Dla projektanta elektroniki najbardziej przerażające są nie złożone problemy techniczne czy poziom uwagi, jaki przykładać trzeba do projektów. Najgorsze są dla niego zjawiska nieprzewidywalne i mało znane szerszemu gronu specjalistów, zwłaszcza jeżeli dotyczą tak popularnych elementów jak zwykłe, szeroko stosowane kondensatory warstwowe (MLCC).
Na elementy dyskretne zazwyczaj w projekcie nie zwraca się większej uwagi. W systemach, szczególnie analogowych, takich elementów jest bardzo dużo: rezystory, kondensatory, cewki, diody LED i inne. Nie jest niczym niezwykłym, aby liczba elementów pasywnych na liście wszystkich elementów na PCB była pięciokrotnie większa niż liczba układów scalonych. Tak, wiele z nich jest niekrytyczna dla działania systemu (na przykład rezystory podciągające), że zapomina się o tym, że zaskakująca ich liczba jest ważna - zarówno w sposób oczywisty, jak i znacznie mniej oczywisty. Dodatkowo, ponieważ częstotliwości pracy systemów często sięgają zakresu gigaherców, drugorzędne i trzeciorzędne charakterystyki elementów stają się jeszcze ważniejsze.
W artykule dotyczącym kondensatorów o wysokiej dobroci (Q) w czasopiśmie Medical Design Briefs przyjrzano się zagadnieniom związanym z projektowaniem i produkcją kondensatorów, które wpływają na wartość tego parametru. Często jest on uważany za czynnik drugiego rzędu (pojemność, tolerancja i napięcie robocze są na ogół uważane za kluczowe parametry tego elementu). Jak zauważa autor artykułu: "w wielu zastosowaniach RF współczynnik Q kondensatorów jest jedną z najważniejszych cech w projektowaniu obwodów".
Obejmuje to takie produkty, jak sprzęt komórkowy/telekomunikacyjny, cewki MRI, generatory plazmowe, lasery oraz inną elektronikę medyczną, wojskową i przemysłową. "Omówiono uzasadnione sposoby, w jakie dostawcy elementów charakteryzują dobroć Q przy wyższych częstotliwościach, w jaki sposób małe błędy w układzie testującym mogą skutkować stosunkowo dużymi błędami w wynikach ilościowych i uzasadnionymi zmianami deklarowanej wartości Q" - czytamy w artykule - "Inne parametry drugiego rzędu obejmują szeregową częstotliwość rezonansową (SRF) i równoległą częstotliwość rezonansową (PRF), mierzoną niezależnie od tego, czy kondensator jest zaprojektowany i mierzony między innymi do montażu poziomego lub pionowego (podkreślenie własne - przyp.red.)". Wyniki tych pomiarów widzimy na rysunku 1 i 2.
Rys.1. Tłumienie w kondensatorze MLCC, w którym elektrody są równoległe do powierzchni podłoża.
Rys.1. Tłumienie w kondensatorze MLCC w którym elektrody są prostopadłe do powierzchni podłoża dla tej samej wartości kondensatora, co na rysunku 1.
Cytowany artykuł wskazuje ponadto, że nie tylko orientacja takiego samego kondensatora ma wpływ na jego parametry drugiego rzędu. Istnieją subtelne zmiany parametrów między partiami, w tym nawet liczba warstw w tej samej jednostce pojemności (nawet od jednego dostawcy). Rzekomo identyczne kondensatory od różnych dostawców mogą różnić się jeszcze bardziej. Zatem nawet sumienny projektant, który określa maksymalne dopuszczalne Q i ESR dla elementów w systemie, może otrzymać bardzo różne wyniki... Będzie to miało ogromny wpływ na produkcję, test i spójność wydajności.
Nie tylko kondensatory mają tego rodzaju problemy. Idealny transformator początkowo charakteryzuje się bardzo prostą, dobrze znaną relacją napięcie i zwojów. Oczywiście, jeśli przejdziemy do świata realnych elementów, szybko pojawią się dodatkowe zjawiska, mające wpływ na działanie tego elementu: straty; samonagrzewanie się; współczynniki temperaturowe i wpływ temperatury na rezystancję uzwojeń, parametry magnetyczne i układ uzwojenia, żeby wymienić tylko kilka punktów. Jest to bardzo trudna konstrukcja. Następnie do tej układanki dodać musimy realia produkcji: tolerancje i rozrzuty produkcyjne, a to prosty urządzenie staje się bardzo skomplikowanym komponentem. Sytuacja jest jeszcze trudniejsza, gdy częstotliwości zwiększają się do poziomu megaherców i wyżej.
Z pewnością rozwiązywanie problemów związanych z projektowaniem komponentów i obwodów elektronicznych jest znacznie łatwiejsze dzięki zastosowaniu uniwersalnych narzędzi do modelowania i symulacji układów, które mogą jednocześnie uwzględniać połączone czynniki elektryczne, mechaniczne, materiałowe i termiczne (takie jak np. COMSOL) lub zoptymalizowane narzędzia dedykowane np. do jednego typu komponentu. Mimo to wiele konstrukcji transformatorów, szczególnie przy wyższych poziomach mocy, bazuje na intuicji, doświadczeniu i wiedzy praktycznej wiedzy projektanta czy dostawcy.
Na szczęście istnieje wiele dobrych źródeł informacji o komponentach pasywnych, od wysoce analitycznych traktatów akademickich, poprzez praktyczne spostrzeżenia dostawców i inżynierów projektowych. Może nie pomogą nam one w uniknięciu problemów rozrzutu produkcyjnego parametrów drugiego i trzeciego rzędu, ale wskażą, jak sobie z tym radzić i przygotować swój projekt na tego rodzaju wyzwania w produkcji.
A czy może któryś z forumowiczów kiedykolwiek niespodziewanie został zaskoczony problemami związanymi z tego rodzaju parametrami drugiego i trzeciego poziomu, ich rozrzutem wartości w teoretycznie identycznych elementach?
Źródło: https://www.planetanalog.com/author.asp?section_id=396&doc_id=565191&
Na elementy dyskretne zazwyczaj w projekcie nie zwraca się większej uwagi. W systemach, szczególnie analogowych, takich elementów jest bardzo dużo: rezystory, kondensatory, cewki, diody LED i inne. Nie jest niczym niezwykłym, aby liczba elementów pasywnych na liście wszystkich elementów na PCB była pięciokrotnie większa niż liczba układów scalonych. Tak, wiele z nich jest niekrytyczna dla działania systemu (na przykład rezystory podciągające), że zapomina się o tym, że zaskakująca ich liczba jest ważna - zarówno w sposób oczywisty, jak i znacznie mniej oczywisty. Dodatkowo, ponieważ częstotliwości pracy systemów często sięgają zakresu gigaherców, drugorzędne i trzeciorzędne charakterystyki elementów stają się jeszcze ważniejsze.
W artykule dotyczącym kondensatorów o wysokiej dobroci (Q) w czasopiśmie Medical Design Briefs przyjrzano się zagadnieniom związanym z projektowaniem i produkcją kondensatorów, które wpływają na wartość tego parametru. Często jest on uważany za czynnik drugiego rzędu (pojemność, tolerancja i napięcie robocze są na ogół uważane za kluczowe parametry tego elementu). Jak zauważa autor artykułu: "w wielu zastosowaniach RF współczynnik Q kondensatorów jest jedną z najważniejszych cech w projektowaniu obwodów".
Obejmuje to takie produkty, jak sprzęt komórkowy/telekomunikacyjny, cewki MRI, generatory plazmowe, lasery oraz inną elektronikę medyczną, wojskową i przemysłową. "Omówiono uzasadnione sposoby, w jakie dostawcy elementów charakteryzują dobroć Q przy wyższych częstotliwościach, w jaki sposób małe błędy w układzie testującym mogą skutkować stosunkowo dużymi błędami w wynikach ilościowych i uzasadnionymi zmianami deklarowanej wartości Q" - czytamy w artykule - "Inne parametry drugiego rzędu obejmują szeregową częstotliwość rezonansową (SRF) i równoległą częstotliwość rezonansową (PRF), mierzoną niezależnie od tego, czy kondensator jest zaprojektowany i mierzony między innymi do montażu poziomego lub pionowego (podkreślenie własne - przyp.red.)". Wyniki tych pomiarów widzimy na rysunku 1 i 2.
Rys.1. Tłumienie w kondensatorze MLCC, w którym elektrody są równoległe do powierzchni podłoża.
Rys.1. Tłumienie w kondensatorze MLCC w którym elektrody są prostopadłe do powierzchni podłoża dla tej samej wartości kondensatora, co na rysunku 1.
Cytowany artykuł wskazuje ponadto, że nie tylko orientacja takiego samego kondensatora ma wpływ na jego parametry drugiego rzędu. Istnieją subtelne zmiany parametrów między partiami, w tym nawet liczba warstw w tej samej jednostce pojemności (nawet od jednego dostawcy). Rzekomo identyczne kondensatory od różnych dostawców mogą różnić się jeszcze bardziej. Zatem nawet sumienny projektant, który określa maksymalne dopuszczalne Q i ESR dla elementów w systemie, może otrzymać bardzo różne wyniki... Będzie to miało ogromny wpływ na produkcję, test i spójność wydajności.
Nie tylko kondensatory mają tego rodzaju problemy. Idealny transformator początkowo charakteryzuje się bardzo prostą, dobrze znaną relacją napięcie i zwojów. Oczywiście, jeśli przejdziemy do świata realnych elementów, szybko pojawią się dodatkowe zjawiska, mające wpływ na działanie tego elementu: straty; samonagrzewanie się; współczynniki temperaturowe i wpływ temperatury na rezystancję uzwojeń, parametry magnetyczne i układ uzwojenia, żeby wymienić tylko kilka punktów. Jest to bardzo trudna konstrukcja. Następnie do tej układanki dodać musimy realia produkcji: tolerancje i rozrzuty produkcyjne, a to prosty urządzenie staje się bardzo skomplikowanym komponentem. Sytuacja jest jeszcze trudniejsza, gdy częstotliwości zwiększają się do poziomu megaherców i wyżej.
Z pewnością rozwiązywanie problemów związanych z projektowaniem komponentów i obwodów elektronicznych jest znacznie łatwiejsze dzięki zastosowaniu uniwersalnych narzędzi do modelowania i symulacji układów, które mogą jednocześnie uwzględniać połączone czynniki elektryczne, mechaniczne, materiałowe i termiczne (takie jak np. COMSOL) lub zoptymalizowane narzędzia dedykowane np. do jednego typu komponentu. Mimo to wiele konstrukcji transformatorów, szczególnie przy wyższych poziomach mocy, bazuje na intuicji, doświadczeniu i wiedzy praktycznej wiedzy projektanta czy dostawcy.
Na szczęście istnieje wiele dobrych źródeł informacji o komponentach pasywnych, od wysoce analitycznych traktatów akademickich, poprzez praktyczne spostrzeżenia dostawców i inżynierów projektowych. Może nie pomogą nam one w uniknięciu problemów rozrzutu produkcyjnego parametrów drugiego i trzeciego rzędu, ale wskażą, jak sobie z tym radzić i przygotować swój projekt na tego rodzaju wyzwania w produkcji.
A czy może któryś z forumowiczów kiedykolwiek niespodziewanie został zaskoczony problemami związanymi z tego rodzaju parametrami drugiego i trzeciego poziomu, ich rozrzutem wartości w teoretycznie identycznych elementach?
Źródło: https://www.planetanalog.com/author.asp?section_id=396&doc_id=565191&
Fajne? Ranking DIY
