Tomuto tématu jsem se chtěl věnovat již delší dobu, ale nějak jsem stále narážel na časové možnosti.
Sepsání takového článku totiž neznamená jenom teoreticko praktickou přípravu v laboratóriu, ale i rešerši a fyzické shánění těch nejpoužívanějších zdrojů v radioamatérské praxi.
Poté trochu risku, že nějaký zdroj chcípne. Protože měření trvá pár minut a zejména měření QP by mohlo takový obyčejný zdroj časově zabít :-)
Po celou dobu, kdy se věnuju radioamatérské činnosti se traduje, že je spínaný zdroj v hamshacku něco nežádoucího, co vlastně přináší jenom samé potíže a lineární zdroj strůjcem dobrých spojení a samých pozitiv a sociálních jistot. Technikou méně políbený amatér bytak zcela jistě pod vlivem této propagandy souhlasil a pomáhal vyhnat tržní cenu oblíbených lineárních zdrojů dle ok2ez do výšin.
Zkusíme tedy drobný náhled do technologie amatérských / ale vlastně jakýchkoli napájecích zdrojů poněkud naučnou formou.
Lineární zdroj obsahuje klasický transformátorový zdroj základníhho napětí, jehož výstupem je 100Hz pulzující napětí usměrněné a poté filtrované baterií kondenzátorů. Na těch pak stojí veškerá zásoba pohotovostní energie a také ripple - tedy zvlnění. Jedna teoretická větev konstruktérů má snahu co nejvíce zvyšovat napětí na transformátoru až někam k 24V, aby bylo nefiltrované napětí přímo z usměrňovače co nejvyšší a poté vyplňovat mezery mezi půlvlnami menšími kapacitami kondenzátorů. V tomto systému pak využívá recyklované transformátory někde mezi 18-24V za cenu šrotu.
Druhá konstruktérská větev pak napětí na výstupu transformátoru posadí relativné blízko výstupnímu / což většinou znamená výrobu zakázkového trafa/ a potřebné hodnoty výstupního napětí dosahuje až po filtraci střídavého napětí na kondenzátorech. Myšleme totiž na to, že výstupní AC napětí na prázdno násobíme 1,41! Výsledkem je tedy podstatně více využívaná filtrační schopnost kondenzátorové baterie.
S tím sepojí jejich stárnutí, různé brumy a kolísání výstupního napětí při ztrátě jejich kapacity.
Co však spojuje obě tyto řešení je relativně velký zásobník pohotovostní energie, která je schopná při problému působit škody. Postačí si vzpomenout na původní usměrňovače velkých krátkovlnných rozhlasových vysílačů a snahu o ošetření problému, kdy by se tato obří energie vybila do problému vzniknuvšího v koncové elektronce. Za tímto zásobníkem je pak typicky sériový regulační obvod složených z výkonových tranzisttorů podepřených proudovým zesilovačem a to celé za sebou táhne nějaký typ stabilizátoru. Některé konstrukce se s tím moc nepářou a použijí tupý emitorový sledovač zavěšený na obvod LM317, případně 7812 podepřený pár diodami. Celé si to někde plave a neochotně reaguje na změny poudového zatížení na výstupu. respektive nereaguje.. ono je mu to jedno. Druhá konstruktérská větev využívá operačních zesilovačů. Zde je několik výstupních tranzistorů připojeno na proudově zesílený výstup z operačního zesilovače a ten porovnává referenční napětí na jednom vstupu a naše skutečné výstupní napětí na druhém vstupu. Podle případného rozdílu pak přivírá či otevírá výstupní tranzistory a snaží se držet rovnost. Toto zapojení se používá naprosto běžně, přičemž správná funkce regulačního obvodu stojí a padá na použitém referenčním obvodu, který je porovnáván s našim napětím. Toto se dá řešit různými způsoby. Podstatné však je, že pokud ujede referenční napětí, tak ujede i výstup.
Jak už bylo řečeno, oba tyto systémy mají dvě společné.
1. Velkou zásobárnu pohotovostní energie schopnou ničit
2. Ztrátovou sériovou regulaci - vše co je "nad limit" se ve výstupních tranzistorech promění v teplo. Zároveň jsou tyto tranzistory jedinou výkonovou bránou mezi citlivým transcieverem a onou zásobárnou potenciálně nebezpečné energie o vyšším napětí, než je schopen bezpečně pobrat transciever.
Dalším typem zdrojů byly mnou oblíbené hybridy z produkce firmy Mesit Uherské Hradiště.
Tyto zdroje měly tyristorový vlečný předregulátor, který udržoval konstantní poměr napětí před baterií regulačních tranzitorů a filtrací jen o málo větší, než bylo zrovna požadované výstupní.
Na tranzistorech tak byly přiměřené tepelné ztráty. Bohužel tyto zdroje měly jednu velkou - v rámci radioamatérského použití - nectnost. O tom však dále. Tyto zdroje měly velmi malé zvlění výstupního napětí a byly učeny ke zkoušení speciální letecké techniky. Jejich amatérská nevýhoda byla extrémní hmotnost vzhledem k svému výkonu. Zdoj 40V 40A váží cca 60kg a napájecí transformátor má stejný rozměr, jako filtrační tlumivka.
Za normálních okolností jsou první dva, v amatérské praxi doposud nejpoužívanější, zdroje oblíbeným standardem. Dle mého názoru však pro dnešní dobu již zbytečně přeceňovaným. Krom hmotnosti, tepelných ztrát a mnohdy varchrlaté regulace poskytují ve výsledku prakticky jenom dva plusy. Provoz "bez rušení" vzhledem k jejich lineárnímu systému a relativní možnost takový zdroj postavit z odpadu. Dnes již takový odpad však prakticky neexistuje a cena nově vyrobeného lineárního zdroje bude hrubě nad cenou spínaného. Jenomže... toto všechno platí pouze za předpokladu, že zdroj používáme čistě na rezistivní zátěž a amatérský provoz s možností indukce VF pole do obchodů zdroje vůbec neuvažujeme. A v tom je ten háček.
Co se stane, když budeme infukovat VF pole do obvodů takovéhoto lineárního zdroje ? Usměřňovači a koncenzátorům to bude relativně jedno.
Zde je připravená energie o hodnotách, která je většinou schopna zničit transciever a jediné co ho od ní dělí jsou výstupní tranzistory.
Jejich otevření už pak není až takový problém. Indukované napětí do bází je většino schopné jejich plného otevření až při vyšších výkonech. Potíž je v regulačních obvodech.
Takový tupý 78xx, nebo operační zesiovač už dokážeme přiohnout do kladných hodnot velice jednoduše. Ještě horší situace nastává ve zdrojích s operačními zesilovači refercovanými vnějšími obvody. Těm pak dokážeme posunout výstupní napětí prakticky kousek pod to vstupní a operační zesilovač neudělá nic jiného, než ve snaze dorovnat otevře hráz naplno.
Baterie tranzistorů to v klidu dá a z transcieveru jde dým. Výstupní pojistka při vyšším napětí NEMUSÍ zajistit jeho ochranu před tím, než dojde k poškození napájecí větve. Jelikož tenti stav nastane typicky pouze při vysílání do nepřizpůsobené zátěže - antény, kdy VF pole běhá v hamshacku po kabelech existuje šance, že to odnese i koncový stupeň transcieveru. Typicky budič a výstupní tranzistory.
Lepší konstruktéři zdrojů se tomu snaží zabránit tíml, že na výstup za pojistku instalují tyristorovou spoušť, která jednoduše při překročení napětí odpálí tyristor a ten se pokusí vyzkratovat výstup zdroje a podříznout větev mezi transcieverem a zdrojem. Osobně tomuto systému v krizových situacích moc nevěřím a nevím o amatéru, který by tuto ochranu na zdroji někdy zkoušel externě aktivovat a oveřit její funkci.
Je tedy až s podivem, kolik amatérů dlouhé roky svěřuje svoje velmi drahé transcievery do péče jednomu záchrannému tyristoru, který snad v čase nejtěžším obětuje sám sebe a pokusí se šlusnout zdroj.
Co se týká doplňkových ochran varistory - zde to není tak jednoduché.
Varistor je totiž velmi neochotná součástka určení na ochranu v AC napájecích síťových větví a absorbování impulzních poruchových napětí potažmo proudů při přepětí v síti.
Bavíme se o vzdáleném úderu bleskem, který nám indukuje napětí v rozvodné síti v "zkušebních" hodnotách typicky 500V - 2kV / někdy i výše / trvajících pouhých několik mikrosekund. Ano mikrosekund. Takový varistor má jasně definovánu energii, kterou je schopný do svého těla absorbovat. Poté se přehřeje a pak končí. Někdy pouze změnou barvy, jindy po něm zůstanou v lepším případě jenom nožky.. někdy ani ty ne. Varistor tedy neslouží o ochraně před déle působícím vyšším napětím! Navíc varistor a jeho typická hodnota napětí má relativně daleko od toho, kdy začně tzv. zabírat. Odborně se toto nazívá miliampérovým bodem. Typicky varistor S14K14, který dostanete v dědinské prodejně elektro "na 14V" i když má definovánu jinou AC a jinou DC hodnotu začně přemýšlet o tekoucí miliampéře někde k 24V! Varistory navíc stárnou a jejich reakční napětí se snižuje. Proto si nikdo nedovolí je dávat moc blízko nominální hodnotě napětí, které chráníme.
Jsou pouze hrubou ochranou a ochranou proti impulznímu přepětí v řádech mikrosekund! Takový ukázkový varistor má ztrátový výkon pouze 0,1W a 4J energie pobere pouze po dobu 2ms!
Varistory tedy k DC ochraně ne.
Dále tu máme polovodičnovou alternativu - TVS diody. Tzv transily. technicky vzato zenerky / často obousměrné / na steroidech schopné snášet relativně velké proudy po delší dobu. V kombinaci s integrovnaou předřazenou pojistkou je to dnes naprosto běžně používané řešení. Typicky jsou používány varistory pro hrubý ořez a za nimi TVS diody. Mezi tím vhodné oddělovací impedance a pojistky. Toto je osvědčené a funkční řešení.
Nicméně jsme stále u stejného problému. Opravdu chceme skladovat nebezpečně vysokou energii v baterii kondenzátorů a posléze spoléhat na to, že v případě blbě přizpůsobené antény něco zkusí podříznout větev zemi transcieverem a zdrojem ?
O lineárních zdrojích by se dalo napsat nekonečno teorie i EMC praxe. Průběžně ještě něco zmíníme.
No a jsme u toho... máme tu spínané zdroje.
V dnešní době naprostý standard v jakémkoli zařízení. Spínané zdroje si našly cestu do všech odvětví trhu od standardních domácích aplikací až po ty strojí, lékařské a jiné. Spínaný zdroj
Spínaný zdroj má taktéž mnoho topologií. Nicméně si vysvětlíme alespoň něco.
Spínaný zdroj byl postupnou evolucí lineárních zdrojů a snahy o zmenšení, slevnění a zlepšení konstrukcí.
Principielně je spínaný zdroj z dálky podobný tomu lineárnímu, i když se postupně poněkud vzdaluje.
Spínaný zdroj v základním provedení taktéž obsahuje vstupní usměrňovač a kondenzátory. Jeho největším rozdílem je, že běží na řádově vyšších frekvencích a pracuje se změnou šířky těchto spínaných impulzů.
Na začátku je napětí usměrněno prakticky stejným usměrňovačem, jako u lineárního zdroje. Následuje filtrace řádově MENŠÍMI kapacitami, kdy máme usměrněno cca 320V.
Ty pak budeme rozsekávat na kousíčky v PWM budiči a transformovat dolů. To vše při frekvenci typicky v desítkách kHz. Tedy hodně daleko od lineárních 100Hz pulzů. CO tím získáme ? Hmotnost.
Takový zdroj už nevyužívá těžký plechový transformátor plný mědi, ale malý feritový trafáček s pár závity. Vyšší frekvence umožní drasticky snížit hmostnost a potřebu filtrace přičemž zároveň zmenší výstupní zvlnění. Výstupní filtrace může být také drasticky menší. Zvlnění je samo o sobě už na výstupu z trafáku relativně malé a odehrává se na frekvenci většinou desítek kHz. Po průchodu výstupním filtrem s tlumivkou je někde jinde.
Výstupí regulaci při relativně konstantní frekvenci pak zajiš´tujeme pomocí změny pwm poměru, tedy času, po který jsou tranzistory při svém pracovním cyklu sepnuty. Tedy trimováním PWM.
Takový zdroj je pak relativně malý a lehký a má podstatně vyšší účinnost.
Vzhledem k absenci sériové spojité regulace nevytápíme úmyslně nadbytečný výkon do tepla, ale jednoduše jej nevytváříme. Po dosažení výstupního napětí zpětá vazba nastaví PWM poměr tak, aby byly vstupní tranzistory jenom tak dlouho sepnuté, jak je třeba k udržení výstupního napětí při aktuálním proudu. Jak prosté.
Existuje pak ještě jeden pojem, který bych rád zmínil a tím je PFC. Česky korekce účinníku.
Klasický zdroj, ať už lineární s velkým trafákem, nebo spínaný obsahuje diodový můsetek a usmerňovač. Za ním baterii kondenzátorů. To už pár minut víme. Jenomže co se děje dál ?
V každé půlvlně nám síť doleje náš kapacitní kýbl do plna s proudem odpovídajícím impedanci kondenzátorů a cestě k nim. My pak tuto energii po zbytek půlvlny čerpáme.
Jenomže
Spotřebujeme celou půlvlnu z kondenzátorů ? Nespotřebujeme. Kondenzátory se prakticky nikdy z principu funkce těchto zdrojů nevybíjejí do nuly. Co se pak děje v další půlvlně ?
Kýbl je ze 2/3 plný a dokud není napětí / hladina vody / za usměrňovačem stejně velké jako napětí v našem kýblu / kondenzátorech / tak nic neprotéká.
Jenomže za pár milisekund dál se napětí srovnají. Rotor generátoru v elektrárně nepočká. Nastave velký prásk a začneme dolévat náš pomyslný kýbl.
Přejedeme vrchol sinusovky a posléze zase cucáme z kondenzátoru. Diody nám oddělují síť a my zase nic neodebíráme.
Tím pádem pulzně zatěžujeme napájecí síť a rozhazujeme účinník - chováme se jako kapacitní zátěž. Výsledkem je rozhození průchodu napětí a proudu, jalová spotřeba a zatěžování všeho kolem.
Krom jiných negativ pro rozvodnou síť se pak může stát, že nám začne padat jistič i když jsme přesvědčeni, že by měl držet. Jalové proudy jsou pak násobně větší a může se stát, že takový zdroj na power analyzeru odebírá ze sítě sice 50W při příjmu, ale současně 200VA. Za VA sice jako soukromá domácnost neplatíme, ale zatěžujeme jimi všechno "až po elektrárnu".
Představte si tedy, co se stane expedici na opuštěném ostrově, když jejich zdroje bez aktivní korekce účinníku budou mít trojnásobnou reálnou spotřebu z dieselagregátu, než si vypočítali ?
Zdroje s aktivní korekcí pak mají podle typu obvodu předřadný zdroj, který těch stejnosměrných 320V "k nasekání" pro transformátor vyrábí tak, že odebírají po celou dobu relativně nevyfiltrované sínusovky takový proud, který kopíruje průběh napětí. Mohou pak mít velmi malé kondenzátory a nedochází k napěťovým rázům a jiným negativním jevům. Naše slavná EU pak pro část zdrojů takový PFC obvod přikazuje. A je to správně...
Takový obvod odebírá prakticky čistou usměrňenou sinusovku a trimováním svojí interní PWMky se snaží přizpůsobovat šířku PWM akutuální poloze na sinusovce. V jejich nižších partiích "žere dýl" a ve vyšších zase méně.
Výsledkem je, že nevytváříme žádné práskance do sítě, účinník je mnohdy velmi blízký 1 a takové zdroje mohou mít velmi široký rozsah vstupního napětí bez technických úskoků. Obvody spínaného zdroje za tímto PFC mají totiž stále svoje ideální napětí 320V a nemusí být dimenzovány na kompromisy.
Spínaný zdroj z principu může vyrábět rušení a vždy také z principu spínání vyrábí. Je pak na konstruktérovi, aby navrhnul jeho obvodové řešení tak, aby rušení co nejvíce omezil a co už omezit nedokáže řešil v rámci EMI filrace. Z principu funkce dochází ke spínání ke ztrátám - každý polovodičový prvek má na sobě jistý úbytek napětí, který společně s procházejícím proudem vytváří teplo. Navíc takovému polovodiči ve zdroji je dobře pouze tehdy, pokud je vypnut, nebo tvrdě sepnut. Jakékoli mezistavy nás dostávají do stejné situace jako u lineárních zdrojů. Tedy, že se polovodič chová jako odpor a veškerý námi vytvořený napěťový spád při daném proudu promění v teplo. Snem každého konstruktéra je, aby takový tranzistor pracoval pouze ve zmíněných dvou režimech, ale realita je jiná.
Polovodiče spínající nemalé proudy velmi rychle způsobuje nekonečno harmonických frekvencí, a to je právě to naše rušení. Pokud budeme spínat rychle fungujeme dobře, ale rušíme. Pokud pomalu., tak sice nerušíme, ale zase generujeme zbytečné a mnohdy až nebezpečné teplo. Co teď s tím ? No a o tom to je. Vývoj elektroniky a s tím spojený EMC obor je dnešní velkou výzvou. Dříve buď neexistovaly normy, nebo je nikdo moc neřešil.
Výsledkem je, že se snažíme hledat cestu mezi rychlostí spínání takového tranzistoru a generovaným rušením / harmonickými. Čím pomaleji spínáme, tím méně rušení - stejně jako kliksů u CW, ale tím déle tranzistor držíme ve stavu, kdy se chová jako topení. A o tom to je... Pomalejší hrany tedy = méně rušení, více tepla, nutnost lepšího chlazení a potenciálně dražších součástek.
Co se tedy stane, pokud takový zdroj vystavíme VF poli ?
Ve většině případů vůbec nic. Obvody mívají vlastní vesměs inteligentní řízení schopné měřit napětí potažmo proudy nejen na výstupu, ale i na úrovni spínacích prvků a v patřičné době takový zdroj bezpečně odstavit. Většina obvodů zdroje má pojem o správných časových poměrech a je schopná takovéto anomále ve funkci vyřešit zablokováním funkce. Poněkud horší funkce by mohla nastat u starých zdrojů, které jsou regulačně závislé pouze na zpětné vazbě z optočlenu a nemají žádnou bezpečnostní logiku. V kombinaci s konstrukcí, kde je širokopásmově navinutý transformátor s takovým převodem, aby fungoval i při 120V bez kapacitního děliče by mohlo dojít k tomu, že by při "zhasnutí ledky" v optočlenu vyběhnulo napětí až na dvojnásobek. Jenomže donutit zhasnout ledku není tak lehké a většinou je situace opačná. VF pole takovou ledku podrží déle. Zdroj si pak myslí, že už dosáhnul regulované meze a naopak ubere, nebo rovnou spadne dolů.
Ze své praxe pak mohu tvrdit, že pokud dojde k opravdu masivní injekci VF pole - což je právě ten amatérský případ a nezabraly by zmíněné ochrany, tak zdroj jednoduše pleskne.
DC odpor primárního vinutí transformátoru je relativně malý. Tranzistory jsou dimenzované na chod v milisekundových impulzech a jejich uvedení do "trvale vodivého" stavu způsobí, je z nich křemíkový čip vyskočí.
V rámci teoretických DC poměrů je pro ně primární strana transformátoru prakticky zkratem a během velmi krátkého času prostě plesknou a tím celá šaráda končí. Každý tranzistor má danou SOA, což je výkonová plocha, ve které můžeme tranzitor používat. Pakliže bude doba sepnutí takové tranzistoru při teoreticky 100% střídě 30 mikrosekund, tak konstruktér zcela jistě nedá tranzistor, který by daný DC proud primárem dal po delší dobu.
Vše se tedy při problému odehraje na primární straně zdroje a sekundární strana s transcieverem si prakticky ani nedokáže všimnout, že se něco odehrálo. Dalo by se diskutovat o vyvolaném proudovém pulzu a jeho přenosu na sekundární stranu, ale to nebývá až takový problém. Pokud k tomu dojde, tak většionou zase odejdou diody na sekundární straně zdroje a další obtíže a "nic" se nestane.
Stále jsme odděleni transformátorem, energie na kondenzátorech je relativně malá a nemá možnost se rozumně přelét na sekundární stranu a působit škody.
Je tedy na vůli každého soudruha, jaký typ zdroje zvolí. V každém případě lineární zdroje svoji životní pouť končí s tím, jak se mění chování zákazníků. Měď je drahá a nic valného její zbytečný objem na amatérském stole nepřináší.
V druhém díle pak rozebereme měření konkrétních zdrojů z hlediska rušení a jiných zajmavých parametrů.
Zdroj obrázků https://hackatronic.com