neděle 30. ledna 2022

Teplotní závislost napěťové reference...

Teplotní stabilita různých referencí jednoduchého proudového zdroje 

 Jednoduchý proudový zdroj třeba pro LED, který potřebuje nějak získat referenční napětí.  
soubory LTSpice ke stažení [zde]

    Zleva: Použita přesná napěťová reference TL431, zenerova dioda, úbytek na dvou diodách a druhý tranzistor jako reference. Všechny modely součástek obsahují teplotní závislosti, takže lze spustit simulaci pro různé teploty. Použitý bipolární tranzistor je teplotně závislý, takže mít přesnou referenci, která se s tím umí vypořádat se hodí.
    Spuštěno pro několik teplot v rozsahu –10°C...150°C.

Jaká je teplotní stabilita zenerovy diody

    Použitím správné zenerovy diody se dá výrazně vylepšit její teplotní stabilita. Do asi 4.7V u zenerovy diody probíhá tunelový průraz, který vykazuje výrazný záporný teplotní koeficient. Nad asi 4.7V  probíhá lavinový průraz, který má kladný teplotní koeficient. No a u zenery kolem 4.7V se dějí oba a vzájemně se trochu stabilizují.
    Použití zenerovy diody jako napěťové reference není úplně vhodné, protože „průraz diody“ šumí mezi 1μV-1mV, což může být velký problém třeba jen pro běžný audio zesilovač natož třeba pro přesný DA převodník. Mělo by se to dát částečně eliminovat připojením kondenzátoru 1–100nF paralelně k zenerově diodě.
    Existují dva různé efekty regulace napětí, které se dějí při průrazu zenery. Pod asi 4,7 V dominuje tunelový průraz/zenerův efekt a má teplotní koeficient asi -3 mV/C. Kolem 8V zcela převládne lavinový průraz a ten má kladný teplotní koeficient a velikost koeficientu roste s průrazným napětím.

    Někde v rozsahu 4,7V až 6,8V jsou součástky, které lze nastavit na teplotní koeficient blízko 0 mv/C, ale pouze nalezením optimálního proudu. Dá se získat poměrně dobrou regulaci v rozsahu možná +/-5°C. 
    Simulace dala rozsah  55mV pro zeneru 4V7 a 66mV pro 5V6 v rozsahu 0–120°C.

Zdroje:

[1] wikipedie
[cvičení] nejlepší bude si to reálně změřit 
[3] [4] 
[5] jak to funguje při velmi nízké teplotě 300–93K
[6] řešení teplotní kompenzace zenery z roku 1967
[7] teorie a design

úterý 25. ledna 2022

Přesný usměrňovač, něco jako superdioda...


    Usměrňovací obvody se používají při návrhu napájecích obvodů. V takových aplikacích je usměrňované  napětí obvykle mnohem větší než úbytek napětí na diodě a tento úbytek není pro správnou funkci usměrňovače důležitý. 
    Jsou aplikace, kde tomu tak není. Třeba v měřících přístrojích může mít signál, který má být usměrněn, velmi malou amplitudu; klidně 100mV, což znemožňuje použití konvenčních usměrňovacích obvodů. Zároveň je ale nutné, zachovat velmi přesnou přenosovou charakteristiku.
    Na tento problém narazil, když jsem se snažil porovnávat a identifikovat vrcholy signálu bez použití mikrokontroleru. Stačilo zrcadlit záporné půlvlny do kladných hodnot; pro silný signál usměrnění diodami stačilo, jenže já potřebuju identifikovat signál ideálně od nuly nebo alespoň od 10–30mV; ale není problém velmi slabý signál malinko zesílit, pokud by citlivost začínala kolem 500mV.
   Řešení jsem našel v knize [The Art of Electronics] z roku 1989; třetí vydání 2015 str. 257, kapitola 4.5.4 Absolute-value circuit. 

    Precision full wave rectifier = absolute value circuit
    Přesný celovlnný usměrňovač vrací absolutní hodnotu signálu bez ohledu na polaritu.  
    Zajímavost: věc známá i v Československu, viz [patent] z roku 1987. V naší terminologii se toto zapojení nazývá obvod absolutní hodnoty.  Pro srovnání americký [patent] z roku 1971.

Všechny zde uvedené LTSpice simulace a modely v jednom balíčku ke stažení [tady].

Přesný „jednocestný“ usměrňovač (half wave/půlvlnný) – taková superdioda

    Základní implementace přesného půlvlnného usměrňovače je řešená pomocí operačního zesilovače, který má diodu ve zpětnovazební smyčce. Tohle řešení účinně řeší úbytek napětí na diodě, takže i signály velmi nízké úrovně (hluboce pod propustným napětím diody) mohou být usměrněny s minimální chybou.
Omezení
– Skutečný práh superdiody je celmi blízko nule, ale není nulový. 
– Na první pohled to nevypadá špatně, ale má to některá vážná omezení. Tím hlavním je rychlost. S vysokofrekvenčními signály to nebude dobře fungovat. Pro nízkofrekvenční kladný vstupní signály se v propustném směru diody použije 100% negativní zpětná vazba. Úbytek napětí na diodě je efektivně odstraněn zpětnou vazbou a invertující vstup sleduje kladnou půlvlnu vstupního signálu téměř dokonale. Když se vstupní signál dostane do záporné části, operační zesilovač nemá žádnou zpětnou vazbu, takže se záporný výstup operačního zesilovače dosahuje limitace. Když se vstupní signál zase dostane do kladné části, operačnímu zesilovači bude nějakou dobu trvat, než se vrátí zpět na nulu, pak přes úbytek v diodě a pak teprve bude něco na výstupu. Tato doba je určena hodnotou rychlosti přeběhu (slew rate) operačního zesilovače a i velmi rychlý operační zesilovač bude omezen na nízké frekvence.

drobná změna pouze použitím rail to rail operačního zesilovače, aby byla mezi půlvlnami opravdu nula

    Jiný přístup k řešení, operační zesilovač v invertujícím zapojení. Na výstup projdou pouze kladné půlvlny (odpovídající záporné části signálu). Dioda s přímou zpětnou vazbou přesměruje jakýkoli záporně jdoucí výstup zpět na invertující vstup a zabrání jeho přenesení. Mírný pokles napětí na diodě D2 řeší dioda D1. Dioda D2 tedy zajistí, že na výstup projdou pouze kladné půlvlny. 

Zajímavé použití super diody ke zbavení se záporného offsetu signálu. Nevím, jak se takovým obvodům říká správně česky, ale najdu je jako [clamper circuit]. 

„Dvoucestný“ přesný usměrňovač (full wave).

Asi správně česky bude celovlnný usměrňovač, též obvod absolutní hodnoty. Protože má na výstupu absolutní hodnotu vstupního signálu bez ohledu na polaritu.
Celovlnný usměrňovač může mít jiné zesílení než jedna, může dojít k útlumu nebo zesílení.
U obvodu absolutní hodnoty předpokládám jednotkové zesílení, protože  zde zmíněná zapojení, co jsem testoval jsou ovlivněna jak amplitudou vstupního signálu, tak jeho frekvencí, píšu raději celovlnný usměrňovač.
První pokus, jak by takový přesný celovlnný usměrňovač mohl fungovat. Na vstupu je sinus 100mV/2kHz.

Daleko jednodušší řešení, dostatečně dobré a stačí mu LM741. Pro vyhodnocení přesnosti průběhu je lepší simulaci spustit jako analýzu .dc V1 -5 5

Názorné řešení přímo Linear Technology.

    Co by byla simulace bez realizace. Postaveno s TL074, čtyřnásobný J-FET operační zesilovač. Dva jsem použil jako vstupní a výstupní napěťový sledovač a zbylé dva jako pokus o celovlnný usměrňovač. Prakticky funguje od amplitudy 10mV jako půlvlnný a od 250mV funguje jako přesný full wave.

1kHz / 250mV viz [měření]
20kHz / 100mV viz [měření]
Docela slušné výsledky pro čtyřnásobný operační zesilovač TL074 za 9 korun.



    Obvod, který používá diodu, ale neovlivňuje špičkové výstupní napětí. Toto řešení dostačuje pro nízké frekvence. A je zajímavé svou funkcí. Myslím, že to funguje nějak takto: Zpětná vazba přes diodu D1 – modrá stopa I(D1) – umožňuje operačnímu zesilovači U2 udržovat kladný vstup operačního zesilovače U1 – zelená stopa V(2) – na potenciálu (virtuální) země pro jakoukoli zápornou část vstupního signálu. Zesilovač U1 funguje jako invertující napěťový sledovač – fialová stopa V(V_out).
    Dioda D1 znemožní operačnímu zesilovači U2, aby ovlivňoval kladnou část vstupního signálu; v tomto případě mají tedy oba vstupy U1 stejný signál, který z U1 udělá neinvertující sledovač, takže výstup je opět kladný.

    Slabý signál na vstupu (1–15mV), frekvence 20kHz. 1000× zesíleno, usměrněno, invertováno a 1000× zeslabeno. Pro jakékoli reálné zpracování, bych použil signál před zeslabením. Na nerovnováhu mezi velikostí amplitudy kladné a záporné půlvlny má vliv napěťový offset operačního zesilovače. LM318 má kompenzační vstupy, tak bylo potřeba trochu nastavovat a povedlo se celé zapojení na stole odladit.

10mVpp při 100kHz
Další [měření] a schéma. Funguje slušně až do 200kHz. Testoval jsem 3 – 20mV.


Použité LTSpice modely ke stažení [tady].

Použité zdroje: 
– [1] [2] ti.com
– [3] The Art of Electronics, str. 257
– [4] řešení bez použití diody
– [5] velmi podrobně vysvětlený princip funkce zapojení 
– [6] [7] analog.com
– [8] podrobně zpracovaná laboratorní úloha
– [9] kapitola Precision rectifier v knize Signal generators and waveform-shaping circuits

neděle 16. ledna 2022

LM317 jako zdroj od 0V...

Lineární regulátor LM317 v katalogovém zapojení umí regulovat v rozpětí 1,2 – 37V. Obvod vyžaduje zatížení alespoň 5mA, aby fungoval správně. 
Otázka: Může to dobře regulovat i nižší napětí, když referenční napětí LM317 je asi 1,2 až 1,3V?
Odpověď: Může, ale musí mít adekvátně nastaveno referenční napětí.

Všechna zde uvedená schémata a modely pro LTSpice ke stažení [tady].

V principu jde přesně o to, odečíst od referenčního napětí (ADJ) přesně 1,25V. 
Pokud mám k dispozici napájení –1,25V je to takto snadné a LM317 bude regulovat od 0V. Jenže, takto snadné to většinou nebude.

V katalogu [onsemi] na str.8 je uvedeno následující schéma pro regulaci od 0V
Referenční napětí je získáno pomocí dvojice diod D1, D2. Funguje to, ale je to teplotně velmi nestabilní, reálně asi 2,5mV/K. Otázka zní, zda to lze vyřešit lépe. Použití TL431 jako napěťové reference zabrání teplotnímu driftu. Ale co když zrovna v šuplíku žádnou teplotně stabilní napěťovou referenci nemám. Jde to i jinak.

První pokus bylo získat referenční napětí díky zdroji konstantního proudu.
LM317 jako regulátor 0–3V

Konstantní zdroj proudu řízený tranzistorem Q1.
I = (VF - VEB0) / (R4+U4)
kde VF je propustné napětí D1, přibližně 2V a VEB0 je napětí emitor-báze tranzistoru Q1, tedy přibližně 0,6V. Proud je přibližně 1,32 / (R4+U4). 
Zdroj konstantního proudu vytváří na rezistoru R2 předpětí přibližně –1,25V. Trimr U4 mění proud a slouží k nastavení nuly. R4 chrání tranzistor Q1.
Trimr nebo potenciometr U2 nastavuje výstupní napětí V_OUT v rozsahu asi 0-3V.
V_OUT = VREF (1+U2/R1)-VR2
kde VREF je referenční napětí na vstupu ADJ a VR2 je kompenzační napětí na rezistoru R2.

Druhé řešení využije operační zesilovač.

LM317 jako regulátor 0–3V

Vždy potřebuji nějaký zdroj symetrického/záporného napětí.

Pěkný způsob jak získat záporné napětí je použití zdvojovače.


pozn. pro reálnou zenerovu diodu by bylo potřeba zadat víc parametrů
např. PH_BZX84C3V3 uvnitř vypadá takto: 
.MODEL PH_BZX84C3V3 D(IS=7.035E-16 N=0.9809 BV=3.3 IBV=0.005 RS=0.3487 CJO=3.162E-10 VJ=0.6687 M=0.3164 FC=0.5 mfg=Philips type=zener)

Je jasné, že takovýto zdroj V_OUT v případě zatížení bude pěkně kolísat
Vzhledem k tomu, že má sloužit jako vstup pro regulátor LM317, tak to nevadí a pokud řeším rozsah 0-3V, tak můžu použít transformátor s nižším napětím.

Všechna schémata a modely pro LTSpice ke stažení [tady].

Další čtení na téma LM317

[1] podrobný test
[2] skvělý nápad pro řízení s přesnější referencí TL431; str. 27, obr. 33 
    Přesný regulátor 5V/1,5A.

    Referenční napětí pro LM317 je opravdu 1,25V; ale ne vzhledem k zemi! Referenční napětí lineárního regulátoru je relativní k výstupnímu napětí, takže napětí pro pin ADJ.  LM317 je 5V – 1,25V = 3,75V.
Proud přes TL341 se sám upraví tak, aby poskytoval 3,75V na pinu ADJ, ten nastaví LM317 na 5V na Vout, což pak poskytne správné referenční napětí pro TL431 na jeho pin REF. Lepší by bylo dát rezistor 8k2 menší, aby bylo víc proudu pro TL431. 
Jestli je dropout 3V, tak minimální napětí je 5V+3V=8V. Proud přes rezistor 8k2 Ik = (8V–3,75V) / 8k2 = 0,5mA. TL431 má minimální katodový proud 0,4mA. Takže obvod reguluje těsně nad minimálním proudem TL431. Jestli dropout LM317 je 2,5V při maximální zátěži 1,5A. Pokud potřebuju minimální Ik pro referenci, musím zmenšit rezistor R3. R3= ((5V + 2,5V)-3,75) / Imin.

středa 22. prosince 2021

Průběh výstupního napětí záložního zdroje...

Vybírám záložní zdroj UPS (Uninterruptible Power Supply/Source) a kladu si otázku, zda mám koupit značkovou APC nebo sáhnout po něčem levnějším.
Obě UPSky, které zmíním mám doma už nějakou dobu, obě fungují a dělají svoji práci.

Eurocase 2000VA/1200W
Part No.: EA200LED 2000VA

APC 1000VA/670W
Part No.: SMT1000I

Jednu máme počítače v obýváku, druhá zálohuje pracovnu a 3D tiskárnu. UPSky jsou hlučné a bzučí pouze když vypadne elektřina a ony musí zálohovat. Jinak o nich nevím.

Nějaké měření
takto vypadá napětí u nás doma v zásuvce

výstup záložního napětí Eurocase

výstup záložního napětí APC

Pozor! Ne každý záložní zdroj a taktéž ne každý záložní zdroj značky APC má takto čistě sinový výstup. 
Databáze tvaru vln výstupu nejrůznějších záložních zdrojů viz [1] a [2].

úterý 21. prosince 2021

Jak podepsat dokument podle EU 910/2014 a jak používat časové razítko...

Navazuji na téma mého příspěvku z ledna 2014, který se v poslední době stal velmi navštěvovaným viz odkaz [Jak podepsat dokument a jak používat časové razítko]. 

Pár důležitých drobností k elektronickému podpisu
– elektronický podpis neslouží k identifikaci osoby, slouží k projevu vůle a je právně zcela rovnocenný vlastnoručnímu podpisu
– kvalifikovaný elektronický podpis = vlastnoruční podpis musí být uložen na bezpečném prostředku - token nebo čipová karta. Před vložením podpisu je nutné zadávat pin/kód.
– posláním „datovkou“ není brán dokument jako elektronicky podepsaný; datová zpráva je pouze systém doručení/potrubní pošta, kterou je dokument doručen a vůbec nesouvisí s doručovaným obsahem
– kromě kvalifikované elektronického podpisu potřebujeme také časové razítko (TSA).

K podpisu PDF dokumentu stačí běžný volně dostupný  [Adobe Acrobat Reader DC]. Otevřu PDF soubor, vpravo je seznam nástrojů a poslední je 
více nástrojů
vyberu
a nad dokumentem je pak vidět podepisovací panel

Pokud mám v počítači k dispozici elektronický podpis, mohu „Digitálně podepsat.“

    Aby byl podpis opravdu platný, dokument vyžaduje ještě „Časové razítko.“ Jedná se o zpoplatněnou službu certifikační autority; opět k ní musí existovat smlouva a na základě ní vydané přihlašovací údaje.
V Adobe Acrobat Readeru v Úpravy – Předvolby – Podpisy


Mám podpis uložený v počítači a nikoli na tokenu? Můžu ho použít?
    Ano, ale takový podpis nikdy nebude mít právní váhu  EU 910/2014. Některými úřady je akceptován a některé naše úřady dokonce mohou vyžadovat informace uložené v certifikátu sloužící k hlubší identifikaci.

Jak poznám, že je dokument podepsán správně mnou, či např. smluvní protistranou.
    V panelu podpisu podepsaného dokumentu je vše potřebné

    Nejprve dokument podepsaný „špatně,“ tedy ne podle EU 910/2014.
Kdy kvalifikovaný elektronický podpis není uložený na tokenu/bezpečném prostředku.
všechno vypadá správně, ale podpis není podle EU 910/2014

    Správně podepsaný dokument má tento panel podpisu. Je to u podpisu přímo napsané a je z toho jasné, že podpis byl uložen na bezpečném prostředku/tokenu a právně je podpis rovnocenný vlastnoručnímu podpisu – proto EU 910/2014 vzniklo.
takto má vypadat správně podepsaný dokument včetně časového razítka

    Problém, který se aktuálně stále děje, že některá ze stran, která podpisuje smlouvu stále nemá svůj podpis na tokenu a pak vznikne něco, co je vlastně neplatné a je na nás o jak důležitou smlouvu jde a zda ji budeme akceptovat – obě/všechny podpisující strany mají správně použít podpis podle EU 910/2014 a všichni zúčastnění mají dokument orazítkovat časovým razítkem. Teoreticky by stačilo, kdyby časové razítko umístil poslední podepisující; když podepisuju poslední, tak si to pohlídám, pokud podepisuju jako první, tak navrhuji vždy dokument vrátit s tím, že není právně v pořádku!
Typicky jedna strana podepsala správně, druhá strana nesprávně.

Proč je vyžadováno časové razítko (TSA) a co vlastně umí? 
    Zmrazí dokument v čase.  Běžná životnost kvalifikovaného elektronického podpisu, tedy samotného certifikátu je jeden, myslím, že maximálně dva roky, když je povoleno žádání dlouhodobých certifikátů. Tedy obvykle jeden rok. Uzavírám elektronicky smlouvu - já podepíšu PDF soubor, druhá strana také. Když dokument otevřu, vidím v panelu podpisu, že oba podpisy jsou platné. Protože právě teď jsou. Smlouvu si uložím. Je platná elektronicky, její vytištění je pouze kopie, která nemá žádnou právní váhu. Co když PDF soubor otevřu za několik měsíců, když už některý z certifikátů, která byly k podpisu použity, pozbyl platnosti. V panelu podpisu vidím, že některé nebo oba certifikáty jsou neplatné. Protože již vypršely. 
    Řešení je časové razítko. Je to další certifikát, který je obvykle zpoplatněn od kusu – třeba jedno časové razítko za dvě koruny. Prodávají se v balíčkách, něco jako kredit do telefonu. Umístění časového razítka udělá to, že ověří všechny použité podpisy - zda jsou platné a přidá informaci, že v čase umístění časového razítka byly všechny podpisy platné.
    Časové razítko je jen další certifikát/podpis, který má výrazně delší životnost než certifikáty elektronických podpisů. Obvykle tři až pět let. Podrobněji na [webu] vydavatele TSA.
    Ano, po vypršení životnosti časového razítka bude opět dokument neplatný, takže pokud ho archivujeme v rámci elektronické spisové služby, můžeme se dostat do stavu, kdy bude nezbytné všechny dokumenty, které potřebujeme mít platné znovu přerazítkovat. Tady doporučím jednoduché třídění elektronicky podepsaných dokumentů na ty, které opravdu potřebujeme udržet při životě desítky let. Tohle je jeden z důvodů, proč komerčně nabízená datová úložiště elektronicky podepsaných dokumentů nejsou levná. 

Jak získat takový kvalifikovaný elektronický podpis?
    Podpis vydává certifikační autorita viz [1]. Mám zkušenost pouze s [Postsignum] provozovaným Českou poštou. Již při generování první žádosti o certifikát musí být v počítači přítomen bezpečný prostředek k uložení žádosti – typicky token [2]. Nabízí se možnost použít úložiště na moderním občanskému průkazu, který ho možná právě pro tyto případy má; ale stejně musíte pořídit k počítači čtečku a řekl bych, že podpisový token je lepší/bezpečnější, protože jej na rozdíl od občanky můžete nechat v kanceláři v trezoru.
    Je potřeba uzavřít smlouvu s certifikační autoritou a vyplnit tedy nějaké formuláře – jiné pro organizaci, jiné pro OSVČ etc. Systém C.K. Pošty je naprosto netransparentní, takže není vůbec na škodu zavolat na telefonickou podporu 800 104 410 a nechat si celý postup podrobně vysvětlit; je to určitě lepší než opakovaně čekat ve frontě a řešit věci na pobočce Czech POINTu na poště, kde v malých městech většinou poradit opravdu nedokážou.
    Existuje zajímavá možnost, vyřizovat s Postsignum všechno elektronicky - tedy že nemusí statutár organizace, či pověřená osoba na pobočku pošty nosit formuláře se žádostí o změny nebo o zavedení nového zaměstnance aj. A všechno se dá vyřídit přes velmi strohé až spartánské webové rozhraní, ověření je dvoufázové a systém je po pár lekcích s telefonickou podporou použitelný a funkční.

Vím, že podpisy v dokumentu jsou platné a stejně se neověří správně
    Do počítače, kde chci podpisovat a kde chci ověřovat elektronicky podepsané dokumenty musím    nainstalovat kořenové certifikáty všechny certifikačních autorit, jejichž podpisy chci ověřovat. Postsignum to má jako instalaci [3]. Při prvotní komunikaci se zahraničními partnery může dojít k tomu, že kořenové certifikáty jejich autorit v počítači nainstalované nemám.

Post scriptum
    Jestli vám přijde systém elektronických podpisů a časových razítek poněkud nepřehledný až zmatečný, tak nevím, jak nazvat legislativní kolotoč, který vás čeká, až budete chtít pořídit pro firmu „šifrovací službu“ nabízenou Českou poštou. Mně se to úspěšně povedlo, ale o tom příště.

neděle 19. prosince 2021

USB ovládání hlasitosti...

model ke stažení  na [thingiverse]
Emulace multimediální klávesnice s nastavením hlasitosti. Aneb jak mně chyběl jeden digitální pin.
Použitá malinká deska Digispark Attiny85[1] využívá všechny piny – 0, 2 pro rotační enkodér, pin 1 pro tlačítko utlumení a zbytek pro USB komunikaci.
Moje né moc chytré, ale za dvacet minut zbastlené, řešení z věcí ze šuplíku. Beru stisknutí enkodéru, zákmity řeší kondenzátor, invertor se Schmittovým klopným obvodem vytvoří pěknou hranu, kterou přepínám stav klopného obvodu indikovaný červenou LED. 

Knihovna „Trinket USB Keyboard“[2], vzorový příklad s názvem „TrinketVolumeKnobPlus“. 
Výsledný kód včetně vypnutí indikační LED po startu viz [3].

blog se přestěhoval...

Začátkem srpna 2026 se blog přestěhoval na novou adresu. Mělo by automaticky dojít k přeměrování na novou adresu, pokud se to nestalo, musít...