Laboratorium zaawansowanej elektroniki i automatyki 55

Laboratorium zaawansowanej elektroniki i automatyki 55

 Ilość stopniodni ogrzewania wyznacza obszary Ziemi gdzie budynki muszą mieć wbudowany system ogrzewania. Polska jest stosunkowo zimnym miejscem na Ziemi i ogrzewanie stanowi istotny dla wszystkich koszt. 
Ale coraz większe problemy stwarzają w świecie upały. 
Według badaczy tematu i „The Economist” szybko rośnie liczba ludzi cierpiących w całym świecie od upałów. Wykresy „The Economist” sporządzono z danych uśrednionych w okresach 1980-1984 i 2017-2022.
Bogatsi mogą korzystać z klimatyzacji... zasilanej elektrowniami opalanymi paliwami kopalnymi. Sumaryczna moc produkowanych PC - Pomp Ciepła ( chłodzenie latem – grzanie jesienią ) cały czas rośnie w świecie. 

W zimie rekuperator z wentylacją mechaniczną zmniejsza ilość wyrzucanego z zużytym powietrzem ciepła zaś w lecie w ciągu dnia zmniejsza ilość ciepła wnikającego do domu ale w nocy niestety zapobiega ochłodzeniu pomieszczeń zimniejszym powietrzem. Zatem w letniej nocy inteligentna wentylacja winna pracować bez rekuperacji !
Z takim systemem przy dobrej izolacji cieplnej domu nawet w czasie silnych upałów temperatura w Polsce  nie wzrośnie w domu powyżej 24 C. Intensywność wentylacji – rekuperacji  dostarczającej świeżego powietrza w ciągu dnia powinna być proporcjonalna do ilości osób i ich aktywności aby domu niepotrzebnie nie podgrzewać.
Zauważmy że wentylacja mechaniczna podczas letniej nocy ma wiele zalet nad zwykłym otwarciem okna. Nie wlatują niebezpieczne komary i inne owady. Powietrze zaczerpnięte z poziomu dachu budynku  jest też czystsze i może być z grubsza filtrowane. Ulewa jest niegroźna a przy otwartym oknie narobi szkód. Mieszkania z systemem wentylacji mechanicznej są znacznie mniej zakurzone i w związku z tym tańsze jest ich utrzymanie.
Komarzyca może złożyć jaja dopiero po napiciu się krwi ofiary i zmniejszenie ilości użądleń w oczywisty sposób zmniejsza populacje komarów. Wraz ze zmianami klimatu mogą one zacząć nawet w Polsce transmitować niebezpieczne wirusy.
Okna nasłonecznione winny być przesłonięte zasłonami lub żaluzjami.
Recz jasna miejsce umieszczenia lodówki w kuchni wpływa na jej pobór energii ( temat jest znany) i stosowne przepisy powinny temat lodówki w kuchni optymalnie uregulować.
Oszczędniejsze lodówki czy sprawniejsze żarówki LED są droższe. Minimalizowany musi być koszt zakupu powiększony o wieloletni koszt zużywanej energii. Gdy energia jest droga optymalne są urządzenia oszczędne.
Zauważmy że synergicznie panele PV umieszczone na dachu i południowej fasadzie domu ograniczają jego nagrzewanie.
Schładzająca w letnie noce  pomieszczenia wentylacja mechaniczna jest szczególnie cenna w budynkach wszelkich instytucjach gdzie ochrona , nawet jeśli jest, nie może otwierać pomieszczeń a w  nich okien a w razie ulewy nie zdąży ich zamknąć.
Im budynki są bardziej masywne i mają lepsza izolacje tym mają większe stałe czasowe.
Najniższa temperatura pomieszczeń rano nie powinna nikomu przeszkadzać bo przecież mieli ubranie adekwatne do pogody idąc do pracy.
Istotne jest też ograniczanie wydzielanie ciepła przez komputery i oświetlenie. Dostępne są żarówki LED o coraz większej sprawności.  

Według NYT Tylko 1 % Amerykanów uważa zmiany klimatu za najważniejszy problem, który ma kraj. Dominują  problemy gospodarki ( 20% ankietowanych ) i  wzrost kosztów życia (15%). 

W USA odwrót od Fordyzmu dla pracowników (!) trwa od 1973 roku a Europie zaczął się w latach osiemdziesiątych. Amerykański kierowca ciężarówki jeszcze w latach osiemdziesiątych zarabiał równowartość 110 tysięcy dolarów w obecnej wartości. Teraz zarabia średnio 48 tysięcy. Godziny pracy są dłuższe, ochrony socjalnej nie ma żadnej. Średni wiek amerykańskiego truckersa to 55 lat. Gdy umrze, rzekomo zastąpi go automatyczna ciężarówka Elona Muska.
Narracja o automatycznych ciężarówkach Muska służy raczej do dyscyplinowania i zastraszania kierowców. Zautomatyzować ciężarówkę jest bardzo trudno. Łatwiej jest zautomatyzować samolot a mimo to samoloty dalej mają pilotów. Gdy zostaną użyte zhakowane autonomiczne samochody ciężarowe wściekłość społeczeństwa będzie nie do opanowania. Po pierwszych wypadkach spowodowanych przez te autonomiczne ciężarówki stawki ubezpieczeniowe wystrzelą w sufit.
O autonomicznych ciężarówkach słyszy się od dawna i nadal ich nie ma.
Czy przechwycenie komunikacji z ciężarówka jest możliwe ? Badacze przypuszczają że chińscy hakerzy potrafią przechwytywać amerykańską komunikację wojskową związaną z arsenałem nuklearnym ! 

Badacze zachodzą w głowę co jest powodem coraz bardziej zwalniającego średniego tempa wzrostu gospodarczego w USA w XXI wieku.

Model kariery z  awansami co parę lat  powstał w czasach demografii w kształcie piramidy. W starzejącym się społeczeństwie awans jest  rzadkim dobrem. Rośnie frustracja związana z konkurowaniem ze współpracownikami i presja na blokowanie karier młodszych pracowników.

 Na samo objaśniającym się schemacie pokazano typowy system HVAC ( Heating Ventilation Air Condition ) wysokiego biurowca. Okna w budynku są oczywiście nie otwieralne.
Ogrzanego powietrza budynkowi dostarcza wymiennik ciepłą HC zasilany gorącą wodą lub parą wodną. Z uwagi na transport ciepła przepływ powietrza musi być znaczny.
N.B. W blokach mieszkalnych gdzie każde mieszkanie ma ogrzewanie, zużyte powietrze jest usuwane przez rekuperatory a świeże podgrzane w rekuperatorze podawane do mieszkań. W tym przypadku przepływ powietrza jest znacznie mniejszy.
Zimna dostarcza wymiennik CC zasilany zimną wodą. Wilgoci powietrzu dostarcza dyszami H para wodna.
Obieg powietrza i małe nadciśnienie w budynku zapewniają wentylatory SF i RF. Regulowane przesłony ( D-damper w oznaczeniu ) ustalają skład powietrza czyli udział w recyklingu i udział nowo zasysanego powietrza.
Mankamentem tego rozwiązanie jest propagowanie wirusów i bakterii w powietrzu w całym budynku. Aby temu zapobiec stosuje się filtry powietrza F a od niedawna stosuje się ultrafioletowe UV  lampy LED zabijace bakterie i wirusy.  Te lampy UV stosowane są nawet w domowych pompach ciepła.
Z racji taniości i niezawodności aktuatorów stosowane są w pętlach regulacji regulatory Krokowe.
Aby ograniczyć szybkość przepływu powietrza czyli pobór mocy wentylatorów i hałas w duktach, muszą mieć one znaczny przekrój. W filmach sensacyjnych osoby poruszają się tymi duktami. Wydajność wentylatorów regulowano kątem nachylenia ich łopat ale lepsze - oszczędniejsze  jest zasilanie obu silników wentylatorów z invertera.  

System HVAC musi zapewnić bezpieczeństwo a w tym bezpieczeństwo pożarowe. Na rysunku pokazano którymi aktuatorami steruje system bezpieczeństwa.

W tabeli jest algorytm działania systemu bezpieczeństwa.
S/F to Smoke / Fire detection.
FC to Fire Command Panel.

 Duże znaczenie ma ekonomia pracy systemu HVAC. Na rysunku pokazano ekonomiczną, skoordynowaną regulacje temperatury.

Na rysunku pokazano ekonomiczną, skoordynowaną regulacje wilgotności.

 Nadal postępująca w świecie Urbanizacja ( ale są też lokalne trendy odwrotne ) ma wiele zalet ale ma też wady. Zalety trzeba maksymalizować a wady minimalizować. Temperatura w centrum milionowego miasta jest wyższa o około 1 C ale w 20 milionowym potworze nawet o 3 C co w lecie jest uciążliwe.
Wydaje się że wzrost miast ponad 1-2 mln mieszkańców nie przynosi już korzyści. 
W dużym mieście jest dużo lepsza dostępność wszelkich usług. Lepsze są szkoły. Praca jest lepiej płatna i w ogóle jest. Tańsza i dużo lepsza jest infrastruktura. Możliwe jest ekonomiczne ogrzewanie z elektrociepłowni.
Granicą lepszej przyszłości jest w Polsce właśnie granica miasta. Różnica w wynikach matur 2022 w mieście a powiecie tuż obok wynosi nawet  30-40 %. Lublin 83% powiat lubelski 43%. Białystok 80% powiat białostocki 56%. Wrocław 80% powiat wrocławski 51%. 

Rozwój przemysłu na Zachodzie spowodował wzrost Globalnych Nierówności ale rozwój głównie Chin je od nowego wieku zmniejsza.

 Projekt budowy polskiego auta elektrycznego Izera  stracił kluczowe i jedyne merytoryczne wsparcie. Z przedsięwzięcia wycofał się niemiecki integrator techniczny, niemiecka firma EDAG Engineering. Doświadczenie EDAG miało być gwarantem powodzenie inwestycji. Powody rezygnacji firmy są poważne. Firma nie chce m.in. narażać swojego wizerunku. „Kończ waść, wstydu oszczędź ”
Spółka Electromobility Poland od początku sprawiała wrażenie stworzonej tylko i wyłącznie po to, żeby krewni i znajomi Królika mogli sobie zarobić z państwowych, czyli z naszych pieniędzy. „Weźmy się i zróbcie”. W miejscu, w którym miała powstać fabryka Izery, nadal rośnie sobie las. I bardzo dobrze, bo jak  rośnie to jest z niego pożytek.
Ale zarząd spółki nie traci dobrego humoru i dalej ssie budżet jak ciele krowę czy raczej prosie maciorę.
Izery powstaną tak samo jak promy, helikoptery i wiele, wiele innych obiecanek.
Trzeba uruchomić zastępczą produkcję polskiego auta nakręcanego na kluczyk.
Polska to bardzo bogaty kraj, skoro stać nas na takie „inwestycje”.
Ostatnim w historii wymyślonym i wyprodukowanym w Polsce „autem” jest i pozostanie jeszcze długo SYRENA 105
Ojcem masowego samochodu osobowego był Henry Ford. Ford i  GMC przed wojną i po wojnie  stawiali fabryki w wielu krajach  świata. To oni w gigantycznej skali rozpowszechniali wiedzę i technologie. Stalinowski Związek Radziecki kupił od Forda kompleks zakładów w Gorki. Czołgi produkowano w fabrykach traktorów postawionych przez amerykańskie koncerny. Amerykańscy giganci mieli też fabryki w III Rzeszy.
Ford fabryki w Polsce nie zbudował bo brzydził się oślizgłą, złodziejską  sanacyjna dyktaturką.  
Gdyby fabryka Forda powstała w Polsce na przykład w 1933 roku to nasze szanse w starciu z Niemcami potężnie by wzrosły.

Do Polski płynie z Zachodu rzeka starych samochodów i brudnych plastików. W sumie to ten sam rodzaj rzeczy. Samochody są jeszcze latami dobijane w Polsce a plastiki palone czyli ”przetwarzane”.

 Udział w światowym podziale pracy owocuje poziomem wynagrodzeń. W 2021 roku 55 % towarów z Polski jest eksportowanych przez zagraniczne koncerny. W przypadku usług jest to 65 %. Przedsiębiorstwa własności krajowej wytwarzają 44% „polskiego” eksportu. 
Wielkość eksportu w mln Euro w grupach towarów:
1.Części i akcesoria do pojazdów silnikowych 10 735
2.Monitory, projektory i aparatura odbiorcza 5 295
3.Meble i ich części, różne 5 223
4.Meble do siedzenia 4 960
5.Samochody osobowe 4 943
6.Akumulatory elektryczne 4 663
7.Papierosy 3 551
8.Samochody ciężarowe 3 098
9.Aparatura do transmisji i odbioru głosu 2 850
10.Drut, kable i pozostałe przewody izolowane 2 622

Sytuacja w strukturze „polskiego” eksportu jest więc rozpaczliwie zła. „Części i akcesoria do pojazdów silnikowych” produkują poddostawcy skazani na fochy jedynego odbiorcy.  „Monitory, projektory i aparatura odbiorcza” to montownie firm koreańskich na terenie Polski bo polskie firmy elektroniki nie produkują. I tak dalej.
„Dużo się narobić i mało zarobić” - to efekty pracy polskich nie-rządów.
Zachodnie firmy a szczególnie Niemcy zbudowali na małych Węgrzech przemysł samochodowy. Eksport w 2021 roku wyniósł 25 mld Euro czyli wielokrotnie więcej niż z większej Polski.  Mercedes wybuduje teraz nową linię montażową za miliard euro w fabryce w Kecskemet.

https://www.restud.com/paper/the-missing-profits-of-nations/
"36% zysków przedsiębiorstw wielonarodowych jest przenoszonych do rajów podatkowych na całym świecie. Amerykańskie przedsiębiorstwa wielonarodowe przenoszą dwa razy więcej zysków niż inne przedsiębiorstwa wielonarodowe w stosunku do wielkości ich zagranicznych zysków.
We analyze how the location of corporate profits would change if shifted profits were reallocated to their source countries. Domestic profits would increase by about 20% in high-tax European Union countries, 10% in the United States, and 5% in developing countries, while they would fall by 55% in tax havens. "

 A jak wygląda alokacja polskiego kapitału z budżetu. Jest kabaretowa i zasługuje na surowe kary !
W masowym transporcie morskim ropy naftowej, węgla , rud .. działa efekt skali. Dzięki niskim kosztom jednostkowym wielkimi statkami opłaci się z daleka przywieźć do Europy na przykład węgiel. Mniejsze jednostki do tego celu nie są używane.  Masowiec Agia Tras, który przywiózł z Kolumbii węgiel do Portu Północnego ma 290 m długości, 47.05 m szerokości i prawie 18 m zanurzenia.
Warto to porównać z mikro-statkami jakie mogą pokonać właśnie wykonany przekop mierzei za blisko 3 mld złotych ! Ale port w Elblągu jest w stanie obsłużyć tylko jeszcze mniejsze jednostki.
Przekop Mierzei "kończy się w krzakach. Żaden statek nie będzie rozładowany" Należy dopiero pogłębić tor wodny na rzece Elbląg, ponieważ obecnie jest on  płytki.
Nie wiadomo po co skandalicznie niegospodarnie wykonano ten rów. „Staszek chce się sprawdzić w biznesie” Od lat wiadomo że do największej korupcji dochodzi właśnie w inwestycjach infrastrukturalnych.

W inverterach PWM królują mostki trójfazowe. Tam gdzie sprawność i mały poziom strat dynamicznych w odbiorniku są bardzo istotne można zastosować mostki trójpoziomowe gdzie do każdej wyjściowej fazy oprócz napięć zasilania dołączany jest też kluczami poziom Neutral ( analogia do N w systemie trójfazowym ) wytworzony dwoma szeregowymi kondensatorami blokującymi zasilanie. Strategia sterowania kluczami musi zapewnić na Neutral połowę napięcia zasilania
Na rysunku z lewej strony jest starsze rozwiązania „Neutral Point Clamped” półmostka a po prawej nowsze i bardziej skomplikowane rozwiązania „Active Neutral Point Clamped”.
W rozwiązaniu ANPC są do wyboru dwie strategie operowania kluczami. Można z częstotliwością PWM operować kluczami wejściowymi T1,5,6,4 a z mniejszą częstotliwością sygnału kluczami wyjściowymi T1,2 lub odwrotnie.

 Różnica w sprawności mostków NPC a ANPC jest tym większa im mniejszy jest współczynnik mocy odbiornika. Dla odbiornika czysto biernego wynosi typowo przy obecnej technologii IGBT około 0.4%. Zatem invertery trójpoziomowe mają sens tylko dla dużych mocy !

Dostępne są już moduły z półmostkami NPC i ANPC. Półmostek NPC jest trzykrotnie droższy od konwencjonalnego a ANPC jest jeszcze droższy.
Na zdjęciu pokazano płytę mocy wielomodułowego kompletnego trójfazowego invertera NPC. Jest ona skomplikowana !

Obecnie polskie firmy nie produkują elektroniki w sensownej ilości. Kaseta magnetofonowa Compact Cassette to wynalazek Philipsa z 1963 roku ale upowszechniał się początkowo opornie. Pierwszy magnetofon kasetowy z funkcją nagrywania wypuszczono dopiero 1968 roku. Gierkowa Polska kupiła sporo licencji od francuskiego Thomsona. W 1971 roku kupiła nowoczesną licencje na magnetofon kasetowy MK125 z zasilaniem bateryjnym i z instalacji samochodu ( w komplecie mikrofon i zasilacz sieciowy wkładany zamiast baterii ), który już 1972 roku sprzedawano. W bloku wschodnim był to pierwszy magnetofon kasetowy. MK125 miał nawet sprytny uchwyt mocujący do samochodu ! Na Zachodzie nagrane muzyką kasety sprzedawano w wielkich ilościach.
 Także inne licencje od Thomsona były nowoczesne. Niestety wyrobów nie modernizowano a wiele z nich można było eksportować na cały świat.

Archiwum: „Optymalizacja
 Optymalizacja słusznie uchodzi na pogranicze Sztucznej Inteligencji.
Pierwszym krokiem w optymalizacji jest sformułowanie funkcji celu.
Cena wzmacniacza Audio rośnie w przybliżeniu w potędze 0.8 jego mocy a więc wolniej niż liniowo. Rośnie także przy maleniu  zniekształceń i szumów. Estetyka obudowy ma wpływ na cenę
Musi mieć on typowe funkcjonalności urządzeń w swojej klasie. Dodatkowe funkcjonalności podnoszą cenę ale trudno jest dokładnie ocenić o ile. Optymalizujemy stosunek Ceny do Nakładów produkcyjnych. Elementów do optymalizacji są setki !

Człowiek jest jedyną istotą rozumną i tylko on posługuje się kategoriami abstrakcyjnymi.
Na przykładzie pokazano że na razie inteligencja ludzka jest niezastąpiona.

 Harol Black wynalazkiem wzmacniacza ze sprzężeniem zwrotnym  zrewolucjonizował elektronikę i automatykę. Pracując w Bell Laboratories projektował on wzmacniacze dla telefonii międzykontynentalnej. Miały mieć one małe zniekształcenia i płaskie wzmocnienie w szerokim pasmie. W 1927 roku odkrył że ujemne sprzężenie zwrotne zmniejszy zniekształcenia i może uczynić płaską charakterystykę częstotliwościowa w znacznym zakresie częstotliwości kosztem redukcji wzmocnienia. Zgłoszenie patentowe było w 1928 roku zaś artykuł z nową ideą opublikowano dopiero w 1934 roku. Wynalazek Blacka zyskał ogromne znaczenie. 
Współczesna Automatyka i Elektronika nie istnieją bez sprzężenia zwrotnego. W przyrodzie i technice sprzężenia zwrotne występują powszechnie w ogromnej ilości.
Wzmacniacze ze sprzężeniem zwrotnym pracuję w zakresie DC do 3 GHz i górna częstotliwość stale rośnie. Coraz popularniejsze są scalone wzmacniacze szerokopasmowe. Niektóre mają symetryczne wejście i wyjście jak uA733 czyli NE592.
Duże znaczenie miała jego książka "Modulation Theory" (Van Nostrand, 1953) gdzie m.in. pioniersko wyłożył rozkład w podwójny szereg Fouriera sygnału z modulacją PWM.
W Bell Laboratories odkryto tranzystor bipolarny oraz tranzystor MOS oraz mnóstwo innych rzeczy. Bell rozpoczął popularyzacje światłowodów w USA. Bell ma największą ilość Noblistów wśród wszystkich firm świata.
W dwójkach szerokopasmowych WE-WE uzyskuje się najlepsze wykorzystanie własności wzmacniających tranzystorów. Dwójka taka może mieć wejściowe i wyjściowe dopasowanie falowe co często ma podstawowe znaczenie  Ich projektowanie jest jednak dużo trudniejsze od dwóch stopni pojedynczych. Znane są przybliżone wzory dla optymalnej wartości elementów.
Optymalizacja programem jest czasochłonna bowiem w każdym kroku ( będzie ich kilkaset ) trzeba wyliczyć charakterystykę częstotliwościowa w najmniej kilkudziesięciu punktach częstotliwości. Funkcja celu może też uwzględniać odbicia sygnału na wejściu i wyjściu wzmacniacza.
Wadą lokalnych sprzężeń zwrotnych w stopniach wzmacniacza jest mocne podniesienie wymaganego napięcia sterowania ( co ma znaczenie w stopniach końcowych ) czyli podnosi ono wymagania na stopień sterujący i zwiększa w nim zniekształcenia.
Zatem najważniejsza jest sama konfiguracja wzmacniacza ( to efekt pracy mózgu )  i dopiero optymalizacja wartości elementów bowiem z „pustego i Salomon nie naleje”
Jak dotychczas wymyślaniem konfiguracji i ich analizą zajmował się kreatywny człowiek. Analiza pozwala przejść do syntezy czy wyliczenia wzorów ( i praktycznego sprawdzenia ich słuszności ) dla optymalnych wartości elementów.

Ujemne sprzężenie zwrotne przy znacznym przesunięciu fazy w pętli staje się sprzężeniem dodatnim. Zrozumienie zagadnień sprzężenia zwrotnego i przekucie ich w konkretne rozwiązania przyszło z dużymi trudnościami. Zrozumienie ograniczeń pozwala szybko porzucić ślepe uliczki donikąd i porzucić nierealizowalne oczekiwania.

 Pierwszym modułowym lampowym wzmacniaczem operacyjnym był  K2-W z 1953 roku. Dwulampowy moduł ( 12AX7 to amerykańskie odpowiedniki podwójnych triod ECC83 ) był wygodnie instalowany w typowym oktalowym gnieździe.  Idea wzmacniacza operacyjnego jako „building block” zyskała wielką popularność.
 Pierwszym scalonym monolitycznym wzmacniaczem operacyjnym był układ uA702 z 1963 roku.
Uproszczone i bardzo uproszczone wzmacniacze operacyjne są też fragmentami bardziej skomplikowanych układów scalonych. Wzmacniacz operacyjny zawsze pracuje ( rzadko jest używany jako komparator) z zewnętrzną globalną pętlą sprzężenia zwrotnego. Natomiast sam może mieć w sobie wewnątrz pętlę lub nawet kilka pętli różnych sprzężeń ! Specyficzny wzmacniacz - komparator pracuje w otwartej pętli.
Popularne ale już stare wzmacniacze operacyjne ( = OPA ) uA741 i LM101 mają wzmocnienie 1 przy F około 1 MHz z zapasem fazy około 45 stopni a wzmocnienie stałoprądowe wynosi ponad 100 tysięcy razy.
W dominującym od lat w OPA rozwiązaniu jest różnicowy stopień wejściowy NPN lub PNP lub P-JFet lub P-Mos , stopień wzmocnienia napięciowego z kompensacją częstotliwościową Millera  i końcowy komplementarny wtórnik wyjściowy. We wzmacniaczach operacyjnych mocy ( prąd wyjściowy do 0.5 - 2 A) wyjściowy wtórnik emiterowy jest podwójny – kaskadowy. Układy wzmacniaczy mocy Audio TDA 2020 i TDA2030 są w istocie wzmacniaczami operacyjnymi mocy.
Takie też ogólnie rozwiązanie dominuje od końca lat sześćdziesiątych w konstrukcji akustycznych wzmacniaczy mocy.  W rozwiązaniach japońskich stosowana jest aż potrójna kaskada wyjściowych wtórników emiterowych. Wtórnik emiterowy ma 100% lokalne szeregowe sprzężenie zwrotne i zastosowanie potrójnego wtórnika wymaga dla jego stabilizacji, optymalizacji środków stabilizujących taki system.  

Wszystkie elementy aktywne są nieliniowe.
Przy małych częstotliwościach ( w stosunku do Ft ) tranzystor bipolarny w konfiguracji WE sterowany napięciem sinusoidalnym zaledwie 0.1 Ut (Ut = kT/q i w temperaturze pokojowej wynosi ca 25.8 mV) czyli 2.6 mV ma zniekształcenia THD aż około 3 %.
O wiele korzystniejsza jest bipolarna para różnicowa ! Jeszcze mniejsze zniekształcenia nieliniowe ma różnicowa para tranzystorów JFet i Mosfet.

Dlaczego udało się we „wzmacniaczach operacyjnych” ( także mocy ) uzyskać zniekształcenia nieliniowe poniżej 0.001 % skoro tranzystory są tak mocno nieliniowe ?
-Wejściowy stopień różnicowy może być wystarczająco liniowy z małym napięciem różnicowym czyli we wzmacniaczu o szerokim paśmie (w stosunku do sygnału ) z  odpowiednią kompensacją częstotliwościową, najlepiej dwubiegunową.
-Stopień wzmocnienia napięciowego jest względnie liniowy i pracuje z lokalnym sprzężeniem zwrotnym
-Wyjściowy wtórnik pracuje ze 100% szeregowym sprzężeniem zwrotnym.
-Bardzo ważna jest odpowiednia kompensacja częstotliwościowa
-Dla prądu stałego DC głębokość sprzężenia zwrotnego przekracza 80-100 dB.

W akustycznych  wzmacniaczach lampowych mocy stosowano tylko płytkie ujemne sprzężenie zwrotne i ich zniekształcenia THD były duże. Ich konstruktorzy nie rozumieli idei sprzężenia zwrotnego i głębsze sprzężenie zwrotne było w tych rozwiązaniach niemożliwe bez destabilizacji pętli.

Trioda ma wiele wad ale ma też zalety. Dwusiatkowa tetroda jest w większości zastosowań lepsza od triody ale występuje w niej niepożądane zjawisko dynatronowe. Dołożenie dodatkowej, rzadkiej trzeciej siatki połączonej z reguły z katodą pomiędzy siatkę drugą (ekranującą) a anodę likwiduje  zjawisko dynatronowe ale na charakterystyce pentody EL84 (i innych ) widać reszki tego efektu bowiem przy małym prądach i napięciach Anody jest odcinek o lekko ujemnej dynamicznie oporności.  Pentodę wynalazł Walter Schottky w 1924 roku a pierwszą wyprodukował w 1927 roku Philips.
Philips z pomocą Brytyjczyków podczas najazdu Niemców uratował oprzyrządowanie do produkcji planowanej nowoczesnej lampy EF50 (pentoda RF ), która ( i jej następcy ) w sprzęcie aliantów ( radiokomunikacja i radar) odegrała wielką role. Choć Niemcy mieli dobre lampy to takiego poziomu nie osiągnęli.
Na początku lat pięćdziesiątych Philips wypuścił udane „pentody głośnikowe” EL84 i EL34. Lampy te mają odpowiedniki w całym świecie a w tym w USA i w ZSRR.
Lampy we wzmacniaczach małej częstotliwości i sygnałowych RF pracują bez prądu siatki sterującej ( jest to wygodne układowo i ekonomiczne ) lub co najwyżej z malutkim prądem. Natomiast lampy nadawcze pracują z dużym prądem siatki sterującej bowiem w takim obszarze chwilowych dodatnich i ujemnych napięć siatki charakterystyka jest bardziej liniowa co ma ogromne znaczenie.
„Dioda” składająca się z G1 i K jest specyficzna jak każda dioda próżniowa. O ile dioda półprzewodnikowa zaczyna przewodzić dopiero przy pewnym napięciu dodatnim A-K to zwarta dioda próżniowa już generuje prąd od kilku mikroamperów do kilkuset, zależnie od rozmiaru lampy czyli jej katody.
Gro lamp EL84 użyto w sprzęcie RTV we wzmacniaczach klasy A z jedną lampą mocy. Przy napięciu Ua i Us2 250 V i ujemnej autopolaryzacji S1 napięciem 7.3 V spoczynkowy prąd anody wynosił 48 mA a prąd siatki S2 5.5 mA.
Przy optymalnym obciążeniu Rl=5.2 K i wysterowaniu 4.4 Vac stopień oddawał moc 5.7 W z THD=10% zaś przy wysterowaniu 4.8 Vac pojawił się średni w okresie prąd siatki 0.3 uA a oddawana moc wyniosła 6W.  Wtedy napięcie ujemnie siatki wynosiło w szczytach wysterowania -1.5 V czyli dość daleko od napięcia zerowego, szczytowy prąd generowany przez chwile przez S1 wynosił ca 3 uA. W szczytach wysterowania napięcie anody spadało do równych 50 V.
EL84 można też było użyć jako triody z połączeniem A i S2. Z napięciem Ua=Us2=250 V i prądem spoczynkowym 34 mA z optymalnym obciążeniem 3.5 K moc maksymalna wynosi 1.95 W z THD=9%.  Napięcie sterujące wynosi 6.7 Vac.
Przy każdej mocy wyjściowej do 1.95 W zniekształcenia stopnia pentodowego były wielokrotnie mniejsze niż triodowego. Toteż w żadnym masowo produkowanym urządzeniu w świecie nie zastosowano konfiguracji triodowej EL84.
 Praca w układzie triodowym z większym prądem spoczynkowym była niecelowa bowiem nie można było podać odpowiednio dużego napięcia sterowania S1 bowiem... pojawiał się zabroniony prąd siatki sterującej S1.
W układzie przeciwsobnym w klasie AB lub B z napięciem zasilania 250 / 300 V moc maksymalna wynosiła odpowiednio 11 / 17 W ze zniekształceniami 4% a w połączeniu triodowym tylko 3.4 / 5.2 W czyli circa 30% mocy pentodowej.

Tam gdzie rezultat można osiągnąć analitycznie należy to zrobić. Nawet gdy K i S3 pentody są uziemione nieliniowa funkcja jej prądu anodowego ma aż trzy zmienne: Napięcia Us1, Us2 i Ua.
Trend budowy modeli rozpoczął się wraz z epoką tranzystorów i komputerów ale dobrych modeli zachowania lamp daremnie można szukać.
Dla pentody z obciążeniem transformatorowym dobrą zgodność daje iloczyn dwóch funkcji.
1.F1 - Prąd anody zależny od Us1 i Us2 przy Ua=Us2 równym napięciu zasilania
2.F2 - Mnożnika tego prądu anody zależnego od Ua.
Co do F1 to prąd anody jest kwadratowy i zerowy przy ujemnym Us1 proporcjonalnym do Us2 a przy Us1=0  prąd anody jest proporcjonalny do Us2. Sens tego widać na tej charakterystyce EL84.

Sens funkcji F2 widać na tej charakterystyce.

Podając do Ekranu S2 oprócz napięcia stałego zasilania cześć 0..100% wyjściowego napięcia  zmiennego z Anody , na przykład z odczepu na uzwojeniu pierwotnego transformatora, uzyskamy płynne przejście od pentody 0%  do triody 100 %. Z lampą EL84 dla mocy maksymalnej zdefiniowanej przy THD = 10% zwiększenie „triodowości” ponad 0% skutkuje monotonicznym spadkiem maksymalnej mocy wyjściowej. Konfiguracja  z każdym stopniem „triodowości” w stosunku do pentody przy każdej mocy wyjściowej ma większe zniekształcenia THD.
Zatem zastosowanie tego lokalnego sprzężenia zwrotnego daje złe efekty. Jedynym pozytywnym efektem jest zmniejszenie oporności wyjściowej co osłabia rezonanse LC transformatora.

Maksymalna moc wyjściowa układu przeciwsobnego w klasie B z dwoma pentodami EL34 wynosi aż 100 W !  Ekrany zasilane są napięciem 400 V ( graniczne 425 V )  a napięcie anodowe spoczynkowe wynosi 800 V.
Z mniejszym napięciem anodowym moc jest oczywiście mniejsza.
W przeciwsobnym układzie triodowym z Ua = 400 V ( to jednocześnie napięcie ekranów ) moc maksymalna wynosi 16.5 W a więc jest okropnie mała !

 D.Hafler, H.Keroes, Audio Engineering,  Nov 1951, w "An Ultra-Linear Amplifier”
przestawili wykres ilustrujący rzekome korzyści w stopniu przeciwsobnym z określoną triodowością. Na osi poziomej nie jest jednak w skali 0-1 napięcia ale skala w mocy. Zatem wartości 0.2 ( na wykresie jako Ultra Linear czyli UL) odpowiada „triodowość” 43 % czyli pierwiastek z 0.2.
Moc maksymalna miała odrobinę wzrosnąć do UL=0.1 i spaść do początkowej wartości przy UL=0.2 ( 43 %). To jest tylko możliwe przy nieoptymalnej dla pentody  rezystancji obciążenia Raa. Przy mocniejszej triodowości moc gwałtownie spada by przy przy triodzie wynieść około 30%.
Zniekształcenia małosygnałowe przy optymalnej UL spadły autorom o circa 30% ale warunki pomiaru są nieznane. Natomiast zniekształcenia wielkosygnałowe potwornie rosną od UL>0.15.
Jedynym plusem jest spadek rezystancji wyjściowej stopnia mocy.

Idea UL nie działa przy dużych częstotliwościach ( a  THD przecież rosną z częstotliwością ! )  z powodu asymetrii indukcyjności rozproszenia transformatora wyjściowego. Na narracje o UL mało kto rozsądny dał się nabrać. Wzmacniacz Philips Mullard z 1955 roku z UL i parą  pentod 2 x EL34 z triodowością 20%  ( czyli dużo mniejszą od „optymalnej” UL=43% ) miał moc wyjściową tylko  20 W pobierając stale z sieci moc około 150 Watt i jeszcze więcej VA.
Mała była w nim głębokość globalnego sprzężenia zwrotnego

W historii udzielono wiele patentów, które okazały się fałszywe jak ten UltraLinear.

We wzmacniaczach ze sprzężeniem stałoprądowym ( także obiektów kontrolowanych przez regulatory automatyki)  zagadnienie stabilności dotyczy tylko górnych częstotliwości.
Natomiast stopnie wzmacniaczy lampowych miały zmiennoprądowe sprzężenie pojemnościowe a kolejnym filtrem górnoprzepustowym był wyjściowy ( nieliniowy i generuje zniekształcenia ) transformator. Wszystkie one wprowadzały rosnące przy malejących częstotliwościach przesuniecie fazy W rezultacie już przy płytkim globalnym sprzężeniu zwrotnym szkodliwie podnoszone były niskie częstotliwości z infradźwiękowego zakresu 2-20 Hz. Próby powiększenie głębokości sprzężenia prowadziły w końcu do oscylacji.  Stąd brały się desperackie próby linearyzacji samego stopnia wyjściowego lokalnym sprzężeniem zwrotnym.
Wzmocnienie napięciowe wzmacniacza w prostym generatorze  RC z potrójnym przesuwnikiem fazy RC (kaskada trzech identycznych filtrów górnoprzepustowych RC ) dla generacji wynosi >29  ( analiza strona 169, W.Golde, „Układy elektroniczne”, t2, WNT 1976) ale jeśli trzy górnoprzepustowe filtry RC są osobno buforowane ( jak we wzmacniaczu ) to oczywiście znacznie mniej bo 8.

 Czy zatem możliwe jest zbudowanie lampowego wzmacniacza o małych zniekształceniach ? Rozwiązanie pokazano na schemacie. Dwustopniowy wzmacniacz napięciowy jest różnicowy symetryczny na wejściu oraz wyjściu  i przy okazji symetrycznym wyjściem ( wyjścia są w przeciw fazie ) wprost steruje stopień przeciwsobny mocy. Składa się z kaskady dwóch par różnicowych na dwóch podwójnych triodach sprzężonych stałoprądowo !  Katody pierwszej pary różnicowej są zasilane przez rezystor z ujemnego napięcia choć lepsze byłoby źródło prądowe bowiem lepsze byłoby tłumienie sygnału wspólnego  CMRR ale nawet z rezystorem jest duże. Para różnicowa jest bardzo liniowa na tle pojedynczej triody. Skończona wartość  CMRR wnosi zniekształcenia nieliniowe ( szczególnie we wzmacniaczach operacyjnych ze stopniem wejściowym JFet ) i mniejsze zniekształcenia układ ma sterowany z wejścia ujemnego o niestety mniejszej impedancji.
Szkodliwe przyśpieszające przesuniecie fazy w pętli sprzężenia zwrotnego przy niskich częstotliwościach wnosi tylko sprzężenie pojemnościowe wyjścia wzmacniacza napięciowego ze stopniem mocy oraz transformator. Z kolei dwójnik R1C1 w dzielniku sprzężenia zwrotnego korekcyjnie opóźnia fazę tak że praktycznie możliwa jest niemal dowolna głębokość sprzężenia zwrotnego.
Dryf napięcia niezrównoważenia stopnia wejściowego usuwa się potencjometrem PR w katodach wejściowej pary. Z dobrej jakości lampą dryft ten nie stanowi żadnego problemu. 
Oczywiście przy dużej głębokości sprzężenia zwrotnego konieczne jest zadbanie o stabilność przy dużych częstotliwościach ale to jest znany temat. Dla prostoty tych elementów nie pokazano aby nie zaciemniać idei.

ValveAmp.png
Stopnie różnicowe i przeciwsobne mają dużo zalet. Wielką popularność w pojazdowych radiotelefonach VHF zyskały udane podwójne tetrody Philipsa QQE06/40 i sterującą nią QQE03/12. Układ dla nich był prosty i tani ( kosztuje wszystko a nie tylko lampy ) a parametry bardzo dobre. Skopiowano je w wielu krajach a w tym nawet Czechoslowacka Tesla.
Tam gdzie potrzebna jest wysoka liniowość wzmacniacza RF na zakres VHF doskonałym rozwiązaniem wydaje się podwójny tranzystor mocy ! Analogia jest oczywista i możliwe że już zastosowana.”

Archiwum:
„ Sensorless drive
W maszynie elektrycznej moment mechaniczny jest iloczynem wektorowym namagnesowania rotora i wektora prąd  statora (lub odwrotnie statora i rotora). W maszynie synchronicznej i prądu stałego namagnesowanie pochodzi z magnesu stałego lub elektromagnesu.
Natomiast w silniku asynchronicznym aby silnik był dyspozycyjny zawsze stałe namagnesowanie musi mieć rotor lub chociaż stator ( ale osiągnięty maksymalny moment napędowy jest mniejszy, rotor też jest namagnesowany  ). Stały co do modułu ma być wektor strumienia statora. Sporo to komplikuje konstrukcje invertera do silnika asynchronicznego, który jest ze wszystkich silników najtańszy i masowo produkowany.
Zintegrowany „silnik”  serwomechanizmowy ma silnik, hamulec elektryczny odpuszczający dla bezpieczeństwa po podaniu napięcia DC, (tacho coraz rzadziej spotykane), sensor położenia - kąta i sensor temperatury uzwojeń silnika.
„Silnik”  serwomechanizmowy jest bardzo drogi na tle samego silnika i stąd dawno pojawiła się pokusa napędu „sensorless” czyli bez sensora do mniej wymagających zastosowań.
Serwomechanizm do maszyny CNC, robota i szybkobieżnej windy musi mieć dokładny sensor położenia. Praca serwo polega tu głównie na pokonywaniu sił bezwładności ( czyli zmieniona jest zmienianymi efektywnymi masami dynamika pętli ) i część energii jest przy hamowaniu zwracana.
Mniejsze są wymagania dla napędu dźwigu i prostszej windy.
Silnik może też dostarczać moc do obiektu pochłaniającego moc. Napędzać wentylator czy pompę ale też piłę lub obracać spindle – wrzeciono  w maszynie CNC.

Silnik uniwersalny w nowoczesnej pralce ( chodzi o stopniowe uzyskanie pożądanych dużych obrotów wirowania) ma tani sensor „Pick Up Coil” dostarczający sygnał do pętli regulacji szybkości przy praniu i wirowaniu. Wymagania są niskie ale regulacja jest wymagana bowiem charakterystyka silnika uniwersalnego czyli szeregowego jest bardzo elastyczna i napięcie zasilania wystarczające aby silnik ruszył przy niekorzystnie rozłożonym praniu, dawało ogólnie przesadnie szybki bieg przy praniu.
Wymagania na sztywność napędu wprost zależą od zastosowania napędu.
Samochodowy Tempomat ma stabilizować szybkość samochodu niezależnie od nachylenia trasy i pogody. Silnik benzynowy ma dość elastyczną charakterystykę.
W potężnych ciężarówkach – wywrotkach przewożących urobek z kopalni odkrywkowych, silnik Diesla napędza generator i regulowany napęd kół jest elektryczny. Sztywność napędu nie powinna tu być ani za mała ani za duża. Wynika ona z operacji dokonywanej tą maszyną.
 
Z parametrów elektromechanicznych silnika prądu stałego DC ( załóżmy stały magnes lub stałe wzbudzenie ) możemy wyliczyć równoważny mu obwód RLC. Obwód RLC jest dla analizy bardziej komunikatywny bowiem jesteśmy tylko w świecie elektrycznym a nie w elektrycznym i mechanicznym jednocześnie.  Przykład przeliczeń pokazano na przykład w  Application Note, U-102, Unitrode. Silnik w Nocie jest z grubsza podobny  do silnika użytego w Ćwiczeniu.

Pominięto jałowy pobór mocy przez silnik ale można go wprowadzić wyjściowym opornikiem. Pojemność elektryczna C nawet dla małego silnika jest duża a dla dużego ogromna. Dobroć tego równoważnego obwodu RLC rośnie z mocą - rozmiarem silnika. Dla małych silniczków jest Q<<1 dużo mniejsza od jedności a dla dużych przekracza 1.

W stanie ustalonym bez pochłaniania mocy przez odbiornik silnik nie pobiera ( w uproszczeniu ) prądu. Po podaniu mu skoku napięcia pobierze tyle ładunku ile jest w C. Dla Q<0.5 impuls jest aperiodyczny a dla >0.5 robi się oscylacyjny.
Do napięcia Uc dodane jest napięcie na Ul i Ur. Gdyby w stanie ustalonym przy pracy z obciążeniem dodać napięcie Ur to otrzymalibyśmy kontrole prędkości silnika. Wprost napięcia takiego nie można dodać bo eliminowany byłby z dynamiki R i dobroć wzrosłaby do nieskończoności.
Na schemacie pokazano zasilacz o ujemnej oporności wyjściowej do zasilania silniczka ( ma on Q<0.15 i jest kompromisowo podniesiona do ca 0.7 czy oporność silnika nie jest do końca skompensowana ) w magnetofonie kasetowym MK125. Bez rezystora R109 jest to zwykły stabilizator napięcia. Termistor R106 eliminuje wpływ temperatury otoczenia na oporność miedzianego uzwojenia silnika. Efekt samonagrzewania nie jest uwzględniany ale silnik jest małej mocy.

Załóżmy ze „silnik RLC” jest obciążony odbiornikiem stratnym reprezentowanym przez rezystor Rl. Oczywiście równoległy do C. Rezystor ten zmienił trochę dynamikę i obniżył ustalone  obroty silnika. Ponieważ nie mamy sensora nie znamy prądu (momentu obrotowego ) płynącego przez Rl. Ale dla konkretnego obciążenia Rl znamy stałą czasowa Rl x C i prąd obciążenia odtworzymy przepuszczając cały prąd silnika I przez inercje o stałej czasowej  Rl x C. Gdy do napięcia zasilania silnika jest dodany sygnał z tej inercji pomnożony przez oporność silnika R to odpowiedź dynamiczna z obciążeniem będzie identyczna jak samego silnika a obroty nie będą statycznie obniżone. Ale w rzeczywistości nie znamy obciążenia i tej stałej czasowej !
Dodanie tego sygnału ( bez obciążenia )  do napięcia zasilania zwiększa jak gdyby ( bo jest to odpowiedź wyższego rzędu ) dobroć Q odpowiedzi samego silnika. Zatem gdy Q<0.5 możemy ją podnieść do 0.5 lub trochę więcej (0.707) spodziewając się że stratne obciążenie zawsze jakieś będzie. Obroty w stanie ustalonym będą kontrolowane ! Odpowiedź dynamiczna nie jest idealna ale może być tolerowana. Zatem uzyskaliśmy napęd sensorless !
Po trywialnej rozbudowie algorytmu można go użyć do silników o Q>0.5 czyli algorytm jest uniwersalny.
Ale oporność R miedzianego uzwojenia silnika R zależy od temperatury czyli od historii pracy silnika.
Można wykorzystać sensor temperatury silnika ( ale temperatura rotora jest jednak inna ) lub użyć w obwodzie prądu silnika specjalny rezystor wykonany z miedzi na karkasie o termicznej stałej czasowej takiej jak uzwojenie silnika aby był tak samo nagrzewany. Zasymulowanie efektu chłodzenie wirnika skutkiem obracania się jest trudniejsze ale nadal możliwie.
Można w obserwatorze użyć - zintegrować wszelkich informacji.

W przypadku silnika asynchronicznego dla stabilizacji strumienia stojana konieczna jest znajomość temperatury uzwojenia stojana.”        

 
Sprawdzenie
 W pokazanym na angielskim rysunku systemie trakcji kolejowej 2 x 25 KVac napięcie między dwoma ( energia jest z jednej fazy systemu energetycznego 400 KV ) przewodami 25 KVac wynosi 50 KVac. Ponieważ napięcia są w przeciwfazie pole elektryczne od przewodów dość szybko maleje w funkcji odległości od nich.
Co jakiś odcinek ( 10 km ) są na trasie przyłączone do obu linii i torów  pokazane autotransformatory z punktem środkowym przyłączonym do torów.  Uzyskuje się znaczne ograniczenie spadku napięć na torach jest co bardzo korzystne dlatego że przy prądzie 50 Hz mają one dużą impedancje. Odległości między zasilający podstacjami mogą być bardzo duże dlatego że system mocy ma faktycznie napięcie 50 KVac.  Na oryginalny rysunek dołożono dziwne polskie tłumaczenie.

-Wyjaśnij wyprowadzonymi wzorami prace takiego systemu.
-Jakie błędy są na rysunku ?

Ćwiczenie.
 Do małego silnika DC z magnesem stałym i zintegrowanym Tacho (prądniczka tachometryczna ) podano 1-4 Hz skoki napięcia regulowane potencjometrem. Podane napięcie nie może być za duże aby wzmacniacz mocy nie przeszedł na sygnalizowane ograniczenie  prądu. Zarejestrowano pobór prądu mierzony na stałym, małym znanym szeregowym rezystorze.
-Wybierz najlepsze punkty z wykresu prądu  i wylicz z nich równoważne R,L,C i Rl ( oporów toczenia ) tego silnika dla tego napięcia.
-Po aktywacji funkcji Sensorless zarejestruj odpowiedź Prędkości V na skok z najlepszym ustawieniem potencjometru stałej czasowej i objaśnij różnice
-Po wybraniu miedzianego nagrzewanego rezystorka w obwodzie prądu silnika aktywuj generator 4 Hz skoków zadanej prędkości. Oceń zmiany odpowiedzi i zmierz oporności rezystora i silnika
-Po nastawieniu potencjometrem małej prędkości  i hamowaniu palcami wałka silnika oceń skuteczność funkcji Sensorless. Jakie są efekty niedokładnej estymacji oporności silnika to znaczy gdy ocena jest (a) za niska i (b) za wysoka. 
-Narysuj schemat / algorytm dla silnika o dobroci Q>0.5.