\chapter{Realizace - HW modulu výkonového zdroje}
Ze zadaných maximálních výstupních veličin zdroje byl určen dostupný transformátor od společnosti \texttt{TRONIC s.r.o.} \(<\)\url{http://www.trafo.cz/cms/}\(>\). S tímto transformátorem budou dosaženy hodnoty blízké zadání. Transformátor má tyto parametry:
	\begin{description}[align=right,labelwidth=4cm]
		\item[Prim. vinutí] - $230VAC$
		\item[Sec. vinutí] - $u_{SEK} = 20V/40V$ (vyvedený střed vinutí); $i_{SEK} = 10A$
		\item[Výstupní výkon] - $400VA$
	\end{description}

	\hfill\break
Po usměrnění a filtraci bude dosaženo těchto hodnot (zjednodušené výpočty bez započtených ztrát), které budou použity jako limitní parametry pro výběr komponentů. Výběr kritických komponentů je uveden v příloze \ref{sec:PwrCompDesign}. Schémata zapojení a nákres \zk{zkDPS} jsou také umístěny v příloze \ref{sec:PwrSchemas} a \ref{sec:PwrPcbs}.
	
	\begin{eqnarray}
		U_{MAX} = \sqrt{2} \cdot u_{SEK} 
		\label{eqUMax} \\
		I_{MAX} = \sqrt{2} \cdot i_{SEK} 
		\label{eqIMax}
	\end{eqnarray}
	\hfill\break
Pro návrh podle podle vztahů \ref{eqUMax} a \ref{eqIMax} budou použity tyto hodnoty:
	\begin{eqnarray*}
		U_{MAX} &\cong& 57V \\
		I_{MAX} &\cong& 15A \\
	\end{eqnarray*}
	\begin{description}[align=right,labelwidth=3cm]
		\item[$U_{MAX}$] - maximální napětí po usměrnění a filtraci	
		\item[$u_{SEK}$] - efektivní napětí sekundárního vinutí
		\item[$I_{MAX}$] - maximální proud po usměrnění a filtraci	
		\item[$i_{SEK}$] - efektivní proud sekundárního vinutí
	\end{description}
	% zminka o modularitě zapojení
	\hfill\break
	Protože bude realizován prototyp, kde lze očekávat nedostatky v návrhu, bude elektronika výkonového zdroje rozložena na funkční bloky. Všechny tyto bloky budou modulární. Každy funkční blok bude na samostatné desce plošných spojů. Za blokem regulátoru jsou navrženy 4 připínané kompenzační prvky v podobě kondenzátorů, které budou použity pro stabilizaci zpětné vazby během oživování. K projevům nestability zpětné vazby dochází typicky při skokových změnách výstupního proudu\cite{KompenzaceZdroje}.
	
	\section{Obvodové řešení klíčových komponent}
		Na obrázku \ref{fig:RegPwrCirc} je zapojení regulační části výkonového zdroje. Tranzistor Q3 je zapojený jako proudový zesilovač. K němu je připojen tranzistor Q2 jako budič tranzistoru Q3. Tranzistor Q2 řízen tranzistorem Q1. Díky tranzistoru Q1 se regulační napětí pohybuje uvnitř rozsahu napájecích úrovní TTL. Na bázi tranzistoru Q1 tedy vstupuje napětí z výstupů regulačních operačních zesilovačů. Z pravé strany do regulační jednotky vstupují měřené a požadovane veličiny v rozsahu 0-5V.
		
	\FloatBarrier
	\begin{figure}[!ht]
		\begin{center}
			\includegraphics[scale=0.6]{obrazky/VykonovaCast/Regulace}
		\end{center}
		\caption{Schéma regulačního obvodu}
		\label{fig:RegPwrCirc}
	\end{figure}
	\FloatBarrier
	
	Dále na obrázku \ref{fig:RegOz} je zapojení regulační jednotky. Regulační jednotka se skládá z dvojitého operačního zesilovače. Spodní větev OZ, tedy U1B, je proudová. Do doby než měřený proud nepřesáhne požadovaný proud je překlopen na kladné napájecí napětí, a díky D29 neovlivňuje výstupní napětí celé jednotky. Výstupní napětí je tak řízeno pouze horní napěťovou regulací (\texttt{režim konstatního napětí}). Až ve chvíli, kdy bude měřený proud větší než požadovaný, začne proudová regulace snižovat své výstupní napětí tak, aby vyrovnala napětí na svých vstupech. Na výstupu U1B bude nižší napětí než na výstupu U1A a přes diodu D29 začne protékat proud. Tím se na R16 zvětší úbytek napětí a na výstupu regulační jednotky tak klesne výstupní napětí (\texttt{režim konstatního proudu}).
	Regulace má tak dvojitou zpětnou vazbu (napěťovou a proudovou) a proměnné referenční vstupní napětí.
	
	\FloatBarrier
	\begin{figure}[!ht]
		\begin{center}
			\includegraphics[scale=0.45]{obrazky/VykonovaCast/RegulacniOz}
		\end{center}
		\caption{Zapojení regulačních \zk{zkOZ}}
		\label{fig:RegOz}
	\end{figure}
	\FloatBarrier
	
	Na tomto obrázku \ref{fig:TrueSwitch} je znázorněno zapojení dvou P-MOS tranzistorů zapojenými \texttt{SOURCE} piny k sobě. Toto zapojení se nazývá \uv{TrueSwitch}. Pomocí takto zapojených P-MOS tranzistoru bude mít zapojení z obou stran na \texttt{DRAIN} pinech stejné vlastnosti. Lze ho pak použít místo mechanických spínacích prvků. Dále je na obrázku znázorněn spínací obvod tranzistorů. Ke správné a bezpečné funkci je tento obvod třeba napájet galvanicky odděleným napájením a ovládací signál vést prostřednictvím optického oddělovacího prvku.
	V návrhu zdroje je toto řešení použito na místo běžného relé jako experiment, který ukáže funkčnost, výhody a nevýhody zapojení. Již nyní se dají vyjmenovat očividné klady a zápory takového zapojení:
		\begin{description}[align=right,labelwidth=3cm]
			\item[+]tichý provoz, žádné \uv{cvakání} mechanického prvku
			\item[-]větší náročnost na zapojení
			\item[-]pravděpodobně vyšší cena
		\end{description}
	
	\FloatBarrier	
	\begin{figure}[!ht]
		\begin{center}
			\includegraphics[scale=0.55]{obrazky/VykonovaCast/TrueSwitch}
		\end{center}
		\caption{Spínač realizován dvěma P-MOS tranzistory v zapojení \texttt{TrueSwitch}}
		\label{fig:TrueSwitch}
	\end{figure}
	\FloatBarrier
	
	\section{Výběr MCU}
		Mikrokontrolér musí mít minimálně jedno rozhraní UART. Pro generování řídících napětí regulační jednotky je nutné, aby měl mikrokontrolér minimálně 1 časovač s dvěmi komparačními registry. Tyto registry budou sloužit pro generování \zk{zkPWM} na dvou výstupních pinech. Čím více bitový časovač mikrokontrolér bude mít, tím jemnější bude kvantizační krok (změna střídy po menším krku $\rightarrow$ jemnější regulace střední hodnoty napětí za dolní propustí). Dále bude zapotřebí 4 \zk{zkADC} vstupů pro měření napětí před regulátorem (ověření funkčnosti předchozích obvodů), napětí za regulátorem, napětí na výstupních svorkách zdroje a proud tekoucí do zátěže. A posledním požadavkem je 7 digitálních výstupů pro přepínaní konfigurace transformátoru, spínání výstupu a 4 kompenzace zátěže. 
		
		Na základě výše popsaných požadavků byl vybrán mikrokontrolér \texttt{ATmega328PB}\cite{AtmelUsbAt328PB} od společnosti Atmel. Vybraný mikrokontolér disponuje dvěmi rozhraními UART, třemi 16bit časovači, osmi 10bit \zk{zkDAC} kanály a 27 vstupně-výstupními piny. Mikrokontrolér lze programovat pomocí ISP a je podporován programátorem \uv{\texttt{BiProg}}.

	\section{Blokové schéma}
		Z blokového diagramu na obrázku \ref{fig:HwVykonovyModul} je patrné, že modul výkonového zdroje je rozdělen na 4 hlavní bloky. První dva bloky jsou napájecí, další řídící a poslední regulační. Každý z těchto bloků tvoří samostatnou \zk{zkDPS} (\zkratkatext{zkDPS}). Dále na samostatných \zk{zkDPS} jsou měřící, regulační obvody a také obvody pro spínání \texttt{TrueSwitch}.
		
		Příprava napájení pro vstup regulátoru je provedena ve \texttt{výkonovém napájecím bloku}. Do tohoto bloku je přivedeno síťové napětí přes transformátor s vyvedeným středem. Konfigurace vinutí je pomocí \texttt{TrueSwitch} spínacích prvků vybírána a příváděna na usměrňovač, a to buď v konfiguraci 20V nebo 40V. Toto napětí je pak usměrněno a vyvedeno ven. \texttt{TrueSwitch} jsou na \zk{zkDPS} \texttt{bloku výkonového napájení} připevněny pomocí \uv{hřebínkových konektorů}. Spínací prvky jsou ovládány z řídícího bloku. 
		
		Dalším napájecím blokem je pomocné napájení. Pomocné napájení generuje symetrické napájení $\pm8V$ pro měřící a regulační obvody, $+5V,+12V,+12V ISO$ pro napájení řídícího bloku a $3x +12V ISO$ pro napájení \texttt{TrueSwitch} ovládacích jednotek.
		
		Řídící blok obsahuje mikrokontrolér se snímacími a řídícími perifériemi a galvanicky oddělenou komunikační částí převodníku RS-485/RS-232. Tento blok vykonává příkazy přijmuté z ovládacího modulu.
		
		Regulační blok obsahuje výkonové regulační prvky, regulační jednotku a většinu měření. Měřící moduly a regulační jednotka je na tomto bloku připojena pomocí \uv{hřebínkových konektorů}.
		
		\FloatBarrier	
		\begin{figure}[!ht]
			\begin{center}
				\includegraphics[scale=0.15,angle=90]{obrazky/VykonovaCast/HwVykonovyModul}
			\end{center}
			\caption{Blokové schéma modulu výkonového zdroje}
			\label{fig:HwVykonovyModul}
		\end{figure}
		\FloatBarrier
	
	\section{Výstupní parametry zdroje}
	
		\begin{eqnarray}
			U_{P-P} &=& \frac{p \cdot U_{MAX}}{100} [V; \%, V]
			\label{eqSpickSpicka} \\
			U_{Omax} &=& U_{MAX}-(2 \cdot U_{F}+U_{TR-SW}+U_{REG} \nonumber \\
			&\qquad{}& +U_{OUT-SW}+U_{P-P}+U_{R-SNS}) 
			\label{eqUOutMax} 
		\end{eqnarray}
		\begin{description}[align=right,labelwidth=3cm]
			\item[$U_{Omax}$] - maximální dosažitelné napětí na výstupních svorkách zdroje	
			\item[$u_{SEK}$] - efektivní napětí sekundárního vinutí
			\item[$U_{F}$] - úbytek usměrňovací diody v propustném směru
			\item[$U_{TR-SW}$] - přechodový odpor prvku pro přepínání vinutí
			\item[$U_{REG}$] - minimální úbytek na regulačním prvku
			\item[$U_{OUT-SW}$] - střída, poměr trvání logických úrovní
			\item[$U_{P-P}$] - zvlnění usměrněného filtrovaného napětí\cite{NapajeciZdroje1}
			\item[$p$] - zvlnění za filtračním kondenzátorem\cite{NapajeciZdroje1}
		\end{description}
		
		\begin{eqnarray*}
			U_{Omax} &=& 41V \\
			I_{MAX} &=& 10A \\
		\end{eqnarray*}
		