Nagyfrekvenciás áramút PCB-n

Már az előző bejegyzésben is foglalkoztunk ezzel a témával, de nem egészen így. Most megpróbálom a PCB tervezés szemszögéből bemutatni azt, hogy az áram különböző frekvenciákon hogyan változtatja útvonalát és eloszlását, annak érdekében, hogy az alábbi két szabálynak mindig eleget tegyen. Ezek alapvető fontosságúak, érdemes velük tisztában lenni:

• az áram mindig visszatér a forrásához, tehát mindig egy zárt hurokban folyik
• mindezt úgy teszi, hogy eközben mindig a legkisebb $(Z)$ impedanciájú utat választja

És itt jön képbe az emberi tényező: nevezetesen, hogy a PCB tervezés során megkönnyítjük, vagy megnehezítjük az elektronok dolgát a fentiekben. Cserébe mi sem maradunk üres kézzel, az áramkör hálás lesz nekünk és nem megy tönkre az első be(ki)kapcsolásnál, kevesebb zajt termel és (talán) nem bukik meg az EMI teszten. Vagy csak nem fogja zavarni a szomszéd rádióját.

A következő szimuláció végeselem módszerrel készült. Ha valaki kétségekkel küzd azzal kapcsolatban, hogy ez mennyire ad reális képet a valóságról, az nyugodjon meg. Állítólag nagyon reális. Árpi azt mondta.

Autós töltő vagy rádió?

Mások számára is ismerős lehet az az eset mikor az autós USB töltőt bedugjuk a szivargyújtóba és az oly mértékben zavarja az autórádiót, hogy az szinte hallgathatatlan lesz. Bizonyos adókat képes teljesen elnyomni.

Én is így jártam a lenti képen látható töltővel, amit még 2016-ban vettem a Fehérvári úti Homasitában. Persze mindaddig nem is derült ki ez a hibája, míg nem használtuk a töltőt és a rádiót egyszerre.

Gondoltam hamar szétkapom és megnézem mi van ebben a kütyüben. A következő képen elég jól kivehető a belvilága. Azt azért lehetett sejteni, hogy egy 12V to 5V step down konverter lesz az egésznek a szíve. A vezérlő IC típusa DP3111 amit a Shenzen Developer Microelectronics CO., Ltd gyártott és fejlesztett (www.depuw.com). Az IC-ben integrálva van egy 3A-es P-csatornás MOSFET kapcsoló, tehát a kapcsolási meredekséget kevés eséllyel tudjuk változtatni. Kapcsolóüzemű tápegységekben a legnagyobb problémát ugyanis a meredek fel- és lefutó élek tudják okozni, mivel ezeknek nagy a felharmonikus tartalmuk (gyors kapcsolást csak nagy sávszélességgel lehet elérni) és nagyon oda kell figyelni a ki és bemenet szűrésére nehogy ezek a jelek más készüléket zavarjanak.

Nagyfrekvenciás áramút

Van két szabály, vagy inkább törvényszerűség amit PCB tervezés során mindig figyelembe kell venni. Ezek nem túl bonyolult dolgok, viszont tapasztalataim szerint főiskolán se nagyon tanítják, legalábbis nekem nem tanították.

A két törvényszerűség a következő:

• az áram mindig visszatér a forrásához, tehát mindig egy zárt hurokban folyik
• mindezt úgy teszi, hogy eközben mindig a legkisebb $(Z)$ impedanciájú utat választja

A következő példában megpróbálom mindezt látványossá tenni és a gyakorlati jelentőségét megmutatni. Ebben a kísérletben veszünk egy 1.5m-es koax kábelt aminek az egyik végén betáplálunk egy bizonyos nagyságú jelet (sajnos az értékét anno nem rögzítettük), a másik végét pedig lezárjuk egy 50Ohm-os terheléssel (lezárással). A koax két végénél az árnyékolást összekötjük egy mérőzsinór segítségével, ezzel egy rövidebb, kisebb ellenállású útvonalat is biztosítunk a terheléstől a generátorba visszatérő áram számára. Ha tehát a visszatérőáram szeretne inkább, a rövidebb, kisebb ellenállású összeköttetésen át visszatérni a koax végétől a generátorba, akkor ezen az úgynevezett bypass ágon át megteheti (itt folyik a "bypass" áram).

A legdrágább energiaforrás - Eredmények (4. rész)

Mi újat tud ez a teszt?

Manapság a "modern digitális kütyük" energiaellátásáért többnyire szabályzott kapcsolóüzemű tápegységek felelnek. Egy ilyen eszköznek, mint például egy digitális fényképezőgépnek, egy meghatározott nagyságú teljesítményre van szüksége a működéshez. A beépített kapcsolóüzemű tápegységnek nem okoz különösebb problémát ezt a teljesítményt - az elem lemerülésének pillanatáig - az elektronika számára biztosítani. Tehát amíg az elem le nem merül, bármekkora is éppen az elemfeszültség, mindig képes kivenni az elemből a kívánt teljesítményt. Az ilyen fogyasztó az elem számára úgy látszik mint egy konstans teljesítményű terhelés. Ebben a tesztben egy precíziós, konstans teljesítményű terhelést használtunk az elemek energiatartalmának meghatározásához.

A legdrágább energiaforrás - Mivel teszteljük? (3. rész)

Ez a bejegyzés az áramkör megépítéséről és élesztéséről fog szólni. A tervezés során a fontosabb és/vagy drágább alkatrészeket úgy választottam, hogy azokból lehessen free sample-t rendelni. Például analóg szorzót már nem túl sokan gyártanak, és ennél is kevesebben küldenek belőle free sample-t. Első körben a Texas Instruments-nél kerestem ilyet, de akkor nem találtam, mint utóbb kiderült nekik is van (MPY634), ráadásul free sample-t is szállítanak belőle. Helyette Analog Devices gyártmányú szorzóval (AD734) lett tervezve az áramkör. Ezek eléggé drága alkatrészek, darabjáért 6-10eFt-ot is elkérhetnek. A két műveleti erősítő (OPA277 & OPA1611) esetében is éltem a lehetőséggel és free sample-t kértem belőlük.

A legdrágább energiaforrás - Mivel teszteljük? (2. rész)

A hagyományos elemek számára a legenergiaigényesebb fogyasztók a digitális fényképezőgépek. Ha tesztelni szeretnénk hogy a különböző gyártóktól származó elemek hogyan teljesítenek ilyen mostoha üzemben, akkor egy, a digitális fényképezőgépekkel ekvivalens műterhelésre lesz szükségünk. Ahogy már tudjuk, a digitális fényképezőgépek konstans teljesítményű terhelésként mutatkoznak az elemek számára, a következőben egy ilyen műterhelés tervezésének lépéseit írom le.

Net induktivitás

Az előző blogbejegyzésben megnéztük, hogy miként lehet kiszámolni egy vezető parciális öninduktivitását és parciális kölcsönös induktivitását, most nézzük meg mire tudjuk használni ezeket a gyakorlatban.

Az 1. ábrán egy PCB-re jellemző áramhurkot láthatunk. A szokásos elnevezést használva a felső keskeny vezetősávot $Signal$-nak nevezzük, az alsó széleset pedig $Return$-nek (ez utóbbit szokták a GND-vel azonosítani). Ha jobban megnézzük az ábrát, azt láthatjuk hogy a $Signal$ vezetősáv vége egy rövidzárral kapcsolódik a $Return$-höz. Ez most csak az egyszerűség miatt lett így rajzolva, a való életben ott sokféle terhelés lehet, például egy IC bemenet, egy lezáró ellenállás, stb.

Lényeges kérdés, hogy miért érdekes számunkra az áramhurok induktivitása? 

1. ábra: Áramhurok a PCB-n

A legdrágább energiaforrás - Hogyan teszteljük? (1. rész)

Mindenki tapasztalja, hogy meglehetősen drágák az elemek, de azt talán kevesen tudjuk, hogy ár/energia arányban messze ezek a legdrágább energiaforrások. Ha elkezdünk egy kicsit számolgatni, rögtön kiderül, hogy az elem a legdrágább energiaforrás amit hétköznapi ember használhat. Ha veszünk egy 4-es ceruzaelem (AA) pakkot, annak ára körülbelül 600Ft. Ebből egy elem, jó esetben 2.5Wh energiát képes leadni, majd kipurcan. Tehát 1Wh energia körülbelül 60Ft-ba kerül. Összehasonlításként az áramszolgáltató 1kWh energiát ad nagyjából 40Ft-ért, ha összevetjük a kettőt, az jön ki hogy az elem 1500-szor drágábban szolgáltat ugyanannyi energiát.
Ha már ilyen drágán tudunk csak "hordozható energiát" vásárolni, érdemes letesztelni , hogy a különböző elemek között van-e különbség, ugyanis ár tekintetében elég nagy a szórást lehet tapasztalni közöttük. Ha csak az úgynevezett "tartós" azaz az alkáli elemeket vesszük számításba, akkor ezek közül lehet venni 700Ft-ért 10db-ot, de az sem okoz problémát hogy találjunk 1200Ft-ért 4db-ot. A következőkben megnézzük, hogy milyen teszttel fogjuk összehasonlíthatóvá tenni a különböző elemek ár/energia arányát.

Sokan csináltak már összehasonlító teszteket konstans áramú-, vagy konstans ellenállású terheléssel, ezekkel csak annyi a bökkenő, hogy ilyen fogyasztókat nem igazán használunk a hétköznapokban. Azok a fogyasztóink, amelyek igazán igénybe veszik az elemeket, mint például egy digitális fényképezőgép, legjobban egy konstans teljesítményű műterheléssel helyettesíthető. Majd látni fogjuk, hogy egy ilyen műterheléssel is csak közelíteni lehet a valóságos eszközt (fényképezőt), mert az általa felvett áram pillanatról pillanatra képes változni, és persze változik is.