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.

Parciális induktivitás

Manapság ha áramkör tervezésről van szó, elkerülhetetlen, hogy a tervezés során ne számoljunk a különböző alkatrészek és a vezetősávok induktivitásával. Ha ezekkel mégsem törődünk, akkor könnyen megeshet, hogy a parazita induktivitások számlájára írható jelenségek áldozatává válik az áramkörünk. Ilyen meglepetések lehetnek a következők: túl nagy áthallás, EMI problémák, rail collapse, kapcsolási zaj, ground bounce, ringing (sajnos nincs mindegyiknek magyar megfelelője). 
Miért is olyan fontos számunkra a parciális induktivitás? Mert ennek segítségével tudjuk igazán megérteni az induktivitás lényegét, azt hogy milyen fizikai paraméterektől hogyan függ az értéke. Önmagában induktivitásról beszélni viszont megtévesztő lehet, mivel elég sok fajtája létezik, megkülönböztetünk ugyanis:

• áramhurok öninduktivitást
• áramhurkok közti kölcsönös induktivitást
• parciális öninduktivitást
• parciális kölcsönös induktivitást
• total-, net-, vagy effektív induktivitást
• internal induktivitást
• external induktivitást
• ekvivalens induktivitást
• ...

1. ábra: Egyenes vezető körül létrejövő indukcióvektorok
(Ansys Maxwell)

Apa elmagyarázza a mágnest

Bemelegítésképp itt az egyik kedvenc Kőhalmi jelenetem, amiben "apa" elmagyarázza fiának a mágnes működését:

Amit a hőelemről tudni érdemes

Többször találkoztam már a következő tévhittel: "A termoelem nem más, mint két egymással összeforrasztott huzal, amelyek forrasztási pontjában a hőmérséklettel arányos termofeszültség keletkezik".

A két különböző anyagú huzal kötéspontjában nem keletkezik feszültség. Termofeszültség bármely vezető végpontjai között létrejön, ha ezek a végpontok különböző hőmérsékleten vannak - ez a Seebeck-effektus. Még két különböző huzal sem kell hozzá.