Laboratorium zaawansowanej elektroniki i automatyki 24

Laboratorium zaawansowanej elektroniki i automatyki 24

Automatyka zajmuje się systemami ze sprzężeniami zwrotnymi które występują wszędzie.
 Tempo wzrostu gospodarczego w krajach cywilizowanych maleje od czterech dekad. Jednym z powodów jest to że dokonanie ważnego odkrycia stało się bardzo trudne. „Wszystkie nisko wiszące na drzewie jabłka i gruszki zostały już zerwane”. Rewolucja cyfrowa i jej AI raczej nie będą w stanie tego zmienić nawet gdy technologie cyfrowe ujawnią swój domniemany pełny potencjał.
Szanse na nowe poważne wynalazki ( coś tak epokowego jak tranzystor czy nowe źródło energii jak kiedyś energia nuklearna ) wydaje się zerowa. Zobaczymy czy AI chociaż pomoże wykorzystać pokojowo energie termojądrową.

Nowe technologie tworzą wielkie koncerny. To zadanie koncerny coraz bardziej zaniedbują czego efektem jest zwalniający wzrost.
Trzy dekady temu 50 największych firm świata "wytwarzało" mniej niż 5 %  globalnego PKB.  Już w 2000 roku udział ten wzrósł do ponad 20 % ale na skutek globalnego kryzysu z 2008 roku spadł poniżej 10% by znów wzrosnąć. Marża zysku w tej grupie w trzy dekady  wzrosła z 7% do 18 % a więc bardzo mocno.
Giganci bardzo mało inwestują. W 1990 roku IBM największa wówczas spółka notowana na giełdzie 9 % swoich przychodów wydawała na nakłady inwestycyjne. W 2020 roku największa firma (Apple) wydawała na ten cel zaledwie 3 %.
MFW badający sprawę inwestycji twierdzi że nawet 40 % środków, które na papierze wyglądają na bezpośrednie inwestycje zagraniczne, to „fantomowe inwestycje w korporacyjne skorupy, które nie mają znaczenia i są pozbawione rzeczywistych powiązań z lokalną gospodarką”.
Gdy w 1990 roku wśród 50 gigantów nie było ani jednego chińskiego to obecnie jest ich 8 a ilość europejskich spadła z 15 do 7.
„Mała” ( w porównaniu z relatywnymi danymi historycznymi ) wartość nowych inwestycji czyli niższe bariery wejścia pozwolą nowym graczom wchodzić do interesu. Także graczom z Polski.  Z pewnością wzrośnie ilość gigantycznych firm chińskich. Amerykańskie firmy mają sztucznie uprzywilejowaną pozycje bowiem otrzymują świeżo „wydrukowane” biliony dolarów. Może się okazać ze część tych „gigantów to faktycznie Zoombie, które bez darmowego refinansowania długów upadną z dnia na dzień.
Elity peryferyjne tak jak niczego nie rozumiały tak nadal niczego nie rozumieją -  Instalacje Olefiny dla PKN Orlen za miliardy wybudują  Hyundai Engineering oraz  Técnicas Reunidas.
Są niestety działy światowej gospodarki gdzie koszt nowych inwestycje rośnie do szalonych wartości od lat – tak jest z mikroelektroniką.  Mikroelektronika jest obecnie tania ale to nie będzie trwało wiecznie.

Jak dotychczas rewolucja cyfrowa przyniosła prawie same szkody - kryzys demokracji liberalnej, zagrożenie ładu społecznego, masowa manipulacja i dezinformacja, niszczenie kultury, podstępna akumulacja ogromu informacji, władzy i wpływów poza obszarem społecznej kontroli, cyber ataki na infrastrukturę.
Popularne wyszukiwarki internetowe stosują masową blokadę informacji i cenzurę.
Swój rozum pokazała cywilizacja Chin nie pozwalając Ameryce szwendać się i szkodzić na swoim podwórku.  Natomiast Europa zdaje się nie rozumieć skutków rewolucji cyfrowej. 

 Europa dość dawno wypadła z czołówki producentów mikroelektroniki, głównie skutkiem działań niemieckich koncernów a miała wielkie szanse na stanie się światowym numerem jeden.  Ale holenderski koncern ASML ( dawno wydzielony z zasobów potężnego kiedyś Philipsa ) jest nadal światowym liderem w fotolitografii czyli najistotniejszym i najtrudniejszym procesie mikroelektroniki.
USA jeszcze 25 lat temu produkowały 37% półprzewodników świata. Obecnie ten udział skurczył się do 12%.  Prawdopodobnie jest on mniejszy bowiem zawyżony jest przez wysokie, monopolistyczne ceny procesorów Intela i AMD.
 
Coraz lepiej w technologii poczynają sobie Chińczycy. Chiński sześciokołowy łazik Zhurong przesyła już zdjęcia z Marsa. 
W przyszłym roku na Marsie w ramach wspólnej misji Europejskiej Agencji Kosmicznej i Rosyjskiej Korporacji Państwowej d/s Działalności Kosmicznej Roscosmos ma pojawić się łazik Rosalind Franklin.

Energia w przyszłości będzie w Zjednoczonej Europie droga. Duży udział w generacji będą miały  niestabilne odnawialne źródła energii.
Paliwa samochodowe są w Europie i wielu krajach świata obłożone wysokimi podatkami i tak samo może być z paliwami do ogrzewania i z energią elektryczną nawet gdyby była tanio generowana.
Przy niestabilnej generacji OZE rynkowe ceny energii elektrycznej muszą  się szybko, mocno zmieniać aby rynek się bilansował to znaczy niektórzy wycofali się z konsumpcji -  Nos dla tabakiery ?

W mieszkaniach – domach  bez klimatyzacji lodówka jest statystycznie największym konsumentem energii elektrycznej w gospodarstwie domowym. Lodówka pozwala rzadziej robić czasochłonne ale większe zakupy i zmniejsza ilość zatruć pokarmowych. Jest od dekad podstawowym wyposażeniem każdego mieszkania i elementem stylu życia.  
Lodówka sprężarkowa pobiera dużo mniej energii elektrycznej niż absorpcyjna i adsorpcyjna ale te dwie mogą być zasilana wprost ciepłem i to o niewielkiej temperaturze czyli energią mało szlachetną.
Skutkiem oszczędności na materiałach najbardziej żarłoczne energetycznie lodówki produkowano na początku lat siedemdziesiątych. Pobierały więcej energii elektrycznej niż te produkowane w latach trzydziestych !
Ponieważ kraje EWG czyli obecnej  UE były i są ubogie w surowce energetyczne władze od dawna zachęcały producentów do obniżania poboru energii przez sprzęt AGD. Producent musiał zadeklarować zestandaryzowany roczny pobór energii przez sprzęt. Nabywcy mając na względzie rachunki za energie mogli wybrać droższy ale oszczędniejszy sprzęt AGD.
Ostatnia dyrektywa UE z 2017 roku podaje wzór etykiety która musi być prezentowana w sklepie.
Najbardziej żarłoczne są lodówki klasy G a po niej F,E,D,C,B,A,A+,A++,A+++
Obecnie standardowa technologicznie lodówka o umownym rocznym poborze energii 100 ( energy efficiency index EEI  ) mieści się między C a D.  Najlepsze i najdroższe oferowane są w Polsce lodówki klasy D a rzadko C ale nadal jest sprzedawanych sporo przestarzałych F a nawet G !
Regulacyjnym błędem EU jest niesankcjonowanie oszustw producentów potężnymi grzywnami i więzieniem. Być może jest to ten sam systemowy mechanizm oszustwa co zastosowany w trujących silnikach Diesla dla obrony europejskich samochodów przez lepszymi samochodami z Japonii i Korei. 
Celem producenta jest zarabianie pieniędzy i producenci po „dobroci” niczego sami nie zrobią ! Uniwersalnym lekarstwem jest konkurencja !
W USA w elektrowniach cieplnych technologie ultranadkrytyczną zastosowano w małej skali już w latach pięćdziesiątych ale późniejszy okres tanich paliw pokazał że są one nieekonomiczne na tle mniej sprawnych ale tańszych w budowie i utrzymaniu konwencjonalnych elektrowni. Każda konstrukcja może być optymalna ekonomicznie dla określonego stosunku cen energii i materiałów. 

Jednofazowy silnik asynchroniczny tradycyjnie użyty w lodówce jest mało sprawny. Silnik trójfazowy napędzający agregat chłodniczy do dużej komory chłodniczej ma stosunkowo niewielką moc niż by to wynikało z porównania objętości tej komory i lodówki. 
Obecnie najoszczędniejsze są domowe lodówki sprężarkowe z silnikiem synchronicznym / BLDC sterowanym z invertera i pracującym ze zmiennymi obrotami optymalnymi dla aktualnej sytuacji. Lepsze jest rozwiązanie z silnikiem liniowym z dwoma elektromagnesami i z tłokiem sprężarki z silnym magnesem.
W produkcji masowej używa się sprawdzonych, najtańszych i niezawodnych rozwiązań. Inverter do lodówki zbudowany na wielowarstwowej płycie drukowanej PCB jest mniejszy niż na jednowarstwowej ale ta jest  bardzo tania i taką zastosowano w inwerterze pokazanym na obrazku. Zastosowano w nim scalony hybrydowo mostek trójfazowy tranzystorów IGBT z wewnętrznym scalonym układem sterującym bramki tranzystorów, IRAM firmy International Rectifier.
Produkcja musi być konkurencyjna cenowo i użycie przez Samsunga który z TSMC jest światowym liderem mikroelektroniki, jednowarstwowej płytki drukowanej PCB nie powinno dziwić.

Użycie 6 dyskretnych kluczy mocy trójfazowego mostka i drivera wymaga już droższej płytki dwuwarstwowej. Zrobił to mniej technologiczny od Samsunga producent !

Oczywiście izolacja cieplna dobrej lodówki nie może być oszczędnościowa.
Pomijając otwieranie lodówki i odszranianie ( lub lepsze usuwanie wilgoci z powietrza ) dzienny pobór energii przez lodówkę jest więcej niż proporcjonalny do różnicy temperatur w lodówce i temperatury otoczenia. Miernikiem poboru mocy można stwierdzić że lodówka upalnym latem zużywa dużo więcej energii elektrycznej niż w zimie a ta energia w  lecie znacznie podnosi temperaturę w pomieszczeniu z lodówką ! 
Z pustego i Salomon nie naleje – pobór energii przez lodówkę zależy od jej miejsca w pomieszczeniu !
Miejsce na lodówkę powinno być przewidziane już w projekcie domu !  W zimie lodówka pół - pozytywnie ogrzewa pomieszczenie „prądem” ( jest to jednak bardzo drogie i marnotrawne ogrzewanie ) i chłodniejsza kuchnia może / powinna być bez ogrzewania kaloryferem. Gdy w lecie ciepło przez nią emitowane pogarsza komfort  i trzeba je ewakuować klimatyzacją sytuacja energetyczna staje się wysoce naganna.
Gdy utrudnimy odpływ ciepła od radiatora lodówki silnie wzrasta jego temperatura i  jej pobór energii. Najlepiej gdy ruch powietrza ( wymuszona wentylacja mechaniczna dla domu - mieszkania z rekuperatorem ) w pomieszczeniu omywa radiator. Oczywiście mała powinna być transmisja ciepła gotowania od kuchni do lodówki.
Obecnie developerzy nierzadko budują mało ustawne mieszkania. Pod tym względem znacznie się cywilizacyjnie cofnęliśmy. Komunistyczne władze budując małe mieszkania zmuszały producentów mebli do tego aby meble optymalnie pasowały do tych właśnie budowanych mieszkań. Było tych zestawów mebli do konkretnych bloków niewiele ale w ogóle były !
W okresie 20-30 lat użytkowania koszt zużytej energii przez lodówkę jest spory.
Oczywiście użytkownik lodówki winien wiedzieć czy zużycie energii jest ponadprzeciętne a jak tak to dlaczego - czy zbyt wysoka jest temperatura otoczenia, czy słaba jest konwekcja na radiatorze czy za nisko jest ustawiona temperatura czy jest za często i długo otwierana. 

Współcześnie domy wymagają na ogrzewanie od 50 do 500 KWh / m2 energii na rok. Przy czym  mieszkania ogrzewa też dodatkowo słońce, ciało człowieka i energia elektryczna zużywana przez wszystkie różne urządzenia. UE zakłada że w 2050 roku  60-70% domów ma potrzebować na ogrzewanie zaledwie 50 KWh / m2 na rok. Zatem już teraz trzeba budować bardzo „ciepłe domy” bowiem do 2050 roku jest tylko 29 lat ! Domy muszą mieć indywidualne kanały do wentylacji mechanicznej i rekuperatory o zmienianej konfiguracji aby w nocy w lecie świeżym, chłodnym powietrzem schłodzić nagrzany w ciągu dnia dom. Normą stają się okna z trzema szybami o znakomitej izolacji cieplnej. Rolety ochronią przed prażącymi promieniami  słońca i z nocną wentylacją zbędna będzie energożerna klimatyzacja. W lecie zimna może też dostarczyć kogeneracja ! 
Dostępne są programy symulacyjne pokazujące  ruchy powietrza w lokalach. Ceny termokamer spadły i stały się one dostępne. W końcu trzeba użyć tych narzędzi i przestać udawać ze jakoś tam będzie bo nie będzie. Ceny europejskich pozwoleń emisyjnych biją kolejne rekordy.

Pierwszy kryzys energetyczny w latach siedemdziesiątych wywołał prawdziwą rewolucje energooszczędności w zachodnim przemyśle. Z drugiej strony słabo rokujące technologie w ogóle sprzedawano PRL a przecież trwała Zimna Wojna. Sprzedawano jest właśnie dlatego że były zbyt energożerne.

 Skala energetyczna dla pralek ( energy efficiency scale for washing machines  ) to zużycie energii na1 kg odzieży przy pełnym załadowaniu pralki z programem prania dla bawełny w temperaturze 60C. Z najgorszym indeksem G zużycie energii wynosi > 0.39 KWh a z najlepszym A <0.19 KWh.
Zestandaryzowano procedurę pomiaru skuteczności ( średnia wynosi 1 ) prania dla zabrudzeń różnej odzieży z oleju, krwi, czekolady i czerwonego wina. Dla najgorszej grupy G wynosi <0.88 a dla najlepszej A > 1.03.   
Zestandaryzowano pomiar skuteczności odwirowania, pozostałej wilgoci i konsumpcji energii na suszenie.

Zestandaryzowano także pomiary parametrów  zmywarek.

Radzieckie a później rosyjskie pralki automatyczne słusznie miały dwa przyłącza na Zimną Wodę i Ciepłą Wodę. W sytuacji gdy przejściowym paliwem w okresie Transformacji Energetycznej ma być gaz ziemny ciepło do ogrzewania i ciepłej wody dla dużego miasta można uzyskać w nowoczesnej kogeneracji. Duża jednostka o mocy elektrycznej 600-1000 MW  z turbiną gazową, kotłem i turbiną parową w kogeneracji może osiągnąć sprawność dochodząca do 80 % czyli rewelacyjną !

Sytuacja gdy do grzania wody w pralce używa się szlachetnej energii elektrycznej zamiast dostępnej taniej energii cieplnej jest barbarzyństwem. Koszt dodatkowego zaworu ciepłej wody w pralce jest znikomy ale znacznie mądrzejszy musi być program prania i uzależnić czas prania oraz płukania od temperatury wody, czasem dogrzanej elektrycznie. Moc potrzebna do obracania bębna pralki jest niewielka i nakład energii na dłuższe pranie nie jest istotny. Skuteczność prania spada jednak wraz  z temperaturą. Podwyższona temperatura skutecznie trzebi szkodliwe mikroorganizmy na ubraniu co wielkie znaczenie ma dla alergików.
W „mądrej” pralce komunikacja IoT miałaby wreszcie jakieś sensowne zastosowanie. Przy za zimnej ciepłej wodzie sieciowej pralka zapytałaby właściciela lub domowy „serwer”,  czy ma / może  użyć do grzania elektryczności i kiedy ma to zrobić. O pracy decyduje zatem priorytet prania i aktualna cena energii.
Sprawność energetyczna i wodna pralki spada wraz z wagą odzieży do wyprania i korzystniej jest robić większe prania. Aby uniknąć pilnych prań trzeba mieć dodatkowe ubrania Jednorazowy ich koszt zakupu jest znikomy.
 
Świat nie stoi w miejscu. Domy ze świeżą odsoloną wodą czystą, wodą szarą i czarną nie są już żadnym dziwactwem. Nadmiar szarej wody po prostym, zgrubnym  oczyszczeniu używany był do bardzo efektywnego ( wynalazek z Izraela ) nawadniania kropelkowego roślin. 
 
W przemyśle ekstremalnie energochłonnym moc jest pobierana z systemu przesyłowego poza okresami wysokich dobowych cen energii i w czasie weekendu.  System Ciągłego Odlewania Stali z piecem łukowym mocy do 100 MW od  dawna sterowany jest poziomem dobowych cen energii elektrycznej. 
Trend drożejącej energii i jej niestabilna generacja przez OZE spowodują spore zmiany w przemyśle.

 Międzynarodowa Agencja Energii (MEA) w swoim ostatnim raporcie „Net Zero by 2050. A Roadmap for the Global Energy Sector” podaje, że aby zrealizować cel neutralności klimatycznej, wszystkie kraje powinny osiągnąć neutralność klimatyczną w sektorze produkcji energii elektrycznej już w 2040 roku, a kraje rozwinięte nawet pięć lat wcześniej. W przeciwnym wypadku założony w porozumieniu paryskim cel neutralności klimatycznej w 2050 roku nie zostanie osiągnięty.
Od 2025 roku producenci kotłów na paliwa stałe powinny definitywnie zaprzestać ich sprzedaży. Sprzedaż pojazdów z silnikami diesla i benzynowymi powinna zakończyć się zaś do 2035 roku
Za 30 lat ponad 70 % generacji energii ma dostarczyć  energetyka słoneczna i wiatr, a pozostałe 20 % elektrownie atomowe. Obecnie źródła zeroemisyjne stanowią około 29 %. Aby sprostać wyzwaniu, świat będzie musiał zainstalować czterokrotnie więcej energii wiatrowej i słonecznej niż w 2020 roku.
W  scenariuszu MEA do 2030 roku liczba oddawanych mocy jądrowych powinna wynosić 24 GW rocznie. Od 2011 do 2020 roku było to jednak tylko 6 GW rocznie.
Do 2035 roku prawie wszystkie samochody sprzedawane na świecie powinny być tylko elektryczne. Liczba ogólnodostępnych punktów ładowania samochodów elektrycznych powinna wzrosnąć z miliona obecnych do 40 milionów do 2030 roku, co będzie wymagało corocznych inwestycji w wysokości 90 miliardów dolarów. 
Część bogatych krajów chce zabronić sprzedaży nowych samochodów spalinowych już od 2030 roku a potem zabronić  odsprzedaży samochodów używanych na rynku wtórnym a po kolejnym okresie ich używania w ogóle, poza nielicznymi wyjątkami.
Przeciętne polskie gospodarstwo domowe konsumuje rocznie około 2000 KWh energii elektrycznej. Przyjmując że samochód elektryczny EV potrzebuje z sieci 20 KWh energii na pokonanie dystansu 100 km i samochód pokona rocznie 10 000 km potrzebuje on do ładowania rocznie 2000 KWh energii. Czyli polskie gospodarstwo domowe z EV podwoi zużycie energii elektrycznej.  Dane do spekulacji – ilustracji wyssano z palca jako ze GUS nie podaje ile przeciętnie przejeżdża w ciągu roku samochód gospodarstwa domowego. Samochody służbowe z pewnością pokonują znacznie większe dystanse. Zakładając sprawność silnika spalinowego i zużycie paliwa można wyliczyć przeciętny dystans ale jest to czysta i bardzo niedokładna spekulacja.
Część energii elektrycznej EV pobiorą przy miejscach zamieszkania ( circa 70% ? ) swoimi ładowarkami prądu zmiennego małej mocy pozwalającymi się jednak akumulatorom samochodu naładować do 100% ich aktualnej pojemności i bez szybkiego ich zużycia  a mniejszą część energii ( ca 30% ) na specjalnych stacjach szybkiego ładowania o dużej mocy >50 KW DC  na stanowisko.
Obecna infrastruktura przesyłowa i dystrybucyjna miast i wsi  jest na to kompletnie nieprzygotowana ! Stacja szybkiego ładowania na dwadzieścia kilka samochodów potrzebuje 1 MW mocy i wymaga już zasilania linią SN 15 – 20 KV i swojego specjalnego (?) transformatora. Władze udzielając pozwoleń na nowe budowy osiedli bloków i domów jednorodzinnych kompletnie nie biorą pod uwagę konieczności zarezerwowania terenu pod linie kablowe NN, WN i SN oraz mocniejszych stacji transformatorowych 15-20/0.4 KV i mocniejszych linii 0.4 KV. Dla zwiększonego poboru mocy lepsze jest Średnie Napięcie 20 KV zresztą powszechnie używane od dekad w Europie Zachodniej. Myśląc o przyszłości małym środkami możemy się na nią przygotować. Nawet bez podojenia konsumpcji energii przez EV i tak powinna ona wzrosnąć i zwiększenie napięcia średniego będzie zawsze korzystne.  Ceny transformatorów dystrybucyjnych mało zależą od napięcia SN ale przechodząc w nowych inwestycjach  na napięcie średnie  20 kV można transformatory kupować od większej ilości producentów czyli z większym mechanizmem konkurencji. Dla obu napięć średnich stosowany jest ten sam kabel. Sprawa doprowadzenia kablami NN gigawatowych mocy do centrum dużych miast nie jest bynajmniej prosta. Tunel dla kabli NN jest mniejszy od typowego tunelu Metra ale jednak jest to tunel o kontrolowanej w dodatku atmosferze. Podziemne stacje transformatorowe i z dławikami na NN pochłaniającymi nadmiar generowanej przez kable mocy biernej są dalece odmienne od stacji naziemnych i znacznie bardziej zwarte i technicznie zaawansowane.
Z uwagi na cenę ziemi obecnie deweloperzy stawiają domy jak najciaśniej często nawet bez betonowego placu na zaparkowanie wszystkich samochodów mieszkańców. W ogóle nie przewidziano tam stacyjek do nadchodzącego powszechnego (?) ładowania samochodów EV !  Oczywiście nie ma drzew i miejsca na nie.
Sprawa rozporządzenia do ustawy do uregulowania tej sprawy jest prościusieńka ! 

Szczęśliwie maleje ilość rodzajów wtyczek jakie stosowane do ładowania EV. Jest szansa ze ustalone zostanie optymalne napięcie stałe DC do ładowarek dużej mocy.
Obserwując niepowodzenia w budowie sieci ładowania EV  na zachodzie, i w świecie, łatwo uniknąć podobnych błędów w Polsce.

„Stacyjka” do ładowania EV prądem zmiennym ( na przykład na parkingu przy domu ) jest bardzo prosta. Po włożeniu karty płatniczej przekaźnik podaje sieciowe napięcie zmienne do kabla z wtyczką do gniazda samochodu EV. Układ elektroniczny mierzy pobraną energie i rozlicza na karcie posiadacza samochodu operacje zapłaty. Przy upływie prądu zdetekowanym przekaźnikiem różnicowoprądowych wskazującym na możliwość uszkodzenia izolacji i porażenia człowieka  lub zbyt dużym poborze prądu (!) lub zwarciu odbiorca zostaje odłączony.
Już ładowarka samochodu małej mocy musi mieć wejściowy prostownik aktywny PFC ponieważ wielkość pobieranego prądu stanowi zabronione ograniczenie sieci ( na przykład 16 A ) a więc należy dla maksimum mocy pobierać prąd sinusoidalny z sieci ! Pobór mocy przez ładowarkę jest proporcjonalny do napięcia sieciowego co jest pozytywem bowiem zapobiega dalszemu obniżeniu napięcia przeciążonej sieci. Wydaje się że rozsądniejsze byłoby ograniczenie prądu proporcjonalnie do aktualnego napięcia sieci– obciążenie niby rezystancyjne. Moc w takim wypadku jest w kwadracie napięcia.  Przy napięciu 230 Vac ( lub większym ) maksymalny pobór wynosiłby 16A ale przy napięciu 200Vac tylko proporcjonalnie 13.91 A.    

Dygresja. W centrum bogatych zachodnich miast już dawno „sztuką” było mieć bliskie własne miejsce do zaparkowania samochodu a nie drogi samochód, parkowany daleko w płatnym piętrowym parkingu. W niektórych budowanych w Polsce domach są podziemne garaże i można kupić mieszkanie z garażem lub bez niego. Wyjazd z podziemnego garażu zabiera czas i łatwo jest samochód uszkodzić jako że drogi ( koszt ! ) w budynku są bardzo wąskie. Natomiast miejsca na parkingu nie są sprzedawane bowiem do każdego mieszkania teoretycznie przynależy taka sama powierzchnia na parkingu, chodniku, trawniku. Niektóre rodziny mają po kilka samochodów i nadmiernie wykorzystują parking co irytuje pozostałych pokrzywdzonych użytkowników. Zdarza się naganne porzucanie samochodów.
Wydaje się że jednak oznaczone ( cyfrą, numerem lub literą ) miejsce parkingowe powinno być w komplecie z mieszkaniem. Gdy ktoś rezygnuje z miejsca parkingowego mogą je kupić na przetargu inni lokatorzy.  Mieszkańcy się znają i bez trudu się porozumieją co do pozwolenia korzystania ze swojego miejsca. Ktoś organizując przyjęcie powie: „Czy moja rodzina może dziś postawić bryczkę na twoim miejscu. OK. Wstawię swój do podziemnego” Egzekucje nadużyć można zautomatyzować i blokadę na koła winna zakładać Straż Gminna tak jak na terenie miejsc należących do miasta lub pokrzywdzeni. Opłata za zdjęcie blokady składa się z kosztu manipulacyjnego i odszkodowania dla pokrzywdzonego.    
Skorumpowane kraje peryferyjne mają zupełnie zbędne, szkodliwe i kosztowne regulacje natomiast tam gdzie one są bardzo potrzebne nie ma ich wcale. Wynika to z lenistwa lub ktoś na tym pasożytniczo zarabia ! 

Stacja ładowania EV dużej mocy prądu stałego ma trójfazowy aktywny prostownik PFC oraz izolujący inwerter z prostownikiem i filtrem na wyjściu. Oczywiście stacja ładowania realizuje też funkcje rozliczeniowe i bezpieczeństwa.
W PFC i inwerterze dużej mocy wielkie zalety wykazują tranzystory SiC !  Urządzenie jest mniejsze i ma lepsza sprawność niż z krzemowymi tranzystorami IGBT.
Koszt trójfazowego aktywnego prostownika PFC czyli inwertera jest wyższy niż koszt izolującego inwertera z prostownikiem ! W dodatku ma on niebanalne straty mocy. Gdy godzimy się na niewielkie zniekształcenia prądu można stosować prostszy i tańszy  trójfazowy PFC z jednym kluczem mocy.
Toteż stacja z 20 stanowiskami do ładowania z własnym transformatorem SN/nn mocy 1 MVA mogłaby mieć 15 tanich zasilaczy z prostym prostownikiem trójfazowym ale pobierającym już trochę mniej harmonicznych niż najprostszy prostownik  i 5 zasilaczy gdzie wejściowe inwertery pobierałyby prąd komplementarnie aby sumaryczne prąd całej stacji były już czysto sinusoidalny czyli harmoniczne były skasowane. Transformator SN/nn mógłby mieć podwójne lub potrójne uzwojenie wtórne z przesunięciami fazy dla kasowania harmonicznych wnoszonych przez proste prostowniki. Optymalizacja może mocno zmniejszyć koszt stacji dużej mocy DC na wiele samochodów EV.

Producent tranzystorów mocy SiC Cree oferował do swoich tranzystorów pokazowy izolowany inverter LLC o mocy 20KW do ładowarki EV ale bez jakiegokolwiek prostownika wejściowego lub PFC.

Infineon oferuje układ pokazowy inwertera LLC z przesunięciem faz z tranzystorami SiC o mocy 3 KW. Sygnały PWM do sterowania kluczy mocy wypracowują tu już wyspecjalizowane mikrokontrolery z rodziny ARM produkowane przez Infineon.
Układ pokazowe są bardzo drogie i nie należy z tego wnosić że takie muszą być ceny podsystemów produkowanej masowo ładowarki do EV.   

W sytuacji gdy przewidziany jest transfer energii z sieci energetycznej do ładowania akumulatora i transfer energii z akumulatora do zasilania sieci trójfazowej urządzenie jest jeszcze bardziej skomplikowane. Wejściowy inwerter pozostaje bez zmian ale program sterujący musi już przewidywać przepływ mocy do sieci. Natomiast izolujący inwerter musi mieć drugi mostek tranzystorów SiC  na wyjściu  pracujący jako prostownik bądź inwerter. Rozwiązanie takie firmy Texas Instrument już pokazano wcześniej. 

Przyszła praca ładowarek EV ( ale też dużych domowych konsumentów energii jak lodówka i pralka... ) musi być on-line kierowana aktualną ceną energii w sieci i ustawionym przez użytkownika parametrem „Priorytet” . Cena ta w przypadku dużego udziału niestabilnej zielonej generacji generacji może się dość szybko zmieniać. Dla ładnej stabilnej pracy systemu cena powinna się zmieniać co 1-10 sekund !  Parametry ustawione w komputerku samochodu przez użytkownika samochodu zadecydują przy jakiej cenie energii będzie się on ładował i czy się naładuje. Przy dwustronnym transferze mocy użytkownik zdecyduje czy bardzo drogo sprzeda energie z akumulatora i do pracy pojedzie rowerem, z sąsiadem jego samochodem lub środkami komunikacji miejskiej lub pójdzie piechotą.
Samochód EV z dwustronnym transferem energii może wraz z panelami PV domu jednorodzinnego tworzyć system energetyczny mogący także pracować samodzielnie bez sieci energetycznej.

Problem sieci ładowarek AC i DC do samochodów EV raczej nie będzie nas szybko dotyczył ponieważ już 8% brakującej energii elektrycznej importujemy i nie ma w bilansie energii dla samochodów a najbrudniejsze, stare bloki węglowe mają być niedługo wyłączane z użytku co tylko dalej pogorszy sytuacje.

Unia Europejska sprawdziła jak funkcjonuje europejska sieć ładowania samochodów elektrycznych EV. Stacje ładowania aut w Europie nierzadko plajtują. Obłożenie stacji jest tak małe, że mimo dotacji operatorom grożą bankructwa lub zwijanie sieci. Wykorzystanie stacji ładowania w Polsce jest jeszcze niższe niż wynosi średnia europejska, a popyt na usługi koncentruje się w pobliżu największym polskich miast. Wynika to ze znacznie mniejszej liczby samochodów elektrycznych niż przewidywały nierealistyczne polskie plany rządowe.
Sukcesem jest wypracowanie i rozpowszechnienie dwóch europejskich standardów ładowania samochodów elektrycznych: type2 ( prądem zmiennym AC) oraz CCS2 ( Combined Charging System , to rozszerzenie normy IEC 62196, ładowanie prądem stałym  DC do 350 KW ale akumulatory samochodów akceptują moc do 50 KW ). Wcześniej używano na europejskich drogach niezgodne standardy francuskie, amerykańskie i japońskie. Brak było perspektyw rozwoju stacji obsługi wysokich mocy ładowania. Unijny standard bardzo ułatwia już podróże po Europie. W najnowszych modelach stosuje go także Tesla (Model 3) i  Nissan Ariya, który dotrze do polskich klientów za rok.

O kształcie prądu i jego dużej wartości skutecznej w stosunku do średniej, pobieranego przez prostowniki mechaniczne, lampowe, selenowe, rtęciowe... wiedziano od zawsze co pozwalało wybrać transformator sieciowy o odpowiednio dużej mocy. Ale dopiero rosnący udział poboru mocy przez obciążenia nieliniowe czyli prostowniki skłonił towarzystwo IEEE do wydania „normy” IEEE 519 rozsądnie rekomendującej maksymalne poziomy zniekształceń prądu.
Siemens posiadający firmę Osram w 1985 roku opatentował pionierski „electronic ballast” czyli inwerter do zasilania świetlówek kompaktowych. W 1986 roku Siemens wypuścił układ scalony TDA4814 zawierający kontroler do układu Power Factor Correction z kluczem mocy Mosfetem i układ do współpracy z inwerterem dla  CFL dość dużej mocy na tranzystorach Mosfet. Były one stosowane w miejscach publicznych i bez układu PFC nie spełniały „normy” IEEE 519. Idea Siemensa co do PFC była powszechnie naśladowana.

Scalone kontrolery PFC (jednofazowe) wypuściła potem Motorola i Unitrode  ale ich sprzedaż była mała.
Układ PFC nie wzbogaca funkcjonalności urządzenia elektronicznego powszechnego użytku  i nabywca nie widzi go oceniając towar w sklepie. Co gorsza pogarsza sprawność kompletnego zasilacza i zwiększa zawodność urządzenia. Toteż producenci elektroniki zwlekali aż do zastosowania PFC przymusili ich ustawodawcy.
Czas oglądania telewizji jest długi i rośnie tak jak pobór energii. Praktycznie wszystkie odbiorniki Plazmowe, LCD i LED mają od dawna układ PFC. Odbiorniki te w fazie początkowej były horrendalnie drogie i koszt PFC był mało istotny ale raz zastosowane PFC już pozostały. Praktycznie każdy wielki koncern mikroelektroniczny produkujący układy analogowe ma swój kontroler PFC.
W rozwiązaniach do poziomu mocy 300-500W najwygodniejszy jest mod nieciągłego prądu DCM o zmiennej częstotliwości załączania klucza ( przy danym napięciu skutecznym sieci i obciążeniu czas załączania klucza mocy jest stały i proporcjonalny do obciążenia a czas przewodzenia diody tym większy im chwilowo większe napięcie sieciowe, najmniejsza chwilowa częstotliwość pracy winna być ponadakustyczna  ) a przy większej mocy prądu ciągłego CCM o stałej częstotliwości modulacji a przy jeszcze większej ciągłego CCM z przesunięciem faz układów składowych systemu PFC, również o stałej częstotliwości modulacji. Mocy DCM i CCM mają swoje zalety ale też i wady.
Każdy rodzaj – topologia  zasilacza impulsowego ma funkcje ceny z argumentem szerokozakresowości wejściowego napięcia sieciowego. Koszt ten dla układu PFC nie jest ostro rosnący i światowe koncerny przymuszone do zastosowania PFC ławą przeszły na szerokozakresowość napięcia zasilania pozwalającą produkt sprzedawać i stosować ( zmiana wtyczki sieciowej lub dołożony adapter do obowiązującego na danym terenie gniazda sieciowego i ewentualnie kilka różnych elementów dla poszczególnych wersji ) na całym świecie. Urządzenia pracują w zakresie napięć 80-270 Vac choć nie powinny startować przy napięciu niższym niż 90 Vac. Za PFC jest wąskozakresowy zasilacz impulsowy SMPS. Szerokozakresowość ma też złe oblicze. W sytuacji gdy nominalne napięcie sieci 230Vac mocno spadnie zasilacze szerokozakresowe bez litości ciągnące potrzebną moc jeszcze sieć energetyczną  destabilizują. Szerokozakresowy układ PFC może też mieć wbudowany klimatyzator i lodówka ! Gdy udział takich urządzeń jest znaczny sytuacja pod względem stabilności robi się nieprzyjemna.
Na poziomie elementarnym działanie takiego układu PFC jest znane i dlatego dla oszczędności czasu przejdźmy od razu do istotnych aspektów mało znanych lub przemilczanych    
W ćwiczeniu użyto zasilacza o wyjściowej mocy ciągłej 200 W odbiornika TV LCD z wejściowym systemem PFC na układzie kontrolera FA5501 japońskiego koncernu Fuji. Producent zmienił tylko wartości niektórych elementów w stosunku do Noty Aplikacyjnej Fuji i zastosował załączane zasilanie.
Wcześniej stosował układ Infineon TDA4863 ale układ samego zasilacza jest mało zmieniony.

Sprawa stabilności pętli regulacji napięcia wyjściowego jest skomplikowana.
-Wzmacniacz sygnału błędu napięcia ze wzmacniaczem transkonduktancyjnym ( lub operacyjnym w innych układach ) z wyjściowym kondensatorem tworzy integrator. Integrator jest dobry z punktu widzenia tłumienia pulsacji sygnału błędu, które to pulsacje szkodliwie zmodulują pobierany z sieci prąd.
-Sprawność zasilanego przez PFC zasilacza impulsowego zmienia się niewiele w funkcji napięcia.
Zatem dla małych częstotliwości ma on ujemną, destabilizującą PFC rezystancje dynamiczną.
-Pobierany z sieci uśredniony prąd ( i moc) jest proporcjonalny do wyjścia regulatora pętli co symuluje powolną dynamiczna oporność wyjściową. Ta dodatnia stabilizująca oporność dokładnie kasuje ujemną oporność SMPS.
-Ponieważ regulator prądu z wyjściowym kondensatorem elektrolitycznym daje integrator ( oczywiście dla małych częstotliwości ) to zastosowanie regulatora – integratora powoduje ze margines fazy pętli regulacji jest mały i odpowiedz jest oscylacyjna. Po to aby system mógł w ogóle pracować gdy błąd napięcia in plus przekracza 4-8% czyli jest Overvoltage czyli nadmierne napięcie wyjściowe, zdejmowane jest sterowanie klucza Mosfeta i ograniczony stan regulatora pętli. Wymienione pasmo 4-8% musi zawierać pulsacje napięcia na zestarzonym ( z założenia ma działać ponad > 20 lat ) kondensatorze elektrolitycznym który utracił trochę pojemności  i niedokładności wykonania elementów w układzie scalonym kontrolera. Powinno to być raczej mniej niż 4%.
N.B. W każdym rozwiązaniu gdzie stosuje się całkowanie czyli w zamkniętej pętli regulacji regulator I, PI, PID, sprzętowy lub programowy stosowane są nieliniowe środki do zapanowania nad Integratorem. Są one krytyczne ! Kto tego nie rozumie poniesie klęskę.  
Dla bardzo dużego błędu in minus spada transkonduktancja wzmacniacza błędu co obniża wzmocnienie pętli regulacji i działa stabilizująco dla oscylacji. Tak czy owak napięcie na kondensatorze PFC nie wzrośnie powyżej nominalnego o owe 4-8% i nie spadnie poniżej wyprostowanego prostownikiem bez akcji klucza PFC. Zatem regulacja pętli jest tym bardziej krytyczna im niższe jest napięcie sieciowe i mniejsza szerokozakresowość zasilacza impulsowego  SMPS.
Obserwowana oscyloskopem odpowiedź dynamiczna PFC na skokowe obciążenie jest rozczarowująca ale przecież zasilacz impulsowy SMPS ma ogromne tłumienie zmian napięcia.
Gdy zamiast kondensatora we wzmacniaczu sygnału błędu damy szeregowy dwójnik RC uzyskamy  regulator PI i ładną odpowiedz pętli napięcia tyle że pobierany z sieci prąd będzie zniekształcony co jest sytuacją absurdalną bo przecież PFC miał zniekształcenia pobieranego prądu całkowicie zlikwidować ! Kompromisowo możemy opornik w dwójniku RC - PI zbocznikować kondensatorem dla polepszenia tłumienia pulsacji ale margines fazy pętli spadnie tak jak wzrośnie skłonność do oscylacji.      
W poglądowym szkicu dla TDA4863 Infineon pokazuje kondensator czyli regulator - integrator ale już w konkretnej aplikacji jest kompromisowy dwójnik C1,C2,R7 czyli regulator PI !

Zniekształcenia prądu pobieranego przez układy PFC są na tyle małe że ich konkretna wartość nie ma żadnego znaczenia.
Układy PFC mają połowiczą redundancje. Gdy kontroler stwierdzi sytuacje nienormalną i nie podejmie pracy przy odpowiednio wysokim napięciu sieciowym układ pracuje jak zwykły prostownik. Gdy przykładowo ulegnie przebiciu delikatna wyjściowa dioda SiC  ultrafast ( jest to dioda Schottky ) nadal jest zwykły prostownik a klucz Mosfet jest załączany okresowo na ca 100 ns i grzeje się.
W testowanym zasilaczu z PFC zwraca uwagę płaskość i wysoka „gęstość zabudowy” płyty drukowanej. Zastosowano elementy SMD i płytę PCB wielowarstwową czyli z kosztem się nie liczono. Przewymiarowany klucz – Mosfet PFC ma Rdson zaledwie 0.1 Ohm ale za to maleńki jest jego radiator. 

Układ mnożący w kontrolerze PFC zadaje regulatorowi impulsowemu prąd proporcjonalny do wartości chwilowej napięcia sieciowego ( czyli przy sinusoidalnym napięciu sieciowym będzie pobierany sinusoidalny prąd jak przez rezystor ) ale też moduluje wzmocnienie pętli regulacji „stałego” napięcia wyjściowego i rośnie ono z kwadratem wartości skutecznej na pół okres napięcia sieciowego.
Powstaje problem wyboru wzmocnienia w przypadku zasilania szerokozakresowego. Z reguły wzmocnienie jest za duże dla dużych napięć  zasilania ale wtedy jednocześnie najsilniejsze są nieliniowe efekty stabilizacji pętli regulacji - Przycięcie maksymalnego napięcia do 1.04-1.08 zadanego i działanie w układzie zwykłego prostownika dla wartości najmniejszych napięcia wyjściowego. Ale i tak dla najmniejszych napięć zasilania wzmocnienie pętli regulacji jest za małe w stosunku do optymalnego. Elementy odpowiedzialne za wzmocnienie mogą być dedykowane dla konkretnego rynku – kraju – obszaru.

W układzie UC3854 ( z 1993 roku ale jest jeszcze produkowany, mod i pętla regulacji prądu jest CCM  ) odfiltrowane dolnoprzepustowo filtrem dwubiegunowym wyprostowane napięcie sieciowe podane na pin VRMS podniesione do kwadratu, „odwrotnie” reguluje wzmocnienie pętli regulacji i przy zmianach napięcia sieciowego pozostaje ono stałe. Jest to więc coś jak kompensujący nieliniowy feed – forward.    

Taniość wydajnych 32 bitowych układów mikrokontrolerów ARM sprawiła że zastosowano je jako kontrolery w takim jednofazowym PFC ! Prawdopodobnie z powodu zawodności i gorszych ( sic ! ) parametrów wycofano się z tego rozwiązania. Stosowanie programu udającego analogowy kontroler nie ma wielkiego sensu i programowy kontroler działa gorzej niż analogowy choćby z racji operacji przetwarzania A/D wprowadzającego przecież różne błędy i zwiększonego czasu martwego w regulacji. Przy komplikacji programu taki PFC mógłby absorbować zniekształcenia prądu wprowadzane do sieci przez inne odbiorniki bez PFC. Temat jednak jest skomplikowany i brak jest regulacji prawnych w tym obszarze.

Tematem konwerterów LLC ( taki zmodyfikowany zastosowano w zasilaczu użytym w ćwiczeniach ) będziemy się później zajmować. 

Texas Instrument kontrolery z przesunięciem fazy układów składowych pracujące w modzie CCM proponuje dla mocy > 1 kW. Ich zaletą jest mniejsze obciążenie wyjściowego kondensatora pulsacjami prądu czyli zmniejszenie strat i napięcia zakłócającego  pulsacji oraz zmniejszenie pulsacji PWM w prądzie wyprostowanego napięcia sieciowego  które  trzeba filtrem LC odfiltrować co pozwala oszczędzić na kosztach i wymiarze sieciowego filtru LC.

PFC ma moc pobierać z sieci ze współczynnikiem mocy 1 jak rezystor czyli przy zniekształconym napięciu ma pobierać tak samo zniekształcony prąd. Ponieważ normą jest przycięcie szczytów napięcia sieciowego idealny PFC ma pobierać odrobinę zniekształcony prąd. Należy o tym pamiętać posługując się analizatorami sieciowymi ! Użyteczna jest informacja graficzna pokazująca napięcia i prądy w dziedzinie czasu. Warto pamiętać o ograniczeniach analizy w dziedzinie czasu i częstotliwości. Obie analizy są komplementarne i całkowicie bezużyteczne w nie swoich obszarach kompetencji.
Funkcje PFC dla redukcji kosztów próbowano zintegrować z zasilaczem impulsowych SMPS ale nic z tego nie wyszło. Mała część świetlówek kompaktowych miała bierny układ do połowicznego zwiększenia współczynnika mocy 

Na początku wieku wiodące koncerny wypuściły scalone inwertery CMOS do wzmacniaczy akustycznych o mocy do 600 W na kanał. Gdy sterowane są cyfrowym sygnałem PWM ich napięcie zasilania musi być absolutnie sztywne i pozbawione zakłóceń jako że wprost przełoży się to na szumy sygnału wyjściowego. Jakość regulacji napięcia jest teoretycznie z góry ograniczona częstotliwością pracy zasilacza impulsowego i stąd częstotliwość może przekroczyć 200 KHz.
Wzmacniacz akustyczny w klasie D jest bardzo niespokojnym odbiornikiem mocy.
Przy dużym szczytowym poborze mocy średni pobór mocy w czasie życia wyrobu jest bardzo mały.
PFC obniża sprawność kompletnego zasilacza i w przypadku wielkiego wzmacniacza akustycznego w klasie D PFC winien być aktywowany tylko przy ekstremalnie dużej mocy wyjściowej wzmacniacza. Tu PFC z mikrokontrolerem ma sens zastosowania !
O ile sterowany cyfrowym sygnałem PWM inwerter musi mieć zerowe czasy martwe przy przełączaniu  co powoduje że jałowo biorą sporo mocy to inwertery wzmacniacza z analogową pętlą sprzężenia zwrotnego mogą mieć czas martwy a bezstratną komutacje ZVS jałowo i z małymi sygnałami wyjściowymi wykonuje prąd wyjściowego dławika. Jałowy ( typowy przy małym wysterowaniu ) pobór mocy przez wzmacniacz 200W może być mniejszy od 1 Wata.

Trójfazowe prostowniki aktywne jedno i dwukierunkowe do zasilania maszyn CNC i robotów mimo iż kosztowne  oprócz zmniejszenia obciążenia sieci energetycznej prądami harmonicznymi pozwalają znacznie lepiej wykorzystać inwertery i silniki serwonapędów co jest bardzo korzystne ! 
 
Koncepcja jądrowych reaktorów energetycznych naturalnie bezpiecznych  ( inherently safe ) pojawiła się już w latach siedemdziesiątych XX wieku. Konstrukcja reaktora i jego obudowy wyklucza niebezpieczne wydostanie się materiału radioaktywnego. Z systemu bezpieczeństwa usunięto mnóstwo aktywnych i sterowanych urządzeń których uszkodzenie może prowadzić do rozwoju awarii. O bezpieczeństwie decydują elementy bierne czyli sama fizyka a w tym siła ciążenia i przepływy konwekcyjne. Generalnie w przemyśle celem jest obniżenie ryzyka niesionego przez proces  co dodatkowo może obniżyć koszty rozwiązania. Jedną z zasad jest uproszczenie.
Taką zmodyfikowaną idee można  wykorzystywać w automatyce i elektronice wykorzystując do realizacji funkcji bezpieczeństwa istniejące mechaniczne i elektryczne funkcje logiczne i czasowe.    


Sprawdzenie.
1.Zamodelowanie idei głównej pętli regulacji napięcia układu PFC ( bez regulacji impulsowej ) dla ustalenia w dziedzinie czasu zniekształceń prądu pobieranego z sieci jest bardzo proste.
Urządzenia małej mocy nie mają układu PFC i ich pojemnościowe prostowniki sieciowe pobierają z sieci silnie zniekształcony prąd.
Prąd pobierany przez jednofazowy układ PFC jest tylko trochę zniekształcony. W Notach Aplikacyjnych producenci często dają wykres harmonicznych ale nie podają ich faz i nie można stwierdzić czy one się dodają czy odejmują z prostownikami pojemnościowymi. 
Czy zniekształcenia te w ( dziedzinie czasu ) się sumują czy odejmują ?

2.W układzie  UC3854 regulator pętli PWM regulacji zadanego prądu w modzie CCM  jest PI ale z dodatkowym zerem. Równolegle do szeregowego dwójnika R8-C9 dającego ze wzmacniaczem operacyjnym transmitancje PI dano kondensator C8 zera. To zero trochę wygładza pulsacje PWM w sygnale wyjściowym z regulatora co mocno zmniejsza skłonności do generacji subharmonicznych. Jaka jest optymalna relacja stałej czasowej tego zera czyli w przybliżeniu C8 x R8 do częstotliwości modulacji PWM ?  

3.W zasilaczu ( schemat i PDF FA5501 w załączeniu ) cały czas pracuje scalony zasilaczyk impulsowy Viper 22 dostarczający moc mikrokontrolerowi odbierającemu sygnały zdalnego sterowania. Jego rozkazy załączają PFC i zasilacz. 
-Jak uruchomić sam zasilacz ?
-Do czego po kolei służy aż 6 transoptorów w tym zasilaczu ? Z czego wynika ta komplikacja ?
-Jakie zabezpieczenia ma wbudowane sam układ scalony FA5501 ?
-TV z tym zasilaczem nie ma wyłącznika sieciowego ale zastosowano dodatkowo różne sprytne zabezpieczenia. Wymień te zabezpieczenia. 
-Jaką mocą maksymalną DC można przy napięciu sieciowym 230 Vac obciążyć PFC bez spadku wyjściowego napięcia DC ?

4.Zaproponuj modyfikacje ( dopuszczalne użycie kilku nowych elementów ) tak by PFC częściowo pobierał prąd komplementarnie do zwykłych prostowników pojemnościowych.


Cwiczenie.

1.Obciążeniem dla napięcia wyjściowego 410 Vdc z PFC są rezystory ( break resistor ) dużej mocy. Rozłączenie napięcia 410 Vdc normalnym wyłącznikiem jest niemożliwie bowiem zapala się niszczący łuk albo możliwe ale tylko niewiele razy do jego zniszczenia.
Przekaźnik mocy 10 A / 250 Vac może trwale rozłączać przy napięciu 250Vdc prąd tylko 100 mAdc. Styki dwóch przekaźników A i B połączone są szeregowo a do styków B dołączony jest równolegle termistor PTC czyli pozystor o dodatnim współczynniku cieplnym rezystancji.
Littelfuse mający dużą ofertę bezpieczników oferuje też termistory PTC jako bezpieczniki wielorazowego użytku.
Przy załączaniu przekaźników w  każdym razie niedopuszczalne jest późniejsze załączenie B bo powoduje to momentalne, szkodliwe nagrzanie pozystora prądem obciążenia. Wpierw wyłącza się przekaźnik B a jest to możliwe bo „zimny” PTC ma mała oporność i napięcie na bocznikowanych nim stykach przekaźnika jest na tyle małe że zachodzi rozłączenie prądu. Prąd obciążenia płynąc przez PTC momentalnie go silnie nagrzewa i prąd spada na tyle że A jest w stanie go rozłączyć. Jeśli wadliwie jednocześnie wyłączymy przekaźniki A i B to na stykach A zapali się łuk ale zgaśnie po nagrzaniu PTC. Jednak styki A są gwałtownie niszczone łukiem dużej mocy.
Czyli B ma od razu reagować na rozkazy On – Off a przekaźnik A przy On z bardzo małym opóźnieniem a dla rozkazu Of f z większym opóźnieniem. 
Autor przed dekadami stworzył taki układ jako żądane rozwiązanie wyłącznika mocy do systemu HVDC. Użyto do pokazu pozystora PTC stosowanego w TVC do pętli rozmagnesowania kineskopu.
W konstrukcji zastosowano w gruncie rzeczy idee procesów naturalnie bezpiecznych. Przekaźnik B odpuszcza - wyłącza mechanicznie momentalnie (  ca 2 ms ) dlatego że bardzo szybko zanika prąd w jego uzwojeniu jako że bez bocznikującej diody  tranzystor ogranicza napięcie do poziomu Uceo a przekaźnik B jest zbocznikowany diodą i odpuszcza z opóźnieniem ca 20ms. Opóźnienia daje też kondensator przy tranzystorze sterującym przekaźnik A.
Aby zanik napięcia zasilania nie zresetował timera dokonującego ochronnej blokady akcji On na czas ostygnięcia PTC napięcie na obwodzie czasowym RC monitoruje tranzystor Mosfet i wyłączenia zasilania i powtórne podanie go nie zakłóca działania tego timera.
W energetycznym wyłączniku prądu zmiennego WN – NN zapalony przy rozwieraniu styku łuk jest silnie chłodzony i wygaszany przez medium ale gaśnie dopiero po przejściu prądu przez zero. Prądu stałego nie da się wyłącznikiem AC rozłączyć.
Czas nagrzewania PTC wyłączanym prądem i czas stygnięcia PTC do czasu możliwego ponownego załączenia ma być stały. Skutki błędnego zadziałania są okropne i programowa realizacja logiki wydaje się praktycznie wątpliwa. Układ sterujący z sygnalizacją jest bardzo prosty i absolutnie pewny w działaniu.
-Zaproponuj swoje rozwiązanie sterowania   

2.Rezystory mocy o przełączanej oporności jako obciążenie PFC załącza tranzystor Mosfet sterowany z generatora o częstotliwości 1 Hz.  Odpowiedź czasowa na skok obciążenia rejestruje oscyloskop.
Napięcie na kluczu mocy Mosfet ma podwójną modulacje. Modulacje od wyprostowanego mostkiem napięcia sieciowego z częstotliwością 100 Hz czyli 2 x 50 Hz  i modulacje zmienną częstotliwością PWM. Aby uzyskać oscyloskopem sensowne wykresy sygnałem synchronizującym jest wyprostowane napięcie sieciowe z mostka, oczywiście za dzielnikiem rezystorowym. Dopiero oscyloskop pokazuje komplikacje realnego systemu.
-Zinterpretuj odpowiedź na skok obciążenia wskazując na stabilizujące pętle regulacji efekty nieliniowe
-Porównanie schematu z PCB wyjaśnia dlaczego odpowiedź jest lepsza niż można oczekiwać. Dlaczego ?