Asi nejhezčí technické muzeum mají ve Vídni. Mimo jiné tam mají historickou parní lokomotivu rozříznutou podélně a spoustu elektrotechnických strojů. A jako správné muzeum tam mají i názorné exponáty pro vyzkoušení a pochopení funkce.

Samozřejmě jsem si při návštěvě muzea připlatil za kabinet velmi vysokého napětí. Mají tam zpívající Teslův transformátor upevněný netypicky vzhůru nohama ke stropu.

Vysoké stejnosměrné napětí demonstrují třecí elektřinou ve Van de Graafově generátoru. Bohužel na rozdíl od upoutávky na plakátu už nedělali všechny zajímavé pokusy s vlajícími vlasy a omezili se jen na třepotající se fáborky.

I když lze tuto hračku postavit opravdu velikou a v největším provedení dokonce vyplnila hangár pro vzducholodi, tak dnes se dává přednost jinému řešení pro získání velmi vysokého stejnosměrného napětí pro realizací blesků.

Tímto zařízením je Marxův generátor. Na Youtube najdete jeden extra veliký pod názvem Teslova věž a opravdu to vypadá jak ze scifi filmu. Po nabití se paralelně nabité kondenzátory přes pomocná jiskřiště propojí výboji v jiskřištích do série (velká věž vlevo)  a celkové napětí (Druhý Kirchhoffův zákon :-) vyvolá blesk v hlavním jiskřišti (vpravo).

Tuto vysokonapěťovou hračku si můžete relativně snadno sestavit, párkrát velmi opatrně zablýskat a pak ji zase schovat do skříně. Pravda laboratoři velmi vysokých napětí umístěné blízko Moskvy asi konkurovat nebudete. Ale pokud platí, že na milimetr jiskry je zapotřebí přeskokové napětí asi 3,5kV tak 6cm jiskra v kulovém jiskřišti není špatný výsledek.

Jiskřiště plní funkci spínače, který po dosažení velmi vysokého přeskokového napětí sepne a vyzkratuje nabitý kondenzátor. Protože energie kondenzátoru je úměrná druhé mocnině napěti (W=C*U*U/2) a zkrat trvá po krátký časový úsek výboje, je výkon po ten krátký okamžik velký. Ovšem přírodě s jejími blesky konkurovat nedokážeme.

Moc se mi líbilo motto jednoho účastníka fóra na internetové diskusi věnované Teslovým transformátorům, že nejlepší polovodič je jiskřiště. Princip relaxačního generátoru, kdy se pomalu přes odpor nabíjí kondenzátor a pak se rychle sepne výbojem v jiskřišti lze bezpečně realizovat na zapojení s diakem. Diak je napětím řízený spínač a jednodušší generátor než je ten s diakem, či dříve s doutnavkou neexistuje. Ovšem simulace takhle jednoduchého zapojení je hodně obtížná. Kdysi jsem se s tím dost potrápil ve starším článku.

Vypadá to až nepochopitelně, že zapojení jen s jedním odporem, přes který se exponenciálně nabíjí kondenzátor, který je následně zkratován sepnutým diakem, tak houževnatě odolává SPICE simulaci. Na překlopené obrazovce osciloskopu je vidět i průběh proudu diakem, což na analogovém osciloskopu není jednoduché zobrazit. Pomohl jsem si snímacím odporem proudu zařazeným mezi diak a kondenzátor. Tím se vlastnosti zapojení samozřejmě změnily zhoršily. Kmitočet už byl pak dost nestabilní, takže byl problém osciloskop zasynchronizovat. Je zde vidět i nectnost analogového osciloskopu. Stoupající část proudového impulsu je tak rychlá, že elektrony nerozsvítí stínítko. Ale zato je dobře vidět funkce diaku. Po dosažení průrazu nastává zkrat kondenzátoru (přes snímací odpor) -proudová špička a proud se exponenciálně zmenšuje, jak se vybíjí kondenzátor. Když proud klesne pod minimální přídržnou hodnotu diaku, diak se rozepne. Proud kolmo klesne k nule a rozepnutý diak umožní další exponenciální nabíjení kondenzátoru na průrazné napětí diaku. Odpor nemůže být příliš malý, protože diakem poteče i proud ze zdroje a ani přílíš velký, protože nesepne. Teoreticky by to mělo v režimu X/Y i vykreslit charakteristiku diaku, ale průběhy jsou tak nestabilní, že se mi to nepovedlo a na osciloskopu byl jen velký svítící flek.

Problémy při simulaci jsou dva. Jednak je zpravidla špatně SPICE model diaku, který nepracuje v souladu s realitou, tj. sepne se při překročení průrazného napětí a rozepne se když proud poklesne pod minimální přídržnou hodnotu. A navíc je ještě napěťový pokles na diaku v sepnutém stavu je na rozdíl od tyristoru poměrně malý. Špatný model má i původní Workbench a tedy i Multisim, ale model alespoň vykazuje napěťovou hysterezi a tak se s tím sestavit generátor dá. Druhý problém je závažnější a je dán implementací algoritmů SPICE. Na internetu se dají dohledat práce autora SPICE algoritmů L.W. Nagela z univerzity Berkeley. .

Z algoritmu výpočtu průběhu signálu v čase (analýza Transient) je vidět, že program opakovaně řeší pro jednotlivé časové úseky soustavu rovnic numerickou integrací. Je použita velmi přesná a rychlá metoda trapeziodal, kdy se průběh funkce nahrazuje úsečkami a počítají se plochy uzounkých lichoběžníků pod těmito úsečkami. Bohužel za některých podmínek, kdy se v obvodu vyskytují cívky a kondenzátory a ostré změny signálu, algoritmus nekonverguje. A to je zrovna případ generátoru s diakem, kdy skokově klesne napětí při vybití kondenzátoru. Výpočet se numericky rozkmitá, nebo se to úplně sekne. Pro tyto účely je vhodnější odolnější a asi i méně přesná metoda integrace GEAR, protože jinak by asi nemělo smysl, aby se trapezoidal výpočet volil jako defautl nastavení simulace Transient. A samozřejmostí je pro tento typ zapojení vynechat výpočet ustálených pracovních bodů v obvodu (.OP) a vnutit výpočtu počáteční nulové podmínky (set to zero). EWB-Multisim se i po třiceti letech ve čtrnácté verzi seká úplně stejně jako původní verze pod Dosem, protože se pravděpodobně přesně drží klasických algoritmů SPICE. MicroCap používá modifikované výpočty matic integrálů, takže proto jsem po MicroCapu vždycky sáhl, když ostatní programy selhaly. Dle internetu dává také mnohem lepší výsledky při simulaci problematických obvodů i program LTSpice, který podporuje firma Analog Device.

Stažení a instalace programu Ltspice je rychlá, program reaguje bleskově a má širokou komunitu příznivců a funguje velmi dobře. Mně je ale nesympatický, protože je málo Windows, tj. má podivné ovládání a vzhled je jak z doby DOSu. Proto jsem se upnul na program TinaPro, protože se mi prostě líbí a má pro mé potřeby dostatečně bezproblémové výsledky. Volba typu numerického výpočtu integrálu už v základním okně TinyPro zmizela a buď program sám volí nejvhodnější metodu, anebo to řeší jinak. Pokud se pokoušíte o simulaci kmitavého obvodu, tak je nejlepší upravit nějaké podobné fungující zapojení z examples. Dá se totiž předpokládat, že podmínky transient simulace byly nastaveny správně (set to zero, gear a vhodný časový krok), aby jejich zapojení šlo odsimulovat.

Takže jsem si dokreslil schéma do příkladu s astabilním klopným obvodem s časovačem 555.

Je pěkné, že v případě problémů s konvergencí program provede analýzu příčin a navrhne potřebné změny, které by měly problém odstranit. Zkusil jsem tedy kromě gear a set to zero ještě změnit krok simulace a skoro jsem to trefil, další jemnější nastavení to ale opět rozhodilo.

Nakonec jsem příliš úspěšný nebyl. Příklad ale dobře poslouží pro ilustraci, jaké problémy mohou nastat. Nemá smysl to řešit, opravdu už jsem s tím kdysi strávil strašně moc času a i v EWB5 jsem to nakonec odladil. A nakonec jsem si stejně vymyslel vlastní SPICE model diaku, protože i v EWB je diak špatně.

Druhý zásadní problém při simulacích je zem. Bezpodmínečně v zapojení zem být musí. Některé programy to nehlídají a něco spočítají. Výpočet může (nemusí) být kvůli chybějící zemi úplně špatně a přitom program neupozorní na chybu výpočtu. Algoritmy vycházejí z metody uzlových napětí a vztažný uzel s číslem nula prostě pro řešení matic uzlů obvodů vyžadují. Dále všechny uzly obvodu musí mít vodivou cestu k zemi. Takže nemůže být třeba v zapojení volný konec kondenzátoru, nebo galvanicky oddělené vinutí transformátoru. Stačí to ošetřit hodně velkým odporem na zem, nebo propojit obě strany vinutí velkým izolačním odporem, případně propojit obě vinutí transformátoru zemí.

No a na závěr obligátní foto mého kocoura. Tvrdí, že sice věří, že LTspice je jeden z nejlepších simulačních programů vůbec. Ale jako starý konzervativní kocour se už nechce učit další ovládání programu, když všechny simulační programy pracují na téměř totožných algoritmech. A já dodávám, že mne mrzí, že při studiu na elektrofakultě se o SPICE nikdo ani nezmínil a přitom  je to záležitost 50 let stará.