Introducció al Disseny Electrònic - OpenCourseWare · • Tecnologies: SSI, MSI, VLSI, ULSI, GLSI, MEMs, NEMs, c-MEMs • Tecnologia SMD de fabricació de components electrònics

Introducció al

Disseny Electrònic

Tema0

Introducció / Disseny de Circuits Electrònics 2/11

Generalitats del Disseny Electrònic (I)

• Reptes que ens hi trobem:

– No hi ha una ÚNICA solució pel mateix problema– Determinar quina INFORMACIÓ és important

• Aquest aspecte està molt relacionat, per exemple, amb l’elecció del sensor adequat

– Entendre el domini del senyal ANALÒGIC i DIGITAL (o el funcionament d’ambdós inclosos) i les seves conseqüències

• Coneixements fonamentals• Components disponibles• Aplicacions que podem realitzar• Equips per analitzar les seves característiques


Generalitats del Disseny Electrònic (II)

• Analògic (DC y AC)– Coneixements: Teoria de circuits,

electrònica analògica, electrònica de potència

– Temps continu (pla s)– Components: Tots tenen la mateixa

importància en el sistema– Sistemes tolerants a fallades– Ràpids (Acció immediata i continua

respecte al senyal d’error)– Algunes funcions bàsiques són més

fàcils de implementar: Suma, resta, etc)

– Aplicacions ‘Hardware’: Hi-Fi, Tv, Vídeo, RF i telecomunicacions

– Tractament del senyal limitat: Amplificació, Filtratge, Modulació, Rectificat

• Digital– Coneixements: Tractament digital

del senyal. Llenguatges de programació i comunicacions

– Temps discret x(t)-x(t-1) (pla z)

– Components: IC’s (Portes lògiques, Flip-Flop’s, Memòries, PLD’s, FPGA, PIC’s, uP, etc)

– Ràpids (Respecte al cicle de rellotge)– Es pot realitzar qualsevol funció per

molt complexa que sigui– Aplicacions ‘Software’– Tractament del senyal divers amb la

programació adequada: Anàlisi de sistemes, FFT, BW o qualsevol altre algoritme

dtdx

• La majoria d’aplicacions contemplen solucions híbrides


Generalitats del Disseny Electrònic (III)

– Què hi ha en el mercat elèctric-electrònic? • Sensors i transductors• Components passius (R, L i C’s) Omnipresents en pràcticament tots els circuits

electrònics quan és necessari canviar les característiques físiques dels senyals• Semiconductors (Diodes, transistors, TRIAC, IGBT, etc)• Circuits Integrats (IC’s). Funcionalitat flexible i fàcilment configurable per l’usuariCatàlegs i datasheets: www.alldatasheet.com

– Circuits integrats.- Dominen el panorama electrònic tant pel que respecta a les aplicacions analògiques com les digitals. A més estan en constant evolució gràcies a les millores en les tècniques utilitzades en la MINIATURITZACIÓ de dispositius

• Lley de Moore: ‘Cada any es dobla el nombre de transistors que poden integrar-se en un xip’

• Tecnologies: SSI, MSI, VLSI, ULSI, GLSI, MEMs, NEMs, c-MEMs• Tecnologia SMD de fabricació de components electrònics• Desenvolupament d’aplicacions cada vegada més intel·ligents


Implementació de Circuits Electrònics

– Com implementar circuits electrònics? • Coneixement dels components electrònics• Tècniques d’anàlisi: Analògic i Digital. Comprensió del funcionament• Sistema de blocs. Identificació de cadascuna de les parts que formen el

circuit electrònic– Fases del disseny electrònic Sempre tenim l’opció de veure

com ho han fet altres:- Application Notes


Software de Disseny Electrònic• Software Disseny Electrònic

– Disseny Elèctric• Orcad• AutoCad• Tango• CircuitMaker

– Disseny sistemàtic• Matlab• Boole Deusto

– Disseny PCB• Protel• Ultiboard (Multisim)• Caddy

• PSpice• Electronic Workbench (Multisim)

– Simulació

Analògica

Digital

• MAX Plus II (Altera)• Lattice• Xilinx


Generalitats de les magnituds elèctriques

– V Tensió elèctrica (V)– I Corrent elèctric (A)– P Potència elèctrica (W)

– R Resistència elèctrica (Ω)– L Inductància (H)– C Capacitat (F)

• En relació al component

• En relació a variables elèctriques•(AC i DC)


• DC (Direct Current)

• AC (Alternating Current)


Senyals AC

• Paràmetres del senyal AC

• Formes d’ona

2PV

– f Freqüència (Hz)– p Període (s)– vP Tensió de pic– vPP Tensió pic a pic=– vrms Tensió eficaç =

Sinusoidal Cuadrada Amortiguada Graó

Dent de serra Pols Ona triangular Ona complexa

– Duty Cicle (amplada pols)

– tr, tf, ξ, etc…

pTH

PV·2


Principals elements que formen els circuits electrònics

• PassiusPurs:

• SemiconductorsDiscrets

Integrats: Amb elements passius i semiconductors

Resistències i potenciómetres

Amb memòria

Condensadors

Materials magnètics

Bobines Transformadors

Diodes Transistors

Elements mecànics

Interruptors, polsadors, relés,Indicadors, etc

Circuit Imprès


Funcionalitat i Disseny Electrònic

• En el circuit electrònic és més important l’abstracció a diferents nivells i el coneixement del funcionament a nivell de bloc que no pas saber com es comporten els elements que el formen, amb excepció dels dispositius programables

Circuit intern

do VAV ·A

plicació

321 VVVVo

Components Electrònics passius

Tema1

Components Passius / Components Electrònics2/32

Components Electrònics passiusResistències

• Resistències de valor fixe• Fil o Bobinades (Precisió Moderada i dissipació de potència elevada)

• Químiques (Valors elevats, alta precisió baixa dissipació de potència)

– Característiques principals• Rn.- Resistència nominal• Pn.- Potència nominal• CT.- Coeficient de temperatura

– Ω/ºC, %/ºC, ppm/ºC

• TMax.- Temperatura màxima de funcionament

Rang de Potència: 1/16W fins a 2WValors normalitzats

Potèncxia elevada. Valors NO normalitzats (Catàleg)



• Identificació de resistències fixes (I):•

– Codi de colors DIN IEC 62/10.89

Color 1 2 3 (Precisió) Mult. Tol.

Plata - - - x 0.01 ±10%

Oro - - - x 0.1 ±5%

Negre 0 0 0 1

Marró 1 1 1 x 10 ±1%

Vermell 2 2 2 x 102 ±2%

Ataronjat 3 3 3 x 103

Groc 4 4 4 x 104

Verd 5 5 5 x 105 ±0,5%

Blau 6 6 6 x 106

Morat 7 7 7 -

Gris 8 8 8 -

Blanc 9 9 9 -

(Cap) - - - - ±20%

Sèrie E192 E96 E48 E24 E12 E6

Tolerància ±0,5% ±1% ±2% ±5% ±10% ±20%

– Sèrie E: DIN IEC 63/12.85

• Aquests marcatge també l’utilitzen alguns condensadors de plàstic



• Valors normalitzatsUnitat del valor

Normalitzat Sèrie E192 Sèrie E96 Sèrie E48 Sèrie E24 Sèrie E12 Sèrie E6

1

1.00, 1.01, 1.02, 1.04, 1.05, 1.06, 1.07, 1.09, 1.10,1.11, 1.13, 1.14, 1.15, 1.17, 1.18, 1.20, 1.21, 1.23, 1.24, 1.26, 1.27, 1.29, 1.30, 1.32, 1.33, 1.35, 1.37, 1.38, 1.40, 1.42, 1.43, 1.45, 1.47, 1.49, 1.50, 1.52, 1.54, 1.56, 1.58, 1.60, 1.62, 1.64, 1.65, 1.67, 1.69, 1.72, 1.74, 1.76, 1.78, 1.80, 1.82, 1.84, 1.87, 1.89,

1.91, 1.93, 1.96, 1.98

1,00, 1.02, 1.05, 1.07, 1.10, 1.13, 1.15, 1.18, 1.21, 1.27,1.30, 1.33, 1.37, 1.40, 1.43,1.47, 1.50, 1.54, 1.58, 1.62, 1.65, 1.69, 1.74, 1.78, 1.82,

1.87, 1.91, 1.96

1,00, 1.05, 1.10, 1.15,1.21, 1.27, 1.33, 1.37,1.40, 1.47, 1.54, 1.62, 1.69, 1.78,1.87, 1.96

1,0, 1.1, 1.2,1.3, 1.5, 1.6,

1.8

1,0, 1.2, 1.5, 1.8 1.0, 1.5

22.00, 2.03, 2.05, 2.10, 2.13, 2.15, 2.18, 2.21, 2.23, 2.26,2.29, 2.32, 2.34, 2.37, 2.40, 2.43, 2.46, 2.49, 2.52, 2.55, 2.58, 2.61, 2.64, 2.67, 2.71, 2.74, 2.77, 2.80, 2.84, 2.87,

2.91, 2.94, 2.98

2.00, 2.05, 2.10, 2.15, 2.21, 2.26,2.32, 2.37, 2.43, 2.49, 2.55, 2.61,

2.67, 2.74, 2.87, 2.94

2.05, 2.15,2.26, 2.37, 2.49, 2.61, 2.74, 2.87

2.0, 2.2, 2.4,2.7 2.2, 2.7 2.2

3

3.01, 3.05, 3.09, 3.12, 3.16, 3.20, 3.24, 3.28, 3.32, 3.36 3.40,3.44, 3.48, 3.52, 3.57, 3.61, 3.65, 3.70, 3.74, 3.79, 3,83,

3.88, 3.92, 3.973.01, 3.09, 3.16, 3.24, 3.32, 3.40,3.48, 3.57, 3.65, 3.74, 3.83, 3.92

3.01, 3.16, 3.32, 3.48, 3.65, 3.83

3.0, 3.3, 3.6,3.9 3.3, 3.9 3.3

4 4.02, 4.07, 4.12, 4.17, 4.22, 4.27, 4.32, 4.37, 4.42, 4.48,4.53, 4.59, 4.64, 4.70, 4.75, 4.81, 4.87, 4.93, 4.99

4.02, 4.12, 4.22, 4.32, 4.42, 4.53, 4.64, 4.75, 4.87, 4.99

4.02, 4.22, 4.42, 4.64, 4.87 4.3, 4.7 4.7 4.7

5 5.05, 5.11, 5.17, 5.23, 5.30, 5.36, 5.42, 5.49, 5.56, 5.62, 5.69, 5.76, 5.83, 5.90, 5.97

5.11, 5.23, 5.36, 5.49, 5.62, 5.76, 5.90

5.11, 5.36,5.62, 5.90 5.1, 5.6 5.6 -

6 6.04, 6.12, 6.19, 6.26, 6.34, 6.42, 6.49, 6.57, 6.65, 6.73, 6.81, 6.90, 6.98

6.04, 6.19, 6.34, 6.49, 6.65, 6.81, 6.98 6.19, 6.49, 6.81 6.2, 6.8 6.8 6.8

7 7.06, 7.15, 7.23, 7.32, 7.41, 7.50, 7.59, 7.68, 7.77, 7.87, 7.96 7.15, 7.32, 7.50, 7.68, 7.87 7.15, 7.50, 7.87 7.5 - -

8 8.06, 8.16, 8.25, 8.35, 8.45, 8.56, 8.66, 8.76, 8.87, 8.98 8.06, 8.25, 8.45, 8.66, 8.87 8.25, 8.66 8.2 8.2 -

9 9.09, 9.20, 9.31, 9.42, 9.53, 9.65, 9.76, 9.98 9.09, 9.31, 9.53, 9.76 9.09, 9.53 9.1 - -



• Identificació de resistències fixes (II):

– Codi de marques:• Valor: Dos o tres xifres

combinades amb una lletra per indicar el factor de multiplicació (Ex: 3R3 M.- 3.3Ω ±20%)

Lletra p n μ m

Mult. x10-12 x10-9 x10-6 x10-3

Lletra R,F K M G

Mult. x1 x103 x106 x109

Toleràncies simètriques

Tolerància % Lletra codi Tolerància % Lletra codi

±0.1 B ±2.5 H

±0.3 +30/-10 C ±5 J

±0.5 D ±10 K

±1 F ±20 M

±2 G ±30 N

Toleràncies asimètriques

Tolerància % Lletra codi Tolerància % Lletra codi

+30/-10 Q +100/-10 V

+30/-20 R +20/0 W

+50/-20 S +50/0 Y

+50/-10 T +80/-20 Z

+80/0 U +100/-20 -


Components Electrònics passiusPotenciómetres

• Resistències de valor variable (I):• Potenciòmetres.• Trimmers.- Ajustables una sola vegada

(Per personal especialitzat)

• Reostats.- De potència

• Identificació de resistències variables :

– Codi de marques: • Acostumen a portar una referència que

indica el tipus de linealitat que segueix la variació

Referència Forma de la corba

1 Lineal (lin)

11 Lineal amb un punt

12 Lineal amb dos punts

13 Lineal amb tres punts

2 Exponencial creixent (+e)

3 Exponencial decreixent (-e)

4 Exponencial amb creixement acusat (+log)

41 Exponencial creixent acusada amb un punt

5 Exponencial decreixent acusat (-log)

51 Exponencial decreixent acusat amb un punt

6 Corba en S

61 Corba en S amb un punt

7 Corba creixent amb dos trams lineals

8 Corba decreixent amb dos trams lineals

91 Corba creixent amb dos trams parcials logarítmics i un punt

92 Corba creixent amb dos trams parcials logarítmics i dos punts

93 Corba creixent amb dos trams parcials logarítmics i tres punts

Encapsulats: DIN 45 922 T1./01.84Linialitat: DIN 41 450 T.1/11.87


Components Electrònics passiusElements resistius especials (Sensors resistius)

• Resistències de valor variable (II):– Dispositius especials

• Per mesura de temperatura– Termistors NTC (DIN 4407/12.76)– PTC’s (Coeficient de temperatura positiu)

(DIN 44080/10.83)• Variables amb la tensió

– Varistors (Per protecció)

• Fotoresistències (sensibles a la intensitat lumínica)

– LDR • Per mesura de deformació

– Galgues extensiomètriques (També per mesura de força)


Components Electrònics passiusCondensadors

• Principalment format per dues plaques i un dielèctric, són dispositius que emmagatzemen energia en forma de TENSIÓ– Tipus de condensadors:

• Paper• Polièster• Ceràmics• Mica• Electrolítics• Vidre• Variables

Material ε Material ε

Buit 1.0 Cristall comú 4.2

Aire 1.00059 Mica 4.5

Paper 2.7-3.5 Ceràmic 5.5

Resina 2.5 Vidre fi 7.0

Cauxo 2.8 Vidre ordinari 7.0-9.9

dSC··4

··11.1

2· 2VCW

• Designació de condensadors

Lletra Dielèctric Lletra Dielèctric

C Policarbonat T Politereftarat

P Polipropilé U Acetat de cel·lulosa

S Poliestiré

Normativa:Valor nominal i dentificació:

DIN 41 311/03.71DIN 41 312/06.67DIN 41 379/08.68

Identificació de connexions:DIN 41313/08.76DIN 48505/07.61(Tipus KS) 48505

Magnituds característiques i propietats

(Tipus MP) DIN 41180/02.64(Electrollitics)

DIN 41 240/06.74DIN 41 332/04.71


• Encapsulats


Paper metalitzat

(MP)

Plàstic metalitzat

(MKC) (MKP)

Baixes pèrdues

Ceràmics

(NDK) (HDK)

(KS) (KP) (Mica)(MKP)

Electrolítics

(Alumini) (Tàntal)



Tipus

Paper

Poliester Mica Ceràmic

Electrolítics

Normal Metal·litzat (MP) Alumini Tàntal

Valors - - 1-820nF 2.2pF-47nF 0.5pF-47nF10pF-1μF (multicapa) 1μF- en endavant 4.7uF-100uF

Tensions nominals (V)

DIN 41 311/03.71

40, 63, 100,160, 250,400, 630,1000

63, 100, 160, 250, 400, 630, 1000 250, 1000 40, 63, 100, 160, 250,630, 1000

10, 25, 100, 250, 1000 isuperior 10, 16, 20, 25, 35, 50

TolerànciesDIN 41 312/06.67

(Veure taula 1.4.7)J, K, M K, M C, D, F, G, H, J,

K, M(ab 10pF) B, D, F,G, J, K, M (ab 10pF) F, G, J, H, M W, C, R, Y, T, S, U, V,

- J, K,M, T, S

Formes de construcció

DIN 41313/08.76

Cos cilíndric o en forma de políedre i terminals en fil osoldadura axial o unilateral

Existeixen totesles formes deconstrucció

Tubulars o de disc ambconexions radials oaxials

Cos cilíndric ambconexions per un solcostat o axials.Terminals de soldadurao cargols

Revestiment de plàsticamb connexions per uncostat (gota)

IdentificacióDIN 41313/08.76

Recobriment exterior en traç perifèric. Els de papernormal porten un anell per indicar la tensió nominal

Recobrimentexterior

Recobriment indicat persigne de color

Pol positiu +.Polnegatiu: - o traç =Us industrial: ambcargol

Pol positiu: +Pol negatiu: Traç enperiímetre

• Característiques: Valors nominals, toleràncies i formes de construcció



• Característiques: Aplicacions (I)

Tipus de condensador Norma DIN...

Gamma de temperatures en

ºC

Factor de pèrdues (tan δ)

en 10-3Aplicacions preferents

Condensadors de paper

Condensador de paper 41140...146, 41151...153,411561, 41159, 41161,41168, 41169,, 41177

-55 ... +125 A 50Hz: 2... 2.7 Condensadors d’allisat i d’altes tensions; suport a transitoris de 50Hzfins a 10KHz. Bateries de qualsevol tensió i volum

Condensadors de corrent continu de paper metal·litzat

MP 41180, 41187, 41189,41191, 4192, 41190...195 -55 ... +85 A 50Hz: 7... 8

A 1KHz: 12Telecomunicacions: Condensadors d’acoblament, supressió de senyal,d’altes tensions; suport a transitoris.

Condensadors de plàstic metal·litzat

MKU 41973 -55... +70/+85 A 1KHz: 12...15

Idonis per tensió contínua però també per tensions alternes de petitamagnitud; tècniques de miniatura; alta temperatura; allisat; acoblament;etapes de desviació de televisors, allà on es necessitin condensadors debaixes pèrdues.

MKT 44110... 113, 44121, 44122 -55/-40... +100 A 1KHz: 5...7

MKC 44115, 44116, 41379 -55/-40... +85/+100 A 1KHz: 1...3

MKP 41973 -40... +85 A 1KHz: 0.25

MKS41973



• Característiques: Aplicacions (II)



ºC



Condensadors de pèrdues molt baixes

KS 41379...381, 385, 387, 388, 390 -55/-10...+70 A 1MHz: 0.4...1

Condensadors en circuits oscil·ladors on es necessita precisió en lafreqüència; filtres, acoblament i desacoblament amb aïllant elevat,tècniques de miniatura, alta temperatura (condensadors de mica ividre); condensador de bloc; condensadors de mesura. Els de vidre sónmolt constant i resistents a les radiacions

MKS-55... +70 A 1KHz: 0.5...1

KP-55/-25...+70 A 1MHz: 0.3...1

Condensadors de mica41120, 41121 -40...+85

A 50Hz: 0.015, a 1Khz: 0.0025, a 1MHz:

0.0003

MKV-55...+85 A 1KHz: aprox. 1

Condensadors de vidre-55...+125 A 1MHz: <0.5

Condensadors ceràmics

Condensador NDK (εr=13...470)

41353, 41920...924, 41928, 41930 -55/-25...+85/+125 A 1MHz: 0.4...1 En circuits oscil·lants de freqüència estabilitzada per a compensació de

la temperatura; filtres; alta tensió, impulsos, també usats en xips.

Condensador HDK (εr=700...50000) -55/+10...+70/+125 A 1KHz: 10...20 Acoblament, filtratge, condensadors d’alta tensió, impulsos, i xips.



• Característiques: Aplicacions (III)



ºC



Condensadors electrolítics

Alumini 41240...245, 256,,,259, 316...318, 330,332 -55/-25...+70/+125 50Hz:80...300(fins a

1000μF) Filtratge, acoblament, allisat, motors, i acumuladors d’energia

Tàntal 41350...352, 355...357 -55...+85(+125) 120Hz: ≤40...350 Telecomunicacions, tècniques de medició i regulació. Allissat i acoblament en circuits híbrids (digital i analògic)



• Dispositius especials

- Us industrial

Electrolítics:(Proposit general) o (PCB)

Electrolítics:(Càpsula de policarbonat)

- Arrancada de motors - Capacitat variable

(Ceràmic) (Poliproplié)

- Alta capacitat (1F)

- Per alta potència

(Reactàncies) (per IGBT)

- Reforç en l’aïllament

- Filtre en π



• Identificació de condensadors– Codi de colors

– Codi de marques (Igual que en resistències)

– Codi 101.- Alguns fabricants l’utilitzen en els condensadors ceràmics i de paper

• Tres xifres. La última expressa el nombre de ceros que s’han de col·locar a la dreta per expressar el valor en pF

• Els de plàstics acostumen a intercalar una E abans de la tercera xifra.

Color Banda 1

Banda 2 Mult.

Tolerància Tensió nominal

(V)C>10pF

C<10pF

Negre - 0 1 ± 20% ±1pF

Marró 1 1 x 10 ±1% ±0.1pF 100

Vermell 2 2 x 102 ±5% ±0.25p

F 250

Ataronjat 3 3 x 103 -

Groc 4 4 x 104 - 400

Verd 5 5 x 105 ±2% ±0.5pF

Blau 6 6 x 106 - 630

Morat 7 7 - -

Gris 8 8 - -

Blanc 9 9 - ±10% ±1pF 1000


Components Electrònics passiusBobines i Materials magnètics (I)

• Principalment format per un fil conductor enrotllat al voltant d’un material magnètic. Són dispositius que emmagatzemen energia en forma de CORRENT– Tipus de nuclis:

• Toroidals• Tubular/Cilíndric• Balums o amb múltiples

forats• Formes en U, E, EI,EE i CC• RM i EPC

INL ·

2· 2ILW

El diàmetre del fil conductores selecciona en funció delcorrent que hi circuli

– Material magnètics més utilitzats1) Ferrita d’acer (30-40)

“Moltes pèrdues”2) Aliatges de Mn-Zn, Ni-Zn (50-70)

Baixes Pèrdues


Components Electrònics passiusBobines i Materials magnètics (II)

• Nuclis toroidals, tubulars, cilíndrics i Balums

Codi Material colors Permeabilitat (μi)

Densitat del fluxe B (Gauss)

Factor de pèrdues(tanδ/μi)·10-6

Coeficient de temperatura αT

(%/ºC)

Resistivitat (Ω·m)

Densitat de Pèrdues(mW/cm)

Rang de freqüències recomanat (MHz)

77 2000 4600 4.5 0.6 10 125 <3

75 5000 3900 15 0.9 3 10 140 <0.75

43 850 2750 120 1.0 10 - <10

48 2300 5000 4.5 1.2 2 10 115 <2.5

2400 - - - - - - -

Taronja 40 3000 150 1.3 - - <20

100 2150 80 0.05 - - <10

Verd 125 2350 32 0.15 - - <5-7

Negre 800 2500 35 0.1 10 - <.4


Components Electrònics passiusBobines i Materials magnètics (III)

2NLAL

• Nuclis en U, E, EI, EE, CC, RM i EPC

– Característiques importants

• Factor d’inductivitat (AL) per N=1

• Permeabilitat relativa (μe)• Factor de pèrdues (tanδ/μi)

Valor de Al Material Distacia delentreferro

Permeabilitat efectiva (μe)

Amb entreferro (Tolerància ±3%)

25 K1 3.1 12

40100 M33 2.0

0.619.247.9

250500 N48 0.2

0.07120240

Sense entreferro (Tolerància ±40%...±30%)

3900 N41 - -

12000 T38 - -

Norma: DIN 41 293/08.71


Components Electrònics passiusBobines i Materials magnètics. Aplicacions

Forma de construcció

Referència Material Forma real Característiques

principals Aplicació

Toroides Taronja, Verd i Negre

Q excel·lent i alta estabilitat ambla temperatura i resistivitat.Permeabilitat mitja

Filtres d’entrada de potència, Transformadorde polsos.Bobines d’alta freqüència i antenes iaplicacions en banda ample(Taronja)Antenes i induxtàncies de xoc i supressiód’EMI (Verd)També en inductors de freqüència mitja,filtres i transformadors de baixa potència(Negre)

Tubulars/CilíndricsVerd i NegreMaterial: K1,

K12, U17

Bon factor de qualitat iresistibitat eleveda.

Oscil·ladors, filtres d’entrada de potència itransformadors d’impulsos

Balums (Multiples forats )

Taronja, Blanc i Negre

Gran ample de banda (40MHz) iestabilitat. Evita els efectesd’auto-resonància

Gràcies a la seva estructura aquest tipus deferrita abarca quasi tots els camps d’aplicacióde les inductàncies i transformadors

U, E, EC,CC

NegreMaterial: K1,

M33, N48, N58, T38

Permeabilitat acceptable i bonaestabilitat a la temperaturaFàcil de muntar.

Amb entreferro:Oscil·ladors i filtresSense entreferro:Transformadors de baixa potència, filtres iinductors de freqüència mitjaImpedàncies (xarxa elèctrica, transformadorsde línia)

Forma de cassola RM i EP


Components Electrònics passiusBobines i Materials magnètics. Construcció (I)

• Especificacions:

• Expresions d’interés:

fNAkEB

C ···10· 8

- Inductància L- Corrent de pic IP- Corrent eficaç IRMS

- Freqüència f

ba BfkP ··

APt '833.0

Aquestes expressions serveixen per obtenir les pèrduesde potència P (W/cm3) i l’increment de temperatura res-pecte a la temperatura ambient, una vegada determinatel nombre de voltes N

- E.- Tensió eficaç (V)- k.- Constant (4.4 per ona sinusoidal i 4 per ona cuadrada)- AC.- Secció transversal efectiva del nucli (cm2)- a i b.- Constants en funció del material del nucli utilitzat

segons fabricant.- P’.- Potència dissipada (mW)- A.- Area total de la superfície exterior del nucli (cm2)

max

max

···

BJkIILAA

cu

rmsPCW

- AW.- Àrea de finestra.- kcu.- Coeficient del coure (0.6-0.8)- J.- Densitat de corrent

Amb aquesta expressió espot determinar la secció delnucli necessari (AC). Nomès resta conèixer Lmax i el npombred’espires N


Components Electrònics passiusBobines i Materials magnètics. Construcció (II)

• (Continuació)

JIA rms

cu

- La secció del fil conductor es pot determinar mit-jançant el corrent eficaç Irms i la densitat de corrent (J)que accepta el coure (450 A/cm2).

- El nombre màxim d’espires es pot deduir mitjançantles següents expressions:

rms

cuW I

JkAN · cAB·

INL ·

p

c

P IABN

INL ··· max

max

c

P

ABILN·

·

max

max

max

···

BJkIILAA

cu

rmsPCW

- Coneixent L podem utilitzar l’expressió anterior quedetermina les dimensions del nucli necessari (AW·AC)

- L’entreferro (gap) és una zona del circuit magnètic on hi ha aire.- Es realitza en els inductors per augmentar el corrent màxim de la bobina per mateixa densitat de fluxe (Evita saturació del nucli). L’incon-Venient és que L disminueix quan més gran és la distancia del gap

(g), però aquesta pèrdua es pot compensar incrementant N

Tota aquesta metodologia només es pot aplicar si tenim les eines pre-cisses per construir inductors.

Necessitem màquines específiques per construir-les


Components Electrònics passiusBobines comercials

• Toroidals

Normals Per potència

PCBMode diferencial/

Mode comú

• Bobines especials– Per radiofreqüència (RF)

cilíndriques

Tipus resistència

Radial

Supressió d’armónics Xocs

Inductància variable

• Altres


Els components passius en CC

• Resistències

aR R

VIa

Sèrie Paral·lel

nT RRRR ...21

1

1

1

n

a aT R

R

-Dues resistències:21

21·RR

RRRT -n resistències iguals:

nRRT -n resistències iguals: RnRT ·

Divisor de corrent Divisor de tensió

n

aRa

II1

n

aRa

VV1

VR

RV n

aa

aRa

1

a.- subíndex resistència:

nRRR III ...21 nRRR VVV ...

21


Els components passius en CC

• Condensadorsdtdiv L

L • Bobinesdt

dvi CC

– Enfront d’un corrent continu (CC) les variables elèctriques associades a elements reactiuscom condensadors i bobines tenen una component transitoria i un valor permanent

t

V

It

I

V

Sèrie

1

1

1

n

a aT C

C

Paral·lel

n

aaT CC

1

Regim permanent = CIRCUIT OBERT ts≈5·τ Regim permanent = CIRCUIT TANCAT ts≈5·τ

1

1

1

n

a aT L

L

n

aaLL

1

RC RL


Els components passius en CA

• Reactància i Fase:

– Reactància: Resistència que ofereix un element reactiu al pas del corrent altern. En el cas de condensadors (reactància capacitiva) i en el cas dels inductors (reactància inductiva)

– Desfasament: Retard existent entre dos senyals alterns que habitualment són sinusoidals )

sCCjCfjXC

1··

1···2·

1

LsLjLfjX L ······2· Condensador: Bobina:

0º de desfasament 180º de desfasament 90º de desfasament


Els components passius en CA • Resum comportament de components passius en CA

-RC.- Sèrie Paral·lel

-RL.- Sèrie Paral·lel


Els components passius en CA

– El comportament de les resistències enfront al corrent altern (CA) no presenta grans variacions respecta al corrent continu (CC). La llei d’Ohm es continua complint.

– Enfront d’un corrent altern, el comportament dels components reactius (bobines i condensadors) és més complex ja que els senyals poden variar en el temps, magnitud, freqüència i polaritat.

V

I

V

IV

I

V

I


Components Electrònics passiusTransformadors

• Principi de funcionament: Si tenim dos fils conductors enrotllats sobre el mateix debanat (primari), si per un d’ells circula un corrent altern (CA), aquest corrent es reflexa en l’altre debanat (secundari) degut a la inductància mútua

U1.- Tensió al primariU2.- Tensió secundariI1.- Corrent al primariI2.- Corrent al secundariN1.- Nombre d’espires al primariN2.- Nombre d’espires al secundariZ1.- Resistència aparent al primariZ2.- Resistència aparent al secundari

r.- relació de transformació

2

1

2

2

11

2

1

2

1 ;;

NNr

rZZr

IIr

UU

Norma: DIN E 5489/2.88


• Terminals (DOT Convention)



• Configuracions de debanats


n secundarisQuan volem diferents

Tomes de massa

Amb n tomesPer treballar amb diferents nivells de tensió

Transformadors variablesPer control de velocitat

AutotransformadorsPer elevar o reduir la tensió del secundari

Steup-Up (Boosting) Steup-down (Bucking)Transformador ferroresonantPer supressió d’armònics


• Aplicacions mes habituals i d’interès especials


Subministrament elèctric

Conversió d’impedànciesAlimentació d’equipament i equips d’audio

Instrumentació


• Transformadors comercials


Baixa freqüència

Àudio Transformadorsd’impulsos

Variables

Encapsulats

Transformadorsd’aïllament

Filtratge d’armónics

Disseny i Fabricació de Circuits Electrònics (DFCE)

Tema 2 (M1):El mercat dels components

electrònics

Universitat Politècnica de CatalunyaJosé Antonio Soria PérezDepartament d’Enginyeria Electrònica

2/33

Introducció. Components vs. Aplicacions

Interfaces/Drivers

Interfaces/Drivers

Transceivers Transceivers

Sensors/Transductors

Actuadors Actuadors

Acondi-cionament

Acondi-cionament

PerifèricsEspecífics

MónFísic

ControladorProgramable 1

ControladorProgramable 2

Canal


I/O*

COM

I/O A/D

I/O A/D

Bus (n)

I/O A/D

Bus (n)

I/OA/D

I/O*

COM

PerifèricsEspecífics


3/33

Classificació de components

General (Aplicació diversa) Components passius: Resistències, Condensadors, Inductors,

Transformadors. Components actius discrets: Diodes, Transistors Bipolars (BJT) i

d’efecte camp (FET) Digital: Lògica combinacional/seqüencial (Excepte memòries i

dispositius de processat)

Específics (Segons ambit d’aplicació) Sensors/transductors, actuadors, acondicionadors, controladors,

interfaces, perifèrics i ‘transceivers’.

Altres Accessoris mecànics: (Interruptors, connectors, fusibles, etc)


4/33

Diodes

Funció: Dispositiu discret que permet la circulació de corrent en un sol sentit (Interruptor semi-controlat)

Principi d’operació

Ambit d’aplicació: Divers: (A/D), petit senyal/potència Tipologia:

Rectificadors: De propòsit general, ràpids (Barrera Schottky) Ponts rectificadors: Monofàsic i trifàsic Zener: Conducció en inversa Específics: LED’s/Displays, Efecte Tunel, Varicap, Làser, Fotodiodes,

Limiting Current diodes (LCD) i altres tecnologies


5/33

Diode Schottky

Característiques:

Cristall P es substitueix per metall (Semiconductor Metall-N) Baixa tensió en directa (VF) Altes freqüències de commutació (trr petits.- 2-3THz) Capacitat en la unió baixa (CJ) Corrent de fuites (leakage) depèn de la temperatura

Aplicacions:

Fonts d’alimentació commutades (Només els d’alta potència) Supressors de tensió ‘Bootstrapping’ (Zo elevada) Protecció a la descàrrega de cèl·lules solars Transistors especials:MESFET, Schottky LSTTL i SDFL (GaAs Technology) Microprocessadors d’alta velocitat.

Més proper alDIODE IDEAL

en directa

- Evita saturació forta del transistor - No incrementa àrea de XIP


6/33

Característiques

Regió amb resistència negativa degut a efectes quàntics Ràpides transicions entre pic (VP) i vall (VV) Característiques elèctriques no depenen de la temperatura Corrent de fugues (leakage) elevades

Aplicacions

Amplificador en oscil·ladors d’alta freqüència Commutadors d’alta velocitat

Diode d’efecte Túnel

En desús

Característica V-I


7/33

Varicap

Característiques generals:

Diode amb capacitat controlable per tensió Característica decreixent amb la tensió inversa (VR)

Gran varietat d’aplicacions per RF En directa es comporta com un diode rectificador (Nomès en AC)

Aplicacions: Sintonitzadors de TV (VHF i UHF) Modulació de freqüència en transmissors de radio (AM i FM) Voltage Controler Oscilator (VCO)

Receptor AM

nVVCC

R ·10

0

-C0 (Capaxitat màxima inicial)- V0 (Tensió en directa del diode)-n (Constant que depén del dopat)

n=0.33 (variació lineal del dopat)n=0.5 (dopat abrupte)n=2 (dopat massiu)

Xarxa de sintonia


8/33

Característiques: Emet radiació laser al aplicaruna diferència de potencial

Petits, resposta ràpida, llarga duració(consum reduït)

Diodes Laser

Color i fasediferents

Fasesdiferents

Mateix color i fase

Aplicacions:

Indicadors, marcadors Lectors-gravadors de CD,

DVD, etc. Comunicació per Fibra òptica

Interconnexions òptiques dels CI dels ordinadors


9/33

Diodes LED (Light Emitting Diode)

Característiques generals:

Diodes que emet energia llumínica al pasde corrent elèctric

Visibilitat (Angle)

Aplicacions:

Indicadors i displays variats

Bargraph

Starbust

7 Segments

Dot Matrix

10

ColourWavelength

(nm)Colour Name VF(

V) Intensity Viewing angle LED Dye Material

IR 940 Infrared 1.5 16mW@50mA 15º

GaAlAs/GaAs.- Gallium Aluminium Arsenide / Gallium ArsenideIR 880 Infrared 1.7 18mW@50mA 15º

IR 850 Infrared 1.7 26mW@50mA 15º

660 Ultra Red 1.8 2000mcd@50mA 15º GaAlAs/GaAlAs.- Gallium Aluminium Arsenide / Gallium Aluminium Arsenide

635 High. Red 2.0 200mcd@20mA 15º GaAsP/GaP - Gallium Arsenic Phosphide / Gallium Phosphide

633 Super Red 2.2 3500mcd@20mA 15º

InGaAIP - Indium Gallium Aluminum Phosphide620 Super Orange 2.2 4500mcd@20mA 15º

612 Super Orange 2.2 6500mcd@20mA 15º

605 Orange 2.1 160mcd@20mA 15º GaAsP/GaP - Gallium Arsenic Phosphide / Gallium Phosphide

595 Super Yellow 2.2 5500mcd@20mA 15ºInGaAIP - Indium Gallium Aluminum Phosphide

592 Super Yellow 2.1 7000mcd@20mA 15º

585 Yellow 2.1 100mcd@20mA 15º GaAsP/GaP - Gallium Arsenic Phosphide / Gallium Phosphide

4500K Inc. White 3.6 2000mcd@20mA 20º

InGaN - Indium Gallium Nitride6500K Pale White 3.6 4000mcd@20mA 20º

8000K Cool White 3.6 6000mcd@20mA 20º

574 Lime Yellow 2.4 1000mcd@20mA 15ºInGaAIP - Indium Gallium Aluminum Phosphide

570 Lime Green 2.0 1000mcd@20mA 15º

565 High. Green 2.1 200mcd@20mA 15º GaP/GaP - Gallium Phosphide/Gallium Phosphide

560 Super Green 2.1 350mcd@20mA 15º InGaAIP - Indium Gallium Aluminum Phosphide

555 Pure Green 2.1 80mcd@20mA 15º GaP/GaP - Gallium Phosphide/Gallium Phosphide

525 Aqua Green 3.5 10000mcd@20mA 15º

InGaN - Indium Gallium Nitride505 Blue Green 3.5 2000mcd@20mA 45º

470 Super Blue 3.6 3000mcd@20mA 15º

430 Ultra Blue 3.8 100mcd@20mA 15º

SiC/GaN - Silicon Carbide / Gallium NitrideUV 405 Ultra violet 3.7 360mcd@20mA 12º

UV 395 Ultra violet 3.7 306mcd@20mA 12º

UV 370 Ultra violet 3.9 750μW@1150mA 10º GaN - Gallium Nitride


11/33

Fotodíodes

IeII ta

VV

s

1

Corrent (Iλ) / Il·luminància

Model del fotodíodeCapacitat en la unióvariable

Característiques generals: Sensible als fotons Ideal per intensitats de llum petites

Desde 1pW/cm2 fins 100mW/cm2 Considerades com a generadors de corrent Molt Bona linealitat respecte a la lluminositat Diversitat d’aplicacions Existeixen versions optocoblades (Led infraroig + fotodíode) que s’utilitzen per aïllament elèctric


12/33

Aplicacions:

Generadors de corrent: Cèl·lules fotovoltaiques Detectors òptics (llum, encoders,Presència d’objectes, etc): Reproductor CD Alineament: Guiatge de robots mòbils Comunicacions òptiques i microones(Fotodíodes PIN amb molt elevat BW ‘GHz’).

Fotodíodes


13/33

Exemples per a l’acondicionament

Fotodíodes

Configuracionsbàsiques

Correnttensió

Reducció BW del soroll(No afecta al senyal)

Gran Ample de Banda (BW)

Mode diferencial(Rebuig delacoblament

electrostàtic)

Amb control denivell de soroll

Alt CMRR


14/33

Característiques

Aplicacions Protecció sobre-corrents Millora característiques elèctriquesen etapes amplificadores Generador de senyals Sensors de temperatura

Limiting Current Diodes

Protecció sobrecorrent Làser

Per alta tensió:CLD sèrie

Més protecció ce corrent:CLD paral·lel

Millora del CMMR enAmplificadors diferencials

No és necessari apare-llament de β


15/33

Aplicacions (continuació):

Limiting Current Diodes

Reducció en la pèrdua de guanyen l’acoblament d’etapes amplificadores

Augment de guany enEC i SC

Per augmentar ZII reduir dissipació

en transistors

Generadors d’ona

Quadrat Triangular

Rampa ambgraons

Dents de serraVoltatge de referència de

molt baixa tensió


16/33

Altres tecnologies de diodes

Diodes supressors de tensió (TAZ.- Transient Absortion Zener)

Són diodes zéner que poden absorbir potències polsants de l’ordre de KW en intervals de l’ordre de pS.

Diodes Backward De germani. Presenten una zona de resistència negativa (al igual

que el diode túnel). Poden rectificar senyals dèbils d’alta freqüència. S’utilitzen en de-moduladors i mescladors en la gama de microones

Diodes Gunn i Read Utilitzen GaAs. No presenten cap unió PN (els Read sí). Tots dos

s’utilitzen en oscil·ladors de banda ample (ej.- emissors de ràdar)


17/33

Diodes. Característiques Per tipologia THRU-HOLE SMD

Tipus de diode IF(A) VRRM(V) VF(V) trr(nS) IF(A) VRRM(V) VF(V) trr(nS)

Rectificadors estàndard 1-6A 50-1000 0.9-1.5 - 1-3A 50-1000 1.2 -

Tensió inversa elevada 3mA-40 75-30000 1.2-3.5 - 0.25-20 85-1600 1-1.75 -

Fast recovery time 0.65-70 400-1400 1.3-2.5 30-500 0.65-3 40-1400 1.3 150-500

Ultra-fast recovery time 1-150 50-1200 0.85-2.1 15-120 0.6-45 50-1200 0.87-3.5 15-115

Shottky 1-400 30-150 0.34-1 6-25000 1-80 4-200 0.32-

1.1 -

Low Signal 10-400mA 8-350 0.35-1.35 - 70mA-

3 - - -

High Power catode diode 75-400 100-1200 0.9-1.8 --

High Power anode diode 2.5-400 200-1500 1.2-2.07 -

VZ(V) IZ(mA) PZ(W) VZ(V) IZ(mA) PZ(W)

Zener 2.7-200 0.5-380 0.3-20 2.4-75 0.2-115mA 0.2-1

Monofàsic (IF / VRRM) Trifàsic (IF / VRRM)

Ponts rectificadors 1A-100A 50-1000V 35A-160A 800-1600V


18/33

Transistors d’efecte camp FET

Funció: Dispositiu discret que s’utilitza per amplificar senyal(Analògic) o bé com interruptor controlat (Digital)

Ambit d’aplicació:

Divers: (A/D), petit senyal/potència i thru-hole/SMD Tipologia: Dos classificacions possibles

Segons tecnologia de transistor: JFET o MOS Segons aplicació: Petit senyal o de Potència

F.E.T

JFET MOS

Deplection Deplection Enhacement

Canal n i p Canal n i p Canal n i p

Tecnologia

MecanismeFuncionament

Control de ‘Gate’


19/33

Principi d’operació dels FET Circuit de control Característica d’entrada

Característica de sortida Carcaterística d’entrada segons constitució del MOS


20/33

FET. Resum de característiquesTHRU-HOLE SMD

MOS ID(A) rds(Ω) PD(W) Vds(V) ID(A) rds(Ω) PD(W) Vds(V)

Petit senyal 0.2-8 0.18-14 0.3-35 25-240 0.03-2 0.2-100 0.2-20 20-600

Potència (Baixa tensió) 0.5-180 0.01-180 15-300 60-2502-140 0.002-3 2-210 20-600

Potència (Alta tensió) 1.5-80 0.02-11 25-460 400-1000

JFET PD(W) VDG(V) VDSS(V) IDSS(mA) PD(W) VDG(V) VDSS(V) IDSS(mA)

Petit senyal. Canal n i p 0.3 25-40 25-40 4-35 0.3 25-40 25-40 4-35

Els MOS de potència s’utilitzen bastant en actuadors elèctrics i fonts conmutades, mentre que el JFET pràcticament està en desús.

El paràmetre rds dels dispositius SMD sols ser més petit que en TH i també quan més gran és PD.

N’hi han MOS que tenen estructures especials: encapsulat aïllat, dualso en pont H

Valors màxims


21/33

Transistors bipolars BJT Funció: Dispositiu discret que s’utilitza per amplificar senyal (Analògic) o bé

com interruptor controlat (Digital).

Ambit d’aplicació Divers: (A/D), petit senyal /potència (Àudio, video, actuadors) i thru-

hole/SMD Tipologia: Dos classificacions possibles

Segons implementació física: npn, pnp o darlington Segons aplicació: Petit senyal o de Potència

Principi de funcionament


22/33

BJT. Resum de característiques

THRU-HOLE SMD

NPN IC(A) hFE PD(W) fT(MHz) IC(A) hFE PD(W) fT(MHz)

Petit senyal 0.1-5 40-1200 0.3-3 50-350 0.025-5 50-1200 0.2-3 50-300

Potència (Baixa tensió) 0.3-100 10-250 2-300 3-250?

Potència (Alta tensió) 0.5-30 2-300 20-300 0.75-23

PNP IC(A) hFE PD(W) fT(MHz) IC(A) hFE PD(W) fT(MHz)

Petit senyal 0.1-4 60-800 0.3-1.5 50-350 0.1-5 25-800 0.2-3 50-250

Potència (Baixa VCE) 0.5-25 12-240 2-250 1-30 ?Darlington (NPN o PNP) IC(A) hFE (103) PD(W) VCE(V) IC(A) hFE PD(W) VCE(V)

Petit senyal 1-2 0.5-50 0.6-2 4-10 0.3-2 1-30 0.3-2 2-10

Potència 2-50 0-1-20 40-250 3-5 ? Els dispositius de petit senyal acostumen a tenir una hFE i hIE elevada que no pas els de potència. A

més també són més ràpids. Per solucionar els problemes de guany en BJTs de potència s’utilitza configuració Darlington La implementació pnp pràcticement no s’utilitza al no ser que sigui per aplicacions que requereixin

estructures molt específiques: dispositius especials connectats en paral·lel, etc.

Valors màxims


23/33

FET vs. BJT

Característica FET BJTMecanisme de control principal Per tensió Per corrent

Impedàncies La d’entrada és molt bona

La de sortida és bastant acceptable en aplicacions de potència

Resposta en frequència Molt bona DolentaVelocitat Bona RegularAmplificació de senyals Dolenta Molt bona

Estabilitat Molt bona Sensible a la temperatura

Aplicacions

Bastant amplia: Electrònica digital,

actuadors (drivers), fonts conmuitades

acoblament d’etapes

Equips de so (pre-amplificadors i etapes

de potència) i acondicionament de

sensors


24/33

Marcatge. Dispositius discrets genèrics

3 convencions standard utilitzades que només s’apliquen a la tecnologia THRU-HOLE

Europea. PRO-ELECTRON

Americana. JEDEC (Joint Electron Device Engineering Council)

Japonesa. JIS (Japanese Industrial Standard)

Organisme regulador: EIA (Electronic Industries Association)


25/33

PRO-ELECTRON

B D [] 202 [A]1 2 3

Material delsemiconductor

Aplicació Ús Industrial

Registre

Clase deguany

A = GeB = SiC = GaAsD = InAnR = Materials compostos

1.- Material 2.- Aplicació

A = Diode Propòsit generalB = Diode VaricapC = Transistor (BF)D = Transistor potència (BF)E = Diode TunelF = Transistor (AF)G = Diode oscil·ladorH = Sonda de camp HallK (M) = Dispositiu d’efecte HallL = Transistor potència (AF)

N = Fotodiode, optoacobladorP = Component fotoelèctricQ = Diode LEDR = TiristorS = Transistor de conmutacióT = Rectificador controlableU = Transistor conmutador potènciaH = Diode multiplicadorY = Diode de potènciaZ = Diode zéner


26/33

JEDEC

2 N 2221 [A]1 2 3

“Nombre de terminals o unions”

“Sempre és N”

Número de sèrie

Clase deguany

1N – Diodes i rectificadors 2N – Transistors i tiristors 3N – Transistors d’efecte camp (JFET,

MOSFET) 4N – Optoacopladors


27/33

JIS

2 SB 646 [A]1 2 3

“Nombre de terminals o unions”

Sempre SX (on X indica l’aplicació)

Número de sèrie

Clase deguany

SA: Transistor PNP AFSB: Transistor PNP BFSC: Transistor NPN AFSD: Transistor NPN BFSE: DiodesSF: TiristorsSG: Dispositius SH: UJT (Uni-Jntion Transistors)SJ: FET/MOSFET de canal P

Aplicacions

SK: FET/MOSFET de canal NSM: TriacSQ: Diode LEDSR: RectificadorsSS: Diodes de petit senyalST: Diodes d’efecte allauSV: VaricapsSZ: Diodes Zener


28/33

Marcatge de fabricants

A més dels sistemes standard, els fabricants sovint introdueixen marcatges propis per raons comercials

MJ. Motorola (Encapsulat de metall) MJE. Motorola (Encapsulat de plàstic) MPS. Motorola (Low power) MRF. Motorola (Transistor HF, VHF) RCA RCS TIP. Texas Instrument Power Transistor TIS. Texas Instrument Small Signal Transistor IRF. International Rectifier …


29/33

Lògica combinacional/seqüencial Funcionalitat: Depén de cada dispositiu segons indiqui el fabricant Ambit d’aplicació:

Divers: La majoria tenen molt a veure amb el control seqüencial de processos (Màquines d’estat) i l’enmagatzematge de dades (Memories)

Classificació: Segons tecnologia utilitzada i aplicació

Sèrie 7400.- Lògica de 5V Sèrie 4000 CMOS. Lògica de sortida variable segons alimentació Lògica programable Memòries de lògica programable

“Els controladors digitals (μC, DSP, FPGA,…) al tenir característiques ben diferenciades es consideren com un grup apart”


30/33

IC Identification Tecnologia TTL (Transistor Transistor Logic) Marcatge:

El Prefix identifica el fabricant del dispositiu

Referència . 74.- Família 7400 (el 54 és la xifra que s’utilitza per dispositius amb especificacions militars de rangs de temperatura). La resta de xifres varien segons la funció que implementi el dispositiu

1er. Sufix: Sub-familia/tecnologia de fabricació del dispositiu. Millores introduides durant el temps.

2on. Sufix: Informació adicional del fabricant (B.- Sortida ‘Buffer’) 2on. Codi. A.- Assembly Location, WL.- Nº de lot, Y.- Any, WW.- Setmana

de fabricació (Work Week)

(SN) 74(ALS)133-BCN

AWLYWWPrefix

Referència

1er. Sufix

2on. Sufix

2on. Codi


31/33

IC. Prefixs

Exemples de prefix*Prefix del IC Fabricant

ALDxxEPMxx, EPCxxADxx, OPxxOPAxx, INAxxELxxxuAxx, CDxx, DMxx, RCxx, KAxx, LMxx, MMxx, ()xxMBxxIDTxxCAxx, HAxx, HCxx, HFxxGALxx, PALxxLTxx, LMxx, LFxx, OPxxICLxx, MAXxx MICxxMCxx, SNxxCDxx, LMxx, LFxx, LHxx, CLCxxMCxxHEFxx, NExx, SAxx, Nxx, ()xxBAxxLMxx, MCxx, TSxxCDxx, TLxx, TLCxx, TLVxx, SNxx, ()xxTAxxXCxx

Advanced Linear DevicesAlteraAnalog DevicesBurr-BrownElantecFairchildFujitsuIDTIntersilLatice SemiconductorLinear TechnologyMaximMicrelMotorolaNational SemiconductorOn SemiconductorPhilips SemiconductorRohmST MicroelectronicsTexas InstrumentsToshibaXilinx

Hi ha diversos fabricants que utilitzen el mateix prefix .

Un fabricant té diverses games de productes

* Al Campus teniu un documentamb una llista més extensa


32/33

IC. Sufixs Significat del 1er i 2on sufix

Sufix SignificatBipolar

LHSLSASALSF

Low PowerHigh SpeedSchottkyLow Power SchottkyAdvanced SchottkyAdvanced Low Power SchottkyFast (Nés ràpid que el Schottky normal)*

Bi-CMOSBCTABT

BiCMOS (amb limits d’entrada compatibles amb TTL)Advanced BiCMOS (amb limits d’entrada compatibles amb TTL)

CMOS

CHCACAHCFCLCXLVQLVXVHC

C-MOS (amb tensió d’alimentació 4-15V. Similar a la sèrie 4000)High Speed CMOS (Comportament Similar a LS)Advanced CMOS (entre S i F)Advanced High Speed CMOS (tres vegades més ràpids que el HC)Fast CMOS (Similar al F)CMOS amb tensió 3V d’alimentació 3V (tolerant a entrades de 5V)Low Voltage 3.3VLow voltage 3.3V (amb entrades que poden treballar a 5V)Very High Speed CMOS (Comportament S en potència i tecnologia)

Les tecnologies L, H i S ja han quedat obsoletes i pràcticament no s’utilitza en la fabricació del dispositius integrats

* En μC’s el sufixe Fsignifica que la programació es realitza mitjançant tecnologia de memòria FLASH

El 2on sufixe és utilitzat de manera indiferent per cada fabricant


33/33

IC. Referències

Ref.* FuncióSèrie 74xx

7400740474207428747974817483…

Porta NAND quadruple de 2 entradesInversor sextuplePorta NAND doble de 4 entradesPorta NOR quadruple de dues entradesFlip-Flop tipus D dobleMemòria RAM de 16-bitsSumador binari de 4 bits

Sèrie 40xx

40014011402740304519475140174…

Porta NOR quadruple de 2 entradesPorta NAND quadruple de 2 entradesFlip-Flop J-K doble amb set i clearPorta EXOR quadruple de 2 entradesMultiplexor auadruple de 2 entradesDivisor binari universalFlip-Flop sextuple amb reset i activació per flanc positiu

* Al Campus teniu un documentamb una llista més extensa

Característiques elèctriques:

Tensió d’alimentació (3.3V) Temps de retard (tPLH en ns.

Depén de la tecnologia de construcció)

Disponibilitat en SMD


34/33

Activitat TEO1. IC Identification

Donades les següents referències que pertanyen a dispositius discrets i integrats, identifiqueu la màxima informació possible de cadascun d’ells: (Fabricant, funció, tecnologia, característiques elèctriques, etc…)

F245A C557B 2N2907A BUZ74 IRF820A 1N4148 2SK2843 2N7002 BZX8V2

74AC00B MC74AC02D SN74LS11N MM74HC175N HEF4094BT MC14029BCP CD4071BCN 74ABT244D HEF4521BT


35/33

Identificació de components SMD

Són components massa petits per inscriure codis estàndard

Codi bastant arbitrari (ID) amb 2 o 3 caràcters

Molt difícil d’identificar el fabricant

Hi ha diverses pàgines web que publiquen llistes amb codi de components SMD The SMD CodeBook

1BBC846B “BC546A”


Tema 3 (M1):Selecció de dispositius

electrònics programables


2/33

Introducció

Interfaces Interfaces

Transceivers Transceivers


Actuadors Actuadors

Acondi-cionament

Acondi-cionament

AltresPerifèrics

AltresPerifèrics

MónFísic

Controlador 1 Controlador 2

Canal


I/O*

COM

I/O A/D

Port

Bus (n)

Port

Bus (n)

I/OA/D

I/O*

COM


3/33

Dispositius programables

Dispositiu programable Flexibilitat de disseny En general, constitueixen el dispositiu electrònic més

demandat Diferents tipologies de sistemes segons les necessitats

Lógica combinacional/seqüencial .- obsolet

Programable Logic Computers (PLC).- Per control Industrial

Sistemes programables (Custom): Lógica programable: PALs, GALs, PLAs, PLDs, FPGAs

μP’s i μC’s

DSP’s i sistemes amb ‘core’ multiple


4/33

μC’s. Consideracions

De Mercat Cost, Fabricants i distribuidors

Característiques tècniques ‘Performance’: Velocitat, Memòria, Alimentació, etc. ‘Functionality’: Móduls i perifèrics incorpoprats

Eines de Programació Software: Desenvolupament, Compiladors, Depuradors,

RTOS, etc. Hardware: JTAG’s, Emuladors, sondes i plaques

d’avaluació


5/33

On aconseguir els controladors?

Els dispositius es poden aconseguir per tres vies principals:

Botigues especialitzades d’electrònica

Fabricant

Distribuidors a l’engròs


6/33

Botigues especialitzades

Les petites botigues nomès tenen ‘stock’ de dispositius senzills que tenen sortida al mercat

Rarament, es poden solicitar dispositius més avançats però han de ser sota un període d’entrega que incrementa el cost real del dispositiu


7/33

Fabricants

Aspecte positiu En alguns es poden aconseguir mostres gratuites (Order Samples)

Aspecte negatiu La majoria són en SMD Alguns dispositius estan sota unes estrictes mesures legals de

comerç (sobretot al tracta-se d’un fabricant estranger) que dificulten l’adquissició


8/33

Distribuidors a l’engròs

A Catalunya hi han diversos distribuidors amb el seu line-card: EBV Elektronik, Avnet, Arrow Iberia, RS Amidata, …

Consideracions: És pot contrastar el cost d’un

mateix dispositiu de varis distribuidors

Rarament comercialitzen poques unitats

“Pregunteu per les diferències que tenen el stock desquadrat”


9/33

Eines de programació

Components: Entorn de programació

d’aplicatius RTOS Compilador Eines de grabació/

depuració:

JTAG Entorn de depuració

Eines integrades o independents Software de pagament o lliure (GNU)


10/33

Característiques tècniques

Generals i específiques Arquitectura

Estructura del SFR Tipus de CPU Format d’instruccions

Capacitat del Bus intern 8-32 bits

Memòria de programa Ports I/O Velocitat

Freqüència màxima de treball

MemòriaRAM

HWMultiplier

Nº deTimers

Nº d’oscil·ladors

Interns

WDT

MemòriaE2P

Transmisors específicsUHF ASK/FSK

Nº CapturaNº CompNº PWM

Com An.+Vref

Port USB

ADC

Control LCD

Port SPI/I2C/TCP-

IP

Nº USARTs

CAN 2.0B

QEIDMA


11/33

Guia de selecció de μC’s

No hi ha regles específiques que es puguin aplicar per escollir el μC idoni per una aplicació concreta

Generalment, es consideren suficients els següents requisists per escollir un μC adeqüat Compatibilitat elèctrica en els terminals dels elements

(sensor-acondicionador, interface-actuador i transceiver) que es connectaran al dispositiu

Prestacions, recursos i nombre de perifèrics suficients per desenvolupar les funcions desitjades

Disposar del software/hardware de programaciónecessari (que pugui treballar amb diversos dispositius)


Tema 1 (M2):PCB’s. Introducció al

disseny electrònic


2/33

Què és una PCB?

PCB (Printed Circuit Board). Placa que realitza connexions elèctriques entre components (Resistències, IC i connectors)

Exemples:

Multímetre

Controls Remots

Tarjeta PCI del Monitor

Ordinador d’automóbil


3/33

Cos de la PCB

De capa/es (Layer/s) de coure aderida a un o dos costats d’una placa feta d’un material dielèctric aïllant formant un Core

Els dissenys multi-capa inclouen capes adhesives (Preg-Preg) entre el dielèctric i aderides a cada banda de cadascuna de les capes de coure(excepte la inferior i superior)

Important entendre la terminologia associada tant al material com el procès de disseny alhora d’especificar les diferents opcions de fabricació de PCBs

Layer (BOTTOM)

Layer (TOP) Core

Simple Doble cara

Preg-Preg

Dielèctric


4/33

Materials

‘Core/Core’.- Material rígid fet amb resina de fibra de vidre amb dues làmines de coure a cada banda (Top i Bottom) Grosor del coure mesurat en lliures (oz.- ‘ounces’) 1oz ≈ 0.4mm Els grosors més habituals són: ½, 1, 2, 3 oz

‘Preg-Preg’.- Similar al ‘Core’ però més tou per poder utilitzar-se en capes internes Multiplicitat 0.051 pel grosor

Làmina de coure (‘Cooper Foil’).- Làmina de coure dipositada sobre material adhesiu (‘preg-Preg’) Grossor: ½, 1, 2 oz


5/33

Materials (cont)

Revestiment (‘Cooper Plating’).- Làmina de coure adicional que proporciona més grosor de coure i protecció en les parets dels forats realitzats en la PCB

S’aplica després de grabar (‘etching’) i perforar (‘drilling’) la PCB

Base de soldadura (‘Solder Flow’).- Procès (SMOBC) que diposita material per a la soldadura en totes les zones crítqiues de la PCB

També protegeix el coure de l’oxidació

‘Plating’‘Cooper’

Preg-Preg

‘Cooper Plating’

‘Etched Cooper’

Preg-Preg

‘Solder Flow’‘Cooper Plating’

‘Etched Cooper’

Preg-Preg


6/33

‘Solder Mask’

Màscara de soldadura.- Material usat per cobrir la PCB amb les següents finalitats:

Protegir del entorn ambiental (oxdidació i l’envelliment) Proporcionar aïllament elèctric Protegir enfront els arcs de soldadura Protegir components electrònics muntats a la PCB Protegir la PCB del calor generat pels components

Màscara de soldadura

Traça FInal

Preg-Preg


7/33

‘Tracks’

Pistes.- Proporciona connexió elèctrica d’un component a un altre Relacionat amb el procès de (etching) que extreu el coure innecessari i deixa les

pistes i pads necessaris

Les característiques mecàniques importants són l’altura i el grossor del coure

Capa externa: 2.54mm/A (Habitualment: 5.3mm/A) Capa interna: 1.54mm/A

Els software de disseny de PCBs tenen utilitats per calcular el grossor segons el corrent i la temperatura ambiental

També existeixen taules (Consulteu el tutorial de PCBs del Campus per més informació)

‘Tracks’


8/33

Els ‘Pads’

Punts de connexió del component electrònic a la PCB Dos tipus: Thru-Hole i SMD Formes diverses: Rectangular, round, oblong Forats amb revestiment (PLTH.- ‘Plated Hole’ = Vies) o sense (NPLTH).

Encapsufat QFN en SMD

Paret del forat sense revistiment

Thru-Hole (NPLTH)

Corona

CapesIntermitges

Pad BOTTOM


9/33

Les Vies

‘Pads’ amb revestiment

Permet major disipació de calor en la soldadura (Pad Petit) Connexió Top-Bottom sense necessitat d’inserir component (No és necessari

soldar en les dues capes) Imprescindible per connectar capes intermitges (‘inner’) en circuits ‘multi-

capa’

Màscara de soldaduraMàterial de soldaduraRevestiment de coure

Terminal

Làmina de coure

Espaiat adeqüatMaterial deSoldadura

Paret del foratamb revestiment

Track

Preg-Preg


10/33

Fases de la fabricació

Cicle de l’enginyeria directa i l’enginyeria concurrent

Set-Up.- Decissions de disseny (Aspecte, components usats, grandaria, etc)

Design.- Creació del/s circuit/s electrònic/s

Realització d’esquema/es: Símbols, i connexions (Capture) Realització de PCB/s: Situació de components (Placement) i connexió de

pistes (Routing) seguint regles i estàndars de disseny (fitxers Gerber)

PCB Manufacturing.- Selecció de materials, fabricació i ensamblatge

Set-Up

ApplicationSpecifications

DesignConstraints

DesignSchematic

Design

PCB Design

Netlist

PCB Manufacturing

Gerber Files

CAD

Prototypeor

Product

CAM


11/33

Esquema elèctric. Exemple

L’esquema serveix per representar elèctricament la PCB

Multímetre


12/33

‘Manufacturing’

Les especificacions de fabricació es realitzen mitjançant documents gràfics i fitxers (Gerber)

Processat de la PCB Capes Gerber


13/33

Components Definició – Desde el punt de vista de ‘software’, un component és qualsevol objecte

esquemàtic que es pugui connectar elèctricament i que requereixi una col·locació determinada dintre del disseny (sigui electrònic o mecànic)

Esquemàtics

Els formats més utilitzats són el block i la porta (gate). En aquest últim és necessari especificar la part del dispositiu per evitar errors i possibles confusions

Alguns terminals no s’acustuman a incloure en els símbols(com p.e: operacionals i portes lógiques). Però per fer la PCB són necessari definir-los

PCB

Alguns components són massa genèrics i nombrosos com per tenir associat un footprint. Això vol dir que sovint ens l’haurem de crear nosaltres mateixos mitjançant les característiques mecàniques del datasheet

Encara que la majoria de footprints tenen una relació directa amb el seu encapsulat, no sempre són idéntics. Existeixen moltes llibreries amb milers de footprints i centanars d’encapsulats


14/33

Consideracions d’esquemàtics

Quan més complexe sigui la PCB, més importància agafarà l’esquema elèctric i les eines informàtiques hi jugaran un paper més predominant en aquest aspecte.

En cas contrari es pot prescindir de l’esquema elèctric i passar directament al disseny del Lay-out

Els paràmetres dels esquemes elèctrics venen determinats per el servei que puguin donar a les PCB i a la seva sustitució d’elements

El tècnic depen de l’esquema elèctric i de les etiquetes del ‘board’ per determinar problemes de funcionament (‘troubleshooting’)

S’han de conèixer que signifiquen cadascun dels conceptes dins d’un esquema elèctric


15/33

Terminologia

Alguns termes de fabricació de PCBs són equivalents a la terminologia software (P.e: Pads, Vies, Tracks), altres tenen relació amb el funcionament de l’eina informàtica.

Footprint – Representació en el PCB del contorn, els pads i els forats de muntatge d’un component

Símbols – Representació esquemàtica del component que mostra els terminals més rellevants (entrades i sortides)

Transistor – TO92 Diode – DO-35 Circuit IntegratDIP-08

Connector Sèrie RS-232DB-9


16/33

Terminologia (cont.)

Block – Símbol que representa l’encapsulat sencer del component

Gate (Porta) – Símbol que representa una part del component

Pin – Representació simbólica del terminal del component

‘Wire’ - Línies que serveixen per connectar terminals

Bus – Línia (més gruixuda) utilitzada per representar un conjunt de connexions que tenen funcionalitat anàloga

‘Page connectors’ – Per referenciar una connexióque va d’una pàgina a una altra

‘Line’ – Línies per representar ítems externs al esquema elèctric


17/33

Terminologia (cont. II)

Net – Grup de punts connectats elèctricament

Class – Grup de ‘nets’ al que se’ls hi atribueix una semblança de caràcter elèctric

Attribute – Qualsevol informació que pertany a undeterminat element en el disseny (P.e: Referències,valor de components, Tipus de pins, etc)

Grouping Blocks Part d’un circuit queimplementa una fun-ció predefinida


18/33

Llibreries

Són bases de dades amb arxius (símbols, footprints, tecnologia de PCB’s) que es poden utilitzar pel disseny electrònic

Principal eina de suport en el disseny CAD

Les principals companyies tenen personal exclusivament dedicat a la realització de llibreries amb l’objectiu de crear fitxers, tot complint uns criteris estandar en l’etiquetatge(nom i tipus de terminals que utilitza) i la forma física(templates del encapsulat)

Items que es controlen: símbol, dimensions, texte, grid i separació entre pins entre d’altres.


19/33

Encapsulats

Els components passius són massa genèrics per seguir un etiquetatge estàndar

Els discrets acostumen a portar un índex que, de vegades, identifica el tipus de dispositiu, i els SMD utilitzen una ‘s’ (‘small’)

Els integrats, al tenir formes diverses, tenen etiquetatges variats.

Afortunadament, els acrònims fan referència a les característiques físiques: forma, distribució de terminals i material del que estan fets

P.e: LQFP Leaded Quad Flatpack Package

‘Al campus hi ha una llista i una explicació més detallada’

Thru-Hole:

DOxx Diode Outline TOxx Transistor Outline

SMD:

SODxx Small Outline Diode SOTxx Small Outline Transistor


20/33

Datasheets

S’han de distingir 4 grups principals de característiques Generals (Absolute ratings): Resumeixen els aspectes més destacats i

generals segons la naturalesa del dispositiu

Ex: Tensió d’alimentació, consum, freqüència de treball, ámbit d’aplicació, …

Electrical Characteristics: Valors màxims i mínims de tensió i/o corrent segons els terminals del dispositiu. Important per determinar la compatibilitat de connexió elèctrica entre dispositius

Ex: Els límits màxims dels nivells lógics digitals: VLO, VHO, VLI, VHI

De Funcionament: Específiques segons la finalitatdel dispositiu

Diagrames de temps dels senyals digitals d’un dispositiu seqüencial (seqüència de grabació de dades), Instruccions (μC’s)

Característiques mecàniques:

Ex: Les mides pel muntatge, encapsulat, temperatura de treball, etc


21/33

Exemple

El IRF 150 Transistor MOSFET de potènciaGenerals

Elèctriques

Específiques

Mecàniques


22/33

Buscant informació dels components

Gràcies a Internet avuí dia és possible consultar on-line i descarregar els datasheets de multitud de dispositius discrets i integrats.

A més de les pàgines dels fabricants i distribuidors, n’hi ha d’altres amb bases de dades molt extenses:

http://www.alldatahseet.com

http://www.datasheetcatalog.com

http://datasheetcatalog.biz …

En aquest link podreu trobar altres llocs web interesants amb informació molt variada sobre l’electrònica en general: Components, coneixements, circuits, etc; que pot ser útil per la realització del vostre projecte

http://www.educypedia.be/electronics/electronicaopening.htm

EMC en el PCB

Tema2

Tracat de pistes /Disseny Electrònic 2/19

Tracking

– Disseny condicionat segons les característiques dels senyals: Alimentació o senyal, analògic o digital, potència o petit senyal, referides a masa o diferencial

– El gruix determinat per la magnitud del corrent elèctric de pista:

– Bucles presents en la majoria de connexions que poden donar lloc a la captació-creació de camps magnètics

• Aspectes generals


a) Traçat paral·lel a) Doble cara

• Alimentació i massa

– Especial atenció en el gruix per evitar fluctuacions en el nivell d’alimentació, i en el traçat per evitar bucles que puguin donar lloc a camps magnètics

Tracking

Gruix Traçat

Alternatives al traçat


• Bypassing.- Per proporcionar pics de demanda puntuals

– Hem de vigilar amb el seu Rs i Ls

Normalment s’agafen ceràmics (Inductància ↓↓) de 100nF i es col·loquen pròxim a les alimentacions

a) Col·locació Incorrecta b) SMD c) Condensador plà

VTNIC

··

I = Corrent necessari per commutar una sortida a nivell alt (A)N = Nombre de sortides que commutaranΔT = Temps de C per carregar la líneaΔV = Caiguda de Vcc tolerable

Tracking. Alimentació i massa


• Us de superfícies conductores (Plans de Massa)

a) Alimentació simple

b) Vàries capes quan hi ha més d’una alimentació.

c) Reforç de les zonesmés sensibles del circuit



• Blocs amb propòsits diferents– Analògic i digital– Circuits de potència

b) Protecció de soroll en circuitsde potència amb blocs digitals

a) Solució general per circuits analògicsque incorporen ADC’s. DAC’s, DSP’s ialtres dispositius digitals. Instrumen-tació



• Pistes de senyal.- Informació en forma de senyal elèctric

– Importància del disseny a freqüències elevades i potències baixes (Blocs digitals):

• Senyals amb soroll• Temps de propagació, flancs ascendents i descendents, etc.• Relació S/N

– Dues categories dels senyals:

• Referides a massa (single ended). Grup majoritari• Senyals diferencials (differential):

– Els equips que la generen tenen sortida diferencial– Circuits amb vàries mases.

Tracking. Pistes amb informació elèctrica


• Single Ended:– En aquest cas s’utilitzen pistes de guarda per minimitzar la problemàtica

dels Bucles:

a) Solució immediata

b) Disseny amb pista de guarda

c) Retorn per masa pròxima la pista amb senyal

Tracking


• Single Ended (continuació)– Evitant ruptures en el traçat del pla de massa

a) Traçat incorrecte b) Pista de retorn

Connectors

c) Redefinició delpatillatge

Circuits Integrats

Tracking


• Single Ended (continuació)– Talls en el pla de massa

• Cas habitual

• Quan hi ha part analògica i digitalIncrement de l’àrea del ‘bucle’

Retorn A.- Contaminació analògica a la part digitalRetorn B.- Àrea del ‘bucle’

Millora

• Circuits multicapa

Camí de retorn no definit

Evitar canvis de capa del senyal sempre que es pugui

Tracking


• Connexions en paral·lel

• Formes de les pistes– No colzes– No canvis abruptes– A major f del senyal, menor

longitud de pista

Bifurcacions a prop del dispositiu receptor

λ disminueix amb f

Tracking


• Diafonia (crosstalk)– Apareix un senyal d’una altra pista situada a prop de la pista afectada– Poden ser de caràcter capacitiu, inductiu i resistiu– A menys distància (d) entre pistes més petita és la impedància existent (Factor

d’acoblament més a prop de 1)

– El pla de masa situat a prop de les pistes afectades redueix la diafonia (Hem d’utilitzar plaques de més d’una capa)

211Fd

21

21

1Fxx

d

xd 2

1

1F

2221

212212

1211

12111

xxxxx

xxxxx

– Quan utilitzar més d’una capa no sigui possible:

Tracking


• Senyals diferencials:

– Podem controlar el retorn del senyal. Àrea del ‘bucle’ quedarà ben definida.

– Indicat pels casos amb senyals dèbils (corrent elèctric petit) que poden quedar exposats a interferències externes i pels casos en que tenim senyals intenses que poden pertorbar la resta del circuit.

VO

RO

Re

a) Unipolar (Single-Ended) b) Diferencial

Tracking


• Senyals diferencials (continuació):– Reducció de l’àrea del ‘bucle’

a) Àrea de bucle elevat) b) Traçat optimitzat

c) Procés de transposició

Tracking


• Senyals diferencials (continuació)– Geometria del traçat

• Longitud de pistes ha de ser similar• Distància constant entre pistes

a) Traçat incorrecte

b) Bon acoblament i reducció de diafonia

Tracking


Conclusions

• Aspectes importants del disseny de PCB’s:

– Col·locació de components– Traçat de pistes

• La política a seguir per tots dos aspectes no és la mateixa per cada aplicació industrial amb una complexitat mínimament moderada

– Es difícil tenir en compte totes les consideracions• Les eines informàtiques incorporen eines de suport en aquesta

qüestió, però cal un temps important d’aprenentatge (rules)

– Quan més es dissenya més s’aprèn (feedback)

Aspectes de seguretat elèctrica.

Integritat física

Tema3

Seguretat i Integritat Física /Disseny Electrònic 2/15

• Efectes fisològics de l’electricitat. Idees bàsiques importants

– El corrent elèctric és capaç de produir cremades severes en el cos degut a la dissipació d’energia existent en la resistència del nostre cos i pot causar danysimportants en el sistema nerviós i òrgans interns.

– Tetanus és la condició on els muscles del cos es contrauen involuntàriament quan passa pel mateix un corrent elèctric. Quan la víctima és incapaç de desenganxar-se del fil conductor, pel qual, passa el corrent és diu que la persona està atrapada en el circuit (froze on the circuit)

– El diafragma (als pulmons) i els muscles del cor estan igualment afectats i causen un batec accelerat i d’alta intensitat (fibril·lació) que pot durar inclús desprès del ‘shock’

– El corrent DC és més proper a causar Tetanus mentre que el AC és més propens a causar fibril·lació.

Aspectes de seguretat elèctrica. Integritat física de la persona


• ‘Shock’ path (Camí que segueix el corrent elèctric en els xocs)

– El corrent requereix un circuit tancat per circular. Si no hi ha dos punts de contacte en el cos on el corrent pugui entrar i sortir no hi ha perill de shock

– Un error comú es creure que és impossible rebre un shock tocant un cable d’alta tensió en un sol punt. NO HO FEU MAI !! Això no és cert. Les persones podem derivar corrents a massa i crear un camí de manera involuntària al corrent elèctric



• FAQ’s sobre els ‘shocks’

– 1) Si la presència de massa en el circuit implica una toma on hi ha perill de ‘shock’, per què usem masses? No seria més segur un circuit sense massa?

– 2) Si la brutícia o els teixits del que estan fets els materials de les sabates són aïllants, per què no actuen com protectors?

– 3) Si quan el corrent circula pel terra podem rebre ‘shocks’, per què no usem el terra com conductor?



• Per què usem masses? (1)– Les masses en els circuits tenen la funció d’assegurar que una part del circuit és

segura en front als riscos de ‘shock’

• Però si deixem el circuit sense masses, no asseguraria que la persona tingués només un punt de contacte?

– Idealment, sí. Pràcticament NO.

Situació ideal

Massa accidental a través d’un arbre



• Per què les sabates no actuen com protectors? (2)

– Les sabates actuen com aïllants fins a cert punt. Algunes tenen la sola molt fina.• Aïllament de les sabates usades: 20MΩ• Contacte amb sabates de pell (en sec): 100kΩ-500kΩ• Contacte amb sabates de pell (humit): 5kΩ-20kΩ“Existeixen sabates especialment dissenyades per treballar en entorns elèctrics altament

perillosos, però han d’estar extremadament seques i netes per a que siguin efectives”

• Per què no usem el terra com a conductor? (3)

– El terra no és un bon conductor, però es capaç de derivar el suficient correntcom per poder ferir o fins i tot matar a una persona.

• En efecte, algunes superfícies de massa són millors que altres: L’asfalt té major resistència elèctrica, mentre que el formigó tendeix a tenir baixa resistència, ja que està compost de substàncies químiques liquades que són conductives.



• ‘No és el voltatge el que mata, sinó el corrent que provoca’

BODILY EFFECT

DC CURRENT

60Hz AC

10kHz AC

Slight sensation felt at hand(s)

Men: 1.0mAWomen: 0.6mA

0.4mA0.3mA

7mA5mA

Threshold of perception

Men: 5.2mAWomen: 3.5mA

1.1mA0.7mA

12mA8mA

Painful, but voluntaru muscle control mantained

Men: 62mAWomen: 41mA

9mA6mA

55mA37mA

Painful, unable to let go of wires


16mA10.5mA

75mA50mA

Severe pain, difficulty breathing


23mA15mA

94mA63mA

Possible heart fibrilation after 3

seconds


100mA100mA

* Xifres aproximades

Resistència del cos

DRY WET

Wire touched by finger 40KΩ-1MΩ 4KΩ-15Ω

Wire held by hand 15KΩ-50KΩ 3KΩ-5KΩ

Metal pliers held by hand 5KΩ-10KΩ 1KΩ-3KΩ

Contact with palm of hand 3KΩ-8KΩ 1KΩ-2KΩ

1.5 inch pipe grasped by one hand 1KΩ-3KΩ 500Ω-1.5KΩ

1.5 inch pipe grasped by two hands 500Ω-1.5KΩ 250Ω-750Ω

Hand immersed in conductive liquid 200Ω-500Ω

Foot immersed in conductive liquid 100Ω-300Ω

Recordeu de fer ús de teixits aïllants en la indumen-tària (guants i calçat) quan manipuleu equips de

potència



• Actuacions de seguretat en la manipulació dels circuits electrònics d’alta potència

• Desconnecteu les fonts d’energia del circuit cada vegada que aneu a fer un canvi en el mateix (Zero Energy State). Això no nomès s’aplica a l’electricitat, sino que també és vàlid per alguns sistemes mecànics:

– Molles sotmeses a pressió, pressió hidràulica, pneumàtica, etc– Recordem que segons quines situacions, els condensadors i bobines poden

mantenir l’energia enmagatzemada encara que es desconnecti un circuit

• Els interruptors de desconnexió sempre han d’estar presents de la manera convenient per poder asegurar (Zero Energy State).



• Actuacions de seguretat en la manipulació dels circuits electrònics d’alta potència (continuació)

• Si és possible utilitzar mecanismes per ‘curtcircuitar’ o posar a terra la càrrega per descarregar els circuit.

– Aquesta mesura també permet fins i tot desconnectar components amb el circuit connectat

• En cas d’haver necessitat d’actuar en les connexions del circuit de potència s’han d’utilitzar mecanismes Lock-out/Tag-out.

– Pasos: 1) Realitzar connexió a terra (lock). Signatura (tag) 2) Comprovar la càrrega (Asegureu-vos bé que el tester funciona). 3) Actuar en els conductors (primer tocar amb la part trasera de la mà)



• Qué fer en els casos de ‘shock’– 1) Desconnecteu l’interruptor d’energia. Si no es pot localitzar,

utilitzeu un objecte aïllant (barra de plàstic o fusta). NO HO FEU MAI AMB LES VOSTRES MANS

– 2) Les persones que acaben de rebre un ‘shock’ han de ser atesses urgentment.

– Si la persona éstà inconscient comproveu la seva respiració, pols cardíac. Apliqueu massatge cardíac (amb guants).

– Tot i estar conscients, les víctimes de ‘shock’ necessiten ser monitoritzades. Abrigueu i tranquilitzeu a la persona fins que arribi personal qüalificat

» La posibilitat de ‘shock’ encara existeix desprès d’haber estat en contacte amb el corrent elèctric.

– Els ‘schocks’ produeixen irregularitats en el batec del cor. Revisió supervisada



• Situacions de perill més habitual

– Tocar els dispositius elèctric-electrònics amb les mans humides.– Intervencions en la línea telefònica (48 Vac)– Escoltar equips d’audio i/o ràdio portàtils a la banyera (Inclús els que usen

bateries)– Intervencions en endolls i cables elèctrics en mal estat– Línies elèctriques d’alta tensió



• Disseny segur de circuits electrònics

– La majoria dels equips electrònics de potència tenen una de les tomes d’alimentació connectades a la toma de terra per seguretat. La toma de terra s’anomena neutre (neutral conductor) mentre que l’altre és la toma de senyal (hot conductor)

– Els cables i connexions amb SENYAL han de quedar aïllats de l’estructura metàl·lica (o PVC) que l’envolta. En cas contrari hi ha perill de ‘schock’ en cas de contacte accidental



• Disseny segur de circuits electrònics (continuació)

– Connexió d’estructures metàl·liques directe amb presa a terra per evitar l’inconvenient de la polaritat.

-Possibilitat de danys en l’equip

-Seguretat per l’usuari



• Seguretat en la soldadura en llocs industrials


- Persones connectades a terra- Equips connectats als interruptors principals i a terra- Humitat relativa: 40-50%- Lloc de treball lliure d’objectes


• Més informació: http://www.bussmann.com/services/safetybasics

– Handbook for electrical safety (2nd. edition)– Electrical Protection Handbook


Targes de Circuit Imprès

Tema1

Accessoris mecànics / Components Electrònics

2/8

Base de fixació de Components Electrònics• Plaques de muntatge per circuits electrònics

Tipus de placaBoard

Matrius de punts

Circuit imprès

Tecnologies Thru Hole(IC SMD amb adaptadors)

Thru-Hole / SMD(segons model).

Thru-Hole / SMD(Verge/Positiva/Negativa)

Aplicació Bancs de proba Banc de prova i petits prototips Prototips més complexos

Cost Baix Variable segons tipus Baix

Fiabilitat Baixa Mitja Elevada

Procès de fabricació

Fàcil muntatge i desmuntage de components

Soldadura / Desoldadura de dificultat moerada

Procès de fabricació i soldadura complex


3/8


– Segons material

– Segons nombre de capes

• N Capes• De doble cara (2 Capes)• Senzilles (1 Capa)

– Segons material fotosensible utilitzat:

• Revelar positiu:– Pistes protegides a la llum

ultraviolada• Revelar negatiu:

– Pistes exposades a la llum ultraviolada

Tipus de PCB

Funció Materials

Rígid Aïllant FR-4Fibra de vidrio

Rigid i Flexible

Conductor Coure Aleació de coure-berilioAleación de coure i níquel NíquelPlata

Flexible Aïllant Kapton®

Poliamida

Cost


4/8

• Característiques principals

– Material base utilitzat (Temperatura i rigidesa dielèctrica)– Espessors del material base– Base conductora de coure– Diàmetres dels forats (‘Pad’)– Resistència elèctrica del coure– Capacitat de càrrega de corrent– Tensió nominal dels conductors


DIN 40 801 T.1/8.71DIN 40 802 T.2/6.69DIN 40 803 T.2/3.70


5/8


• Material Base

• Base de coure– Pes i espessors - Forats

Pes nominal en g/m2

Espessor(μm)

Variacióadmissible (μm)

152 18 +6/-2

305 35 ±5

610 70 ±8

Base resina Suport de resinaPF.- Fenol CP.- Paper de cel·lulosaEP.- Epóxid GC.- Teixit de filaments de vidre

Número a la dreta elevat Millor qualitat

Espessors: 0.2, 0.5, 0.8, 1, 1.2, 1.5, 1.6, 2, 2.4, 3.2, 6.4

Ø trepant 0.5 0.6 0.8 0.9

Ø amb base sold. - 1.8 2.3 -

Ø trepant 1 1.3 1.6 2

Ø amb base sold. 2.5 2.5 3.1 3.5


6/8


• Base de coure (continuació)

A Sense revestimentaïllant

fins 3000m d’altitud

B 15000m

C Amb revestiment aïllant

3000m

D >3000m

-Espessors de 1.6 ... 3.2mm-Reducció 15% amb vernís derecobriment o espessor <0.8mm


7/8

• Metodologies més habituals

Gravació de circuits impresos en plaques (Tècniques tradicionals)

2.- Ús de logotips amb figures:Pads, Vias i Línies

1.- Tinta Indeleble

5.- Mètode Fotogràfic

3.- Disseny software directe

6.- Serigrafia4.- Transferència de calor


8/8

Gravació de circuits impresos en plaques (Tècniques tradicionals)

Disseny Tipus de placa Característiques

principals

Processos involucratsCaràcter

M S V F I R E Mc El*

Tinta Indeleble X X - Ús de retolador indeleble

EconòmicX

X

Comercial

Logo X X - Serigrafiat manual(‘calcomanies’)

Directesobreplaca

X X -Hem d’incloure seguretat acústica X

Per Calor X X-Es necessita un paper especial onimprimir el disseny (PRESS-N-

PEEL)

X XMètode Fotogràfic X X -Fiable i assequible

EconòmicamentX

Comercial iIndustrial

Serigrafia X X - Equip sofisticat i costós Industrial

• Comparativa mètodes de gravació

* Opcional segons mètode

Implementació manual de PCB’s

Tema3

Fabricació Manual de PCB's /Disseny Electrònic

2/6

• Processos de fabricació manuals

Realització de PCB’s

1.- Fotograbació, revelat i atac químic

2.- Micro-fresat

3.- Micro-fresat i metal·litzat per electròlisi


3/6

PCB fotogràfic

1.- Exposició (Exposure)2-5 Minuts

2.- Revelat (Developing)1-2 Minuts

3.- Atacat (Etching)3-5 Minuts

*5.- Recobriment de plata(Tin-Plating)

*4.- Stripping6.- Perforació (Drilling)

6.- Soldadura (Soldering)


4/6

• Exposició– Tipus de llum a utilitzar en la fotograbació

• Llum solar.- Temps d’exposició variable, segons la temperatura ambiental i climatologia (2 minuts en un dia solejat)

• Ultra-violat.- El més habitual (Fluorescents). Temps d’exposició: 2-3 minuts segons el tipus de placa utilitzada

– No confondre amb el tipus de llum ultra-violeta utilitzada en EPROMS• Làmpares de mercuri.- Temps d’exposició elevat (15-20 minuts)

– Manteniment de la isoladora: Netejar el vidre frecuentment

– Tipus de Transparència

• Paper vegetal.- Hem d’incrementar el temps d’exposició• Paper transparent.- Hem de vigilar que les pistes no siguin transparents

– Configuració d’impressió: Mono.– Impresió: En paper. Serigrafia: Transparència (És aconsellable no utilitzar el

mètode convencional de fotocopia)

Procés de realització del PCB

MIRROR iSHOW HOLES

Experimentar ambel temps d’exposició


5/6

Procés de realització del PCB• Revelat.- Eliminació del material fotosensible en la part de la placa que no ha estat

exposada a la llum ultra-violat (revelat positiu)

– Revelador.- Substància química utilitzada en el procès de revelat• Sosa càustica (1% del volum ) amb aigua (90% del volum)• La sosa càustica es dilueix am aigua en una proporció 5:1 (5 d’aigua; 1 de sosa càustica)

– Començat el procés, l’aigua comença a enterbolir-se i el dibuix del circuit comença a aparèixer.

– Si el dibuix no apareix és senyal inequívoca d’insolació insuficient (Necessita més temps d’exposició). Si apareix ràpidament el revelador està molt concentrat (S’ha de ficar aigua)

– Finalment, s’ha de netejar la placa amb aigua abundant

Positiu Negatiu


6/6

Procés de realització del PCB

• Atacat (Etching).- Eliminació del coure restant amb solució corrosiva

– Atacador.- Substància corrosiva utilitzada en aquest procés. Es poden utilitzar diferents solucions:

• Atacador ràpid: 2 parts d’aigua, 1 part d’aigua oxigenada, 1 part d’àcid clorhídric• Altres: Clorur Fèrric, perclorat d’amoni, Clorurs (CuSO4, CuCl2), aigua oxigenada amb salfumant etc...

– Una vegada hagi desaparegut el coure, donem per finalitzar el procés i treiem la placa de la cubeta

– Rentem amb aigua abundant, sequem i treiem el vernís restant amb cotó i alcohol.

La dissolució és TÒXICA!!Eviteu el contacte amb

la pell (guants) i la inhalació de vapors (mascareta) durant

tot el procés

Soldadura

Tema3

Soldatge /Disseny Electrònic 2/11

Soldadura• Consideracions de disseny inherents

– Generals• Junta de soldadura: 0.5 ···0.26mm (Quan més petit millor Efecte capilar)• Resistència:

– Soldadura blanda: 40N/mm2, Soldadura dura: 250...400N/mm2

• Soldant fils en plaques:

– Thru-Hole

d1 (mm) d2 d3

0.6 0.8 2.0

0.6···0.8 1.0 2.0

0.65···1.1 1.3 2.5

Disposició de la tarja Doblat en elpatillatge

R>da≥2·d

Mínim 1.5mm

Evitar esforços mecànics ja que causa danys prematurs

Fixació en PCB

Tipus de connexió Β en graus (º)

Axial 40...60

Radial 40...60

Encapsulat DIP 10...60

Tec. Grab.

e (mm) f (mm) b (mm)

Normal 0.8···2.0 0.7···1.1 0.5···2.0

Fina 0.5···2.0 0.3···1.1 0.5···2.0

Molt fina 0.5···1.5 0.3···0.9 0.5···2.0


Soldadura• Consideracions de disseny inherents (continuació)

– SMD

Dimensions (mm) Cilíndric Quadrat

ComponentL 3.5 5.9 2 3.2 3.2 4.5

B 1.5 2.2 1.25 1.6 2.5 3.2

Superfície de connexió

L 1.2 2.1 1.1 1 1 2.2

b 1.6 2.3 2.1 2.4 3.3 4

m 2.8 4.8 2 3.2 3.2 4.5

a 1.6 2.7 0.9 2.2 2.2 2.2

Disposició de la tarja

- SOT 89 (4 terminals) - SOT 23 (3 terminals)

Muntatge soldadura Disposició de components Adhesiu Pasta sold. Reflow Wave sold.

SMD una cara A B B A

SMD dues capes capa 2 capa 1 capa 1 capa 2

Mixta SMD (una capa) X - - X

Mixta SMD (dues capes) capa 2 capa 1 capa 1 capa 2


Soldadura

• Tècniques manuals

1.- Llapis (15-75W)

3.- De Gas

2.- Pistola (150W)

4.- Estació Soldadura convencional

5.- Estacions perreparació SMD


• Tècniques manuals (Thru Hole)

Soldadura

Lloc de treball

1.- Base conductora2.- Terminal de terra del taller3.- Unió de potencial4.- Dispensador d’estany5.- Estació de treball

1.- Estació de treball2.- Regulador de temperatura3.- Transformador (Aïllament)4.- Soldador de mà5.- Punta.6.- Sensor de temperatura7.- Escalfador

Regulació de temperatura


Soldadura

• Consells pràctics

– Components:• Terminals nets• Estètica

– Soldadura:• Punta soldador neta(Preparar la punta per soldar)• Estany adequat (60% Sn 40%)

– S’ha d’evitar:• No ficar estany al soldador durant el procés de soldat• Evitar soldadures fredes(No retirar ràpidament el soldador)

– Procés de soldadura amb llapis:


• Estacions de soldadura

– Les estacions permeten controlar la temperatura en el procés de soldat

– Per facilitar el de-soldat algunes estacions incorporen bomba d’aspiració d’aire

Soldadura


• Estacions SMD

– Tot i incorporar més accessoris que les estacions Thru-Hole, les estacions SMD estan considerades com de reparació.

– Quan s’opta per una estació de reparació SMD, es important repassar els jocs de puntes i pinces que incorpora

Soldadura


• Procés de de-soldadura d’un circuit integrat SMD

Soldadura

1.- Aspiració d’aire 2.- Escalfat del CI 3.-Extracció automàtica


Soldadura

• Procés de reparació d’un circuit integrat SMD

1.- De-soldat 2.- Neteja de Pad’s 3.- Col·locació component

4.- Fixació component(Soldat angles oposats)

5.- Aplicació de flux(Pad’s i Tracks)

6.- Soldat


Soldadura• Tècniques industrials

1.-Soldadura per ona(Wave soldering)

2.-Tècnica ‘Reflow’

Wave Soldering

Simple• Technologia ‘Thru Hole’ i SMD (una cara)• Temps de soldadura <3s

Doble• Evita zones crítiques en targetes SMD (ponts i falses soldadures)• Temps de soldadura <5s

• Desplaçament per damunt de l’ona provocada per l’element terminal (‘Nozle’)• Temperatura de l’estany: 265ºC• Profunditat d’immersió de la soldadura: 2..6mm• Velocitat d’avanç de la placa: 1..3cm/s• Angle de passada: 5..10º• Necessita neteja posterior

Reflow technique

• La placa es submergeix en la zona de vapor del líquid inert en ebullició.• La pasta adherida als components es fon per condensació• Soldadura simultànea per les dues cares• Punt d’ebullició: 215ºC• No precisa neteja posterior

- Prèviament s’escalfa la placa per eliminar laHumitat i els gasos del material (16h a 105ºC)

- Altres consideracions:Temps d’’emmagatzematge, preescalfament a 150ºC durant 20 segons

Documents

Introducció al Disseny Electrònic - OpenCourseWare · • Tecnologies: SSI, MSI, VLSI, ULSI, GLSI, MEMs, NEMs, c-MEMs • Tecnologia SMD de fabricació de components electrònics