Hyvä virtalähde

Tulipa tuossa eilisyönä mielestäni ihan kohtuullinen idea. Nimittäin, yksi hyvin kätevä vehje olla olisi yleisvirtalähde, jonka voit tökätä kiinni likimain mihin vain, niin että se vain tuuppaa automaattisesti ulos sitä mitä tarvitset. Eli siis noissa radioamatöörihommissa epäilemättä 12 voltin tasavirtaa, mahdollisesti suurillakin virroilla. Ja siis kun sanon että mihin tahansa, tarkoitan että aivan mihin vain kolmivaihevaihtovirrasta aina pieniin paristoihin asti.

Tuollaiset kytkennät ovat nykyään paitsi mahdollisia, myös ihan tavallisen piirisuunnittelun piirissä ja sellaisia että hieman sen oloisia on olemassakin. Niiden perusrakenne on jonkin sortin buck-boost-invertteri, joko lähtien suoraan tasavirrasta tai sitten vaihtovirrasta siltatasasuuntaajan kautta. Omassa ideassani tavallisesta rakenteesta kuitenkin pitäisi hieman poiketa, eikä pelkästään sen tähden että kytkennän pitäisi soveltua vaihtovirran lisäksi sellaisenaan myös tasavirralle. Toinen olennainen ongelma on, että virtalähteen pitäisi adaptoitua itsekseen myös vaihtelevaan impendanssiin.

Tuollaisiakin kytkentöjä on jo. Niissä pohjimmiltaan kytketään hakkuripiirin kytkin taajuusohjautuvan takaisinsyöttöpiirin sisälle. Jujuna on, että pätkittäessä syöttövirtaa oikealla tavalla ja sopivalla taajuudella lohkottuun LC-piiriin jo sisääntulopuolella, näkyvää syöttöimpedanssia voidaan laajalla alueella säätää muuttamalla ainoastaan hakkuripiirin ajastusta. Jos homma hoidetaan älykkäästi, teoreettisesti on mahdollista rakentaa piirejä jotka adaptoituvat optimaalisesti hieman mihin sattuu haamuvirtoihin, jännitteisiin ja virtoihin, aivan hienoimmillaan jopa enemmän kuin yhdellä taajuusalueella samaan aikaan. Luultavasti mitään noin utopistista ei edes tarvittaisi, mutta ajatuskokeena jopa siihen kykenevä arkkitehtuuri voisi olla kiintoisa. Pohjimmiltaan tuollaiset systeemit muistuttaisivat kvadratuurimodulaattorin siltarakenteen aktiivisesta versiosta johdettua mutta delta-sigma-modulaatioteorian mukaan ajettavaa versiota.

Tuollaisilla piireillä olisi radioamatöörikäyttöön tiettyjä aivan poikkeuksellisia etuja. Nimittäin, yksi aivan olennainen osa tuota harrastusta on samalla olla se taho joka pystyy rakentamaan kaikkein joustavimpia ad hoc -kommunikaatiorakenteita, ja sitä kautta esimerkiksi toimimaan katastrofitilanteissa viimeisenä hätävarana tiedonsiirrossa. Noissa tilanteissa et tiedä mistä vimpainten käyttöön tarvittava energia on kulloinkin saatavissa. Jos virtalähde kykenisi ottamaan vastaan ihan mitä tahansa sähköä aivan mistä vain lähteestä, sormipattereista aurinkopaneelien ja dynamon kautta voimavirtaan, se olisi hätätilanteissa ällistyttävänkin kätevä, eritoten yhdistettynä radioarkkitehtuuriin joka on adaptoituva ja energiatehokas. Jos se pystyisi todella kuppaamaan patterilähteensä aivan loppuun, kuten simplistisimpänä esimerkkinä Joule Thief -kytkentä tekee, sähkönsaannin suunnittelu pelkistyisi aivan uudella tavalla ihan vain saatavilla olevaan energiaan. Ja jos se pystyisi vieläpä toimimaan kaksisuuntaisesti sekä saavuttamaan korkeita reaktiivisia kompensaatiotasoja, no, se olisi hätätilanteissa niin kätevä että epäilemättä kohtuullisen korkeat suhteelliset häviötkin olisivat siedettävissä.

Noin laaja sovellettavuus piirissä ei kuitenkaan enää ole aivan triviaalia saavuttaa. Tärkein ongelma on kytkinelementtien jännite-virta-taajuus -soveltuvuus. Tyypillisesti kukin kytkinelementti on suunniteltu niin että sillä on optimitoimintapisteensä kaikkien kolmen muuttujan suhteen samaan aikaan, niin että suuria virtoja kestävät IGBT:t eivät tykkää korkeista jännitteistä, tai vaikkapa korkeisiin taajuuksiin kykenevät IGFET:it eivät pysty kytkemään merkittäviä tehoja, jne. Silti Joule Thiefin tapaiset kytkennät kertovat, että tällaisten sovellusten pitäisi pystyä toimimaan niin korkealla jännitteellä ja matalalla virralla kuin matalalla jännitteellä ja suurilla virroillakin, kiinteäkokoisten induktanssien läsnäollessa myös vaihdellen operaatiotaajuuttaan useiden kertaluokkien yli.

Silloin fyysisen piirin rakenne luultavasti joutuu luottamaan kytkinkaskadeihin ja jaettuihin induktansseihin. Mahdollisesti myös ohjausaaltomuotoihin jotka adaptoituvat useilla taajuusalueilla samaan aikaan. En vielä ole aivan varma miten tuo hoituisi näteimmin, mutta perusperiaatteena on, että kytkentätopologian pitää pystyä vaihtamaan iso osa kytkimistään tarpeen mukaan efektiivisesti rinnakkaisiksi tai sarjaan kytketyiksi, tarpeen mukaan. Silloin korkeilla virroilla mennään rinnakaisilla ja korkeilla jännitteillä sarjaankytketyillä elementeillä.

Yksi esimerkki rakenteesta jossa noin voidaan tehdä vaatimatta fyysisesti mahdottomia lisäelementtejä kytkentämuodon vaihtamiseen, ja jossa primaarielementit ovat jaettuja, on jossakin split-pi:n ja keskeltä tapatun induktorin sisältävän rinnakkaisresonanssin välillä. Jujuna on, että tarvittavien kytkentäelementtien vaihesuhteita muuttamalla induktorin läpi kulkeva virta voi olla mikä vain yhdistelmä peruskytkentätaajuuden ensimmäistä ja toista harmonista, ja piiristä pystytään kytkemään yhtä hyvin jännitettä ulos vaiheessa sarjaan asettuvilla kytkimillä kuin virtaa ulos kvadratuurissa rinnakkain asettuvilla samoilla kytkinelementeillä. Vaikka resonanssipiiriin kerätään jatkuvasti korkea resonantti kokonaisjännite tai virta, kummatkin aina asettuvat kokonaisuudessaan vain passiivisten elementtien yli, kytkimien sijaitessa eräässä mielessä keskitappien välisessä sillassa. Kun passiiviset komponentit sitten on mahdollista rakentaa samaan aikaan paljon suuremmalle osalle kokonaista virta-jännite-tuloaluetta yhteisesti kuin kytkimet, ja kytkinlogiikkan perustaajuus voidaan asettaa niin että se johtaa mielivaltaiseen vaihesiirtoon resonanssitankissa, resonanssiin voidaan syöttää ja siitä voidaan vetää ulos niin virtaa kuin jännitettäkin, pitäen resonantti potentiaalienergia likimain vakiona.

Tuotakaan kytkentää en ole vielä miettinyt täysin loppuun, mutta jokin sen kaltainen tai kaskadi vastaavia tuntuisi intuitiivisesti riittävän siihen että kytkentä ei lyö läpi edes korkeassa jännitteessä, vaikka samalla alhaisella jännitteellä ja suurella virralla se saadaan resonoimaan kiltisti. Ts. sitten loppu on ohjaussignaalien suunnittelua, jossa digitaalijamppana olen paljon parempi kuin tuossa analogielektroniikassa. Häviöt tulisivat olemaan suurempia kuin standardivirtalähteissä, mutta kuten sanottu tässä häviötä voidaan sietää suhteellisen paljon muista syistä, ja koska se esim. jakautuu useampien kytkentäelementtien kesken, vaatimatta suhteessa sen enempää jäähdytyspinta-alaa tai termisesti hienompia kytkimiä.

Ei siis välttämättä lainkaan huonoin suunnitteluprojekti, varsinkaan kun tarkoitus aika vahvasti olisi saada se amatöörilupakirjakin. Vieläpä lähtien suoraan poikkeuksellisen agiilista digimoodi-SDR-työskentelystä, jonka osaksi ketteryys siinä hätävirrassakin sopisi kuin nyrkki silmään.