Perusluokan palsta 2015-19/URI PUI

Radioamatööriwikistä
Siirry navigaatioon Siirry hakuun

Tämä sivu on osa Tomi Helpiön Perusluokan palsta 2015–19 -kirjaa, johon on uudelleentoimitettu Radioamatööri-lehdessä vuosina 2015–2019 julkaistut Perusluokan palsta -juttusarjan artikkelit.

URI PUI

Otsikko ei tarkoita sitä, että venäläinen kesävieras olisi elonkorjuutöissä. Kyseessähän on muistisääntö, jonka pitäisi olla syöpyneenä kaikkien sähkön kanssa harrastavien, erityisesti radioamatöörien, mieleen. Aloitankin tällä kerralla perusteista.

Selaillessani QST-lehteä (QST June 2019) törmäsin ”The Doctor is In”- palstalla kysymykseen, joka yksinkertaisuudessaan sai minut ällistymään: ”Voiko pätevyystutkinnon suorittanut radioamatööri tosissaan kysyä näin ilmiselvää asiaa?”

Kysymys oli yksinkertaistaen se, että riittääkö 120 V/20 A-verkkoliitäntä (US-standardi) 100 W:n rigille, 500 W:n vahvistimelle ja oheislaitteille. Rigin manuaalin mukaan se vaatii nimittäin yksinään jo 21 A. Eivätkö kaikki laitteet yhdessä saa jo ”proppua palamaan”?

Kysyjä siis olettaa, että koska rigi ottaa virtalähteestä (13,8 V) virtaa 21 A, ottaa virtalähde verkosta (120 V) virtaa myös 21 A. Pidin tätä aivan alkeellisena väärinkäsityksenä, kunnes aloin käydä läpi amerikkalaista alimpaan pätevyystutkintoon (Technician Class) valmentavaa materiaalia /1/ sekä kysymyspankkia /2/. Yllätyksekseni tähän kysymykseen ei löytynyt suoraa vastausta. Materiaalissa kyllä mainitaan, että muuntajalla voidaan pudottaa esimerkiksi verkkojännite laitteiden käyttämäksi jännitteeksi. Muuntajan vaikutusta sähkövirran muuntamiseen ei sen sijaan mainita.

Viime aikoina on keskusteltu siitä, että radioamatöörin pätevyystutkintoa pitäisi helpottaa, jottei se toimisi esteenä uusille hameille. Jos tuloksena on kuitenkin radioamatöörejä, joilla ei esimerkiksi ole käsitystä, mitä laitteita voi kytkeä sähköverkkoon, on mielestäni menty liian pitkälle. Pätevyystutkinnon tarkoituksena ei ole estää uusien harrastajien tuloa, vaan taata, että kaikilla radioamatööreillä on riittävät perustiedot sähköstä ja radiotekniikasta, jotta he voivat turvallisesti ja vastuullisesti operoida radioamatööriasemaa. Tällöin sähköturvallisuus ja radiohäiriöiden välttäminen ovat tärkeimpiä teknisiä aiheita.

Ohmin laki ja sähköteho

Kuva 1. Sähkömiehen kolmiot a) Ohmin laille ja b) sähköteholle. Peittämällä tuntematon suure jää sen lauseke näkyviin.

Saksalainen fyysikko Georg Ohm julkaisi vuonna 1827 tutkimuksen, jossa hän mittasi eripituisten vastuslankojen läpi kulkevan sähkövirran ja langan yli vaikuttavan jännitteen välistä riippuvuutta. Hän havaitsi jännitteen ja virran välillä lineaarisen, suoran, riippuvuuden. Kului vuosikymmeniä ennen kuin hänen työnsä hyväksyttiin laajasti, ja Ohmin kokeellisesti havaitsema riippuvuus sai nimen Ohmin laki. Sen mukaan jännitteen ja virran suhde on resistanssi eli . Kuvassa 1a on varmaankin kaikkien tuntema ”sähkömiehen kolmio”, joka toimii apuna Ohmin lain muistamiseen: peittämällä tuntematon suure saadaan sen lauseke eli esimerkiksi .

Ohmin laki on varmaankin sähkötekniikan tärkein yksittäinen lainalaisuus; tasavirtapiirien mallintaminen perustuu lähes yksinomaan siihen. Yleisemmässä muodossa impedanssi kuvaa vaihtovirtapiiriä, esimerkiksi antennia tai syöttöjohtoa.

Sähköteho

Kuva 2. Vaihtovirtapiirissä näennäisteho S on pätötehon P ja loistehon Q vektorisumma.

Tasavirtapiirissä sähköteholle pätee yhtälö eli teho on yksinkertaisesti jännitteen ja virran tulo. Kuvassa 1b on muistikolmio tälle riippuvuudelle. Puhtaasti resistiivisissä vaihtovirtapiireissä tämä yhtälö pätee myös, ja tehon yksikkö on watti (W), mutta jos kuormassa on reaktiivinen komponentti (kapasitiivinen tai induktiivinen) käytetään teholle yksikköä VA (voltti-ampeeri). Tällöin kuorman resistanssiosassa kuluu pätötehoa (W) ja reaktiivisessa osassa loistehoa (VAr). Tässä tuo pieni r-kirjain viittaa reaktanssiin. Kokonaisteho on näiden kahden vektorisumma eli näennäisteho (VA). Tätä on havainnollistettu kuvassa 2. Tämä näennäisteho kuormittaa virtalähdettä, esimerkiksi sähköverkkoa, mutta vain pätöteho oikeasti kuluu. Kun vaihtovirtapiirissä on reaktanssia, lasketaan pätöteho virran ja jännitteen tehollisarvojen ja tehokertoimen tulona eli . Reaktiivisissa komponenteissa (kapasitanssi tai induktanssi) virran ja jännitteen välinen vaihe-ero on 90° eli tehokerroin . Näin ollen on pätöteho niissä myös nolla.

Yhdistämällä Ohmin laki ja sähkötehon yhtälö saadaan usein käyttökelpoiset sähkötehon yhtälöt ja . Ratkaisemalla nämä virran ja jännitteen suhteen saadaan kaavat ja . Nyt voidaan vaikka laskea, mikä jännite on 100 W:n lähettimen antenniliittimessä, kun se on kytketty 50 ohmin keinokuormaan: .

Muuntaja

Kuva 3. Häviöttömän muuntajan laskemisessa käytettävät kaavat. (Heikki E. Heinonen, OH3RU, ”Tiimissä hamssiksi”)

Muuntajassa ensiö- ja toisiokäämit jakavat yhteisen rautasydämen, ja niiden magneettikentät on mahdollisimman läheisesti kytketty toisiinsa. Virran muutos ensiökäämissä indusoi toisiokäämiin jännitteen ja tuloksena on sähkötehon siirtyminen ensiöstä toisioon. Muuntajaa käytetään jännite- tai impedanssitason muuntamiseen ensiön ja toision välillä. Tällöin häviöttömässä muuntajassa ensiö- ja toisiojännitteiden suhde on sama kuin ensiö- ja toisiokäämien kierroslukujen suhde. Ensiö- ja toisiovirtojen suhde taas on tälle käänteinen. Ensiön ja toision impedanssisuhde on puolestaan ensiö- ja toisiokäämien kierroslukujen suhteen neliö. ”Tiimissä hamssiksi”-kirjassa /3/ käsitellään muuntajaa (ss. 80…81). Kuvassa 3 on kirjassa esitetty kokoelma yleisimpiä muuntajayhtälöitä häviöttömälle muuntajalle.

Kuva 4. Verkkomuuntaja 230 V / 10 V ja sen merkittävimmät häviölähteet.

Todellinen muuntaja ei ole häviötön, vaan kuvan 4 mukaisesti siinä on häviöresistansseja ja - reaktansseja. Kuparikäämeillä on resistanssit (RL1 ja RL2), joiden voidaan ajatella olevan sarjassa käämien kanssa. Koska käämien induktanssit eivät ole täydellisesti kytketty toisiinsa, vaan esimerkiksi myös laitteen runkoon, on niiden kanssa sarjassa vuotoinduktanssit (LV1 ja LV2). Lisäksi käämin kerrosten sekä ensiö- ja toisiokäämien välillä on hajakapasitanssia (CH1, CH2 ja C12). Näiden hajakapasitanssien merkitys on verkkotaajuuksilla hyvin pieni, mutta RF-muuntajissa ne on otettava huomioon.

Kuvassa 4 on keskikokoinen verkkomuuntaja, jonka toision tyhjäkäyntijännite on 10 V. Kun toisioon kytketään kuorma (tässä kuvattu resistanssilla), saa se aikaan virran toisiopiirissä. Toisio- ja ensiökäämien magneettisen kytkennän kautta tämä taas saa aikaan sähköverkkoa kuormittavan virran ensiöpiirissä. Häviöresistansseissa ja - reaktansseissa syntyy silloin jännitehäviöitä. Muuntajan toisiojännite laskee tämän vaikutuksesta alle tyhjäkäyntijännitteen. Hyvin suunnitellussa verkkomuuntajassa tämä jännitteen lasku on alle 10 %. Tämän kokoluokan verkkomuuntajan hyötysuhde nimellisteholla on noin 80 % eli 20 % tehosta muuttuu lämmöksi edellä kuvattujen kupari- ja rautahäviöiden vuoksi.

Energian säilymisen laki

Yksi klassisen fysiikan keskeisimpiä periaatteita on energian säilymisen (tai häviämättömyyden) laki. Sen mukaan energia ei voi hävitä eikä sitä voi syntyä tyhjästä. Se voi vain muuttaa muotoaan, esimerkiksi radiolähettimessä sähköenergia muuttuu korkeataajuisemmaksi RF-energiaksi ja lämmöksi. Lähettimen sisään menevä sähköteho on täsmälleen sama kuin RF-tehon ja lämpötehon summa.

Kuva 5. Tyypillinen radioamatööriaseman virtalähde.

Samoin virtalähteessä (kuva 5) sisään menevä sähköteho on ulos tulevan sähkötehon ja virtalähteen häviöiden aiheuttaman lämpötehon summa. Tässä tapauksessa rigi kuluttaa lähetyksellä 13,8 VDC /21 A. Teho on siis 13,8 x 21 W eli noin 290 W. Powerin hyötysuhde on tässä η= 75 % eli sähköverkosta otettu teho on 290 W/ 0,75 eli noin 386 VA. Vastaava sähkövirta verkosta on noin 1,7 A.

Lämpönä vapautuu powerissa 386 W x 0,25 eli noin 97 W. Lähetysteho on 100 W, joten lähettimen hyötysuhde on 100 / 290 eli noin 34 %. Rigissä vapautuu siis lämpönä 290 W x 0,66 eli noin 190 W. Hamshackissä vapautuu lämpönä yhteensä 97 W (poweri) + 190 W (rigi) = 287 W.

Kuva 6. Esimerkin mukaisen radioamatööriaseman kaavio virrankulutuskohteineen. (Copyright ARRL, June 2019 QST “The Doctor is In.” Reprinted with permission.)

Kuvassa 6 on alussa mainitun ”The Doctor is In”- palstan kysymyksen vastauksen yhteydessä esitetty kaavio. Siinä on äsken käsitellyn virtalähteen lisäksi transceiveri ja 500 W:n lineaarinen vahvistin. Esimerkiksi Elecraft KPA500- vahvistimen (500 W) spekseissä sähköverkosta otettavaksi tehoksi annetaan 1000 VA. Jakamalla tämä verkon jännitteellä 230 V saadaan verkosta otettava virta eli 1000 VA / 230 V ≈ 4,4 A. Vahvistimen hyötysuhde on siis 500 W / 1000 VA = 50 % eli shackiin tulee 500 W lisää lämpöä.

Nyt voimme laskea laitteiden yhdessä sähköverkosta ottaman virran, joka on 1,7 A + 4,4 A = 6,1 A. Tämä on arvioitu yläkanttiin, koska ohjatessaan vahvistinta transceiveri ei suinkaan käytä täyttä lähetystehoa, vaan vain 30…40 W. Sen verkosta ottama virta on näin vastaavasti pienempi. Joka tapauksessa riittää 16 A:n verkkoliitäntä siis laitteille mainiosti, vaikka liitäntään kytkisi vielä muitakin verkkovirtalaitteita, kuten pöytälampun ja tietokoneen.

Analogiset virtalähteet

Kuva 7. Diamond GSV3000 -virtalähteen kytkentäkaavio.

Analoginen-, lineaarinen- tai muuntajavirtalähde eli muuntajapoweri ovat kaikki nimityksiä tälle muuntajalla ja puolijohderegulaattorilla varustetulle virtalähteelle. Kuvassa 7 on suositun Diamond GSV3000 - powerin (1…15 V / maks. jatkuva 30 A) kytkentäkaavio. Tutkitaan sitä seuraavaksi vähän tarkemmin.

Vasemmassa yläkulmassa ovat verkkoliitäntä ja - muuntaja, jonka jälkeen seuraavat tasasuuntaussilta ja suodatuskondensaattorit C20…29 (10 kpl 4700 uF:n elkoja rinnankytkettyinä). Kytkettäessä virtalähde pois päältä huolehtii kondensaattoreita seuraava bleedervastus R31 niiden hallitusta tyhjentämisestä.

Rinnankytketyt transistorit Q1 toimivat lineaarisella alueella ja ne huolehtivat ulostulojännitteen reguloinnista. Ne on kytketty ns. sarjaregulaattoriksi, joka pitää ulostulojännitteen vakiona riippumatta sisääntulojännitteen tai kuorman vaihteluista. Kantavirralla ohjataan transistorien jännitehäviötä. Jos ulostulojännite nousee, kantavirta pienenee, jolloin ulostulojännite taas laskee ja päinvastoin.

Operaatiovahvistimilla U1A…U4A (LM324) on toteutettu varsinaiset regulaattori- ja suojapiirit. Reguloitu jännite saadaan mittarien jälkeen oikeassa yläkulmassa olevasta liitännästä.

Lineaarinen regulaattori muuttaa lämmöksi tehon, joka vastaa transistorien jännitehäviön ja kuormitusvirran tuloa. Kun reguloitu jännite (transistorien jälkeen) on lähellä reguloimatonta (ennen transistoreja), on lämpöteho täydelläkin kuormalla suhteellisen pieni. Jos sen sijaan reguloitu jännite on reguloimattomaan nähden pieni, on dissipoitava lämpöteho suurempi. Siksi lineaarisissa regulaattoreissa, joissa on säädettävä ulostulojännite, on enimmäisvirta rajoitettu pienillä jännitteillä. Esimerkiksi Diamond GSV3000- powerin enimmäisvirta 30 A on käytettävissä vain vähintään 13 V:n reguloiduilla jännitteillä. 5 V:n reguloidulla ulostulojänniteellä enimmäisvirta on vain noin 12 A.

Lämpötehon poistamiseksi on regulaattoritransistorit kiinnitetty suureen tuuletettuun jäähdytysprofiiliin. Lisäksi virtalähteen vaatima muuntaja on massiivinen. Lähinnä näistä syistä ovat linaariset virtalähteet painavia ja suurikokoisia laitteita.

Hakkurivirtalähteet

Kuva 8. Hakkurivirtalähteen lohkokaavio.

Toinen reguloitujen virtalähteiden tyyppi ovat hakkurivirtalähteet. Erilaisia piirikonsepteja niiden rakentamiseksi on paljon, mutta kuvassa 8 on yhden suositun ratkaisun lohkokaavio. Siinä verkkovirta tasasuunnataan ja näin saatu tasavirta johdetaan hakkuriin, joka tuottaa pulssileveydeltään haluttua sakara-aaltoa, jonka taajuus voi olla kymmeniä tai jopa satoja kilohertsejä. Varsinaisen hakkurin muodostavat transistorit, jotka toimivat ON / OFF - kytkiminä. Pulssimainen tasavirta syötetään galvaanisesti erottavan muuntajan ensiöön ja toisiosta saadaan pulssileveyden mukaista jännitetasoltaan alempaa vaihtovirtaa. Myös pulssimainen tasavirta saa muuntajan ensiössä aikaan virran vaihtelun ja indusoi näin toisioon jännitteen. Muuntajaa voidaan siis käyttää myös tässä tasavirtapiirissä. Muuntajalta tuleva korkeataajuinen vaihtovirta vielä tasasuunnataan ja suodatetaan. Ulostulosta on takaisinkytkentä hakkurin ohjauspiiriin, joka toteuttaa pulssileveyttä säätämällä ulostulojännitteen reguloinnin.

Hakkurivirtalähteen muuntaja toimii huomattavasti verkkotaajuutta korkeammalla taajuudella ja on siksi kooltaan vastaavan tehoista verkkomuuntajaa pienempi. Hakkurivirtalähteen kytkintransistorit toimivat siis ON / OFF- kytkiminä ja säätävät näin pulssileveyttä. Ideaalinen kytkin ei tuota ääritiloissaan lainkaan lämpötehoa. Todellisuudessa hukkalämpöä syntyy, mutta piirisuunnittelulla se pyritään minimoimaan. Hakkurivirtalähde ei kuitenkaan tarvitse yhtä suurta jäähdytysprofiilia kuin saman tehoinen lineaarinen virtalähde. Näistä syistä hakkurivirtalähteet ovat suhteellisen kevyitä ja pienikokoisia.

Tyypillisen radioamatöörikäyttöön tarkoitetun lineaarisen virtalähteen hyötysuhde on vain noin 65 %. Saman tehoisen hakkurivirtalähteen hyötysuhde on huomattavasti suurempi, jopa 95 %. Hukkalämpöä syntyy siis vähemmän. Tämä selittää hakkurivirtalähteen pienen jäähdytystarpeen.

Hakkurielektroniikka toimii korkealla taajuudella ja sen muodostaman pulssimuodon nousu- ja laskuajat ovat hyvin lyhyitä. Hakkurivirtalähteen ulostulo on näin potentiaalinen EMI/RFI – häiriöiden lähde, aina VHF-taajuuksille asti. Siksi ulostulossa onkin oltava tehokas alipäästösuodin, varsinkin jos poweri tulee radiokäyttöön. On myös hyvä olla tietoinen, että aseman läheisyydessä olevat pienemmät hakkurivirtalähteet, kuten akkulaturit tai LED-valaisimien virtalähteet, voivat olla ikäviä häiriölähteitä.

Lopuksi

Virtalähde on aseman tärkeimpiä laitteita, mutta yleensä aika huomaamaton. Jos se toimii, kaikki on OK; jos se taas ei toimi, pysyvät radiot pimeinä. Radiot ja muut laitteet saattavat asemalla vaihtua, mutta virtalähde pysyy yleensä samana. Siksi sille saattaa kertyä käyttötunteja enemmän kuin muille laitteille. Sitä ei kannata unohtaa pöydän alle lattialle keräämään pölyä, vaan pitää siitä huolta ja puhdistaa aika-ajoin, jotta jäähdytysteho pysyy ennallaan.

Lähteet

  1. “ARRL Ham Radio License Manual 4th Edition”, 2018, The American Radio Relay League, Inc.
  2. “ARRL's Tech Q&A 7th Edition”, 2018, The American Radio Relay League, Inc.
  3. Heikki E. Heinonen, OH3RU, ”Tiimissä hamssiksi”, 1997, Suomen Radioamatööriliitto ry.
  4. Wikipedia: Transformer, Switched-mode Power Supply
  5. Silver, H. Ward, NØAX, (toim.), “The ARRL Handbook 2018”, luku 4.4 (Transformers), luku 7 (Power Sources), ARRL, Newington, CT, USA.

Julkaistu CC BY-NC-ND 4.0 -lisenssillä.