Hoe je de eigenschappen van weerstanden en inductoren begrijpt en toepast in je ontwerp

Weerstanden spelen een cruciale rol in elektrische circuits door het beperken van de stroom, maar het is belangrijk te begrijpen hoe ze werken onder verschillende omstandigheden om optimale prestaties te bereiken. Bij het kiezen van weerstanden voor je ontwerp moet je rekening houden met verschillende factoren, zoals temperatuur, het vermogen dat ze kunnen verwerken en hun gebruik als stroom- of spanningsverdeler.

Daarnaast zijn er weerstanden die speciaal ontworpen zijn om hoge vermogens te verwerken. Deze weerstanden zijn fysiek groter en vereisen soms een koellichaam. Bij het ontwerpen van een circuit is het meestal het beste om te vermijden dat je grote hoeveelheden vermogen verspilt in de vorm van warmte. Het is vaak efficiënter om een circuit te ontwerpen dat geen hoge vermogensweerstanden nodig heeft. Als je weerstand echter onderworpen zal worden aan snelle spanningspulsen of hoge stromen, kun je weerstanden zoeken die "pulsbestendig" zijn. Bij het ontwerpen van een circuit met weerstanden die een grote hoeveelheid stroom of spanning moeten dragen, is het van essentieel belang het vermogen dat door de weerstand wordt afgevoerd te berekenen. NASA raadt aan om weerstanden te gebruiken bij maximaal 60% van hun nominale vermogen om oververhitting te voorkomen en om ervoor te zorgen dat de warmte effectief wordt afgevoerd.

Stroommeetweerstanden zijn ontworpen om de stroom in een circuit nauwkeurig te meten door de spanningsval over de weerstand te meten. Dit vereist een weerstand met een zeer lage waarde, zodat er niet te veel vermogen verloren gaat, en tegelijkertijd een precisieweerstand die stabiel blijft onder variërende omstandigheden. Het vermogen om hoge stromen te verwerken zonder dat de weerstand verandert, is cruciaal. Voor nog grotere nauwkeurigheid kunnen stroommeetweerstanden in een vier-aderige configuratie worden gebruikt, wat de Kelvin-methode mogelijk maakt.

Verder is het niet ideaal om spanningsdelers te gebruiken voor het converteren van logische signalen. Hoewel een spanningsdeler theoretisch een 5V-signaal naar 3.3V kan omzetten, zijn er een paar belangrijke nadelen. Ten eerste kan de parasitaire inductantie en capaciteit van de weerstanden de signaalintegriteit verstoren, vooral bij snelle signalen of hoge frequenties. Ten tweede werkt een spanningsdeler niet voor bidirectionele signalen, aangezien het alleen in één richting de spanning verlaagt. Voor langzamere signalen, zoals enable/disable-lijnen, kan een spanningsdeler echter wel nuttig zijn.

Naast deze toepassingen zijn er standaardweerstandswaarden die vaak in ontwerpen worden gebruikt, zoals die in de E24-reeks. Deze reeks bevat de meest gangbare waarden, met een tolerantie van doorgaans 5%. Er zijn echter ook uitzonderingen, zoals 0 Ω-weerstanden, die vaak fungeren als jumpers of testpunten, hoewel ze soms een kleine werkelijke waarde kunnen hebben, zoals 1 Ω.

In schakelende voedingen is het cruciaal om zorgvuldig te kiezen voor een inductor die geschikt is voor de werking van het systeem. De schakelcycli van FET's (Feld Effect Transistors) kunnen elektromagnetische interferentie (EMI) veroorzaken, wat kan leiden tot problemen bij compatibiliteitstests (EMC). Het gebruik van een afgeschermde inductor kan helpen bij het beperken van deze interferentie. Dit type inductor bevat materialen die de magnetische velden binnen de behuizing houden, wat de EMC-prestaties verbetert. Het nadeel is echter dat afgeschermde inductoren meestal een lagere maximale stroom kunnen verwerken dan niet-afgeschermde inductoren.

Hoe Kies je de Juiste Inductor en Ferrietkraal voor je Ontwerp?

Bij het ontwerpen van een compact apparaat is de keuze voor een kleine inductor essentieel. Over het algemeen resulteert een hogere schakelfrequentie in een kleinere inductor en een kleinere uitgangsrimpel, maar kan de efficiëntie iets afnemen. Inductoren voor toepassingen met hoge frequentie moeten een hoge Q-waarde hebben en geschikt zijn voor gebruik bij hoge frequenties, vergelijkbaar met condensatoren. Het is van cruciaal belang om inductoren met een hoge Q te kiezen voor de delen van je circuit die hoge frequenties vereisen, anders zal de respons niet zoals verwacht zijn en kunnen je versterkers gaan oscilleren.

Luchtkern veer-type inductoren hebben meestal een hogere Q-waarde dan ferrietkern inductoren. Als een inductor een zeer lage Q-waarde heeft, verandert deze in een ander component: een ferrietkraal. Boven een bepaalde frequentie gedraagt een ferrietkraal zich als een inductor die slecht energie opslaat in zijn magnetisch veld en in plaats daarvan het meeste van de energie als warmte verliest. Dit is nuttig wanneer je hoge frequenties uit een signaal wilt filteren.

De keuze voor de juiste ferrietkraal is van belang, vooral als het een specifieke toepassing betreft, zoals USB. In dat geval gebruik je de ferrietkralen die specifiek voor die toepassing zijn ontworpen. Voor de meeste andere toepassingen geldt de vuistregel om een ferrietkraal te kiezen die alles filtert boven de vijfde harmonische van het signaal van belang. Als bijvoorbeeld je signaal van belang 1 MHz is, kies je een ferrietkraal die voornamelijk resistief is boven ongeveer 5 MHz.

Het filteren van lagere harmonischen kan je signaal vervormen door de stijgtijd te vergroten. Het filteren bij de vijfde harmonische biedt een goed evenwicht: het veroorzaakt minimale vervorming van een rechthoeksgolf, maar verwijdert wel hogere frequenties. Bij het kiezen van een ferrietkraal op de website van een elektronica-distributeur, zie je vaak algemene specificaties zoals "120 Ω bij 100 MHz". Deze specificaties kunnen je echter misleiden bij het kiezen van een onderdeel waarvan het inductieve bereik eindigt op een hogere frequentie dan je verwacht. Dit is een probleem, omdat als je een ferrietkraal in zijn inductieve bereik gebruikt, je ringen zult krijgen door de koppeling met de parallelle capaciteit in je circuit.

Ferrietkralen kunnen worden beoordeeld voor vermogen of voor signalen. Deze beoordelingen zijn in wezen een maat voor hun ESR (equivalente serieweerstand) en vermogen dissipatiecapaciteit. Als je probeert om vermogen te filteren met een ferrietkraal die alleen is beoordeeld voor signalen, kan de kraal falen of een verminderde prestaties veroorzaken. Net als bij inductoren en condensatoren moet de ESR voldoende klein zijn. Ferrietkralen worden vaak in serie met voedingspinnen gebruikt, zodat een hoge ESR kan leiden tot een onderspanning van het apparaat dat van stroom wordt voorzien. Wanneer je beslist over de maximale toelaatbare ESR voor een ferrietkraal, gebruik dan de maximale stroom die door de kraal kan vloeien, niet de nominale stroom. Als een IC bijvoorbeeld normaal 100 mA trekt, maar piekt tot 200 mA, bereken je de spanningsdaling over de ferrietkraal met 200 mA stroom, niet 100 mA. Anders zal je IC een spanningsgebrek ervaren bij stroompieken.

De hoeveelheid stroom door een ferrietkraal beïnvloedt de frequentierespons ervan. Hoe hoger de stroom door de kraal, hoe verder omhoog de impedantieplot verschuift en hoe lager de maximale impedantie zal zijn. Een ferrietkraal met 100 mA gelijkstroom door hem zal bijvoorbeeld een veel hogere maximale impedantie hebben dan dezelfde kraal met 200 mA gelijkstroom. Bovendien zal het maximale impedantiepunt bij 200 mA op een hogere frequentie liggen dan bij 100 mA. Wees voorzichtig bij het interpreteren van de datasheetplot, want veel van deze plottings tonen impedantie zonder DC-biasstroom, wat in de praktijk nooit voorkomt. Over het algemeen is het een goed idee om de maximale stroomlimiet in een ferrietkraal met een factor vijf af te trekken.

Deze gehele keuzeprocedure klinkt misschien moeilijk of ingewikkeld, maar in de praktijk valt het meestal mee. Zolang je de juiste ferrietkraal kiest, zal elke oscillatie meestal worden gedempt door parasitaire weerstand. Als je twijfelt, of vermoedt dat je mogelijk problemen hebt met oscillatie, kun je een snelle simulatie draaien of een meting uitvoeren. Het is heel gebruikelijk om met verschillende waarden te experimenteren.

Het is ook belangrijk om te weten dat de keuze van connectors en kabels ook grote invloed kan hebben op de prestaties van je ontwerp. Het gebruik van connectors voegt kosten toe en kan leiden tot EMI- en EMC-problemen. Het is echter beter om connectors te vermijden waar mogelijk. Sommige producten maken gebruik van technieken zoals hot-bar solderen om kabels direct aan de printplaat te bevestigen zonder connectors. Dit kan kosten besparen, vooral bij massaproductie, maar kan ook leiden tot betrouwbaarheidproblemen.

Hoe Bouw Je Een Product: Het Proces Van Ontwerpen, Prototypen En Testen

Bij het ontwikkelen van een elektronisch product komt een complexe en gedetailleerde reeks van stappen kijken. Het begint niet met de keuze van de componenten of het tekenen van een schema; het begint met een diepgaande en goed georganiseerde planning. In de eerste fasen van het proces gaat het om begrijpen wat je wilt bouwen en waarom. Zodra dat helder is, volgt het maken van keuzes die de kwaliteit en effectiviteit van het uiteindelijke product bepalen.

Het proces van componentselectie komt daarna aan bod. Het is van cruciaal belang om te zorgen dat de gekozen componenten voldoen aan de specificaties die je hebt opgesteld. Het kiezen van de juiste onderdelen kan een tijdrovende taak zijn, maar is essentieel om de prestaties en betrouwbaarheid van je product te waarborgen. Wanneer je bijvoorbeeld een condensator kiest, moet je letten op parameters zoals de capaciteit, de spanningswaarde en de tolerantie. Hetzelfde geldt voor andere passieve componenten zoals weerstanden en inductoren, evenals voor actieve componenten zoals microcontrollers en voedingen. Elk onderdeel moet zorgvuldig worden geselecteerd om ervoor te zorgen dat het compatibel is met de rest van het ontwerp.

Na de componentkeuze komt het tekenen van het schema. Een schema is niet alleen een weergave van de elektrische verbindingen; het moet ook logisch en duidelijk zijn. Goed schemaontwerp maakt het gemakkelijker om het ontwerp te begrijpen en problemen sneller op te lossen. Dit betekent dat je de conventies van schemaontwerpen moet begrijpen en tegelijkertijd de meest voorkomende fouten moet vermijden. Als het schema niet goed is, zullen de volgende stappen in het proces waarschijnlijk ook problematisch zijn.

Met een goed schema in handen kun je overgaan naar de layout van de printplaat (PCB). Dit is de stap waarbij het abstracte schema wordt omgezet in een fysieke layout die daadwerkelijk kan worden vervaardigd. Hierbij moeten veel fysische aspecten in overweging worden genomen, zoals de snelheid van het signaal, de keuze van de lagen en de plaatsing van de componenten. Een goed ontworpen PCB zorgt ervoor dat het product niet alleen functioneel is, maar ook betrouwbaar en geschikt voor massaproductie.

Naast de technische aspecten van ontwerp en productie is het ook belangrijk om rekening te houden met de kosten. Kostenbesparing mag niet ten koste gaan van de kwaliteit, maar het is wel mogelijk om slimme keuzes te maken die de uiteindelijke prijs van het product drukken. Dit kan door het optimaliseren van het ontwerp, het kiezen van goedkopere materialen waar mogelijk, en het minimaliseren van onnodige complexe processen tijdens de productie.

Bij het testen van een product komt vaak het besef dat het prototype niet meteen werkt zoals verwacht. Dit is een normaal onderdeel van het proces en betekent niet dat het ontwerp gefaald heeft. Het testen van prototypes is een iteratief proces waarin je steeds nieuwe bevindingen verwerkt om het ontwerp te verbeteren. Hier is een geduldige en systematische aanpak van groot belang, omdat dit je in staat stelt om problemen tijdig te identificeren en op te lossen.

In de praktijk is het niet ongebruikelijk dat een ontwerp niet in één keer goed is. Zelfs de meest ervaren ingenieurs maken fouten. Het is belangrijk om te begrijpen dat fouten, zelfs ogenschijnlijk simpele, onvermijdelijk zijn in het proces van productontwikkeling. Dit geldt niet alleen voor technische fouten, maar ook voor het aanpassen van de productdimensies, de vormgeving van de PCB, of de afstemming van de onderdelen. Het accepteren van deze fouten als onderdeel van het leerproces maakt het makkelijker om vooruitgang te boeken zonder te veel vast te lopen in het streven naar perfectie.

Het ontwerp- en prototypeproces kan frustrerend zijn, maar het is vaak belangrijker om snel te itereren en je ontwerp aan te passen op basis van testen en feedback. Wanneer je het gevoel hebt dat je 90% zeker bent dat je ontwerp zal werken, is het tijd om verder te gaan en te fabriceren. Elke iteratie brengt je dichter bij een werkend product, en het doel is niet om alles perfect te doen, maar om steeds dichter bij een solide oplossing te komen.

Naast het technische aspect moet er ook aandacht zijn voor de externe factoren die van invloed kunnen zijn op het succes van een product. Dit omvat regelgeving met betrekking tot elektromagnetische compatibiliteit (EMC) en immuniteit. Ook al ben je misschien niet van plan om een formele certificering te verkrijgen, is het belangrijk om deze regels te begrijpen. Het vermijden van moeilijk te diagnosticeren problemen door deze eisen vroegtijdig in het ontwerpproces aan te pakken, kan veel tijd en geld besparen in de latere fasen van de ontwikkeling.

Voor een succesvolle productontwikkeling is het ook belangrijk om met verschillende engineeringdisciplines samen te werken. Het krijgen van feedback van verschillende teams, zoals industrieel ontwerp, productie en testen, helpt om blinde vlekken in je ontwerp te voorkomen. Het gezamenlijke perspectief van meerdere experts zal ervoor zorgen dat je ontwerp niet alleen goed werkt, maar ook gemakkelijk te produceren en te testen is.

Welke testapparatuur is essentieel voor het werken met RF-signalen en netwerkanalyzers?

Wanneer je werkt met radiofrequenties (RF) en signaalverwerking, zijn er een aantal testinstrumenten die je niet kunt missen. Deze hulpmiddelen zijn cruciaal voor het meten van verschillende parameters van je circuit en het garanderen van nauwkeurige resultaten. Van oscilloscopen tot vector netwerk analyzers (VNA's) en spectrum analyzers, elk instrument heeft zijn specifieke toepassing en prijsklasse. Het kiezen van de juiste apparatuur hangt sterk af van je behoeften, je budget en de prestaties die je van je testen verwacht.

Een spectrum analyzer is onmisbaar voor wie met RF-signalen werkt. De prijs van spectrum analyzers van merken zoals Keysight of Rohde & Schwarz begint rond de $20.000 en kan oplopen tot meer dan $100.000, afhankelijk van de maximale meetfrequentie. Er zijn echter ook veel goedkopere tweedehands modellen beschikbaar, zoals de Tektronix 492, die een indrukwekkend frequentiebereik van 10 kHz tot 21 GHz heeft. Dit model is op eBay vaak verkrijgbaar voor slechts $1.000 tot $2.000. Toch moet je in gedachten houden dat de interface van de Tek 492 verouderd is en mogelijk niet beschikt over de knoppen en functies die je van een modern spectrum analyzer verwacht. Een alternatief voor deze oudere modellen is de HP 8595E, die tot 6,5 GHz kan meten en vaak voor ongeveer $2.000 te vinden is.

Voor wie op zoek is naar draagbare spectrum analyzers, zijn er verschillende handzame modellen zoals de FieldFox van Keysight, die ook op batterij werkt en kan dienen als een VNA. Voor budgetbewuste hobbyisten is de RF Explorer een betaalbare optie die tot 6 GHz kan meten. USB-gebaseerde spectrum analyzers zijn ook verkrijgbaar, en hoewel ze soms duur zijn, bieden ze de mogelijkheid om het apparaat eenvoudig met een computer te verbinden voor geavanceerde software-functionaliteit.

Wanneer je met een spectrum analyzer werkt, is het verstandig een near-field probe aan te schaffen. Dit is een hulpmiddel waarmee je elektromagnetische velden in de buurt van je PCB kunt meten. Door deze probes correct te gebruiken, kun je elektromagnetische interferentie (EMI) detecteren voordat je apparaat naar een compliance testing lab wordt gestuurd. Een externe voorversterker kan nodig zijn voor de meeste near-field probes, vooral wanneer je met een minder geavanceerde spectrum analyzer werkt.

Voor wie met een beperkt budget werkt, is de NanoVNA een uitermate interessante optie. Dit compacte apparaat is beschikbaar voor slechts $75 tot $125 en kan frequenties tot 3 GHz meten. Het is ideaal voor hobbyisten en biedt verrassend goede prestaties voor zijn prijs. Het nadeel is echter dat de kalibratie van een VNA, anders dan bij bijvoorbeeld een multimeter, essentieel is voor nauwkeurige metingen. Hiervoor heb je een kalibratieset nodig die, afhankelijk van de vereiste nauwkeurigheid en frequentiebereik, vrij duur kan zijn. Er zijn twee soorten kalibratiesets: mechanisch en elektronisch (e-cal). Het elektronisch model is efficiënter, omdat het automatisch schakelt tussen verschillende kalibratietoestellen, maar het is ook veel duurder dan het mechanische alternatief.

Naast de grotere apparatuur is een goed uitgeruste werkplek voorzien van kleinere handgereedschappen essentieel voor elke RF-werkplaats. Denk hierbij aan boormachines, snijgereedschap, schroevendraaiers en andere instrumenten die nodig zijn om nauwkeurige en zorgvuldige metingen te verrichten. Zo'n set handgereedschap stelt je in staat om snel en efficiënt wijzigingen aan te brengen in je circuits en elektronica, en biedt de precisie die nodig is om met gevoelige RF-signalen te werken.

Het is belangrijk om te begrijpen dat de keuze van de testapparatuur niet alleen afhankelijk is van de prijs, maar ook van de specifieke toepassing. Sommige projecten vereisen mogelijk een duur en geavanceerd VNA voor hoge frequenties, terwijl andere kunnen werken met goedkopere alternatieven, zoals de NanoVNA of eenvoudige spectrum analyzers. Ook de mogelijkheid om tweedehands apparatuur aan te schaffen kan een aanzienlijke kostenbesparing opleveren zonder in te boeten op kwaliteit, mits de apparatuur goed wordt gecontroleerd op werkbaarheid en specificaties.

Hoe Testnormen en Apparatuur de Betrouwbaarheid van je Product Waarborgen

Het uitvoeren van robuuste tests op elektronische producten is cruciaal om te garanderen dat ze betrouwbaar functioneren onder verschillende omstandigheden. Dit is de kern van de productontwikkeling en helpt ontwikkelaars er zeker van te zijn dat hun ontwerpen in de echte wereld zullen presteren zoals bedoeld. Bij het testen van producten is het belangrijk om verschillende standaarden en testmethoden te begrijpen, evenals het gebruik van de juiste apparatuur.

Het wordt aanbevolen om ten minste drie testobjecten te gebruiken voor de test, met verschillende oriëntaties, en ervoor te zorgen dat het product continu van stroom wordt voorzien tijdens de test. Hierdoor kunnen tijdelijke storingen worden gedetecteerd, die anders mogelijk onopgemerkt zouden blijven. De resultaten van dergelijke tests helpen je niet alleen om te begrijpen hoe je product presteert in extreme omstandigheden, maar ook om te anticiperen op mogelijke zwakke plekken in het ontwerp.

Naast de luchtvochtigheidstest, wordt een andere veelgebruikte testmethode de Ingress Protection (IP) certificering. Het IP-nummer geeft aan in hoeverre een product beschermd is tegen het binnendringen van vaste stoffen en vloeistoffen. Het eerste cijfer duidt de bescherming tegen vaste deeltjes aan, variërend van 0 (geen bescherming) tot 6 (volledige bescherming tegen stof). Het tweede cijfer vertegenwoordigt de bescherming tegen vloeistoffen, met een schaal die loopt van 0 (geen bescherming) tot 9 (bescherming tegen krachtige waterstralen bij hoge druk). De volledige testnormen zijn vastgelegd in IEC 60529, waar je gedetailleerde specificaties vindt over de te volgen procedures om deze testen correct uit te voeren.

Een veelvoorkomend probleem bij het gebruik van testapparatuur is dat de kabels of connectors kunnen verslechteren zonder dat dit direct opvalt. Dit geldt vooral voor RF-testkabels, die gevoelig zijn voor schade door het verplaatsen of onjuiste behandeling. Het is raadzaam om periodieke controles uit te voeren op deze kabels en hun prestaties te testen, vooral op signaalverlies. Net als kabels moeten ook andere onderdelen van de testopstelling, zoals adapters en terminatoren, regelmatig gecontroleerd worden om fouten te voorkomen die de metingen kunnen verstoren.

Daarnaast is het belangrijk om de testomstandigheden goed in acht te nemen. Als je bijvoorbeeld een versterker test, moet de uitgang altijd worden beëindigd met een geschikte belasting om schade aan de apparatuur te voorkomen. Zelfs ogenschijnlijk eenvoudige componenten, zoals weerstanden in een terminator, kunnen snel beschadigd raken als ze onder te hoge belasting staan. Een beschadigde terminator kan niet alleen de metingen verstoren, maar kan ook leiden tot schade aan andere componenten in het testsysteem.

Om betrouwbare en valide testresultaten te verkrijgen, is het belangrijk om regelmatig je testapparatuur te controleren en te kalibreren. Dit geldt vooral voor apparatuur zoals een vector netwerk analyzer (VNA), waarbij je de kalibratie mogelijk meerdere keren per dag moet herhalen, afhankelijk van de temperatuurveranderingen in de ruimte en de aanbevelingen van de fabrikant. Het garanderen van de nauwkeurigheid van je testapparatuur is de sleutel tot het verkrijgen van betrouwbare testresultaten en het voorkomen van onterecht falen van je producten in de testfase.

Het kan ontmoedigend zijn om een product de markt op te brengen, wetende dat het onder diverse omstandigheden zal worden gebruikt. Toch is een goed uitgevoerde testcampagne de sleutel tot vertrouwen in het product. Het stelt je in staat om te verifiëren dat je product voldoet aan alle eisen en dat het bestand is tegen de uitdagingen van de echte wereld. Testen helpt niet alleen bij het evalueren van de functionaliteit van het product, maar biedt ook de nodige zekerheid dat je ontwerp daadwerkelijk in de praktijk werkt zoals bedoeld. Dit maakt testen een onmisbare stap in het proces van productontwikkeling.