bullet next back Autor : JAN B.HURYCH
Název : UMÍME DOBŘE POZOROVAT?



VÝZKUM - PŘÍKLAD (STUDENTSKÁ DIPLOMNÍ PRÁCE)

Už jsme si řekli, že výzkum je činnost (hledání) a objev je vlastně výsledek toho hledání. To neznamená, že každé hledání je výzkum a každý výzkum vede k objevu. Také neplatí, že jen proto, že máme náš výzkum organizovaný, musíme nutně něco objevit, často je tomu spíše naopak. Někdy dokonce objevíme něco i bez hledání, ale to je spíše otázka štěstí, než rozumu :-). Zde si uvedeme jeden příklad výzkumu z autorovy zkušenosti .



Protože mluvit o výzkumu je zajímavé, ale dělat ho je něco zcela jiného, uvedu zde raději praktický příklad. Byl to vlastně můj první samostatný výzkum a šlo v něm i o mou osobní prestiž. Promluvím zde o mé diplomní práci a budu se držet fakt - je to dnes už 44 let :-) - takže téma bude jistě zastaralé, ale metody výzkumu ještě doufám ne. Bylo to vlastně poprvé, kdy jsem se odtrhl od školastického učení univerzity a poznal, jak říká Gothe, že šedivá je všechna teorie a zelený je strom života. Snad proto, že jsem se ještě pořádně nenaučil pozorovat (kde také?), procházel jsem stadii zoufalství - to když jsem nevěděl jak dál - a pak zase extazemi z vlastních objevů :-). Později už to bylo jiné a tak se jsem s enaučil být profesionálem.

Oč šlo: pracoval jsem tehdy na půl úvazku v ČKD Polovodiče a téma ( výpočet elektrických ztrát na silových polovodičových diodách) mi zadal - ne, nebudu ho jmenovat - jeden mladý inženýr, který byl zároveň konzultant a za týden odešel na půl roku na vojnu; uviděl jsem ho tedy pak až měsíc po promoci. Moje situace se tím zjednodušila - měl jsem volné ruce, ale jaksi prázdné :-). Snad ještě k zajímavým aspektům daného tématu: tyto diody se používaly pro elektrické lokomotivy, byly každá asi na 150 ampér, takže se musely řadit kvůli velkému proudu lokomotivy paralelně Charakteristiky diod ovšem byly nelineární, tudíž rozdělení proudů bylo různé a aby to ještě nebylo dost, odpor diod se měnil s teplotou, tedy se zatížením. Tím se měnilo opět rozdělení proudu, atd. Pochopitelně, mohli jsme dát místo deseti diod paralaleně také patnáct, ale to vy zvýšilo cenu o padesát procent. takže si řpedstavte deset nelineárníc h odporů apralelně a snažte se vypočítat, kolik bud eu každé proud.

První část výzkumu byla pochopitelně literatura, tedy knihy a časopisy, referáty či přednášky - většinou z ciziny; my jsme teprve začínali. To rozdělení proudu se ve světě řešilo různě: přidávaly se malé odpory do série s diodou, ale to zvyšovaly elektrické ztráty. Jiné firmy používaly indukčnosti (tlumivky), dvě a dvě diody měly dohromady jednu tlumivku, každá dioda ale své vinutí na ní - byl to tedy vlastně jakýsi transformátor, který ovšem vyvažoval jen střídavé složky proudu. Toto řešení mělo zase velké náklady jak vidíte, vyvažovalo diody jen v párech.

Nu a my jsme používali třídění diod podle charakteristik - paralelně se řadily jen ty s charakteristikou přibližně stejnou ( dělili jsme je na "třídy"). Nemusím snad dodávat, že při přibližně stejném proudu v diodách zapojených paralelně byly nejen nejmenší ztráty, ale i největší tepelná stabilita. Jen jeden problém: pro výběr do tříd neměřily se celé charakteristiky - ale jen při určitém proudu, jinak by to bylo drahé.

Hledání literatury.

Proč tu říkám ty technické detaily? Inu podle toho jsem pak hledal literaturu: knihy, časopisy, přednášky, referáty i rešerše. Bohužel patenty a firemní tajemství tehdy nebylo moc přístupné ale ani já neměl chuť něco kopírovat. Studium literatury mi posloužilo k tomu, abych rozuměl lépe problémům: dozvědět se, co už tady bylo a v případě, kdybych na něco nového přišel, zda už to tu také nebylo. Anebo zjistil, proč to nepracovalo.

Naštěstí jsme uměl dost anglicky, yehdy jen číst a rozumět textu. V ČKD měli nepříliš navštěvovanou knihovnu, ale s mnoha časopisy a archivem, navíc několik cizích knih v originále. Hned můj první postup byl ale zrádný: u každé kapitoly, článku či knihy byl seznam literatury (řekněme deset či víc referencí), který jsme pracně opsal. Pokud se mi podařilo pak tu literaturu sehnat, v každé bylo opět deset referencí a tak to šlo s mocninou deseti vesele nahoru :-). Když jsem dosáhl kolem dvou stovek referencí, pochopil jsem, že je ani nebudu moci všec hny ani přečíst, natož prostudovat.

Bohužel ani pražská  technická knihovna, která měla dekadický klasifikační systém (stejně nesmyslný, jako na západě), mi příliš nepomohla. Hledejte třeba heslo "diody", dostanete kvanta referencí, ale pak tam najdete jen promile informace, kterou potřebujete. Dobře, hledáme tedy "diody, charakteristiky, ztráty, paralelní řazení". To vše s logickým "OR" (tj. NEBO pro každé heslo), ale to nám dá opravdu superkvanta referencí. Zkusíme to tedy logickým "AND" (tj. A) - tam zase nedostaneme obvykle žádné reference - je to ppříliš úzké zadání.

Postupujeme tedy kombinacemi nejprve dvou nebo tří. Zašel jsem si na výzkum (zase to slovo! :-) do Výzkumného ústavu v Běchovicích, kde měli první datasystém pro články - používali tehdy ručně perforované karty pro každý článek, tehdy ještě okopírovaný jako fotostat - kde jste si mohli ony reference najít pomocí kombinace jehel. Takže jste  nejprve vybrali reference za posledních (řekněme) pět let, a pomocí jehel je pak "prosívali", až z toho za dvě hodiny vypadly dva články, navíc nepoužitelné, protože v nich byly o problému v každém tak tři věty. 

Výpočet.

Už už jsem chtěl volat vojenskou zprávu, abych se spojil smým konzultantem, jenže jeho adresa byla jistě vojenským tajemstvím :-). Navíc mi později řekl, že už něčím takovým prošel a protože nic nemohl nalézt, tak ho napadlo to dát jako diplomku. Jediné, co jsem tehdy věděl, bylo jak se počítají ztráty pomocí integrálu, ale nevěděl jsem, zda to lze použít i pro nelineární odpory - navíc s konstantní složkou. Nahradil jsem tedy křivku sérií mocnin a průběhy Taylorovou řadou a počítal a počítal. Integrály sinusů a kosinusů na první, druhou, atd. až sedmou, dovedete si představit tu hrůzu?

Výsledky byly neuspokojivé - potřeboval jsem formuli, kde by se lehce dalo poznat, jak ztráty rostou s proudem a teplotou, která ovšem byla zase funkcí ztrát a tudíž proudu, tedy rekurzivní. Horror je slabé slovo. I začal jsem aproximovat - nejprve jsem našel exponenciální aproximaci charakteristiky diody, i=f (u), která se ale ukázala nesprávnou. Dnes bych pochopitelně zjistil vše na počítači, tehdy bylo jen logaritmické pravítko s přesností na jedno desetinné místo (říkalo se: 2x2 je přibližně 4 :-) či kalkulačka na kliku nebo na motorek. Nakonec jsem skončil u aproximace prvního řádu, která dávala snadné vzorce - šlo jen o to najít dvě neznámé: strmost a předpětí, které se braly jako tečna ke křivce a úsek, kde protíná osu napětí. Ten se ovšem naopak určoval tka, že se udělala tečna ke křivce v určitém bodě, a kde protínala osu napětí, byla velikost předpětí.  Jinak řečeno, bylo třeba spojit pozorován í se zkušeností a  navíc dostat nějaký dobrý nápad,  to hlavně :-).

Jádro výzkumu.

Zde se právě dostavil kritický okamžik: cosi jako nová teritorie, kde nikdo ještě nebyl a kterou na mapách staří Římané (a po nich i mladí :-) nazývali "hic sunt leones" neboli "zde jsou lvi", protože neměli tušení, co by tam vlastně mohlo být. To mi mělo být varováním, které jsem ale naštěstí neposlechl. Když je totiž výzkum v koncích, nepoůže nic jiného než myslet. Ano, přímo vlastní hlavou :-).

Nebudu vás napínat, šlo o to, najít metodu, jak získat správné předpětí a strmost ( jinak řečeno dynamický odpor diody) a to tak, aby ztráty na diodě byly u správně vypočítány a to za použití oné jednoduché formule, tj. lineární aproximace. Ta totiž měla tu výhodu, že se hodila pro různá zopojení usměrňovačů, zatímco u jiných se musela pracně počítat efektivní hodnota. Ta je definována právě z tepla, jinak řečeno ztrát. Jakkoliv se to zdá zamotané, řešení je podstatně jednoduché: musíme najít optimální hodnotu předpětí a strmosti právě ze ztrát a ostatní si už asi domyslíte. Ostatně nejde mi zde o tu odbornou stránku, spíše popis, jak to všechno probíhalo.

Testování.

Nu teoreticky to bylo podloženo, copak o to, ale bude to pracovat? Elektrická věda naštěstí umí měřit ztráty a porovnat je s výpočtem nebylo tak těžké. Pochopitelně jeden rozdíl tu byl - diody zůstávaly pořád nelineární :-) - ale chyby ztrát pod jedno procento a rozdělení proudu +/- 5 procent se ukázaly zcela přijatelné.

Asi si myslíte, že moje metoda bylo něco jako je dnešní re-inženýring, zpětný design. Nu není to tak úplně pravda: musel jsem nejprve najít metodu, jak určit ony optimální hodnoty diody, aby se vůbec dalo něco vypočítat. Naštěstí byla grafická a také poměrně snadná. Pochopitelně ani měření ztrát není bez chyby a tak šlo o to eliminovat obě chyby najednou, případně je hrát proti sobě. Zcela přesně to nešlo: tak například se k měření proudu používá tzv. bočník, což je snímací odpor, velmi malý, ale zároveň linearizující charakteristiku obvodu a ovlivňující rozdělení proudu, nemluvě už o úbytku napětí 50 mV.

Navíc tato metoda byla pořád ještě pracná a nepraktická. Co dělat? Zde právě bylo potřeba udělat

Objev.

Začal jsem hlouběji studovat celý problém. Proč se vlastně tady trápím s výpočtem ztrát? Ano, protože zvýšený proud v jedné diodě zvýší její ztráty, tím se tato víc oteplí, ale teplem odpor polovodiče klesá, bere tedy větší proud, než se situace ustálí, atd. Ale proč to vše? Protože naše třídění nepracovalo dobře. Několik pokusů a přišel jsem na to, proč: rozdělení se dělalo při špatném proudu a díky neznáme linearitě ( ta se liší do diody k diodě) se třídění nedalo přepočítat.

Takové  izolované měření diod bylo statické a nic neříkalo - dostávali jsme sice ony "třídy", ale lepší by bylo změřit správné předpětí  a odpor. Tím se sice zjednodušilo měření na hledání dvou veličin, ale protože byly právě dvě, bylo potřeba měřit minimálně dva body. Na výpočet pak už metody pochopitelně nebyly ,  jen ta moje grafická a  navíc pracná. Nebo - a zde bylo to vnuknutí! - prostě diody párovat. Tím se problém neobcházel, ale naopak zjednodušil. Ano, ale párovat s jakýmsi nelineárním standardem. Třídy diod bylo potřeba předefinovat vzhledem k tomuto standardu - ten se pak nahradil jistým předpětím a lineárním odporem. Paralelně se pak zapojila testovaná dioda a podle rozdílu proudu se zjistily její správné parametry. A podle nich se  pak teprve diody třídily.

Závěr.

A ostatní je už historie, jak se říká. Uvedl jsem zde jen jeden speciální příklad, který má ale typická stadia výzkumu - nemluvě o těch plných desperace, kdy jsem se třeba obával, že na správné řešení snad ani nepřijdu.  Doufám, že  jsem tu naznačil, o co při správném  výzkumu jde. A že jsem objevil něco, co už nebylo v zadání diplomky? Proč ne - ani v zadání se nemůže myslet na vše :-). I to se ve výzkumu stává, jen to umět správně využít. Konečné zadostiučinění jsem pak dostal, když jeden odborník použil výsledky mé diplomky k napsaní článku do jednoho odborného časopisu. Měl to tam poměrně přesně, jen jaksi zapomněl uvést mé jméno . . .