Za danas sam pronašao jedan traktorski far, što samo po sebi nije nešto zanimljivo, međutim na far je nadograđena metalna kutija sa nekim elektroničkim sklopom. Na toj kutiji su dvije sklopke, dvije LED diode te dva dodatna mala svjetla ili nekakva senzora.
Sa vanjske strane metalnog kućišta se uočavaju dvije LED diode (u zaštićenom metalnom odjeljku), dva mala svjetla koja po izgledu mogu biti i nekakvi senzori, te dvije sklopke.
U unutrašnjosti je neka elektronička samogradnja, dobro omotana izolacijskom trakom.
Kad se ukloni većina izolacijske trake vide se dvije elektroničke pločice te nešto nalik malim džepnim svjetiljkama.
Na kutiju sa elektronikom vode tri žice preko robusnog konektora. Veliki far ovdje nije nigdje spojen.
Elektronika, odnosno čitav sklop izvađen iz metalne kutije. Osim sklopki i konektora, vidi se jedna tvornička KIT pločica (treptalo za dvije LED diode), jedna nedovršena samogradnja na univerzalnoj tiskanoj pločici i blok sa dvije LED diode.
Sada vidimo da su dva prednja svjetla zapravo male crvene LED diode smještene u kućište džepne svjetiljke.
Dvije LED u žutoj i crvenoj boji su unutar plastičnog bloka zalivene u tvrdu smjesu iz koje izlaze samo dvije žice. Ovo sugerira da se u zalivenom bloku nalazi još neka elektronika.
Spajanjem na napajanje (cca 5 V / 20 mA) LED diode su se počele naizmjenično paliti i gasiti frekvencijom 2-3 Hz. Ovo je moguće neki namjenski proizveden blok treptajućih LED dioda kakav se primjerice koristi za simulaciju signalizacije kod modela željeznica i sličnih primjena.
Nekako sam razbio plastičnu smjesu kako bi vidio na čemu se bazira elektronika treptala. Kao što se vidi, radi se o svega jednoj komponenti u SOT103 kućištu, bez vidljivih oznaka.
Postoje različiti namjenski čipovi (LED driveri) za treptajuće LED diode, obično za treptanje jedne ili naizmjenično treptanje dvije LED diode, kao naravno i namjenski čipovi za razne svjetlosne efekte sa više dioda (trčeće svjetlo, bar-graf i slično). U novije vrijeme cijena malih mikrokontrolera je ista ili manja od ovakvih namjenskih čipova, pa se LED kontrole najčešće baziraju na njima.
S obzirom da naše treptalo radi vrlo stabilno na jednoj frekvenciji treptanja, onda ovo mora biti neki namjenski čip, jer je nemoguće napraviti krug za takvo stabilno treptanje dvije diode sa samo jednom klasičnom komponentom (tranzistor, opto-par i slično). Takvi namjenski čipovi obično sadrže oscilator više frekvencije i zatim digitalni djelitelj za dobivanje niske frekvencije treptanja od cca 1-5 Hz. Kad bi se odmah išlo na oscilator niske frekvencije, onda bi za postizanje velike RC konstante trebali koristiti kondenzator relativno velikog kapaciteta, koji bi morao biti dodan kao vanjska komponenta jer ne bi stao u sam čip.
Modul LED Mini-Flashera (MK08) danskog proizvođača elektroničkih KIT kompleta Jostykit sa logičkim integriranim krugom CD4049. Ovo je naizmjenično treptalo za dvije LED diode, koje radi isto kao i zaliveni modul.
Na univerzalnoj pločici je jedan stari Siemensov NPN tranzistor za kojeg nisam našao podatke, te jedan trimer potenciometar.
Sada možemo nacrtati shemu čitavog ovog sklopa da vidimo o čemu se tu zapravo radi.
Dvije sklopke prebacuju napajanje između tri dolazne žice, te na jedno od elektroničkih treptala (u bloku i u KIT-u). Srednja dolazna žica je vjerojatno plus pol napajanja iz akumulatora traktora. Sklopkama se onda taj napon prebacuje na druge dvije žice, te na jedno od treptala. Stoga je moguće da su ta treptala ovdje samo kontrolna, odnosno signaliziraju uključenje i rad nekih drugih traktorskih električnih uređaja.
Treptajući blok za žutom i crvenom LED smo već opisali, a KIT komplet sa CD4049 je također vrlo jednostavan. Čip CD4049 sadrži šest invertera, a u našem slučaju su po tri vezana paralelno kako bi se postigla veća izlazna struja za pogon LED. Same LED su u našem slučaju izdvojene na drugu pločicu, no ako pojednostavljeno nacrtamo kompletnu shemu treptala sa CD4049 vidimo kako se radi o klasičnom RC oscilatoru sa inverterima kakve susrećemo i opisujemo kod velikog broja različitih uređaja.
Inverter (NOT vrata) je logički krug koji mijenja stanje na svojem ulazu. Ako je ulaz na niskoj razini, izlaz je na visokoj razini i obrnuto. Jasno je, da ako se spoji ulaz sa izlazom invertera, on će stalno mijenjati stanja, odnosno ući će u osciliranje. Frekvencija osciliranja se može kontrolirati (smanjiti) RC elementima koji određuju vremensku konstantu protoka signala kod svake promjene stanja. Dvije LED su u našem slučaju spojene na izlaze dva serijski vezana invertera, a ti izlazi su onda uvijek na suprotnim nivoima. Kada je izlaz prvog invertera na visokoj razini, drugi inverter mijenja to stanje pa će njegov izlaz biti na niskoj razini. Naravno, u slijedećem ciklusu vrijedi obrnuto i ta stanja se stalno mijenjaju.
S obzirom da CD4049 nominalno radi na 9 V, potrebno je ograničiti struju za LED diode, za što je predviđen otpornik od 150 Ω (60 mA). Netko je paralelno dodao otpornik od 100 Ω, čime je maksimalna struja povećana na 150 mA. Vjerojatno se htjelo umjesto standardne LED staviti kakvu žaruljicu ili jaču LED, no to nema smisla jer jedan inverter može dati struju od cca 10 mA.
Glede toga, tranzistor na univerzalnoj tiskanoj pločici nije nigdje spojen, te se možda preko njega pokušavalo napraviti strujno pojačalo za jače trošilo. Druga mogućnost je da se možda želio napraviti kakav regulator napona za snižavanje akumulatorskog napona 12 V (13,5 V). Što se tiče napona napajanja, CMOS čip CD4049 može raditi na naponima i do 20 V tako da za njega ne treba poseban regulator 9 V, možda bi eventualno trebalo staviti nešto veći otpornik za ograničenje struje kroz LED diode (200 Ω). Za treptalo u zalivenom bloku doduše nemam nikakvih podataka, no ne vidim namjeru da se isto htjelo napajati preko regulatora.
Od zanimljivih stvari, na shemi treptala sa CD4049 vidimo kako se za vremensku konstantu koriste dva serijski vezana elektrolitska kondenzatora i to tako da su im zajedno vezani negativni polovi. Time su oba izlazna terminalna ovako spojenih kondenzatora pozitivna (jednaka), čime smo iz dva polarizirana elektrolitska kondenzatora dobili jedan nepolarizirani ili bipolarni kondenzator.
U našem slučaju upotrijebljena su dva ista kondenzatora 4,7 µF / 63 V. Bipolarni spoj kondenzatora je upotrijebljen jer su isti praktično paralelno spojeni na inverter (na njegov ulaz i izlaz) gdje stalno dolazi do promjene polariteta napona. Tako je u jednom ciklusu je primjerice ulaz pozitivniji od izlaza, u drugom ciklusu je ulaz negativniji od izlaza. Kapacitet od 2-3 µF je ovdje potreban kako bi se uz otpornik 1 MΩ dobila dovoljno velika konstanta za cikluse frekvencije nekoliko Hz. Danas su bipolarni SMD kondenzatori (pogotovo do 10 µF / 50 V) ponovno postali rašireni pa nema potrebe za ovakvim spojevima.
Ako su dakle dva polarizirana elektrolitska kondenzatora istih vrijednosti spojeni u seriju, tako da su im međusobno spojeni pozitivni ili negativni terminali (anti-serijski spoj), onda je dobiveni ukupni kondenzator nepolarizirani i na njega se može primijeniti napon u oba smjera (izmjenični napon). Kao i kod svakog drugog serijskog spoja kondenzatora, ukupni kapacitet tako spojenih kondenzatora će biti upola manji od nominalnog kapaciteta jednog kondenzatora u spoju. Međutim, glede raspodjele napona stvari su malo drugačije kod serijskog i anti-serijskog spoja dva kondenzatora.
Kod serijskog spoja dva jednaka kondenzatora (polarizirani spoj), dovedeni istosmjerni napon će se podjednako raspodijeliti na oba kondenzatora. Kod anti-serijskog spoja dva jednaka kondenzatora (nepolarizirani spoj), pak će većina dovedenog napona biti raspoređena na onaj kondenzator koji odgovara polaritetu dovedenog napona (koji je ispravno polariziran). Obrnuto polarizirani kondenzator će stvarati samo neki manji pad napona i time gotovo nesmetano propuštati reverznu struju.
Raspodjela napona na kondenzatorima u anti-paralelnom spoju (teoretski). Većina napona se raspoređuje na ispravno polariziran kondenzator.
Funkcioniranje ovog spoja se temelji na pojavi da će polarizirani elektrolitski kondenzator, s obzirom na samu svoju konstrukciju i svojstva elektrolita, izdržati određeni napon (struju) i u obrnutom smjeru bez da dođe do njegovog oštećenja. Prema nekim podacima taj „siguran“ reverzni napon je oko 1 do 1,5 V no to sasvim sigurno ovisi i o tipu kondenzatora. Međutim, ovdje je važna još jedna pojava karakteristična za elektrolitske kondenzatore. Napon doveden u obrnutom smjeru na elektrolitski kondenzator uzrokuje kemijsku reakciju elektrolita zbog kojeg on postaje vodljiv u reverznom smjeru te počinje propuštati reverznu struju.
Ova pojava se ponekad uspoređuje sa radom diode. U ispravno polariziranom smjeru kondenzator, nakon što se napuni, postaje vrlo veliki otpor i ne propušta dalje istosmjernu struju. Suprotno tome, kada se na elektrolitski kondenzator dovede struja obrnutog polariteta, nakon što se elektrolit formira, on dalje postaje vodljiv za reverznu struju. Time elektrolitski kondenzator, slično kao i dioda, u jednom smjeru blokira struju, a u drugom ju propušta. Međutim tu svaka sličnost sa diodom prestaje.
U nekoj staroj literaturi sam jednom pročitao da su se elektrolitski kondenzatori zbog opisanog svojstva stvarno nekad i razmatrali da se razvijaju za funkciju ispravljača napona, no prevladalo je svojstvo njihovog velikog kapaciteta nad ispravljačkim svojstvom.
Ako se vratimo na shemu bipolarnog spoja dva kondenzatora, onda je sada jasno kako će izmjenom pozitivnog i negativnog polariteta mijenjati i uloge kondenzatora u spoju: ispravno polarizirani kondenzator se ponaša kako normalni kondenzator, a reverzno polarizirani kondenzator se ponaša gotovo kao kratki spoj za reverznu struju koju onda samo propušta na „radni“ kondenzator.
Već smo rekli da je reverzni napon koji može podnijeti elektrolitski kondenzator relativno mali i nije dobro da je on konstantno prisutan na kondenzatoru. Ukoliko se ne drži pod kontrolom može uništiti kondenzator ili mu značajno smanjiti prvotna svojstva i radni vijek. Podnošenje reverznog napona svakako ovisi o njegovoj internoj strukturi i tipu elektrolita koji sadrži.
Stoga se anti-serijski spoj dva kondenzatora može dodatno osigurati od pojave prevelikog suprotnog napona dodatkom diode svakom kondenzatoru. Dioda ovdje ograničava suprotan napon na kondenzatorima maksimalno na cca 0,3 – 0,7 V koliki je napon vođenja diode i ovo bi trebao biti „siguran“ napon koji može izdržati većina kondenzatora na duže vrijeme.
Komercijalni tvornički proizvedeni bipolarni kondenzatori su principijelno jednaki anti-serijskom spoju dva ista kondenzatora, no tu su ipak upotrijebljene neke tehnologije koje takav spoj čine otpornijim na reverzne napone i koje osiguravaju bolja zajednička električna svojstva takvog spoja kondenzatora. Tu se teži upotrebi materijala, elektrolita i samoj konstrukciji koja pogoduje što boljem radu u reverznom smjeru, odnosno što bržem propuštanju reverzne struje uz što manji otpor (pad napona). Također, pošto se serijskim spojem kondenzatora zbraja njihov ESR, konstrukcija bipolarnih kondezantora je takva da se isti zadrži na što manjoj vrijednosti. Stoga, i kad koristimo dva nasumična jednaka elektrolitska kondenzatora u anti-serijskom spoju, potrebno je odabrati one tipove koji podnose veće reverzne napone i imaju manji ESR.
Kad smo već naišli na jedan ovakav sklop sa elektrolitskim kondenzatorima u bipolarnom spoju, odlučili smo napraviti neka mjerenja. Za početak mjerimo kapacitet i ESR pojedinačnih kondenzatora kako bi provjerili koliko se električki razlikuju, a onda iste veličine mjerimo i za njihov anti-serijski spoj. Mjerenja smo vršili na pet karakterističnih frekvencija jer kapacitet i ESR realnog kondenzatora najviše ovisi o radnoj frekvenciji i temperaturi primjene istog.
Usporedni prikaz izmjerenih vrijednosti za dva kondenzatora istog tipa 4,7 µF / 63 V. Jasno se može uočiti kako kapacitet i ESR padaju s porastom frekvencije i te promjene nisu baš beznačajne.
U anti-serijskom spoju dva kondenzatora od 4,7 µF ukupni kapacitet je otprilike dvostruko manji od kapaciteta jednog kondenzatora, a ESR oba kondenzatora se zbraja te je otprilike dvostruko veći od ESR-a jednog kondenzatora.
O mjerenju kapaciteta i ESR-a kondenzatora
Danas su široko dostupni različiti jeftini digitalni ESR mjerači koji su postali omiljen alat kod izbora i provjere elektrolitskih kondenzatora. Međutim, mnogi neiskusni elektroničari zapravo ne razumiju pojam, svrhu, značaj i način mjerenja ESR-a, kapaciteta i drugih parametara kondenzatora. Slabo je shvaćanje u kojim primjenama je ESR doista važan, a u kojim isti praktično ne dolazi do izražaja ili je neisplativo ulagati u low-ESR kondenzatore.
Koriste se neke općenite ESR tablice kako bi se usporedilo da li neki kondenzator ima povećan ESR te samim time više nije dobar za upotrebu. Pri tome se potpuno ignorira frekvencija mjerenja ESR-a te mnoge korisnike ne zanima ni frekvencija pod kojom su date tablične vrijednosti, a niti frekvencija na kojoj radi (mjeri) njihov ESR metar. Također se ne uzima u obzir činjenica da nominalni ESR kondenzatora istih kapaciteta i napona, mjeren pod istim uvjetima, uvelike može varirati ovisno o proizvođaču te samom dizajnu i tehnologiji izrade tog kondenzatora. Najgore je što se mjerenja na kondenzatorima vrše u nekontroliranim uvjetima, neadekvatnim metodama, sa priručnim mjernim kablovima i stezaljkama, često se kondenzator ni ne odlemljuje sa pločice. Međutim, sve to ne smeta kasnijoj raspravi u razlikama ESR otpora reda mΩ. Pročita se vrijednost koju instrument izbaci i uzima zdravo za gotovo, bez da se barem izvrši nekoliko uzastopnih mjerenja i provjeri ima li rezultat smisla. Vrijednost se najčešće usporedi sa nekom ESR tablicom pronađenom na Internetu i posao je završen.
Za provjeru ESR-a nekog kondenzatora je potrebno pronaći tvorničke podatke za taj tip kondenzatora gdje su navedene njegove nominalne vrijednosti na određenim frekvencijama. Sva druga mjerenja mogu biti jedino okvirna i eventualno indikativna za neke ocjene stanja kondenzatora, no i ta mjerenja je potrebno izvesti na pravilan način.
Precizna mjerenja na realnim kondenzatorima nisu jednostavna, jeftina ni praktična kako se to čini kad se kupi neki univerzalni kineski tester za 10 dolara. Kod mjerenja je treba krenuti od polazišta na kojim frekvencijama, amplitudama i valnim oblicima će se kondenzator koristiti u radu, kako bi izbor ili mjerenje kondenzatora uopće imalo smisla. Popularni kineski ESR mjerači obično rade na samo jednoj frekvenciji (10 kHz) i vjerojatno je za tu mjernu frekvenciju izrađena većina ESR tablica. Međutim, mjerenje ESR-a na toj frekvenciji nema smisla ako ćemo kondenzator koristiti za neko audio bas-pojačalo ili mrežni ispravljač. Općenito, mjerenje ESR-a na jednoj frekvenciji neće dati pouzdan podatak da li kondenzator dobar za upotrebu. Potrebno je izvršiti mjerenja ESR-a i kapaciteta na više frekvencija i usporediti kako se te vrijednosti mijenjanju s frekvencijom. Nagle i neočekivane promjene mjerenih vrijednosti na nekim frekvencijama također ukazuju na moguć problem, iako kondenzator pokazuje dobre vrijednosti na nekim drugim frekvencijama. Neki kondenzator može biti odličan na 10 kHz, no posve neupotrebljiv na 500 Hz, kao i obrnuto.
Naravno da rijetko tko od nas ima profesionalnu RLC mjernu opremu od nekoliko tisuća eura, no onda barem treba biti svjestan mogućnosti, ograničenja i tolerancije mjerne opreme koju imamo.
Test našeg treptala sa CD4049 je pokazao da isto ne radi i da je neispravan sam čip. To je šteta jer sam htio na realnom primjeru izmjeriti napone na kondenzatorima u anti-serijskom spoju. Umjesto toga sam uzeo druga dva ista elektrolitska kondenzatora (Iskra 10 µF / 100 V), spojio ih anti-serijski i priključio na istosmjerni napon. Mjerenje je pokazalo da je napon na obrnuto polariziranom kondenzatoru doista manji od onog na ispravno polariziranom, no ne onoliko koliko bi očekivali.
Ponovio sam testove sa spojenim pozitivnim umjesto negativnim polovima dva kondenzatora i to je dalo nešto lošije rezultate (negativni naponi su bili veći). Napravio sam testove i sa nekoliko drugih kondenzatora (drugih proizvođača), rezultati su bili uglavnom slični i kod niti jednog nije postignuto da negativni napon bude ispod 1 V (testni napon 5-30 V). Zanimljivo je bilo primijetiti kako je odnos raspodjele pozitivnog i negativnog napona veći kako se povećava zajednički napon. To se vidi već i iz naše tablice. Čini se da je da je potrebna neka vrijednost negativnog napona da bi se elektrolit kondenzatora doveo u vodljivo stanje, odnosno ta reakcija neće nastati već na vrlo niskim negativnim naponima.
Ovdje bi sada mogao raditi različite testove bipolarnog spoja dva kondenzatora, no niti jedan od njih ne može dati odgovor na pitanje koliko negativni napon (koliko god on bio mali) zapravo utječe na životni vijek i mogućnost otkaza kondenzatora. Sasvim sigurno da to puno ovisi o tipu kondenzatora, visini i učestalosti ponavljanja negativnog napona kako i o drugim parametrima rada kondenzatora (temperatura), tako da je kratkim testovima teško doći do nekih relevantnih podataka.
Slijedeće sam testirao rad na izmjeničnim sinusnim i pravokutnim naponima. Raspodjele napona su pri tome bile više ujednačene nego kod istosmjernog napona i na svakom kondenzatoru je bila prisutna praktički polovica napona u pozitivnim i negativnim vrijednostima. U konačnici, kondenzatorima sam dodao diode prema gornjem prikazu. Naponi na kondenzatorima su sada gotovo u potpunosti ispravnog polariteta, a negativni naponi dosežu maksimalno nekih 0,5 V (napon vođenja diode).
Sinusni izmjenični napon (5 Vpp) na anti-serijskom spoju dva kondenzatora sa dodanim diodama.
Pravokutni izmjenični (bipolarni) napon (5 Vpp) na anti-serijskom spoju dva kondenzatora sa dodanim diodama.
Testovima smo mogli vidjeti da unutrašnji otpor realnog elektrolitskog kondenzatora u anti-serijskom spoju u suprotnom smjeru ne padne ni približno na nulu te je stoga na njemu uvijek prisutan negativan napon u visini 15 – 30% od ukupnog napona, i to samo kada je doveden istosmjerni napon. Kod izmjeničnog napona, negativni napon doseže do 50% od ukupnog napona. Dodatkom dioda, negativni napon se zadržava na pragu vođenja dioda (0,3-0,7 V).
Očito da je jedini razlog za upotrebu anti-serijskog spoja dva kondenzatora bez dioda, samo ušteda na te dvije diode. Ovo može proći jedino ako kondenzatori nisu pod velikim naponom. Često sam u sklopovima vidio da se obični elektrolitski kondenzatori bez problema koriste na izmjeničnim signalima amplituda do nekoliko volti, no sada je teško izvoditi zaključke koliko to utječe na njihov životni vijek. S druge strane, upotreba pravih bipolarnih elektrolitskih kondenzatora je u elektronici vrlo rijetka, a najčešće se proizvode za mrežne napone, primjerice za startanje kondenzatorskih elektromotora. No i ovdje, zbog internog anti-serijskog spoja, faktor gubitaka takvih kondenzatora je svejedno visok.
Elektrolitski kondenzatori uvijek imaju veća ograničenja primjene i kraći životni vijek od većine ostalih tipova kondenzatora, a pogotovo ako još moraju podnositi i određene reverzne napone. Stoga je posljednjih godina došlo do razvoja nepolariziranih MPP film kondenzatora (Metallized Polypropylene Film Capacitor) kojima se postiže isti kapacitet uz slične dimenzije kao i sa elektrolitskim kondenzatorima. Kod MPP film kondenzatora nema strogih zahtjeva primjene kao kod elektrolitskih kondenzatora no oni su i dosta skuplji od elektrolitskih.
Anti-serijskim spojem dva elektrolitska kondenzatora se svakako dobiva bipolarni kondenzator ali je preporuka da se obavezno dodaju i diode. Iako takvim spojem ne treba očekivati dobre karakteristike kao kod tvornički konstruiranog bipolarnog kondenzatora, svakako mogu poslužiti kao jeftinija zamjena za njih. Danas su za SMD elektroniku razvijeni vrlo jeftini nepolarizirani kondenzatori do 5 µF / 50 V, koji također mogu zamijeniti bipolarne elektrolite. Općenito gledano, kondenzatori, kao uostalom i svi drugi elektronički dijelovi, do danas su se prilično razvili i postali su jeftini i svuda dostupni. Stoga ne treba uvijek inzistirati na nekim starim originalnim komponentama ukoliko za to postoje moderne zamjene sa boljim svojstvima. U konačnici, nepolarizirani kondenzatori do 1 µF se danas proizvode praktički za sve napone, tako da je svakako bolje rješenje paralelno spojiti nekoliko takvih kondenzatora, neko tražiti bipolarne elektrolite koji su nekad možda bili jeftiniji ili jedini izbor, no danas su se stvari glede toga svakako promijenile.
Netko si je dao puno truda oko izrade ovog dodatka za traktorski far, no čini se da je autor bio jednako (ne)vješt u elektronici kao i u zavarivanju. Ipak, svakako moramo dati dobru ocjenu za uloženi trud 🙂