Minule jseme se věnovali rušení elektromagnetickým vyzařováním, nyní se podíváme podrobněji na „rušení“ způsobené problémy na napájení.
Odběr trvalý a špičkový
Pokud sepneme proud do LED, je jeho velikost určena napájecím napětím, úbytkem napětí na LED a omezovacím odporem. Proud je stále stejný, ať LED zapneme na tisícinu sekundy nebo svítí trvale. Stejnosměrné motory se ale chovají úplně jinak.
V prvním okamžiku (tisíciny sekundy) je proud tekoucí motorem omezený indukčností kotvy motoru, rychle ale roste a dosáhne velikosti, která odpovídá blokovacímu proudu motoru. To je proud, který motor odebírá, když jej násilím zastavíme. Jak se motor pomalu roztáčí, proud klesá až dosáhne velikosti ustáleného proudu při ustálených otáčkách, pak odpovídá zatížení motoru (užitečnému i nechtěnému, například tření v ložiskách). Motor, který odebírá v chodu třeba proud 1A, bude mít při rozběhu krátký špičkový odběr kolem 5A, a tento proud mu musíme být schopni dodat.
Podobně se chová i žárovka, i když fyzikální princip je úplně jiný, u ní studené vlákno má malý odpor a pustí tedy velký proud, zatímco po rozsvícení je odpor vlákna mnohem vyšší a tedy ustálený proud menší. Obrázek ukazuje průběh proudu při rozsvícení halogenové žárovky. Špička je v tomto případě 6 – 8x větší než ustálený proud a poměr může být ještě větší.
Důsledky špičkového odběru
Podstata problému je v tom, že napájecí zdroj většinou nemůžeme dimenzovat tak, aby pokryl odběr proudu v náběhové špičce, navíc nárazy proudu z více míst mohou přijít ve stejný okamžik a sečíst se. Běžně se používají třeba modelářská serva. Jedno jediné miniaturní servo HS-81 odebírá za chodu kolem 0,3A, ale při rozběhu přes 2A. Ne jednou po zapnutí, ale pokaždé, když se servo začíná hýbat a pokaždé, když končí pohyb bržděním. Máme-li v zařízení třeba 5 serv, což odpovídá menší robotické „ruce“, pak záleží na ovládání – buď se nikdy nepohybují serva současně, pak je proudová špička jen 2A (serva se vystřídají), nebo se pohybují současně, ale pak musíme počítat s nutností pokrýt odběr až 10A, což je daleko za možnostmi tužkových akumulátorů.
Přijde-li náraz proudu a zdroj na to není dimenzován (má příliš vysoký vnitřní odpor), napájecí napětí klesne, případně ochrana elektronického zdroje úplně napětí vypne. To většinou vede k drobnému pohybu ostatních serv a také se to projeví na výstupu čidel i DA převodníků. Když klesne napětí příliš, „zakousne“ nebo resetuje se elektronika (řídící mikrokontrolér), to má za následek výrazné záškuby a stav jako po zapnutí.
Jak pokrýt špičku odběru
Nejjednodušší prevencí problémů je dát do zařízení nejméně dva zdroje, jeden pro pohony (včetně serv), druhý (menší a slabší) pro řídící elektroniku. To ale je možné jen málokdy. Většinou musíme do zapojení doplnit kondenzátory, které budou schopné krátký okamžik nárazového odběru pokrýt a dodat potřebnou energii. Pokrýt ale z kondenzátorů třeba rozjezd pohonných motorů je většinou nemožné, byly by příliš velké a těžké, můžeme tedy naopak oddělit (rezistorem nebo diodou) napájení citlivé elektroniky a pomocí kondenzátorů udržovat potřebné napětí jen pro ni. To je reálné. Nejde ale jen o kapacitu kondenzátorů, ale především o schopnost kondenzátorů dodat proud dostatečně rychle.
Chování kondenzátorů
Pro pochopení toho, co lze a co nelze zvládnout pomocí kondenzátorů, si musíme uvědomit něco, co je pro mnoho uživatelů zcela neznámé, protože se s tím zkrátka neměli příležitost setkat. To, že vlastností rezistoru je odpor, kondenzátor má kapacitu a cívka (tlumivka) indukčnost, je známá věc, to je už součástí učiva základní školy. Jenže v praxi to funguje jinak, každá součástka má svůj odpor, kapacitu i indukčnost, jde jen o to, která z těchto vlastností výrazně převládá. Ty ostatní nazýváme většinou parazitní, protože jsou tím, co nepříznivě mění chování součástky oproti ideálnímu stavu, a většinou je zanedbáváme. Pokud ale sledujeme chování součástky v širším rozsahu frekvencí, a pulzy produkované motory nejsou nic jiného než těmito vyššími frekvencemi, může se snadno stát, že původně zanedbatelné parazitní vlastnosti začnou převládat a součástka se začne chovat zcela jinak a třeba úplně opačně, než bychom čekali.
Ukážeme si to na náhradním schématu reálného kondenzátoru, který můžeme zakreslit pomocí čtyř ideálních součástek. Kondenzátor C má jen kapacitu. Napětí, na nějž se nabije, by na něm zůstalo libovolně dlouho. Je však vybíjen paralelním odporem Rp. Čím je tento odpor menší, tím je kondenzátor horší (rychleji se sám vybije) a méně vhodný tam, kde je potřeba, aby si kondenzátor „pamatoval“ napětí. Pro naše účely ale Rp nemá většinou zásadní význam. Jiné je to se sériovým odporem Rs, ten výrazně omezuje teoreticky nekonečný proud, kterým se reálně může kondenzátor nabíjet i vybíjet. Znamená to, že přijde-li na kondenzátor pulz napětí, nemůže se kapacita plně uplatnit, pojmout energii a pulz tím zlikvidovat při jen malém nárůstu napětí. A obráceně, pokud je v obvodu najednou velký odběr a napětí zdroje klesá, kondenzátor nemůže vydat energii dostatečně rychle a napětí „podržet“. Ideální indukčnost Ls má v podstatě stejný účinek, ale protože bývá poměrně malá, uplatňuje se až u výrazně vyšších kmitočtů (kratších pulzů), za to však hodně silně.
Dobrat se ke konkrétním hodnotám náhradního schématu pro daný typ kondenzátoru není jednoduché ani když se podaří sehnat katalogové listy výrobce. Pro praxi se častěji zahrnuje vliv Rs a Ls do jednoho údaje, a tím je ESR (ekvivalentní sériový odpor), který se vztahuje k určité frekvenci. Čím menší ESR je, tím má pro naše účely kondenzátor lepší vlastnosti. Bohužel, kondenzátory s vyšší kapacitou, kterou potřebujeme k likvidaci špiček, mívají zpravidla také větší ESR, které brání tuto kapacitu efektivně využít.
Málokdy je možné vystačit jen s jedním kondenzátorem a spojujeme jich více paralelně. Má to i ten důvod, že náhradní schéma kondenzátoru jasně ukazuje, že kondenzátor se vlastně chová jako sériový rezonanční RLC obvod a při určitém vybuzení se rozkmitá vlastními kmity. Když je více různých kondenzátorů paralelně, jejich rezonanční frekvence jsou různé a vzájemně si tento jev tlumí.
Proto se paralelně zapojuje více kondenzátorů s různou (řádově odlišnou) kapacitou a různých druhů. Když například najdeme spojení elektrolytického kondenzátoru 1000M, keramického kondenzátoru 220n a ještě dalšího 10n, rozhodně nejde o to, že by se paralelním spojením zvyšovala kapacita. Elektrolytický kondenzátor s velkou kapacitou dodává hlavní energii, ale než „zabere“ (překoná se jeho Ls), musí jej zastoupit kondenzátor keramický (s malou vlastní sériovou indukčností) a aby se potlačilo možné rozkmitání na jeho rezonanční frekvenci, o to se postará další menší keramický kondenzátor, který je „naladěný“ mnohem výš.
Jaký kondenzátor použít
Zdroj v mobilním zařízení (většinou akumulátor) musíme dimenzovat tak, aby zvládnul současný chod všech pohonů a serv (může-li k němu dojít). Jsou-li použita modelářská serva, pak pokud možno pulzy pro jejich řízení negenerujeme synchronně, ale postupně za sebou, aby se špičky proudu nepřekrývaly (platí jen pro analogová serva, u digitálních to nepomůže). Co nejblíž k místu odběru pak připojíme kondenzátory.
Na obrázku výše je typický kondenzátor, který se prodává jako „ochrana před výpadky napětí“. Neuškodí, dokonce může trochu pomoci, ale jen velmi omezeně. Kapacita je nejméně o řád nižší, než by byla potřeba. Dlouhý kablík o průřezu 0,15 mm2 dál omezuje možnost průtoku většího proudu (zvětšuje Rs), servokonektor už ani nepočítám. Připomíná to spíše „prodej naděje“ a zjevně dobrý obchod, protože podobné ochrany přijdou na 40 až 80 Kč, přitom cena samotného kondenzátoru, který kvůli úspoře často ani nebývá z kategorie low ESR (s malým sériovým odporem) je kolem 10 Kč. Jestli něčemu může tento kondenzátor reálně pomoci, tak to nejsou problémy a výpadky napětí vyvolanými špičkami odběru proudu, ale naopak kratší nárůsty napětí nad povolenou mez (přepěťové špičky), které spínače motorů někdy generují.
Jaké kondenzátory s většími kapacitami (stovek až tisíců μF) vůbec můžeme použít a jak moc se pro naše účely liší? Jako příklad budeme hledat kondenzátor s požadovanou kapacitou kolem 470 μF na rozvod s napětím 5 V. Začneme obyčejným levným hliníkovým elektrolytickým kondenzátorem (GM electronic, 2 Kč, výrobce Jamicon) s kapacitou 470M. Takovým, jaký dostanete, když budete v prodejně chtít kondenzátor 470M bez dalšího upřesnění. Sériový odpor vzorku při 1 kHz byl 120 mΩ. Vyjdeme z této hodnoty, zapamatujme si ji, na snímku skupiny je tento kondenzátor vpravo.
Když si budeme přát kondenzátor low ESR 470 μF, bude výsledek trochu větší a dražší (GM electronic, 4 Kč, výrobce Hitano), a sériový odpor bude skutečně menší, vzorek měl 79 mΩ. Jenže tady se začne dost uplatňovat jiný vliv, a tím je kvalita výroby jednotlivých výrobců. Parametry, které u jednoho mají low ESR kondenzátory, mají u druhého ty obyčejné. Těžko přesně popsat, které jsou nejlepší, ale obecně velmi dobré výsledky můžeme čekat u firem Samxon, Nichicon, Rubycon, Panasonic nebo Chemi-con, na opačném konci rozpětí (v kategorii „spotřební“ kvality neboli skorozmetků) stojí značky jako Jamicon, Licon, Fujitsu, Capxon, Rubysun nebo Tocon. Těch značek, s nimiž jsou problémy, je mnohem víc než těch kvalitních, to je ostatně obvyklé. Zkusme „značkovější“ low ESR kondenzátor 470 μF (GM electronic, 6 Kč, výrobce Samxon) a vida, má 63 mΩ. Lepší dojem budí už tím, že vývody jsou silnější (druhý zprava).
Předchozí kondenzátory byly hliníkové, ale ani to, že jsou prodávány jako low ESR a mají dobrou značku, neznamená, že jsou optimální. Stranou všeobecného zájmu stojí kondenzátory polymerové, které mají navíc mnohem lepší vlastnosti právě při vyšších frekvencích (krátkých pulzech), o něž nám jde. Kromě toho jsou menší, ale hůř se shání. Tyto kondenzátory mívají zpravidla hliníkové pouzdro bez krycí fólie a popis najdeme ne na plášti z boku, ale na rovném čele (ve skupině je to ten s červeným popisem). Kondenzátory X-con typu ULR (super low ESR pro pulzní zátěž) zakoupené v prodejně PS electronic za 6,50 Kč vykázaly při frekvenci 1 kHz sériový odpor 21 mΩ, při 10 kHz ale měly 13 mΩ a při 100 kHz 16 mΩ. Ani to však není konec. Kvalitní výrobky Nichicon série L8 zakoupené od firmy Farnell měly při 1 kHz jen 11 mΩ, při 10 kHz 4 mΩ a při 100 kHz 3 mΩ, jmenovitá hodnota ESR je u těchto kondenzátorů 8 mΩ.
Porovnejme si hodnoty, „obyčejný“ kondenzátor a kvalitní polymerový vypadají skoro stejně, rozdíl v ceně tu sice je, ale ne až tak velký, a rozdíl v sériovém odporu, který zásadně určuje jejich schopnost pokrýt špičky odběru je přibližně 10:1 (!!) a v podobném poměru se liší jejich účinek, pro krátké pulzy dokonce poměr jde k 30:1 až 40:1. Je potřeba používat ne „nějaké“ kondenzátory, ale takové, které opravdu v dané situaci fungují!
Ještě se podíváme na tantalové kondenzátory, které jsou často brány jako drahé, ale současně téměř ideální. Pro dosažení podobné kapacity jsem musel spojit dva SMD kondenzátory 220M (na obrázku skupiny jsou vlevo), hodnota 470M nebyla dostupná. Sériový odpor vyšel 50 mΩ. Tyto kondenzátory mají velmi malé samovybíjení (velké Rp), ale pro naše účely rozhodně neplatí, že za vyšší cenu (30 Kč) získáme lepší parametry. Kapacita je důležitá, bez možnosti proud rychle pojmout a vydat je k ničemu.
Nepoužijeme-li jeden kondenzátor, ale dva nebo více stejných paralelně, násobí se kapacita jejich počtem a současně sériový odpor se dělí jejich počtem. Je-li to možné, vždy raději použijeme více spojených kondenzátorů s menší kapacitou než jeden s vyšší. Stále platí, že sebelepší elektrolytický (polymerový) kondenzátor má omezené možnosti při vysokých frekvencích, kdy se začne více uplatňovat jeho indukční složka (Ls). Abychom překlenuli dobu, než stihne kondenzátor s vyšší kapacitou zabrat, přidáváme ještě další podstatně „rychlejší“, zpravidla keramické kondenzátory s malou kapacitou 22 – 100 nF.
Je problém v poklesech napájecího napětí?
To, jestli je problém opravdu ve špičkách odběru, nedostatečném dimenzování zdroje nebo napájecích vodičů, či (velmi často) v odporu pružinového pouzdra tužkových akumulátorů, to bohužel nejde zjistit běžným voltmetrem. Poklesy napětí jsou tak krátké, že je ani digitální ani ručkové měřidlo neukáže. Jak si vyrobit jednoduchý přípravek, pomocí něhož můžeme poklesy napětí změřit, si ukážeme někdy jindy, nejjednodušší zkouškou je přidat do obvodu kvalitní kondenzátor (s extrémně malým ESR) s „brutálně velkou“ kapacitou, a pokud se nežádoucí projevy změní, je problém zjevně v napájení.
Konkrétní příklad se servem
Ukážeme si ještě konkrétní praktický případ se servem HS-5646WP. Toto servo bere při napájení 6 V a rozběhu proud 2,5 – 3 A, kromě toho ale generuje proudové pulzy přes 8 A dlouhé 1 – 2 μs. Na pětičlánku NiMH se odběr motoru projevil poklesem napětí o 0,3 V, pulzy servozesilovače snížily napětí o 0,6 V. Přípravek ukázal poklesy napětí až na úroveň 5,1 V, což odpovídá, někdy se oba vlivy sečetly.
Na snímku jsou tři průběhy poklesu napětí při krátkých pulzech po zastavení chodu motoru změřené osciloskopem. Spodní bílá křivka (největší pokles) je záznam získaný bez přidaných kondenzátorů, prostřední bílá křivka je se zakoupeným kondenzátorem 3300 M, který má tyto jevy eliminovat. V tomto případě přípravek naměřil pokles na 5,6 V a na jeho výsledku se začal uplatňovat odběr motoru, který osciloskop nezobrazoval. Žlutá křivka (nejmenší pokles) je s jedním polymerovým kondenzátorem 470M a k němu jedním keramickým 100n, přípravek stále naměřil 5,6 V (měří nyní převládající pulz od motoru), krátké poklesy se ale zmenšily více než 6x jen na 0,09 V s překmitem o 0,03V. Přesně ve shodě s předchozím je vidět, že kondenzátor se 7x menší kapacitou ale s podstatně lepším ESR ve výsledku funguje mnohem lépe a také to, že krátkých pulzů se můžeme poměrně efektivně zbavit, ale pokrýt kapacitou chod motoru serva je velký problém. Optimální je kombinace obojího.