Projekt 24 - Elektronik Überblick

Themen:

• E-Reihen
• Kennwerte passiver Bauteile
• RMS Werte
• Logarithmische Skala
• 50-Ohm Messungen
• FET Transistor Überblick
• LED Multiplexing
• Leiterplatten Design

E-Reihen

Kennwerte passiver Bauteile

RMS Werte

Ein komplexeres Signal mit einem bestimmten RMS-Wert (Root Mean Square) oder Effektiv-Wert erzeugt die gleiche Erwärmung in einem Leiter als ein gleich großes konstantes Signal mit einem bestimmten DC-Wert. Anders ausgedrückt ist der Effektiv-Wert eines veränderlichen Signals gleich groß mit dem Wert eines konstanten Signal, wo die gleiche elektrische Energie an einem ohmschen Verbraucher umgesetzt wird.

Logarithmische Skala

Bei einer logarithmischen Skala werden die Werte logarithmiert aufgetragen. Somit können Werte, welche sich über mehrere Zehner-Potenzen erstrecken, dargestellt werden. Viele Datenblätter von elektronischen Bauteilen enthalten Kurven mit logarthimscher Darstellung (z.B. Strom-Spannungs-Kurve von Varistoren).

Unterhalb finden sie eine Darstellung der wichtigsten Werte. Somit findet man sich bei logarithmischen Kurven besser zurecht. Bei noch genaueren Betrachtungen können die unteren Berechnungsmethoden verwendet werden.

Falls in einer Kurve ein Wert markiert oder eingetragen werden soll, muss der Wert zuerst logarithmiert (Logarithmus zu Basis 10) und im Anschluss auf die tatsächlichen Abmessungen umgerechnet werden.

Beim Ablesen geht man umgekehrt vor. Zuerst wird die abgelesene Abmessung normiert und danach wird die Umkehrfunktion des Logarithmus für die Berechnung des Wertes verwendet.

50-Ohm Messungen

50-Ohm Messungen bis in den MHz-Bereich können einfach mit Hilfe von BNC T-Steckern durchgeführt werden. Die Abzweigleitung, zum hochohmigen Oszilloskop, sollte möglichst kurz gehalten werden, damit die Reflexionen möglichst gering ausfallen.

Ein 50-Ohm Abschluss am Oszilloskop bewirkt leider nicht den gewünschten Effekt. Da die beiden Widerstände, der Widerstand des zu testenden Gerätes (Device Under Test) und der Widerstand des Oszilloskopes, parallel liegen erhält man einen Summen-Widerstand von 25-Ohm.

Falls die zu messenden Signale höhere Frequenzen enthalten bzw. die hochohmig abgeschlossene Stichleitung zu lang wird, sollte man einen HF-Splitter verwenden (+ 50-Ohm Abschluss am Oszilloskop). Dadurch sind sämtliche Abgänge 50-Ohm angepasst und es treten keine Reflexionen auf. Eine mögliche Ausprägung eines HF-Splitters sehen sie unterhalb. Dennoch muss man beachten, dass diese Splitter das Signal dämpfen. Die Dämpfung ist üblicherweise angegeben.

FET Transistor Überblick

JFET Typen sind selbstleitend und sperren in beiden Richtungen, wenn sie angesteuert werden. MOSFET Typen gibt es selbstleitend und auch selbstsperrend. Die Sperreigenschaft ist nur in einer Richtung gegeben. In der anderen Richtung wird die Diodenstrecke des internen Aufbaues leitend.

	JFET (depletion)	MOSFET - depletion	MOSFET - enhanced
N
P

Die Simulation unterhalb wiederspiegelt das Verhalten der unterschiedlichen FET Typen. Im ersten Zeitabschnitt werden die Gates der Transistoren nicht angesprochen. Im zweiten Abschnitt werden sie mit einem positiven oder negativen Puls angesprochen.

LED Multiplexing

Bei vielen Elektronikprojekten ist die Anzahl der IO-Pins limitiert bzw. sind die Pins bereits durch andere Funktionen belegt. Daher werden Pins mit einfachen Ansteueraufgaben gerne mehrfach genutzt - gemultiplext. LED Multiplexing ist prinzipiell sehr einfach, kann im Detail aber dennoch herausfordernd werden. Das Multiplexing muss in Hardware und auch in Software berücksichtigt werden. Beispiele der Hardware-Lösungen sind unterhalb abgebildet. Die Software muss je nach HW-Lösung die Pins zeitversetzt ansprechen und schnell genug umschalten, damit der Benutzer von dem Ein-/Ausschalten nichts mitbekommt.

	Bei dieser Konfiguration sollte die IO-Spannung und Versorgungsspannung  deutlich größer als die Vorwärtsspannung der Diode sein. Somit lässt sich der LED Strom über den Widerstand einstellen. Die obere LED leuchtet bei einem High-Signal, die untere bei einem Low-Signal. Ist der Pin Hochohmig als Eingang konfiguriert, so sind beide LEDs dunkel. Ein sehr großer Nachteil bei dieser Schaltung ist der ständig fließende Strom durch die beiden Widerstände.
	Bei dieser Konfiguration sollte die Spannung VCC deutlich kleiner als die beiden Vorwärtsspannungen der LEDs sein. Andernfalls leuchten die LEDs bereits ohne entsprechender Ansteurung durch den IO-Pin. Die LEDs beginnen bereits bei sehr kleinen Strömen leicht zu leuchten. Da die Vorwärtsspannung bei unterschiedlichen Dioden bzw. bereits bei gleichen Dioden von unterschiedlichen Chargen stark schwankt, lässt sich der Widerstand sehr schwierig dimensionieren. Für einzelne Testaufbauten und Prototypen wäre es noch sinnvoll diese Schaltung zu verwenden. Bei Serienprodukten sollte man diese Schaltung eher nicht verweden.
	Diese Schaltung ermöglicht den Betrieb bei mittleren Versorgungsspannungen. Sie sollte etwas höher als die beiden Vorwärtsspannungen der LEDs sein und niedrig genug, damit die LEDs im Aus-Zustand nicht leuchten. Da für beide LEDs ein separater Widerstand verwendet wird, können sich die Vorwärtsspannungen der LEDs unterscheiden.
Diese etwas abgewandelte Charlieplexing Schaltung ermöglicht zuverlässige Zustände und doch mehrere LEDs an den IO Pins. Mit einem High Signal an Pin 1 kann man die gewünschten LEDs der ersten Spalte einschalten. Mit einem High an Pin 2 die LEDs der zweiten Spalte usw. Durch diesen geringfügig höheren Komponentenaufwand erhält man eine zuverlässige und einfache Lösung. Im Aus-Zustand fließt auch kein unnötiger Strom.

Leiterplatten Design

Beim Leiterplatten Design gibt es sehr viele Parameter zu beachten. Für einfache Prototypen bzw. Einzelstückanfertigungen für Zuhause, reichen die unterhalb aufgelisteten Parameter meistens aus.

Für einfache Prototypen reicht meistens eine doppelseitige Platine aus. Hier wäre es am besten, eine Seite als Ground-Fläche auszuführen und die andere Seite für Signal- und Versorgungsleitungen zu verwenden. Die Ground-Fläche sollte sehr selten und möglichst klein/kurz unterbrochen werden. Ist es dennoch nicht anders möglich und es entsteht ein längerer Schlitz, dann sollten die beiden anliegenden Ground-Flächen über Vias und Verbindungen auf der Oberseite verbunden werden. Somit erreicht man möglichst kurze Ground-Rückpfade. Um mögliches Übersprechen von Signalleitungen zu vermeiden, sollten die Signalleitungen auseinander gelegt werden. Bei den Chip-Versorgungspins sollten die Entkoppel-Kondensatoren möglichst nahe platziert werden, um die Schleifen-Induktiviät klein zu halten. Der Kondensator sollte genügend groß gewählt werden, um die Strom-Peaks bedienen zu können (Q=CU=It). Hier reicht es meistens aus, die Beispiel-Beschaltung aus den Datenblättern zu verwenden. Werden Signale über Steckverbindungen geleitet, so sollte es ausreichend Rückpfade für den Ground geben. Ideal wäre es für jeden Signal-Pin auch einen Ground-Pin vorzusehen. Somit wird verhindert, dass der Ground-Pegel bei Strom-Peaks in die Höhe geht (Ground-Bouncing).

Bei Platinen mit Netzspannung bzw. Spannungen über 50V_RMS sollten bei den Abständen die minimalen Luft- und Kriechstrecken laut DIN EN 60664 beachtet werden. Bei Spannungen kleiner gleich 50V ist die Mindestkriechstrecke 0,04mm ohne Lackierung und 0,025mm mit Lötstopplack. Die min. Luftstrecke ist bei Spannungen unter 50V nicht mehr ausschlaggebend.

Die generellen Anforderungen an die Produzierbarkeit hängt maßgeblich vom Leiterplatten-Hersteller ab. Auf den Hersteller Websiten findet man oft die Standard-Anforderungen übersichtlich aufgelistet. Die aufgelisteten Anforderungen unterhalb sollten weitestgehend von sämtlichen Herstellern produzierbar sein.

Im europäischen Raum gibt es mehrere PCB Hersteller. Eine kleine Übersicht mit Links zu den Hersteller-Websiten findet ihr unterhalb. Der letzte aufgelistete Hersteller ist aus dem asiatischem Raum.

Seven Habits of Successful 2-layer Board Designers | Signal Integrity Journal

The Myth of Three Capacitor Values | Signal Integrity Journal