Hoe Kies je de Juiste Passieve Componenten voor je Circuitontwerpen?

Passieve componenten, zoals condensatoren, weerstanden en inductoren, evenals kabels, connectors en circuitbeveiliging, zijn de fundamentele bouwstenen van elke elektronische schakeling. Ze staan soms bekend als "jellybean"-componenten, wat suggereert dat ze zonder al te veel nadenken in het ontwerp worden geplaatst, terwijl veel meer aandacht uitgaat naar dure actieve componenten zoals IC’s. Dit is echter een misverstand. Hoewel passieve componenten vaak aanzienlijk goedkoper zijn dan actieve componenten, kunnen ze de prestaties van een apparaat in sterke mate beïnvloeden. Ze verdienen dan ook dezelfde zorgvuldige selectie als de actieve componenten.

Condensatoren

Condensatoren komen in vrijwel elk circuit voor, maar veel ontwerpers behandelen ze ten onrechte als of ze allemaal hetzelfde zijn. Het juiste kiezen van condensatoren kan de prestaties van je ontwerp verbeteren en problemen voorkomen die moeilijk te debuggen zijn. Dit begint met het begrijpen van de verschillende soorten condensatoren die er zijn. De drie meest voorkomende soorten zijn keramische condensatoren, elektrolytische condensatoren en filmcondensatoren.

Keramische condensatoren (MLCC)

Multilaagse keramische condensatoren (MLCC's) zijn waarschijnlijk de meest voorkomende condensatoren en worden vaak gebruikt voor bypassing, decoupling en filtering. Deze condensatoren kunnen voltages tot ongeveer 100 V aan en zijn beschikbaar tot ongeveer 50 μF. Ze worden geleverd met verschillende diëlektrische materialen, zoals X5R, C0G en Y5V, die de temperatuurcoëfficiënt en de toleranties van die coëfficiënt aangeven. Er zijn twee klassen van keramische condensatoren: Klasse I en Klasse II.

Klasse I condensatoren zijn de ideale condensatoren: ze hebben een lineaire temperatuurcoëfficiënt, hun capaciteit blijft gelijk over een breed spanningsbereik, ze hebben een lage verliezen en zijn uiterst stabiel. Deze condensatoren hebben ook een hoge kwaliteitsfactor (Q), wat ze geschikt maakt voor gebruik bij hoge frequenties. Het nadeel is dat deze condensatoren slechts beschikbaar zijn in lage capacitantie-waarden. Je zult bijvoorbeeld geen 100 µF Klasse I condensator vinden. De meest voorkomende Klasse I condensatoren zijn NP0/C0G.

Als je hogere capacitantie nodig hebt in een kleiner volume, moet je een materiaal met een hogere relatieve permittiviteit gebruiken, wat betekent dat je naar een Klasse II condensator moet gaan. Dit komt echter met concessies aan de eigenschappen van Klasse I condensatoren, zoals een verhoogde kans op het optreden van piezo-elektrische effecten. Het is van belang om Klasse II condensatoren correct te gebruiken en altijd de juiste soort te kiezen voor de toepassing. De meest gebruikte Klasse II condensatoren zijn X5R en X7R, die meer temperatuurstabiliteit bieden dan sommige andere types.

Een veelgemaakte fout is dat ontwerpers een condensator kiezen met precies de capaciteits- en spanningswaarden die ze denken nodig te hebben, bijvoorbeeld een 10 V en 10 µF condensator. Dit kan echter tot problemen leiden omdat de werkelijke spanning op de condensator in je circuit vaak hoger zal zijn dan verwacht, door pieken en dips die tijdelijk optreden. Dit kan de capaciteit van de condensator beïnvloeden, met name bij Klasse II condensatoren, waar de capaciteit afneemt bij hogere spanningen.

Het is daarom essentieel om een condensator te kiezen die een hogere spanningswaarde heeft dan nodig is volgens je ontwerp. NASA beveelt bijvoorbeeld aan om condensatoren te derateren voor hun werkelijke gebruiksomstandigheden. Dit houdt in dat als je een condensator van 10 V nodig hebt, je er een van 15 V zou moeten kiezen om voldoende marge te hebben. Bij kleinere packages van condensatoren zal de capaciteit sneller afnemen bij hogere spanningen, dus een grotere verpakking kan soms een oplossing bieden.

Elektrolytische Condensatoren

Elektrolytische condensatoren worden meestal gebruikt in circuits die een grote hoeveelheid capacitantie vereisen. Deze condensatoren hebben typisch een waarde van 0.1 µF tot enkele farad, maar zijn fysiek groter dan andere typen condensatoren. Ze zijn ook beschikbaar in hogere spanningen dan andere condensatoren. Voor bijvoorbeeld 1 µF MLCC condensatoren is de maximale spanning vaak 100 V, maar voor elektrolytische condensatoren zijn waardes van 400 V of meer mogelijk.

Als je een elektrolytische condensator in een ruimtebeperkingen hebt, kan een polymere aluminium elektrolytische condensator een oplossing zijn. Deze condensatoren gebruiken een geleidend polymeer in plaats van een vloeibaar elektrolyt, wat zorgt voor een lager profiel en betere prestaties.

Wat is verder belangrijk bij het kiezen van passieve componenten?

Bij het ontwerpen van circuits is het essentieel om rekening te houden met de tolerantie en temperatuurstabiliteit van je passieve componenten, vooral bij toepassing in veeleisende omgevingen. De keuze van het type condensator kan sterk afhankelijk zijn van de specifieke eisen van het circuit. Verder kan de verpakking van een condensator ook van invloed zijn op de prestaties, vooral wanneer het gaat om hoge frequenties of hoge spanningen. Het negeren van de deratingfactoren kan leiden tot onbetrouwbare prestaties, wat de levensduur en betrouwbaarheid van je ontwerp in gevaar kan brengen.

Hoe de Plaatsing van Componenten en Aansluitingen in een Ontwerp Te Optimaliseren voor Assemblage en Testen

Bij het ontwerpen van elektronische apparaten is het cruciaal om goed na te denken over de plaatsing van componenten en aansluitingen. Dit heeft niet alleen invloed op de functionele prestaties van het apparaat, maar ook op de efficiëntie van de assemblage en het testen ervan. Bij het bepalen van de locaties voor bevestigingsmiddelen en het inbrengen van 3D-modellen voor elk onderdeel, is het van groot belang om de "worst-case tolerantie" te gebruiken. Dit betekent dat als de hoogte van een behuizing bijvoorbeeld 6 mm van het PCB-oppervlak afstaat en de datasheet van een onderdeel aangeeft dat het 5 mm +/– 0,5 mm hoog is, het onderdeel in het ontwerp als 5,5 mm moet worden gemodelleerd, en niet als 5 mm. Dit principe geldt ook voor de andere richting: als het noodzakelijk is dat een onderdeel een minimale hoogte heeft, moet deze hoogte als de slechtste tolerantie in de andere richting worden gemodelleerd (bijvoorbeeld 4,5 mm in dit geval).

Dit is belangrijk omdat tolerantiemarges zich opstapelen, en het ontwerp moet altijd in staat zijn om de slechtste situatie aan te kunnen, wat vooral van belang is tijdens de assemblage.

Wat betreft kabels en connectoren is het belangrijk om voldoende ruimte rond de connectoren te hebben zodat deze correct kunnen worden gesoldeerd zonder dat de plastic behuizing van de connector smelt. Daarnaast moet er genoeg ruimte zijn voor de aangesloten connectoren, inclusief de draden die uit de achterkant van de connector steken (indien het om een kabel gaat). Dit is vooral belangrijk bij handassemblage, waar de eerste centimeter achter een kabelconnector vaak verrassend stijf is en voldoende ruimte nodig heeft voor de draden om flexibel te buigen naar hun bestemming.

Bij het plannen van de kabelroute in het ontwerp, moet rekening worden gehouden met de dikte van de kabels, het aantal draden en de stijfheid (of de draden gestranded of massief zijn). Het creëren van kabelbundels met behulp van kabelbinders, een kabelomhulsel of de ouderwetse techniek van kant-en-klare touwtjes, helpt om de draden netjes bij elkaar te houden. Een andere optie is om kabelkanalen direct in de behuizing in te bouwen. Dit helpt de assemblage, omdat het precies duidelijk maakt waar de kabels moeten worden geplaatst, en voorkomt dat ze tijdens de eindassemblage worden ingeklemd.

Het is essentieel om voldoende ruimte tussen naast elkaar geplaatste connectoren te voorzien, zodat beide kabels die erop moeten worden aangesloten, gemakkelijk kunnen worden verbonden. Sommige connectoren hebben brede lippen rondom de connector, en dit kan per connector enorm variëren, zelfs binnen hetzelfde type connector. De plastic behuizing rondom de connector kan zelfs twee keer zoveel ruimte innemen als de connector zelf, zowel horizontaal als verticaal. Het is dus belangrijk te controleren welke kabels je gaat gebruiken en ervoor te zorgen dat er voldoende ruimte is tussen de connectoren. Het kan ook nuttig zijn om de afmetingen van de connectoren met een silkscreen-outline weer te geven, zodat het voor de assemblagepersoneel duidelijk is hoeveel ruimte er beschikbaar is.

Bij de plaatsing van schakelaars en draaiknoppen is het eveneens belangrijk om rekening te houden met voldoende ruimte. Twee potentiometers kunnen bijvoorbeeld dicht bij elkaar genoeg ruimte hebben om gedraaid te worden als ze geen knoppen hebben, maar als er wel knoppen op zitten, kan het onmogelijk zijn om beide tegelijk te bedienen zonder dat ze tegen elkaar aan komen. Het is het beste om de uiteindelijke knoplocaties eerst te plannen en pas daarna de plaatsing van de potentiometers te bepalen.

Voor ribbonkabels en flexibele kabelconnectoren (FFC) is het essentieel voldoende ruimte rondom de connector te laten voor het in- en uitkoppelen van de kabel, zonder dat er gereedschap nodig is. Dit vergemakkelijkt de assemblage aanzienlijk. Daarbij moet je ook rekening houden met de lengte van de kabels en de extra ruimte voor eventuele speling. Het is verstandig om na te denken over de volgorde waarin de componenten en kabels zullen worden geïnstalleerd, om te voorkomen dat een kabel onder een overhang moet worden aangesloten voordat het overliggende onderdeel is gemonteerd.

Daarnaast kan het nuttig zijn om de annulaire ringen rond de vias visueel te onderscheiden, bijvoorbeeld door een niet-omhulde octagoon te gebruiken voor het aanduiden van een powerplane. Dit helpt niet alleen bij het debuggen, maar maakt de test en het onderhoud van het ontwerp eenvoudiger.

Hoe een Open Prototyping Mindset Kan Leiden tot Succesvolle Productontwikkeling

Prototyping is een essentieel onderdeel van het productontwikkelingsproces, maar het is belangrijk om te begrijpen dat het niet slechts gaat om het perfectioneren van één ontwerp of techniek. In tegendeel, de meeste succesvolle prototypes worden gebouwd met een open mindset, waarin je niet alleen denkt aan het product zelf, maar ook aan de bredere context waarin het wordt ontwikkeld. Het is verleidelijk om vast te komen zitten in een enkel ontwerp, maar juist door verschillende benaderingen en technologieën te verkennen, vergroot je de kans op succes.

Tijdens de prototypingfase is het cruciaal om niet vast te houden aan één enkel idee of pad. Probeer verschillende technieken, experimenteer met nieuwe materialen en technologieën, en wees niet bang om te falen. Zelfs het ontwikkelen van goedkope printplaten om ideeën te testen kan een waardevolle manier zijn om je concepten verder te verkennen. Wanneer één benadering niet werkt, moet je bereid zijn deze opzij te zetten en opnieuw te beginnen, of zelfs een totaal andere richting te overwegen. Het herontwerpen van een product kan veel kosten met zich meebrengen, maar het kan soms noodzakelijk zijn om verder vooruit te komen.

Een uitstekend voorbeeld van deze flexibiliteit komt uit de vroege geschiedenis van SpaceX’s Starship-ontwikkeling. In 2018 besloot Elon Musk om de constructie van het Starship van koolstofvezel naar roestvrij staal te veranderen, ondanks de aanzienlijke investeringen die al gedaan waren in koolstofvezelcomponenten. Musk benadrukte dat als een ontwerp te veel tijd kost, het ontwerp waarschijnlijk verkeerd is en dat het essentieel is om sneller vooruitgang te boeken door processen te vereenvoudigen.

Het idee van "degressieve prototyping" speelt hierin een grote rol. Dit houdt in dat je niet alleen het product optimaliseert op basis van een enkele techniek, maar dat je tegelijkertijd verschillende benaderingen verkent. In plaats van één pad te volgen en pas later over te schakelen wanneer dat pad niet blijkt te werken, is het vaak effectiever om meerdere paden parallel te ontwikkelen. Dit helpt de risico's van falen te verkleinen, doordat je steeds een prototype hebt dat de haalbaarheid van een idee test voordat je verder gaat met een geavanceerdere versie.

Een ander belangrijk aspect van prototyping is het vermogen om aannames te bevragen en te heroverwegen. Een productontwikkelingsproces kan snel vastlopen als teams zich blindstaren op de gegeven randvoorwaarden zonder deze te bevragen. Musk heeft aangegeven dat een van de grootste valkuilen is om te blijven optimaliseren voor een oplossing die in wezen niet de moeite waard is om verder te ontwikkelen. De ontwikkelingsprocessen mogen niet worden geleid door de misvatting dat er altijd één correcte manier is om een probleem op te lossen.

Dit vraagt om een cultuur van kritische reflectie, waarbij teamleden voortdurend de vraag stellen of de gemaakte keuzes wel de juiste zijn. Dit is waar het concept van Conway’s Law relevant wordt, wat stelt dat de structuur van een organisatie de kwaliteit van de systemen die het ontwerpt beïnvloedt. In feite kunnen de communicatieprocessen binnen een team de uiteindelijke productontwerpen bepalen. Het vermijden van silo-denken tussen afdelingen is essentieel voor een product dat daadwerkelijk de behoeften van de gebruiker vervult.

In de ontwikkeling van hardware is het ook belangrijk om niet alleen technische risico’s in kaart te brengen, maar ook productrisico’s te verminderen. Dit betekent dat je prototypes niet alleen getest moeten worden op technische functionaliteit, maar ook op de vraag of het product daadwerkelijk de wensen van de gebruikers vervult. Dit is het fundament van het Minimum Viable Product (MVP). Een MVP is een prototype dat enkel de kernfunctionaliteit bevat die nodig is om te testen of een product daadwerkelijk waarde heeft voor de gebruiker.

In grotere bedrijven werkt de hardware-, software- en productteams vaak samen om te zorgen dat wat ontwikkeld wordt, daadwerkelijk nuttig is voor de eindgebruiker. Het is essentieel dat deze teams goed communiceren en elkaar voorzien van feedback over wat technisch haalbaar is en wat de gebruikers nodig hebben. Deze nauwe samenwerking zorgt ervoor dat het eindproduct de maximale waarde heeft, door te focussen op de functionaliteiten die gebruikers echt willen.

Het succes van een product komt dus niet alleen voort uit technische perfectie, maar ook uit het vermogen om te luisteren naar gebruikers, aannames te bevragen en flexibel te blijven in het ontwikkelingsproces. De sleutel tot succesvol prototypen ligt in het behoud van een breed perspectief en het durven aanpassen van je aanpak wanneer dat nodig is. Het belangrijkste is te onthouden: de gebruiker staat centraal. Elk prototype, elke test, moet dienen om een product te creëren dat voldoet aan de echte behoeften van de gebruiker.

Wat is het belang van een goed laboratoriumnotitieboek voor het ontwerpen en prototypen van RF-systemen?

Bij het ontwerpen van radiofrequentie (RF) systemen zijn er verschillende belangrijke tools die het proces kunnen vergemakkelijken, waaronder modulaire componenten van verschillende fabrikanten. Veel bedrijven bieden nu kleine blokken van verschillende onderdelen aan, die gemakkelijk in elkaar kunnen worden gezet zonder dat er gesoldeerd hoeft te worden. Dit onderscheidt hen van andere bedrijven die alleen modules aanbieden die geschikt zijn voor hun eigen onderdelen en niet voor die van andere fabrikanten. Deze flexibele aanpak biedt ingenieurs de mogelijkheid om componenten te combineren die anders niet compatibel zouden zijn, en de mogelijkheid om kosteneffectieve en innovatieve prototypes te maken.

Naast simulators kan een softwaregedefinieerde radio (SDR) een waardevol hulpmiddel zijn voor het testen en ontwikkelen van RF-systemen. SDR’s stellen je in staat om een radio digitaal te besturen, waardoor je over een breed frequentiebereik kunt zenden of ontvangen met een behoorlijke bandbreedte. Er zijn diverse SDR’s op de markt, van consumentgerichte modellen zoals de USRP, HackRF, LimeSDR en bladeRF, tot goedkopere opties zoals de RTL-SDR. De RTL-SDR is ideaal voor eenvoudige ontvangsttests en experimenten, maar heeft beperkte mogelijkheden: het kan alleen ontvangen en heeft een frequentiebereik tot ongeveer 1,75 GHz met een bandbreedte van zo’n 2,5 MHz. Voor complexere taken zijn de duurdere SDR’s beter geschikt, maar de RTL-SDR blijft een uitstekende keuze voor beginnende gebruikers die de basisprincipes willen begrijpen.

Bij het werken met RF-systemen is het essentieel om ook de juiste meetapparatuur tot je beschikking te hebben. Het meten van de prestaties van je prototypes vereist gespecialiseerde apparatuur die vaak essentieel is voor een nauwkeurige analyse van je ontwerp. Meer informatie over de benodigde testapparatuur wordt verderop in dit boek besproken, maar het is belangrijk om te weten dat een goede meetinrichting je in staat stelt om je ontwerpen te valideren en aan te passen voordat je overgaat tot de productie.

Het belang van een laboratoriumnotitieboek reikt echter verder dan alleen het faciliteren van het ontwerp en de foutopsporing. Het kan ook dienen als een document ter bescherming tegen juridische claims of beschuldigingen van fraude. In geval van een juridische procedure kan een goed gedocumenteerd notitieboek als bewijs dienen van de stappen die je hebt genomen en de beslissingen die je hebt gemaakt. Dit geldt niet alleen voor het geval je betrokken raakt bij een rechtszaak, maar ook als je te maken krijgt met interne vraagstukken binnen een organisatie, zoals wanneer managers verantwoordelijkheden willen verschuiven of de schuld willen afschuiven.

Naast de bescherming tegen juridische risico’s, is het een cruciaal hulpmiddel voor het behoud van kennis binnen een team. Teams kunnen veranderen, en mensen kunnen het bedrijf verlaten. Een goed bijgehouden notitieboek zorgt ervoor dat kennis niet verloren gaat, zelfs wanneer teamleden weggaan. Dit wordt vaak aangeduid als het ‘busfactor’-concept, waarbij het idee is dat je je werk zodanig documenteert dat, zelfs als een belangrijk teamlid niet meer beschikbaar is, anderen zonder problemen verder kunnen gaan met het project. Dit voorkomt dat de voortgang stagneert wanneer cruciale kennis verloren gaat.

Wat betreft de inhoud van een notitieboek, is het belangrijk dat elke pagina goed gestructureerd is. Het moet altijd duidelijk zijn welke experimenten zijn uitgevoerd, welke materialen zijn gebruikt, wat de instellingen waren en wat de resultaten en analyses waren. Elk experiment moet beginnen met een titel, datum, hypothese en motivatie, en eindigen met een conclusie op basis van de resultaten. Het is essentieel om alle relevante gegevens, zoals grafieken, screenshots en metingen, in te voegen of op een andere manier te documenteren, zodat een ander teamlid of ingenieur je werk later kan volgen en repliceren.

Naast de technische aspecten van het notitieboek is het ook van belang dat je alle documenten en gegevens goed bewaart. Dit kan je niet alleen helpen bij toekomstige projecten, maar ook als referentie voor het verbeteren van toekomstige ontwerpen. Het notitieboek wordt, op termijn, een archief van je creatieve en technische ontwikkeling.

Hoe kun je EMC-testen effectief gebruiken bij de ontwikkeling van je product?

Prescan-tests verzamelen dezelfde gegevens die door de FCC vereist zijn voor goedkeuring, maar worden niet daadwerkelijk aan de overheid voorgelegd. Een voorbeeldtarief voor dergelijke tests is ongeveer $200 per uur, inclusief het gebruik van een antennekamer en de tijd van een technicus die je helpt bij het opzetten en uitvoeren van de tests. Zodra de tests je product in de uiteindelijke verzendklare vorm vertegenwoordigen, kun je de resultaten van de prescan naar de FCC sturen, samen met de nodige documentatie, om deze te gebruiken als goedkeuringsdata. De kosten voor volledige FCC-goedkeuring kunnen tussen de $15.000 en $20.000 liggen, met mogelijke extra kosten afhankelijk van het aantal landen waarvoor je certificering nodig hebt en de complexiteit van het product.

Het is van groot belang om EMC-tests uit te voeren onder realistische omstandigheden die overeenkomen met hoe het product daadwerkelijk gebruikt zal worden. Gebruik de werkelijke behuizing en de echte kabels van je product. Zet je elektronica in de meest veeleisende bedrijfsmodus. Als je bijvoorbeeld een zender hebt met een instelbare vermogensoutput, test dan op de maximale instelling. Zet alles aan zodat het apparaat de maximale stroom gebruikt. De eenvoudigste manier om dit te doen is door een aparte versie van je firmware te schrijven die specifiek bedoeld is voor EMC-tests.

Bij het uitvoeren van immuniteitstests is het belangrijk om een manier te hebben om te bepalen of je apparaat het heeft overleefd. De firmware die je gebruikt voor EMC-tests kan ook code bevatten die de functionaliteit van elk onderdeel van je apparaat test. Dit kan bijvoorbeeld het weergeven van een testpatroon op schermen zijn, het laten knipperen van LED's, het lezen en schrijven naar geheugen of het controleren van sensoren.

Hoewel het lijkt alsof EMC-tests slechts een administratieve formaliteit zijn, kunnen ze ook van cruciaal belang zijn voor prototypes. Het is namelijk mogelijk dat je apparaat zichzelf verstoort. Een slecht ontworpen PCB met te hoge onbedoelde emissies kan bijvoorbeeld de werking van Wi-Fi, GPS of Bluetooth verstoren, wat kan leiden tot functionele problemen.

Lithiumbatterij-certificering is een ander belangrijk aspect bij productontwikkeling. Alle lithiumbatterijen of producten die lithiumbatterijen bevatten, moeten UN38.3-gecertificeerd zijn. De Verenigde Naties beschouwen lithiumbatterijen als "gevaarlijke goederen", en diverse internationale overeenkomsten vereisen dat je de tests volgens UN38.3 doorstaat. Deze tests omvatten thermische, trillings-, schok-, kortsluit-, impact-, overlaad- en ontlaadproeven, evenals een simulatie van hoogte. Een testbedrijf kan je helpen om deze certificering te verkrijgen, zodat je het product kunt verzenden.

Voor medische apparaten is het verkrijgen van goedkeuring een van de grootste regelgevende obstakels. Het proces is intensief en vereist gedetailleerde kennis van de medische regelgeving. Hoewel de details buiten de scope van dit boek vallen, is het raadzaam om samen te werken met een specifieke consultant die je kan helpen om te navigeren door de vereiste stappen en om ervoor te zorgen dat je ontwerp voldoet aan de medische normen.

De functionaliteitstests van je PCB vormen de eerste verdedigingslinie tegen defecte producten die naar klanten worden gestuurd. Voordat de assemblage plaatsvindt, voeren fabrieken vaak een 100%-elektrische test uit met behulp van een apparaat zoals een vliegende probe. Dit apparaat verplaatst snel probes naar elke pad op je board en controleert de continuïteit om ervoor te zorgen dat er geen ongewenste kortsluitingen of open circuits zijn. Na de assemblage wordt de PCB meestal onderworpen aan een automatische optische inspectie om visuele defecten zoals mislijning van onderdelen of ontbrekende componenten te detecteren.

Tijdens dit proces stel je ook een stroomlimiet in op je voeding en zet je het apparaat aan. Hierdoor kun je de schade beperken als er iets misgaat, aangezien de voeding in de constant-stroommodus zal gaan en de spanning zal verlagen. Dit helpt om schade aan de componenten te voorkomen.