\chapter{Regulovatelné napájecí zdroje a rozhraní používaná v měřící technice}

S regulovatelnými napájecími zdroji se lze nejčasteji setkat v laboratořích, měřících a testovacích pracovištích, kde si různé aplikace žádají rúzné úrovně napětí či proudu. Z toho důvodu se tyto zdroje občas pojmenovávají jako \texttt{laboratorní} zdroje. I u regulovatelných napájecích zdrojů se lze setkat s oběma typy řízeného zdroje, a to lineárního a spínaného řízení. Každý z těchto typů má svá pro a proti, která budou později zmíněna. Aby bylo možné na napájecím zdroji nastavit požadované výstupní veličiny, jsou tyto zdroje vybaveny ovládacím rozhraním. Toto rozhraní může být \texttt{lokální} nebo \texttt{dálkové}. Lokální rozhraní se nachází na vnější části zařízení v podobě snímací jednotky (klávesnice, tlačítka, otočné prvky) a indikační jednotky (displej, LED diody, apod.). Dálkové rozhraní bývá většinou reprezentováno komunikačním konektorem s jehož pomocí lze propojit zařízení se vzdálenou ovládací jednotkou. Tato jednotka bývá většinou reprezentována počítačem či jiným podobným zařízením. Napájecí zdroj lze pořídit od cca 1500 až po řádově sta ticíce korun. Cena je závislá na mnoha faktorech, nicméně tyto ji ovlivňují pravděpodobně nejvíce:

\begin{itemize}
	\item
		maximální výkon, který je zdroj schopný dodat
	\item
		rozsah regulace
	\item
		počet druhů regulovaných veličin
	\item
		počet a druh ovládacích rozhraní
	\item
		doplňkové funkce zdroje
	\item
		rozměry
	\item
		přesnost regulace
	\item
		stabilita regulace (časová, teplotní)
\end{itemize}

	\section{Zdroje s lineární regulací}
		%\subsection{Princip}
		Vstupní střídavé napětí, myšleno síťové, vstupující do zdroje je nejdříve pomocí transformátoru převedeno na nižší, a poté je usměrněno pomocí diod, dále vyfiltrováno pomocí kondenzátoru. Tímto způsobem upravené napětí a proud, které jsou neměnné (ideálně) se přivedou na regulační člen v podobě říditelného polovodičového prvku \ref{fig:LinZdrojPrincip}. Mění-li se na ovládací bráně regulačního prvku napětí či proud, mění se vodivost mezi vstupní a výstupní bránou. Regulační člen tak lze zjednodušeně vnímat jako napětím či proudem řízený rezistor. Přebytečná energie se na tomto regulačním prvku promění v teplo. 
		
		\FloatBarrier
		\begin{figure}[!ht]
			\begin{center}
				\includegraphics[scale=0.29]{obrazky/NapajeciZdroje/LinZdrojPrincip}
			\end{center}
			\caption{Principiální blokové schéma síťového lineárního zdroje\cite{WikipedieStabNap}}
			\label{fig:LinZdrojPrincip}
		\end{figure}
		\FloatBarrier
		\hfill\break
		%\subsection{Výhody}
		\textbf{Výhody:}
		\begin{itemize}
			\item
				nízká technická náročnost
			\item
				malé rušení do okolí a zpět do sítě
			\item
				stabilita a malé zvlnění výstupní veličiny
		\end{itemize}
		\hfill\break
		%\subsection{Nevýhody}
		\textbf{Nevýhody:}
		\begin{itemize}
			\item
				rozměry zařízení, obzvláště pokud je požadován velmi vysoký výkon
			\item
				nízká účinnost, ztráty regulace v podobě tepla
			\item
				hmotnost
		\end{itemize}
		
	\section{Spínané zdroje}
		%\subsection{Princip}
		Nejdříve se provede usměrnění a filtrace vstupního síťového napětí. Toto stejnosměrné napětí je přiváděno přes spínací prvek (MOS, IGBT tranzistor) \ref{fig:SpinZdrojPrincip} na impulzní transformátor. Transformované napětí je opět usměrněno a vyfiltrováno. Změnou kmitočtu nebo střídy (\zk{zkPWM}) spínání pak lze regulovat požadovanou výstupní veličinu. Na spínacím prvku dochází oproti lineárnímu řízení jen k malým energetickým ztrátám. Dalším zdrojem ztrát vlivem vysokých kmitočtů je transformátor. V praxi se frekvence spínání pohybují od jednotek $\jedn{kHz}$ až po stovky $\jedn{kHz}$.
		
		\FloatBarrier
		\begin{figure}[!htb]
			\begin{center}
				\includegraphics[scale=0.35]{obrazky/NapajeciZdroje/SMPS}
			\end{center}
			\caption{Principiální blokové schéma spínaného síťového zdroje\cite{WikipedieStabNap}}
			\label{fig:SpinZdrojPrincip}
		\end{figure}		
		\FloatBarrier
				
		%\subsection{Výhody}
		\hfill\break
		\textbf{Výhody:}
		\begin{itemize}
			\item
				účinnost
			\item
				lze dosáhnout vysokých výkonů při nepatrném zvětšení rozměrů
		\end{itemize}
		\hfill\break
		%\subsection{Nevýhody}
		\textbf{Nevýhody:}
		\begin{itemize}
			\item
				vysoká technická náročnost
			\item
				vyšší rušení do okolí a zpět do sítě
			\item
				nižší stabilita a výstupní zvlnění výstupní veličiny\footnote{V dnešní době vyspělých spínaných napájecích zdrojů tato nevýhoda mizí.}
		\end{itemize}
		
	\section{Rozhraní pro vzdálené ovládání testovacích a měřících zařízení} 	
	Jak se postupem času vyvíjela elektronika a s ní měřící přístroje, objevila se potřeba automatického řízení. Začala tak vznikat zařízení se vzdáleným řízením.
	
	První standardní sběrnici pro automatické testování vyvinula společnost Hewlett-Packard na konci 60. let minulého století. Sběrnice se nazývala \zk{zkHPIB} (\zkratkatext{zkHPIB}). Sběrnice se stala oblíbenou a začali ji používat i jiní výrobci pod názvem \zk{zkGPIB} (\zkratkatext{zkGPIB}). V roce 1975 \zk{zkIEEE} (\zkratkatext{zkIEEE}) sběrnici standardizoval jako \zk{zkIEEE488} (\zkratkatext{zkIEEE488}). Tento standard byl později přepracován a vznikl IEEE-488.1. Tento standard již definoval mechanické, elektrické a základní komunikační parametry sběrnice. Až v roce 1987 \zk{zkIEEE} zavedla standard \zk{zkIEEE4882} (\zkratkatext{zkIEEE4882}), který definoval podobu komunikačního protokolu. Problémy s příkazy specifickými podle určení přístroje to však nevyřešilo. Příkazy se tak lišily od různých výrobců a zařízení tak nebyla kompatibilní. Na tento problém poukázala opět společnost Hewlett-Packard a vyvinula vlastní jazyk příkazů. Tento jazyk položil základy \zk{zkSCPI} (\zkratkatext{zkSCPI}), který byl zaveden jako průmyslový standard v roce 1990. Tento standard dodržuje syntaxi příkazů dle \zk{zkIEEE4882}, ale umožňuje použítí jiné fyzické vrstvy než IEEE-488.1. SCPI příkazy jsou textové řetězce obsahující ASCII znaky, které jsou posílány přes fyzickou vrstvu do zařízení. Příkazy jsou série jednoho nebo více klíčových slov, z nichž mnoho udává parametr.
	
Od této chvíle bylo možné použít jakékoliv vhodné sběrnice. Vzhledem k tomu, že většina automatických měření je řízena počítačem, začaly se používat sběrnice, které lze na běžném PC nalézt.	Několik předních společností vyrábějící testovací a měřící přístroje zavedlo průmyslový standard, univerzální, široce používanou \zk{zkAPI} (\zkratkatext{zkAPI}) pro počítače zvanou \zk{zkVISA} (\zkratkatext{zkVISA}). Tato \zk{zkAPI} umožňuje komunikaci s přístrojem na běžných počítačových, testovacích a měřících sběrnicích (USB, RS232/RS-485, LAN, GPIB, VXI).
\clearpage

\begin{figure}[!ht]
	\begin{center}
		\includegraphics[scale=0.65]{obrazky/NapajeciZdroje/NiBusSelection1}
	\end{center}
	\caption{Rychlost a zpoždění používaných sběrnic, převzato z \cite{NI_bus_selection}}
\end{figure}


\begin{table}[!ht]
  \begin{center}
  	\small
	  \begin{tabular}{|l|l|l|l|l|l|}
	    \hline
			& Přenosová  	& \multirow{3}{*}{Zpoždění [$\mikro$s]}	& \multirow{3}{*}{Dosah [m]} & Nastavení   & Odolnost  \\
			& rychlost &  &  & a & konektoru \\
			& [MB/s] &  &  & připojení & \\
	    \hline\hline
	    \multirow{2}{*}{\textbf{GPIB}} &	1.8~(488.1) & \multirow{2}{*}{30} & \multirow{2}{*}{20} & \multirow{2}{*}{Dobré}	& \multirow{2}{*}{Nejlepší} \\
			& 8~(HS488) & & & & \\
			\hline
			\textbf{RS-232}	&	0.02	& 1000~(115200)	& 15 	& Dobré & Lepší \\
			\hline
			\multirow{2}{*}{\textbf{USB}} & \multirow{2}{*}{60~(Hi-Speed)} & 1000~(USB) & \multirow{2}{*}{5}	& \multirow{2}{*}{Nejlepší}	& \multirow{2}{*}{Dobré} \\
			& & 125~(Hi-Speed) & & & \\
			\hline
			\multirow{3}{*}{\textbf{PCI}}	& \multirow{3}{*}{132} & \multirow{3}{*}{0.7}	& vnitřní PC & \multirow{3}{*}{Lepší}	& Lepší, \\
			& & & sběrnice & & Nejlepší \\
			&&&&& (pro PXI) \\
			\hline
			\textbf{PCI}	& 250~(x1)	& 0.7~(x1) & vnitřní PC  & \multirow{3}{*}{Lepší} & Lepší, \\
			\textbf{Express}& 4000~(x16) & 0.7~(x4) & sběrnice & & Nejlepší \\
			&&&&& (pro PXI)\\
			\hline
			\textbf{Ethernet}	& 12.5~(Fast)	& 1000~(Fast) & \multirow{3}{*}{100} & \multirow{3}{*}{Dobré} & \multirow{3}{*}{Dobré} \\
			\textbf{LAN}	& 125~(Gigabit) & 1000~(Gigabit) & & & \\
			\textbf{LXI}	&	& & & & \\
			\hline
	
			%\verb|\textind{...}|	& $\beta_\textind{max}$ 	& \verb|$\beta_\textind{max}$|	& textový index \\
	    %\hline
	    %\verb|\konst{...}| 		& $\konst{U}_\textind{in}$ 				& \verb|$\konst{U}_\textind{in}$|		& konstantní veličina \\
	    %\hline
	    %\verb|\prom{...}| 		& $\prom{u}_\textind{in}$ & \verb|$\prom{u}_\textind{in}$| & proměnná veličina \\
	    %\hline
	    %\verb|\komplex{...}| 	& $\komplex{u}_\textind{in}$ & \verb|$\komplex{u}_\textind{in}$| & komplexní veličina \\
	    %\hline
	    %\verb|\vekt{...}| 		& $\vekt{y}$ 						& \verb|$\vekt{y}$| & vektor \\
	    %\hline
	    %\verb|\matice{...}| 	& $\matice{Z}$ 						& \verb|$\matice{Z}$| & matice \\
	    %\hline
	    %\verb|\jedn{...}| 		& $\jedn{kV}$ 						& \verb|$\jedn{kV}$|\quad či\ \, \verb|\jedn{kV}| & jednotka \\
	    %\hline
	  \end{tabular}
  \end{center}
	\caption{Porovnání sběrnic používaných pro vzdálené řízení přístrojů\cite{NI_bus_selection}}
	\label{tab:PorovnaniSbernic}
\end{table}

\begin{table}[!ht]
  \begin{center}
  	\small
	  \begin{tabular}{|p{2cm}|p{2.5cm}|p{3cm}|p{2.3cm}|p{1.5cm}|p{1.3cm}|}
	    \hline
			Produkt										& Max. U;I;P 			& Přesnost U;I											& Zvlnění U;I 								& Rozhraní 		& Cena [Kč] \\
	    \hline\hline
	    \textbf{TENMA; 72-10480}	&	30V;3A;90W			& $\leq0.5\%+20mV$; $\leq0.5\%+5mA$	& $\leq1mVrms$; $\leq3mArms$	& Lokální 		& 1 883 	\\
			\hline
			\textbf{EA; EA-PS~2042-10B}	&	42V;10A;160W			& $\leq0.2\%$; $\leq0.2\%$	& $\leq9mVrms$; $\leq15mArms$	& Lokální; USB(non std.) 		& 7 398 	\\
			\hline
			\textbf{EA; EA-PS~5040-10A}	&	40V;10A;160W		& $\leq0.2\%$; $\leq0.2\%$	& $\leq10mVrms$; $\leq15mArms$	& Lokální; USB(non std.) 		& 16 012 	\\
			\hline
			\textbf{B\&K PRECISION; BK9201}	&	60V;10A;200W	& $\leq0.03\%+5mV$; $\leq0.1\%+10mA$ & $\leq8mVrms$; $\leq6mArms$	& Lokální; USB; GPIB; RS232 & 19 739 	\\
			\hline
			\textbf{EA; EA-PS 8032-10DT} & 32V;10A;320W & $\leq0.05\%$;$\leq0.15\%$	& $\leq40mVpp$; $\leq50mApp$	& Lokální; USB; GPIB; RS232; CAN	& 27 275 	\\
			\hline
			\textbf{KEY-SIGHT; 6653A-240-PLG} & 35V;15A;525W & $15mV$; $13mA$	& $400\mu Vpp$; $5mApp$	& Lokální; GPIB	& 98 253 	\\
			\hline
	  \end{tabular}
  \end{center}
	\caption{Srovnání vybraných regulovatelných napájecích zdrojů na trhu\cite{FarnellCz}.}
	\label{tab:SrovnaniZdrojeTrh}
\end{table}

