Stává se, že potřebujeme připojit americké hodiny se synchronním motorem, které vyžadují 110 V a frekvenci 60 Hz (jako například hodiny Jefferson clock na obrázku). Rozdílné napětí 230/115V snadno vyřeší transformátor. Horší je to s frekvencí. Po připojení na 50 Hz síť by hodiny za jednu hodinu místo 60 minut ušly jen 50, což, je nepoužitelné. Existuje několik způsobů jak vhodné napájení pro hodiny vytvořit.
Před několika lety jsme pro hodiny Jefferson použili koupený generátor 12 v DC na 110 V AC do automobilového zapalovače, který jsme napojili na síťový zdroj 12 V. Řešení mělo dvě chyby. Jednak generátor slyšitelně bzučel a jednak nedržel frekvenci ani přibližně. Po letech jsem přistoupil k problému znovu.
Doba pokročila a třeba jsou již automobilové generátory přesnější? Bohužel moc ne. Zkusil jsem levný generátor z Číny 150W Car Inverter DC 12V to US AC 110V Output 60hz Na našem vzorku naměřeno zpoždění 27 až 30 sekund za jednu hodinu při různých napájecích zdrojích, což je frekvenční rozdíl cca 0.5 Hz. Lze tedy použít maximálně při krátkodobých předvedení třeba mysteriózních hodin v Hodináriu.
Je sice možné uvažovat o vestavění něčeho přesnějšího (například oscilátoru AD9833) a čistý 60 Hz přivést jako vstup do řídicí části místo původního RC oscilátoru. Je to ovšem poněkud masochistické, protože celý čínský výrobek je osazen nedokumentovanými integrovanými obvody. Také je uvnitř boxu málo místa. Asi největší smysl by dávalo vyhodit celý „mozek“ měniče a nechat jen transformátor, případně spínací tranzistory a celou docela hezkou mechaniku. Místo toho dát: ESP-01 jako generátor řízení + gate driver. (Případně vynechat i vestavěné výstupní tranzistory a nahradit je H můstkem.) Zůstává problém s velikostí boxu. Tím bychom získali výsledek se stejným programovým řešením jako v následujícím odstavci. Nicméně jsme tuto variantu nevyzkoušeli.
Na začátku bylo rozhodnutí vyrobit levný generátor 60 Hz založený pouze na přesnosti krystalu v ESP-01. Jsou možné dvě cesty. Použít normální transformátor a H můstek nebo dvojici spínacích tranzistorů a trafo s vyvedeným středem vinutí. Problém je tedy spíše levně pořídit vhodné trafo.
Rozhodnutí tedy bylo použít nejprve H
můstek L9110S s maximálním
napětím 12 V. To se ukázalo jako chyba, protože
některé adaptéry 12 V mají
naprázdno napětí o dost vyšší, což můstek odrovnalo a
následně i procesor. Pro prototyp byl tedy použit
odolnější dvojitý H můstek BTS7960B,
ačkoliv pro nevyužité dimenzování na
43 A byl zbytečně velký a
dražší. 
Jako značně zjednodušující byla volba negenerovat sinusoidu, ale obdélníkové napětí. Obdélníkový průběh napětí má některé negativní vlastnosti, ale pro provoz hodin nevadí ani zákmity. Na obrázku jsou vidět zákmity na výstupu transformátoru při změně polarity napětí. Napětí dvakrát kmitne skoro v maximálních hodnotách. Hlavní příčina je indukčnost transformátoru. Ta spolu se zbytkovou kapacitou mezi závity tvoří LC rezonanční obvod. Pro hodiny by to neměl být problém, protože motor reaguje na průměrné pole a mikrosekundové kmity ignoruje.
Další otázkou je, jak přesný generátor vlastně chceme vytvořit. V tomto kroku se spolehneme na krystal v ESP-01. Přesnost není dána jen krystalem, ale i zpracovatelským programem. Může se u různých provedení ESP-01 lišit. Proto zvolíme možnost "ruční" dodatečné kalibrace. Při startu zařízení se na 10 minut vytvoří web dosažitelný z WiFi ESP-01 na kterém můžeme zadat o kolik sekund za den je potřeba program zrychlit nebo zpomalit.
Kalibruje se celý proces vytváření frekvence. Kalibrace se uplatní jen při provozu bez synchronizace rozvodnou sítí. Na obrázku je stránka interního webu. Ten je dostupný 10 minut po zapnutí napájení. AP WiFi se jménem 60Hz_xxxx, kde xxxx jsou poslední znaky MAC adresy. Po připojení k této WiFi je k dispozici nastavovací stránka na obvyklé adrese 192.168.4.1
Kalibraci provedeme tak, že po dostatečně dlouhé době zjistíme odchylku v sekundách. Tu přepočteme na odchylku za 24 hodin a zadáme na konfiguračním webu. Upravovat budeme frekvenci; tedy pokud se hodiny zpožďují například o 2 sekundy za den, zadáme 2. Tím se hodiny zrychlí. Při Zadaná hodnota se připočítává k již nastavené. Pokud jdou hodiny rychle, zadáváme zápornou hodnotu. Maximální hodnota je +-600 sec/den. Vyšší hodnota se ignoruje.
Podle AI by odchylka krystalu při ideálním sinu měla být do 1 sec/den, při dobrém obdélníku 5-20 sec/den a při nízkém napětí 30-60 sec/den. Zdá se vsak, že tato odchylka je stabilní a kalibrace jí zlepší.
Při prvním pokusu bylo napětí na výstupu prototypu generátoru jen 88,6 V při napájení 12 V asi z nedostatečně tvrdého zdroje. To je dost málo. První změna byla zvýšení vstupního napětí. Použitý step-down zdroj by měl zvládnout vstupní napětí do 23 V. Robustní H můstek by zvládl ještě více. Ze zdrojů které měl autor k dispozici vybrán pro další pokus zdroj s udávaným výstupem 13,5 V (naprázdno až 18.5 V). Po zapojení ukazuje vstupní napětí 17,28 V, Na primáru trafa (obdélník měřený zkresleně "normálním" voltmetrem) 19 V, sekundár pro hodiny 121 V. Nakonec vybrán zdroj, 12V 1A, který generátoru dával 15.7 V, na primáru bylo 17.1 a na sekundáru 111.5 V AC obdélník.
Očekávané přesnosti se nepodařilo dosáhnout. Další pokus bude se synchronizací sítí. Nicméně ani synchronizace s přesným normálem nemůže vyloučit náhodné výpadky (kulhání) motoru, protože systém je bez zpětné vazby.
Inspirace
řešením Electric
Clocks.co.uk Na stránce Electric Clocks.co.uk je nabízen frekvenční měnič malého výkonu měnící 50 na 60 Hz. Tento produkt používá mikroprocesor k nastavení síťové frekvence na 60 Hz při 110 V AC synchronizovaný sítí 50 Hz. Zařízení poskytuje 6 VA. Dále je popsaná pravděpodobná funkce podle spíše marketingových informací v praspektu..
Střídavé napětí ze sítě s frekvencí 50 Hz se pomocí externího transformátoru transformuje na 24 V AC. Toto napětí se dále sníží na 9 V AC a vzorkuje se. Výstup s frekvencí 60 Hz prochází filtrací, aby poskytl co nejčistší a nejpřesnější výstup. Tedy Vzorkování a úpravu provádí mikroprocesor a několik rychlých spínacích tranzistorů. Pravděpodobně mikrořadič z toho signálu detekuje průchody nulou (zero-crossing) sítě 50 Hz. Tím získá poměrně přesný časový základ: 1 perioda = 20 ms dlouhodobě velmi stabilní díky regulaci rozvodné sítě. Mikrořadič vezme konkrétní interval mezi zero-cross (např. 20 ms ), vydělí ho 1.2 a získá tak periodu pro výstup. Každý cyklus je synteticky generovaný, ale jeho délka je odvozena z reálné regulované sítě. Toto napětí se poté transformuje z 9 V AC na 115 V AC při 60 Hz pro napájení "amerických hodin".
Je to však pěkné řešení, jen vadí jeho cena kolem 85 GPB + doprava
Synchronizovat frekvenci 60 Hz pomocí přepočtu ze sítě 50 Hz je dobrý nápad. „Síťová frekvence v ČR je 50 Hz s tolerancí ±0,1 Hz. Dlouhodobě průměrnou frekvenci udržuje na přesných 50 Hz centrální regulace elektrizační soustavy. Krátkodobé fluktuace jsou řádově jednotky až desítky mHz, což umožňuje spolehlivé synchronizování časových zařízení.
Velikost frekvence sítě přímo odráží okamžitou rovnováhu mezi výrobou a spotřebou elektrické energie. Pokud je výroba vyšší než odběr, frekvence začne růst, naopak při nedostatku výkonu v síti klesá. Proto je nutné výkon zdrojů průběžně a velmi rychle regulovat.
Základ stabilizace probíhá přímo v elektrárnách. Turbíny generátorů jsou vybaveny regulátory, které automaticky reagují na změnu frekvence během několika sekund. Tato takzvaná primární regulace okamžitě brzdí odchylku, ale sama o sobě frekvenci přesně na 50 Hz neudrží. Na ni proto navazuje sekundární regulace řízená centrálním dispečinkem, v České republice společností ČEPS. Ta v řádu desítek sekund až minut upravuje výkon vybraných elektráren tak, aby se frekvence vrátila na jmenovitou hodnotu a zároveň byly vyrovnány i přeshraniční toky energie.
V delším časovém horizontu pak nastupuje terciární regulace, kdy dispečeři podle potřeby zapínají nebo odstavují další zdroje, případně upravují jejich zatížení tak, aby byla zachována dostatečná výkonová rezerva pro další výkyvy. Kromě klasických elektráren se dnes na stabilizaci podílejí i rychle reagující plynové zdroje nebo bateriová úložiště, která dokáží dodat nebo odebrat výkon prakticky okamžitě. Celý systém funguje nepřetržitě a automaticky, přičemž zásahy dispečerů zajišťují jeho stabilitu i při velkých a náhlých změnách zatížení.
Pro další řešení volím ESP-01 + čidlo průchodu nulou (optočlen H11AA1) + hardware timer na ESP-01 se softwarovou PLL regulací (PLL = Phase Locked Loop = fázový závěs).
Program na ESP-01 sleduje průchody napětí sítě nulou a průběžně měří délku jednotlivých polovin vlny. Tím získává informaci o okamžité frekvenci. Na základě těchto měření generuje vlastní obdélníkové napětí o frekvenci 60 Hz. Frekvence není pevně daná, ale je neustále jemně upravována podle sítě 50 Hz pomocí regulační smyčky. Díky tomu se výstup zamyká a síť a dlouhodobě drží přesnou synchronizaci. Výsledkem je stabilní 60 Hz signál. Signál zachovává požadovanou frekvenci vhodnou pro synchronní hodiny.
Proč PLL „opravuje“ frekvenci? Kromě již zmíněných fluktuacích síťové frekvence vzniká při generování 60 Hz další malá chyba. Každý cyklus totiž není tvořen jen poměrně přesným časovačem, ale i zpracováním různých nesynchronních částí programu (obsluha přerušení, web a podobně). To způsobí, že skutečná perioda je proměnná a je většinou o něco delší, než by měla být. Řešením je použití PLL (Phase-Locked Loop), tedy zpětnovazební smyčky, která porovnává generovaný signál se sítíě 50 Hz a neustále upravuje generátor 60 Hz.
Synchronizace rozvodnou sítí je vhodná alternativa k synchronizaci pomocí NTP serveru v internetu. Je přesnější než synchronizace jen krystalem ESP-01. Nevýhodou je nutnost vstupního zdroje s přístupem k transformátoru.
Původně jsem uvažoval o tom, že budou dva programy. Jeden bez vnější synchronizace a jeden se synchronizací. Dal jsem však na radu Járy da Cimrmana, "a není dva moc autore autoroviči" ? Program bude generovat 60 Hz i bez řídící frekvence. Mimo jiné i proto, že když dojde k poruše čidla hlídající průchod nulou napětí 50 Hz, tak hodny mohou dále jít bez další synchronizace podle posledních známých hodnot nebo jen na základě frekvence krystalu a kalibrace systému.
HW a SW konfigurace
pro první pokus:
© Petr Král s využitím AI
