jako Robert Vidlář - syn českých emigrantů - těžký alkoholik a designér spousty známých známých integrovaných obvodů jako u741 nebo LM317.

Schémátko 8 - zapomeňte - sám autor píše, že všechno závísí na vhodném napětí Vb - to budete hledat celýž život a stejně to nebude jako uvnitř integrovaného obvodu.

Schémátko 9 je velice zajímavé - jeho funkci rozumím ačkoliv jsem o něm nikdy nečetl. Je to vylepšení schémátka 3. Vtip je v tom, že spodní tranzistor udržuje proud 0,7V / R2 a je na něm minimální napětí - tudíž i minimální oteplení a z toho vyplývající minimální teplotní nestabilita. Nopak na horním tranzistoru se "propálí" většina výkonu - tudíž je pěkně horký, ale jeho teplota o proudu nerozhoduje.

K čemu jsou proudové zdroje dobré ?

V jednoduché formě, jak jsme probrali třeba ke svícení LEDkou bez ohledu na napětí baterie, nebo k dobíjení akumulátorku. Jako součásti větších zapojení třeba k nabíjení konenzátoru - čímž vznikne konstantě stoupající / klesající "pilovité napětí" nebo k převodu analogové informace z jedné napěťové úrovně na jinou.

Práce s proudem je o něco složitější - hlavně pro nedostek informací - ale má své výhody jako je větší dynamický rozsah, ryhlejší obvody - při větších proudech též odolnější proti rušení - zapamatujte si schémátka - uvidíte, že se občas budou objevovat.

Dnes už zbývá jedině oblíbená rada pro brunety : Blondýny jsou jenom na sex a prachy - takže pro ně tato rada nemá smysl, ale vy brunety zvažte, že vdávat se můžete v ortopedicky nezávadných botách a ty před svatební nocí cudně odložit, nebo si kupte bordel - lodičky na jehle a novomanželovi jimi, o svatební noci, udělejte škrábanec na zádech - ve druhém případě ale dávejte pozor na díry do stropu, zdí a matrace - to by vás z hotelu hnali !!!

V této robrice obvykle uvádím imperativní rady - postavte to tak a tak. Tentokrát, se však dostáváme do oblasti, která je velice ožehavá a vůbec ji nemám vyřešenou.

Jedná se o "tvrdé" zdroje napětí - tedy zdroje které mají minimální vnitřní odpor a buď nemají žádnou proudovou limitaci, nebo při tak vysokém proudu, že při tom stejně hoří dráty, součástky a cestičky na plošném spoji.

Posuďte sami :

- V 7 letech jsem pozoroval jak otec měří napětí v zásuvce, neboť v nově postavené čtvrti rodinných domků napětí kolísalo a nám blbla barevná televize - která tenkrát byla složitá jak Temelín. Večer když naši šli do kina zkoušel jsem taky měřit. Začal jsem tím že banánky od Avometu jsem strčil do zásuvky, pak jsem ale druhé konce spojil, protože z "trafa od vláčku" jsem věděl, že to dělá pěké jisky - výsledek se dostavil - vyletěla nějaká 80A pojistka v provizorní trafostanici a celá čtvrť byla den bez proudu....

- kolem 14 roku jsem chtěl udělat provizorní osvětlení z automobilového olověného akumulátoru, autožárovky "sulfitky" a zvonkového drátu - jak jsem tak pájel drátky na sulfitku (kde byste za bolševika sehnali objímku ??!!) zkratoval jsem asi 30 cm kouskem drátu svorky autobaterie. Zvonkový drát, který jsem držel v ruce proměnil v "čáru ohně", pak v proužek kouře, který beze stopy zmizel. Jediný hmotný zbytek byl tmavý PVC a spáleným masem smrdící pruh v mých dlaních.

- Zhruba v srpnu 2003 jsem v našem tehdejším ubohém bytě "ladil" pulsní zdroj pro vysílačku - Už odpojená deska - avšak s nabitými kondenzátory se mi zvrtla a upadla na ocelový šroubobák - průměr tak 5 mm - šroubovák se v mžiku přetavil a prskající kulička roztaveného železa proletěla celou místností a propálila peřiny a matraci na posteli. Za 2 měsíce zvedla exmanželka kotvy a šla za "borcem z posilovny" a dodnes tvrdí, že tohle byla "poslední kapka".

Je třeba pokračovat ?

Tedy nic nevypadá mírumilovněji než zdroj napětí, který má na štítku 10-20A, pokud však jeho filtrační konenzátory dají 150-200A - stačí po pár milisekund během kterých hoří dráty, železo prská jako prskavka, svařují se kontakty vypínačů - je opravdu problém, jak takovou elektroniku udělat dostatečně "blbuvzdorně".

Jasně, že každý zdroj opatřený nějakou regulací by měl být opatřen i proudovou pojistkou - ale třeba v případě H-Můstků pro motory - je problém kam regulaci vlastně nastavit - pokud nastavíte proudové omezení na proud, který je 100% bezpečný - patrně budete mít problémy s proudovými špičkami při rozjezdu a náhlém zvýšení jízdních odporů - motor bude prostě "gumový". Pokud nastavíte proudovou pojistku dosti vysoko - při určitém proudu si ji klidně můžete "odpustit"...

Jiný problém je naznačen na schémátku jestli zapojíte vstup do obvodu jako nahoře - to jest pojistka je až za filtračními kondenzátory - značně to sníží jejich účinnost. Pokud to zapojíte jako dole - pojistka bude fungovat na dlouhé zkraty - ale krátkodobě jakoby tam nebyla - protože náboj v kondenzátoru sám o sobě nadělá slušnou paseku. Ve spojení s MOSFETy které mají RDSon (odpor v sepnutém stavu) v setinách ohmu - klidně se může stát, že roztržené pouzdro takového MOSFETu vám cinkne o brejle - jak se stalo mně - což mě vyprovokovalo k tomuto příspěvku.

Jinými slovy - jestli nemáte nápad co s tím - "dávejte si bacha" - zejména s olověnými akumulátory, LiPol, nabíječkami na vysoké proudy, pulsními zdroji pro desítky až stovky Wattů, velkými filtračními kondenzátory atd.... Tady už nejde o eventuelní prohru v soutěži, protože"robot shořel" - tady jde o to, jestli budete na své budoucí děti mrkat skleněným okem nebo ne.

Jestli máte nápad "jak zkrotit olověnku" aby dávala svých 100A ale přitom nebyla při zkratu zdrojem velkého nebezpečí - sem s tím - jakákoliv idea je vítána.

Myslím, že varování už bylo dosti - zbývá už jenom rada pro brunety - blondýna by z toho asi udělala hysterickou scénu, ale vy víte, že drobné kopnutí elektrickým proudem zdravě rozproudí krev - a při náhlé srdeční fibrilaci vás miláček klidně může "druhým pulsem" zase defibrilovat - takže není důvod panikařit a hledat si svalovce bez mozku.