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Modulador

¿Qué es un Modulador?

Un modulador es un dispositivo que se utiliza para alterar una señal eléctrica original de manera que pueda ser transmitida más eficientemente.

Por ejemplo, cuando se realiza una comunicación inalámbrica entre dos puntos remotos, es difícil transmitir los datos que se van a enviar como señal en su estado original, por lo que es necesario modular la señal mediante un modulador.

Existen dos métodos principales de modulación: la modulación analógica y la modulación digital. La diferencia estriba en si la señal que hay que tratar es analógica o digital; el principio básico es el mismo.

Usos de los Moduladores

Los moduladores se utilizan como equipos de transmisión y recepción de emisiones de televisión y radio. Los distintos tipos de información, como el audio y el vídeo, tienen frecuencias diferentes, pero la frecuencia puede ser demasiado baja para transmitirse como señal tal cual. Por eso, en las emisiones de televisión y radio, los datos se modulan a una frecuencia más alta que la señal original y se transmiten.

En las conexiones a Internet, las señales eléctricas pueden modularse en señales ópticas, como en las líneas de fibra óptica, o transmitirse utilizando líneas telefónicas con frecuencias específicas.

Principio de los Moduladores

El objetivo principal de un modulador es cambiar la amplitud, frecuencia o fase de una señal eléctrica original para adaptarla a la forma más adecuada para su transmisión. En la modulación, se utiliza una señal base llamada “onda portadora” a la cual se le aplican cambios para representar los datos a transmitir.

Existen tres métodos principales de modulación:

  1. Modulación de Amplitud (AM): En este método, se modula la amplitud de la onda portadora para representar la señal original. La modulación de amplitud se utiliza en aplicaciones como la radio AM y la televisión analógica.

  2. Modulación de Frecuencia (FM): En la modulación de frecuencia, se modifica la frecuencia de la onda portadora de acuerdo con la señal original. Se utiliza en aplicaciones como la radio FM, donde se logra una mejor calidad de sonido y una mayor inmunidad al ruido en comparación con la modulación de amplitud.

  3. Modulación de Fase (PM): En este método, se varía la fase de la onda portadora en función de la señal original. La modulación de fase se utiliza comúnmente en sistemas de modulación digital, como las comunicaciones por satélite y las redes de telecomunicaciones.

Cada método de modulación tiene sus características y se utiliza en diferentes aplicaciones según sus ventajas y desventajas en términos de rendimiento y eficiencia de transmisión.

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Hochfrequenz-Schweißgeräte

Was ist ein Hochfrequenz-Schweißgeräte?

Ein Hochfrequenz-Schweißgerät ist ein Gerät zum Schweißen mit hochfrequenter dielektrischer Erwärmung.

Es wird bei thermoplastischen Kunststoffen wie Vinylchlorid und Nylon eingesetzt. Das Schweißen mit Hochfrequenz-Schweißgeräten wird als Schweißen bezeichnet und zeichnet sich durch eine höhere Schweißnahtfestigkeit und eine schönere Oberfläche aus als andere, von außen beheizte Schweißverfahren.

Im Vergleich zur Mikrowellenerwärmung können Hochfrequenz-Schweißgeräte eine partielle und tiefe Erwärmung durchführen, da die Erwärmung zwischen einem Paar Elektrodenplatten erfolgt.

Verwendung von Hochfrequenz-Schweißgeräten

Hochfrequenz-Schweißgeräte werden zum Verbinden von Blechmaterialien eingesetzt. Spezifische Anwendungen von Hochfrequenz-Schweißgeräten sind

  • Zelte und Schwimmwesten
  • Visitenkartenetuis und Buchumschläge
  • Taschen aus Kunstleder
  • Außenverpackungen für Gewürze und Zahnpasta

Die Materialien, die mit HF WELDA verwendet werden können, sind aufgrund seines Prinzips begrenzt. Es wird jedoch für Produkte verwendet, bei denen es auf Ästhetik ankommt, da es keine Nähte oder Nahtzugaben gibt und die verklebten Bereiche sehr schön verarbeitet sind.

Die hohe Festigkeit und die gleichmäßige Qualität machen es außerdem ideal für die Herstellung von Produkten, die nicht genäht werden können, um die Luft- und Wasserdichtigkeit zu gewährleisten, wie z. B. Zelte.

Das Prinzip der Hochfrequenz-Schweißgeräte

Hochfrequenz-Schweißgeräte erzeugen Wärme durch dielektrische Erwärmung. Die dielektrische Erwärmung ist eine Methode zur Erwärmung dielektrischer Materialien, bei der eine Hochfrequenzspannung angelegt wird, um die Moleküle zu erschüttern und Reibungswärme zu erzeugen.

Charakteristisch für diese Methode ist, dass die Reibungswärme im Inneren der Moleküle erzeugt wird, so dass das Material gleichmäßig von innen erwärmt werden kann. Aufgrund des oben genannten Prinzips kann diese Erwärmungsmethode jedoch nur bei dielektrischen Materialien wie Vinylchlorid und Polyethylen angewendet werden.

Die in Hochfrequenz-Schweißgeräten verwendeten Spannungsfrequenzen liegen im Frequenzbereich von 3 MHz Kurzwelle bis 30 GHz Zentimeterwelle.

Das Material erreicht in wenigen Sekunden eine Temperatur von 120-130 °C und geht in eine halbflüssige Phase über. Wenn die Erwärmung in diesem Zustand gestoppt und das Material unter Druck abgekühlt wird, vermischen sich die Materialien und haften aneinander.

Weitere Informationen zum Hochfrequenz-Schweißen

1. Hochfrequenz-Schweißgeräte

Die größte Besonderheit des Hochfrequenz-Schweißverfahrens besteht darin, dass keine Wärme von außen zugeführt wird, so dass keine optischen Mängel durch Verbrennung oder Fadenbildung des geschmolzenen Harzes auftreten. Ein weiterer Vorteil ist, dass der zu schweißende Bereich zwischen den Formen, die als Elektroden fungieren, eingeklemmt ist und eine lokale dielektrische Erwärmung stattfindet, so dass es nicht zu Verformungen und Verfärbungen der Umgebung kommt.

Während des Schweißvorgangs entsteht kein Rauch und es werden keine schädlichen Bestandteile aus dem VC freigesetzt. Daher ist eine sichere und umweltfreundliche Verarbeitung möglich.

2. Materialien, die mit Hochfrequenz-Schweißgeräten geschweißt werden

Die wichtigsten Werkstoffe, die mit Hochfrequenz-Schweißgeräten verarbeitet werden, sind

  • PVC (Vinylchlorid)
    Wird als Material für Vinylfolien und Kunstleder verwendet. Es ist das am häufigsten verwendete Material beim Hochfrequenzschweißen, da es weich und leicht zu verarbeiten ist.
  • TPU (thermoplastisches Polyurethan)
    Wird häufig für elastische Anwendungen wie Schläuche und Trolley-Reifen verwendet. Bei Smartphone-Softcases werden der Hauptkörper-Stoßfänger und die Abdeckung durch Hochfrequenzschweißen zusammengeschweißt.
  • POF (Polyolefin)
    Polyethylen und Polypropylen sind Mitglieder der Polyolefin-Familie. Sie werden durch Hochfrequenz-Schweißen zu Beuteln geformt und für Würzmittel wie Mayonnaise und Zahnpastatuben verwendet.

3. Frequenz der Hochfrequenz-Schweißgeräte

Die anzuwendende Leistung und Frequenz muss je nach Dicke und Material des zu bearbeitenden Objekts gewählt werden. Im Allgemeinen werden Hochfrequenz-Magnetfelder von etwa 40 MHz bis 200 MHz für Kunststoffplatten wie Vinyl und 10 MHz bis 50 MHz für das Schweißen von Duroplasten verwendet.

Darüber hinaus ist 2,45 GHz, das in Magnetrons von Mikrowellenherden verwendet wird, ein weiteres Frequenzband, das häufig in Hochfrequenz-Schweißgeräten und Hochfrequenz-Sendern zum Erwärmen eingesetzt wird.

4. Preis von Hochfrequenz-Schweißgeräten

Hochfrequenz-Schweißgeräte werden im Allgemeinen auf stabilen Halterungen oder anderen Geräten installiert. Es handelt sich daher oft um große Geräte, die vor allem im industriellen Bereich eingesetzt werden. Die Preisspanne ist je nach Größe und Leistung sehr unterschiedlich, wobei kleinere Geräte manchmal schon ab 1.000.000 EUR erhältlich sind. Geräte für große Bleche, wie z. B. blaue Bleche und Zeltbleche, können zwischen 5.000.000 und 10.000.000 JPY kosten.

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Cmos-Sensoren

Was ist ein Cmos-Sensoren?

Cmos SensorenCmos-Sensoren sind Bildsensoren, die in Digitalkameras und anderen fotografischen Geräten verwendet werden. Das von den einzelnen Fotodetektoren empfangene Licht wird in eine elektrische Ladung umgewandelt, die dann je nach Lichtintensität über einen aus Cmos-Sensoren bestehenden Verstärkerkreis als Spannung oder Strom abgeleitet wird.

In der Vergangenheit waren CCD-Sensoren die Hauptstütze der Bildsensoren. Sie zeichnen sich durch eine Struktur aus, bei der die Ladung vom CCD übertragen und über einen Floating Diffusion Amplifier (FDA) in eine Spannung umgewandelt wird.

CCD-Sensoren haben gegenüber CMOS-Sensoren Vorteile in Bezug auf Empfindlichkeit, Signal-Rausch-Verhältnis und niedrigen Dunkelstrom, aber auch Nachteile in Bezug auf komplexe Stromversorgungskonfigurationen, unvermeidlichen Smear, spezielle Herstellungsprozesse und die Unfähigkeit, allgemeine CMOS-LSI-Produktionsanlagen zu verwenden. In jüngster Zeit haben sich CMOS-Sensoren aufgrund der Fortschritte bei den Methoden zur Verringerung der Auswirkungen des Dunkelstroms und zur Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses bei CMOS-Sensoren zur Hauptstütze der Bildsensoren entwickelt.

Verwendung von Cmos-Sensoren

Cmos-Sensoren wurden bisher in Kameras für Smartphones und Tablets verwendet, da sie kostengünstig in der Herstellung sind. CCD-Sensoren mit geringem Rauschen wurden dagegen hauptsächlich in Spiegelreflexkameras und Videokameras verwendet, wo eine hohe Bildqualität erforderlich ist.

Mit der Weiterentwicklung der Rauschunterdrückungsmethoden für CCD-Sensoren traten jedoch die bei CCD-Sensoren problematischen Smear- und Blooming-Effekte nicht mehr auf, und der CCD-Sensor wurde nach und nach durch den CMOS-Sensor ersetzt, der heute in allen Arten von Fotoausrüstungen als Bildsensor verwendet wird. CMOS-Sensoren werden heute in allen Arten von Fotoausrüstungen als Bildsensor eingesetzt.

Das Prinzip der Cmos-Sensoren

Die grundlegende Funktion eines Bildsensors besteht darin, die von den in großer Zahl auf seiner Oberfläche angeordneten lichtempfangenden Elementen erzeugte elektrische Ladung zu speichern und zu übertragen, sie in eine Spannung oder einen elektrischen Strom umzuwandeln und auszugeben. In dieser Hinsicht haben CCD- und CMOS-Sensoren die gleiche Funktion.

Der Hauptunterschied zwischen den beiden liegt im Mechanismus der Ladungsübertragung: Ein CCD-Sensor hat ein Gitter von Fotodioden als lichtempfangende Elemente, und im N-Typ-Bereich dieser Fotodioden kann Ladung vorübergehend gespeichert werden.

Neben diesen Fotodioden ist eine vertikale CCD installiert, und die gesamte von jeder Fotodiode zu einem bestimmten Zeitpunkt angesammelte Ladung wird gleichzeitig auf die vertikale CCD übertragen. Die Ladungen werden sequentiell übertragen und an die horizontale CCD geliefert.

Die horizontale CCD überträgt die von der vertikalen CCD übertragene Ladung sequentiell an die FDA, die eine der Ladungsmenge entsprechende Spannung ausgibt und damit eine der Intensität des auf die Fotodioden einfallenden Lichts entsprechende Ausgangsspannung liefert. Wie oben beschrieben, wird bei einem CCD-Sensor die Ladungsmenge von allen Fotodioden nacheinander ausgegeben.

Cmos-Sensoren hingegen sind mit einer Fotodiode als Lichtempfangselement, einem Verstärker zur Verstärkung des Ausgangs und einem Schaltelement zur Verbindung des Verstärkerausgangs mit der Signalleitung ausgestattet, so dass Lichtempfang, -umwandlung, -verstärkung und -ausgabe für jede Fotodiode durchgeführt werden.

Mit dieser Konfiguration können Cmos-Sensoren einzelne Fotodioden durch Kombination von horizontalen und vertikalen Abtastsignalen spezifizieren und die der Ladungsmenge entsprechende Spannung oder den Strom extrahieren. So kann jede beliebige Fotodiode ausgewählt und ihr Signal ausgelesen werden.

Aufgrund dieser strukturellen Unterschiede haben Cmos-Sensoren den Vorteil, dass eine Hochgeschwindigkeitsauslesung durch Begrenzung des Signals auf den erforderlichen Bereich usw. möglich ist und dass kein CCD-Übertragungsrauschen entsteht. Außerdem ist bei CCD-Sensoren ein Verschmieren durch in das CCD einfließende Rauschanteile unvermeidlich, was bei CMOS-Sensoren nicht vorkommt.

Aufbau von CMOS-Sensoren

Cmos-Sensoren kombinieren Fotodioden, die Lichtempfangselemente sind, mit Verstärkern und Schaltelementen und integrieren viele weitere Elemente. Das Herstellungsverfahren der Fotodioden ist speziell und unterscheidet sich von dem der Transistoren, aber die anderen Komponenten sind identisch mit denen der CMOS-LSI, so dass CMOS-Fertigungsanlagen verwendet werden können, was ein Vorteil gegenüber CCDs ist.

Neue Entwicklungen gibt es auch bei der Anordnung der Fotodioden. Dabei handelt es sich um eine so genannte rückseitig beleuchtete Struktur, bei der sich die Fotodiode auf der Rückseite des Bauelements befindet, während die Schaltkreise, wie Verstärker und Schaltelemente, auf der Vorderseite angeordnet sind. Die Fotodiode und die Schaltkreise sind über eine interne Verdrahtung verbunden. Der Herstellungsprozess ist zwar komplexer, aber die Fotodioden können lückenlos angeordnet werden, was insbesondere die Lichtsammeleffizienz verbessert.

Die Schaltkreise in CMOS-Sensoren arbeiten mit einer einzigen Stromversorgung, so dass im Grunde nur eine einzige Versorgungsspannung von etwa 3,3 V erforderlich ist, während bei CCD-Sensoren mehrere Spannungen an die CCD geliefert werden müssen, die den Übertragungsweg darstellen, was die Konfiguration der Stromversorgung komplexer macht. Cmos-Sensoren haben einen Vorteil in Bezug auf den Stromverbrauch.

Weitere Informationen über CMOS-Sensoren

1. Marktanteil der CMOS-Sensoren

In der Blütezeit der CCD-Sensoren hatte Sony einen beherrschenden Marktanteil, aber jetzt, da sich CMOS-Sensoren durchgesetzt haben und ihre Hauptanwendung sich auf Smartphones verlagert hat, geht der Marktanteil von Sony allmählich zurück. Im Jahr 2021 wird der wertmäßige Marktanteil von Sony 45 % betragen, Samsung liegt mit 26 % an zweiter Stelle und OmniVision mit 11 % an dritter Stelle.

2. Größe der CMOS-Sensoren

CMOS-Sensoren gibt es in verschiedenen Größen, von groß bis klein.
Am Beispiel der Canon CMOS-Sensoren gibt es sechs verschiedene Größen von Bildsensoren, und zwar.

  • 35 mm Vollformat (ca. 36 mm x 24 mm)
  • APS-H-Größe (ca. 29 mm x 19 mm)
  • APS-C-Größe (ca. 22 mm x 15 mm)
    Sie werden jedoch nicht an die breite Öffentlichkeit verkauft und sind auf die Verwendung in eigenen Kameras beschränkt.
  • 1 Zoll
  • 2/3 Zoll
  • 1/1,8 Zoll

Generell gilt: Je größer der Sensor, desto besser ist die Bildqualität bei gleicher Pixelzahl. Je größer die Blende, desto besser ist auch die Empfindlichkeit.

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Reed-Relais

Was ist ein Reed-Relais?

Ein Reed-Relais (Englisch: leed relay) ist ein elektromagnetischer Schalter, der durch Anlegen eines Stroms an eine Antriebsspule aktiviert wird.

Es besteht aus einer Kombination von elektromagnetischen Spulen um einen oder mehrere Reed-Schalter und einem kleinen Relais, das durch elektromagnetische Kraft öffnet und schließt. Das in der Spule erzeugte Magnetfeld betätigt die Kontakte mechanisch, so dass im Vergleich zu Halbleiterschaltern nur ein sehr geringer Leckstrom vorhanden ist, wenn der Schalter nicht in Betrieb ist.

Da sie eingangs- und ausgangsseitig unabhängig und ohne Polarität sind, lassen sich beispielsweise Fehler bei der Installation vermeiden. Weitere Vorteile sind die hohe Druckfestigkeit, die hohe Isolierung, die Staubdichtigkeit und die Beständigkeit gegen die Einwirkung von Fremdgasen.

Anwendungen für Reed-Relais

Reed-Relais werden in einer Vielzahl von elektrischen Geräten eingesetzt. Obwohl Halbleiterrelais derzeit der wichtigste Relaistyp sind, werden sie häufig in Anwendungen eingesetzt, für die Halbleiterrelais nicht geeignet sind.

Geeignete Umgebungen für den Einsatz von Reed-Relais sind unter anderem.

  • Elektrische Geräte, die durch schwache Leckströme erheblich beeinträchtigt werden, wenn Halbleiterrelais geöffnet sind.
  • Elektrische Geräte, die in einer Umgebung betrieben werden müssen, in der Substanzen vorhanden sind, die Halbleiter verunreinigen können. 
  • Schaltkreise, die für Relais mit sehr hohen Spannungen oder in Hochspannungsumgebungen verwendet werden.

Konkrete Anwendungsbeispiele sind.

  • Akkumulatoren für Elektrofahrzeuge, Solarbatterien
    Reed-Relais werden eingesetzt, wenn die Systemspannung hoch ist und ein stabiler Betrieb auch bei Spannungen von über 1.500 V DC erforderlich ist.
  • Medizinische Geräte
    Für Anwendungen wie die Steuerung von Elektrokautern, Schaltungen zur Erkennung der Bettposition, Hochspannungsladeschaltungen für AEDs und die Erkennung von im Körper verbliebenen chirurgischen Instrumenten sind äußerst zuverlässige Schalter erforderlich.

Prinzip des Reed-Relais

Reed-Relais bestehen aus einem Reed-Schalter und einer Spule. Der Reed-Schalter besteht aus einer Glasröhre, die hermetisch mit Inertgas verschlossen ist und zwei Leitungen mit einem Spalt dazwischen enthält. Die Zungen im Inneren des Reedschalters bestehen aus einem magnetischen Material, das der Kraft eines Magneten ausgesetzt ist, und die Kontakte, an denen die Zungen bei Betätigung miteinander in Kontakt kommen, sind mit einem hochstromfähigen Metall versehen.

Das Magnetfeld, das durch den Stromfluss in der äußeren Spule des Reed-Schalters erzeugt wird, bewirkt, dass die beiden Relais im Reed-Schalter miteinander in Kontakt kommen. Der Strom fließt durch die Kontakte und sie funktionieren als Relais. Wenn das Reed-Relais angesteuert wird, wird durch die Spule ein Magnetfeld erzeugt.

Dieses kann daher die umgebenden elektronischen Bauteile beeinflussen, und es muss auf die Einbaulage und die Einsatzbedingungen geachtet werden. Außerdem muss die Schaltung, in der das Reed-Relais verwendet wird, korrekt ausgeführt werden, z. B. durch eine Funkenlöschschaltung, durch eine Schutzschaltung gegen vorübergehend hohe Ströme und gegen Rückströme.

Merkmale von Reed-Relais

Reed-Relais weisen im Vergleich zu anderen Relais eine Reihe von Merkmalen auf.

  • Im Vergleich zu Halbleiterschaltern haben mechanische Schalter einen sehr geringen Ableitstrom, wenn die Kontakte geöffnet sind
  • Keine Polaritätsspezifikation für Eingang und Ausgang, wodurch Betriebsfehler reduziert werden
  • Generell hohe Spannungsfestigkeit und hohe Isolierung
  • Im Vergleich zu allgemeinen elektromagnetischen Relais sind die Kontaktstellen hermetisch abgedichtet und werden durch Staub und organische Gase weniger beeinträchtigt
  • Kompakt, leicht und mit langer Lebensdauer
  • Schneller Betrieb und Erholungszeiten von ca. 1/10

Weitere Informationen über Reed-Relais

1. Lebensdauer von Reed-Relais

Relais haben eine elektrische und eine mechanische Lebensdauer.

Elektrische Lebensdauer
Dies ist die Lebensdauer bei Widerstandslasttests, bei denen der Reedschalter durch Anlegen einer Last mit Nennspannung an die Spule geöffnet und geschlossen wird. Die elektrische Lebensdauer hängt von der Größe der Last, der Art der Last, der Häufigkeit des Öffnens und Schließens, den Temperaturbedingungen usw. ab.

Mechanische Lebensdauer
Dies bezieht sich auf die Lebensdauer in einem Leerlauftest, bei dem keine Last angelegt wird. Relais sind mechanische Teile, und ihr Öffnen und Schließen führt zu Ermüdung und Verschleiß der Teile selbst. Die Lebensdauer der Relais hängt auch von der Umgebung ab, in der das Relais verwendet wird, z. B. von den Temperaturbedingungen und von Fällen, in denen eine höhere Last als die Nennspannung der Spule angelegt wird.

2. Vorsichtsmaßnahmen bei der Verwendung von Reed-Relais

Wichtige Vorsichtsmaßnahmen bei der Verwendung von Reed-Relais sind Reinigung und magnetische Interferenz.

Reinigung
Da die Drähte der Reed-Relais-Spule in einem Glasrohr versiegelt sind, beeinträchtigt die Reinigung die Eigenschaften der Drähte nicht. Das Produkt muss jedoch immer mit einem Spezialreiniger gereinigt werden.

Magnetische Störungen
Das von der Relaisspule erzeugte Magnetfeld hat Auswirkungen auf die äußere Umgebung. Vor allem bei einer engen Montage kann es vorkommen, dass die Relais aufgrund von magnetischen Interferenzen zwischen ihnen nicht richtig funktionieren. Daher müssen Relais, die nicht magnetisch abgeschirmt sind, mit einem Mindestabstand von 15 mm zwischen den Relais montiert werden.

Außerdem darf das Relais nicht in der Nähe von Objekten verwendet werden, die starke Magnetfelder erzeugen, wie z. B. Transformatoren oder Dauermagneten, da diese Fehlfunktionen verursachen können.

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Pin-Dioden

Was ist eine Pin-Dioden?

Pin DiodenEine Pin-Diode ist eine Diode mit einem echten I-Typ-Halbleiter mit hohem elektrischen Widerstand zwischen dem P-Typ- und dem N-Typ-Halbleiter und einer breiten Verarmungsschicht.

Die breitere Verarmungsschicht verbessert das Ansprechverhalten. Aufgrund des hohen Widerstands des zentralen I-Typ-Halbleiters hat sie die niedrigste Anschlusskapazität aller Dioden; die Durchlassspannung ist fast die gleiche wie bei einer PN-Diode.PIN-Dioden werden als variable Widerstände verwendet, insbesondere bei hohen Frequenzen, da sich ihr Widerstand mit dem fließenden Strom ändert. Sie können auch als Kondensatoren verwendet werden, wenn eine Sperrspannung angelegt wird.

Verwendungen von Pin-Dioden

PIN-Dioden zeichnen sich durch eine geringe Kapazität zwischen den Anschlüssen, einen niedrigen Serienwiderstand und hohe Frequenzen aus. Sie werden daher zum Schalten von Hochfrequenzsignalen, einschließlich Mobiltelefonen, verwendet, da sie die Hochfrequenz-Kommunikationsleitungen weniger beeinträchtigen können. Sie werden auch als variable Widerstände in Bandschaltungen, AGC-Schaltungen und Empfangsdämpfungsgliedern verwendet, da sich ihr Widerstand in Abhängigkeit vom Strom ändert. Sie wirken auch als Kondensatoren, wenn eine Sperrspannung angelegt wird.

Prinzip der Pin-Dioden

1. Wenn eine Vorwärtsspannung an eine Pin-Diode angelegt wird

Wenn eine Vorwärtsspannung an eine Pin-Diode angelegt wird, bewegen sich Löcher aus dem P-Typ-Halbleiter und Elektronen aus dem N-Typ-Halbleiter, um sich im I-Typ-Halbleiter zu treffen und zu rekombinieren, wo die angelegte Spannung bewirkt, dass sich die Elektronen und Löcher sehr schnell bewegen, was den Stromfluss erleichtert. Die aus den P- und N-Halbleitern wandernden Löcher und Elektronen treffen im I-Halbleiter zusammen, wodurch sich der Widerstand ändert. Mit anderen Worten: Der Widerstand ändert sich in Abhängigkeit von der Spannung, so dass das Bauelement als variabler Widerstand verwendet werden kann, indem die Spannung gesteuert wird.

Im Vergleich zu Halbleitern vom PN-Typ, die keinen Halbleiter vom I-Typ aufweisen, haben Pin-Dioden eine bessere Leistung, da sie Ladungsträger wie Löcher und Elektronen besser speichern können.

2. Wenn eine Sperrspannung an eine Pin-Diode angelegt wird

Wird dagegen eine Sperrspannung angelegt, sammeln sich Löcher und Elektronen auf den jeweiligen Oberflächen der P- und N-Halbleiter, und der I-Halbleiter wird zu einem Dielektrikum und wirkt als Kondensator.

Weitere Informationen über PIN-Dioden

1. Leitfähigkeitsmodulation in PIN-Dioden

Unter Leitfähigkeitsmodulation versteht man die Änderung des Widerstands, die dadurch verursacht wird, dass Ladungsträger in eine hochohmige Schicht fließen, wenn diese vorgespannt wird.

Die I-Schicht, die zwischen der P- und der N-Schicht liegt, besteht aus Elementen mit vierwertiger Valenz, wie Silizium (Si) und Germanium (Ge). Als reine Halbleiter, die keine anderen Elemente enthalten, werden sie als echte Halbleiter bezeichnet und sind durch stabile kovalente Bindungen mit acht Elektronen gebunden, was sie zu isolierenden Schichten macht, in denen keine Elektronenübertragung möglich ist.

Wenn sie jedoch in einer Pin-Diode in Durchlassrichtung vorgespannt sind, fließen Löcher aus der P-Schicht und Elektronen aus der N-Schicht, und die I-Schicht wird hochdotiert. Infolgedessen kommt es zu einer Leitfähigkeitsmodulation, und die I-Schicht, die einen hohen Widerstand hatte, wird zu einem niedrigen Durchlasswiderstand, wenn der Strom in Durchlassrichtung fließt.

2. Schalten mit PIN-Dioden

PIN-Dioden werden auch in Hochfrequenzschaltern eingesetzt. Im Niederfrequenzbereich gibt es auch mechanische Schalter, während bei hohen Frequenzen Koaxialrelais und Halbleiterschalter eingesetzt werden. In den letzten Jahren wurden sie aufgrund der weiten Verbreitung von LAN-Kommunikationssystemen und Radarsystemen in Fahrzeugen auch als MMIC-Schalter im Millimeterwellenbereich eingesetzt.

Das Prinzip von PIN-Dioden-Schaltkreisen besteht darin, dass bei Vorwärtsspannung ein Hochfrequenzsignal und bei Rückwärtsspannung kein Hochfrequenzsignal ausgegeben wird. In der Produktpalette gibt es sowohl reflektierende als auch absorbierende Typen. Reflektierende Schalter übertragen hochfrequente Leistung, wenn sie in Sperrichtung vorgespannt sind, und reflektieren sie, wenn sie in Vorwärtsrichtung vorgespannt sind. Absorbierende Schalter haben ein niedriges Stehwellenverhältnis (VSWR) und einen geringen Signalverlust im ein- und ausgeschalteten Zustand.

3. Vor- und Nachteile von PIN-Dioden-Schaltern

Im Allgemeinen sind PIN-Dioden-Schalter in Bezug auf Schaltgeschwindigkeit und Kompaktheit überlegen, haben aber den Nachteil eines hohen Stromverbrauchs.

Der Grund für den hohen Stromverbrauch liegt in der Notwendigkeit einer hohen Vorspannung, um die Einfügeverluste gering zu halten. Um diesen Nachteil auszugleichen, wurde ein optischer Schalter namens MEMS (Micro Electro Mechanical System) für den Millimeterwellenbereich entwickelt, der sich auf dem heutigen Markt immer mehr durchsetzt.

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carte de sondes

Qu’est-ce qu’une carte de sondes ?

Une carte de sondes est un instrument nécessaire à l’inspection au niveau des plaquettes dans le processus de fabrication des semi-conducteurs.

Elles sont utilisées en les attachant à l’équipement d’inspection des plaquettes. La majeure partie du coût des semi-conducteurs est déterminée par l’équipement de fabrication. Le coût du boîtier lui-même et de l’emballage a également un impact significatif au cours de la phase de fabrication. C’est pourquoi il est possible de contrôler les coûts en déterminant si un produit est bon ou mauvais au niveau de la plaquette, une fois le processus de fabrication des semi-conducteurs achevé, et en n’envoyant que les bons produits vers les processus suivants.

Une plaquette contient plusieurs centaines à plusieurs milliers de puces. L’inspection des plaquettes consiste à trier ces puces en déterminant si elles sont bonnes ou mauvaises avant de les découper en pièces individuelles et de les emballer, et les cartes sondes sont nécessaires à ce niveau.

Utilisations des cartes de sondes

L’inspection des plaquettes de silicium implique un testeur LSI : il introduit des signaux électriques, appelés motifs de test, dans la puce et évalue le motif du signal de sortie en le comparant à la valeur attendue, un prober de plaquette. Il contrôle le positionnement au niveau de la puce pour connecter avec précision les signaux aux bornes d’électrodes de chaque puce, et une carte de sonde, qui contrôle le positionnement pour atteindre avec précision des centaines, voire des dizaines de milliers de bornes d’électrodes dans la puce.

Les cartes de sondes doivent donc être fabriquées spécifiquement pour chaque modèle de puce, ce qui est coûteux en soi et nécessite une recréation en raison de l’usure due à l’utilisation, mais est essentiel en termes de coûts de production globaux. Les puces à semi-conducteurs sont utilisées un nombre incalculable de fois, non seulement dans les ordinateurs, mais aussi dans presque tous les produits de notre vie, et les cartes de sondes en sont l’un des supports.

Principe des cartes de sondes

La carte de sondes est montée sur le prober de la plaquette et sert de connecteur entre les bornes d’électrodes de la puce et le testeur LSI via le prober de la plaquette.

Des broches de contact à déversement et des broches à haute densité sont montées sur la tête de test LSI pour la connexion. Le pas de placement des bornes d’électrodes sur la puce semi-conductrice est plus étroit que la densité de placement des broches de la tête de test, à plusieurs dizaines de microns : il est nécessaire de connecter les deux par l’intermédiaire d’une carte de sondes.

Structure des cartes de sondes

La partie supérieure de la carte de sondes comporte les bornes de connexion avec la tête de test et la partie inférieure comporte les aiguilles de connexion aux bornes d’électrodes de la puce semi-conductrice.

En connectant les bornes de connexion de la tête de test et de la carte de sondes, puis en connectant les bornes d’électrode de la puce semi-conductrice et l’aiguille de la carte de sondes, une connexion électrique est formée et chaque puce semi-conductrice sur la tranche de silicium est testée en jugeant si elle est bonne ou mauvaise en fonction des signaux électriques émis par le testeur LSI.

Les cartes de sondes sont disponibles en version avancée et en version cantilever. Dans la version avancée, des blocs avec des bornes verticales sont fixés à la carte et les sondes peuvent être disposées librement pour faciliter la maintenance. Dans le cas du type cantilever, les sondes sont montées directement sur la carte sans aucun bloc, ce qui permet de s’adapter plus facilement aux bornes à pas étroit.

Informations complémentaires sur les cartes de sondes

En raison des exigences de précision et de fiabilité élevées dans l’inspection des wafers, les cartes de sondes sont souvent fabriquées à partir de substrats céramiques. Kyocera utilise par exemple des substrats céramiques monocouches et multicouches à couche mince avec métallisation pour les cartes sondes destinées aux DRAM, aux mémoires flash et aux dispositifs logiques.

En général, les connexions de signaux des circuits semi-conducteurs intégrés à grande échelle, appelés LSI ou LSI système, utilisent des connecteurs à ressort ou des connecteurs à haute densité pour leurs bornes. Les cartes de sondes servent également d’intermédiaire entre cette tête de test et la plaquette à inspecter. Comme elles exigent un haut degré de fiabilité de connexion et des fonctions de performance de test électrique, leurs mécanismes et leurs matériaux sont délicats. Des matériaux tels que la céramique sont utilisés.

Toutefois, les cartes de sondes ont une durée de vie limitée et doivent être remplacées régulièrement. La moindre déformation due à un impact physique les empêche de remplir l’usage auquel elles sont destinées et ce sont des articles consommables difficiles à réparer.

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Led-Treiber

Was ist ein Led-Treiber?

Ein Led-Treiber ist ein integrierter Schaltkreis (IC), der LEDs stabil ansteuert und sicher kontrolliert.

Led-Treiber geben je nach Stromstärke unterschiedlich viel Licht ab, und die Stromstärke variiert je nach Farbe, so dass eine stabile Ansteuerung eine sehr genaue Stromregelung erfordert.

Aus diesem Grund ist die Steuerung mit Hilfe eines Konstantstromkreises sehr wichtig, und dies ist die Hauptfunktion des Led-Treibers.

Verwendungszwecke von Led-Treibern

Wie der Name schon sagt, werden Led-Treiber für die Ansteuerung und Kontrolle von LEDs verwendet. In den letzten Jahren wurden jedoch viele Led-Treiber auch für Beleuchtungsanwendungen verkauft, da LEDs mit ihrem geringen Stromverbrauch und ihrer langen Lebensdauer die erste Wahl für Beleuchtungskörper anstelle von Leuchtstofflampen geworden sind.

Beleuchtungskörper erfordern häufig eine Helligkeitseinstellung, und eine strenge Stromregelung ist für Led-Treiber besonders wichtig. Heutzutage gibt es viele Gründe für die Umstellung auf LEDs für Beleuchtungszwecke, um die Energieeinsparung zu fördern, wie z. B. die SDGs, die auch hocheffiziente Beleuchtung erfordern.

LEDs werden auch als Anzeigelampen in Haushaltsgeräten und Automobilen verwendet, und es werden LED-Treiber für diese Anwendungen entwickelt.

Das Prinzip von Led-Treibern

Led-Treiber steht für Light Emitting Diode (Leuchtdiode) und bezieht sich auf ein Halbleiterelement, das Licht aussendet, wenn eine Vorwärtsspannung an den PN-Übergang angelegt wird. Der Led-Treiber verfügt über eine im IC integrierte Schaltung zur Erzeugung eines konstanten Stroms sowie, je nach Produkt, über eine PWM-Steuerschaltung und eine SPI- oder I2C-Schnittstelle.

Im Allgemeinen variiert die von LEDs emittierte Lichtmenge mit der Höhe des angelegten Stroms, aber LEDs ändern auch ihre Emissionsfarbe (Emissionswellenlänge) in Abhängigkeit vom Stromwert. Darüber hinaus kann ein zu hoher Strom die Lebensdauer des Geräts erheblich beeinträchtigen. Daher ist es notwendig, den optimalen Stromwert für die eingesetzte LED unter Berücksichtigung der Lichtstärke, des Farbtons und der Lichtausbeute entsprechend den Leuchteigenschaften der LED genau zu steuern, wozu LED-Treiber eingesetzt werden.

Led-Treiber können mit einer Kombination aus diskreten Zenerdioden, MOSFETs usw. für einzelne Funktionen konfiguriert werden, aber wenn mehrere LEDs in Reihe oder parallel geschaltet sind und LEDs verschiedener Emissionsfarben mit unterschiedlichen optimalen Stromwerten in Kombination betrieben werden sollen, werden ICs eingesetzt, um die erforderlichen Spezifikationen zu erfüllen. Der LED-Treiber wird verwendet, um die erforderlichen Spezifikationen zu erfüllen.

Weitere Informationen zu Led-Treibern

1. Treiberformat von Led-Treibern

Bei Led-Treibern gibt es verschiedene Treiberformate, wie z. B. lineare und Step-up/Step-down-Typen.

Linearer Typ
Dieser Schaltungstyp enthält keinen DCDC-Wandler und verwendet MOSFETs und Widerstände für die Konstantstromregelung. Die Einzelfunktion ermöglicht eine Miniaturisierung und Kostenreduzierung, hat aber den Nachteil hoher MOSFET-Verluste bei hohen Eingangsspannungen.

Step-up/Step-down-Typ
Dieser Schaltungstyp ermöglicht einen hocheffizienten Betrieb durch Unterdrückung des Verlustanstiegs während der Step-up- und Step-down-Funktionen, was auch für eine Erhöhung der Anzahl der LED-Stufen genutzt werden kann. Da die Schaltung jedoch komplex und die Kosten hoch sind, werden je nach Anwendung auch häufig Led-Treiber eingesetzt, die nur Boost oder Buck unterstützen.

2. PWM-Steuerung

Die PWM-Steuerung ist bei Led-Treibern zum Dimmen weit verbreitet. Der Grund dafür ist, dass die Methode der Anpassung des Gleichstromwerts des Treibers das Problem der Wärmeentwicklung aufgrund der verringerten Effizienz und der mit den Stromänderungen verbundenen Wellenlängenänderungen (Änderungen der Emissionsfarbe) mit sich bringt.

Bei PWM-gesteuerten Treibern kann die Scheinspannung durch Anpassung der Breite des Rechteckimpulses (Tastverhältnis) variiert werden, und beim Dimmen tritt kein Leistungsverlust auf. Bei solchen Treibern wird die Dimmung der LEDs oft mit einem halbfesten Widerstand durchgeführt. Wenn man den halbfesten Widerstand entfernt und durch ein Volumen ersetzt, kann man einen Led-Treiber realisieren, der mit dem Volumen eingestellt werden kann.

Die Helligkeit von LEDs ist proportional zum Tastverhältnis des Impulses, aber wenn der EIN/AUS-Zyklus zu langsam ist, kann dies vom menschlichen Auge erkannt werden und zu einem Flackern der Beleuchtung führen. Daher muss auf die eingestellte Frequenz der PWM-Steuerung geachtet werden.

3. Serielle Schnittstelle

In Haushaltsgeräten und Kfz-Instrumententafeln werden häufig mehrere verschiedenfarbige LEDs verwendet. Je nach Art und Anzahl der anzusteuernden LEDs kann der IC-Anschluss schwierig sein, wenn nur analoge Signale für EIN/AUS und Vorspannungswerte ausgetauscht werden. In solchen Fällen werden serielle Schnittstellen mit digitaler Steuerung über wenige Drähte, wie SPI oder I2C, verwendet.

Zu den Led-Treibern mit serieller Schnittstellenfunktionalität gehören sowohl große Produkte, die mehrere hundert LEDs gleichzeitig steuern können, als auch Produkte, die die Helligkeit einzelner Kanäle steuern und diagnostizieren können.

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Kfz-Relais

Was ist ein Kfz-Relais?

Kfz RelaisKfz-Relais sind buchstäblich Relais, die für die Steuerung elektrischer Komponenten in Fahrzeugen konzipiert sind.

Es gibt eine große Anzahl von Kfz-Relais für unterschiedliche Anwendungen. Da der Aufbau der elektrischen Schaltkreise von Automobilhersteller zu Automobilhersteller unterschiedlich ist, werden verschiedene Relais nach den Normen des Automobilherstellers und für unterschiedliche Belastungen hergestellt und verkauft.

Seit kurzem ist es möglich, bei der Reparatur elektrischer Komponenten im Falle einer Fahrzeugpanne das defekte Kfz-Relais im Stromkreis Modul für Modul auf einen Schlag auszutauschen, um eine schnelle Reparatur zu ermöglichen.

Verwendungszwecke von Kfz-Relais

Kfz-Relais werden als Relais in elektrischen Schaltkreisen zur Fahrzeugsteuerung eingesetzt. Es gibt viele Arten von Kfz-Relais, darunter Relais zur Steuerung von Lampen wie Scheinwerfern und Rücklichtern sowie Motorsteuerungsrelais zur Betätigung von Fensterhebern und Außenspiegeln.

Sie sind auch ein wesentlicher Bestandteil der elektrischen Schaltkreise in Fahrzeugen, wie z. B. Relais zur Steuerung von Klimaanlagen und Heckscheibenheizungen und solche, die in Schaltkreisen zum Laden der Batterie verwendet werden.

Merkmale von Kfz-Relais

Der allgemeine Aufbau eines Kfz-Relais ist einfach und besteht aus einem Elektromagneten mit einer Lackdrahtspule, die um einen Eisenkern gewickelt ist, einem beweglichen Kontakt und einem festen Kontakt.

Im Grunde gibt es keine besondere Struktur wie bei einem Steuerrelais, aber bei der Konstruktion wurde auf Gewichtsreduzierung, Vibrationsfestigkeit und Haltbarkeit geachtet. Das Gewicht eines Fahrzeugs wirkt sich auf den Kraftstoffverbrauch und die Fahrleistung aus. Obwohl einzelne Kfz-Relais leicht sind, wird in einem Fahrzeug eine große Anzahl von Kfz-Relais verwendet, weshalb es wichtig ist, ihr Gewicht zu reduzieren.

Im Gegensatz zu elektrischen Haushaltsgeräten sind die elektrischen Komponenten in Kraftfahrzeugen außerdem ständig den Vibrationen von Fahr- und Benzinmotoren ausgesetzt. Um die Lebensdauer des Fahrzeugs zu erhöhen, werden Relais mit ausgezeichneter Vibrationsfestigkeit und Haltbarkeit eingesetzt.

Ein weiterer Vorteil ist das geringe Betriebsgeräusch. Kfz-Relais, die für die Steuerung von Motoren, z. B. für die Betätigung von elektrischen Fensterhebern, verwendet werden, sind oft klein und geräuscharm konstruiert. Ein weiteres Merkmal ist, dass sie so konstruiert sind, dass sie die Anforderungen der einzelnen Fahrzeughersteller erfüllen und somit für die Massenproduktion geeignet sind.

Arten von Kfz-Relais

Es gibt verschiedene Arten von Kfz-Relais, je nach ihrer Funktionsweise.

1. Scharnierrelais

Die vom Elektromagneten erzeugte elektromagnetische Kraft zieht ein Eisenstück (beweglicher Kontakt) an, das den Kontakt ein- und ausschaltet. Bei dem in Abb. 1 dargestellten Relais wird bei Erregung des Elektromagneten der Eisenstreifen (beweglicher Kontakt) vom Elektromagneten angezogen, wodurch der Kontakt a ein- und der Kontakt b ausgeschaltet wird. Wenn der Strom abgeschaltet wird, bringt die Rückstellkraft der Rückstellfeder den Eisenstreifen in seine ursprüngliche Position zurück, der a-Kontakt wird ausgeschaltet und der b-Kontakt wird eingeschaltet.

2. Stößelrelais

Wenn der Stößel durch elektromagnetische Kraft angezogen und in die Spule eingeführt wird, wird auch auf der Stößelseite eine elektromagnetische Kraft erzeugt, die zu einer starken Anziehungskraft führt. Durch diesen Mechanismus kann der Stößel einen großen Weg zurücklegen, wodurch die Steuerung großer Relaiskontakte möglich wird.

Ein Beispiel für die Anwendung ist das unten abgebildete EV-Relais (SMR). Bei Reed-Relais basiert die Kontaktkonstruktion auf einem Paar magnetischer Zungen. Eine Spule ist um ein Glasrohr gewickelt, das die Leitungen bewegt und die Kontakte ein- und ausschaltet.

Relais für Elektrofahrzeuge (SMR)
Zu den Kfz-Relais gehören auch Relais für Elektrofahrzeuge. Diese Relais werden als SMR (System-Hauptrelais) bezeichnet und in den Hochspannungskreislauf auf dem Weg von der Hochspannungsbatterie des Fahrzeugs zum Antriebsumrichter und anderen Geräten eingefügt und schalten die Netzspannung ein und aus.

Im Falle einer Fahrzeugkollision wird das SMR so gesteuert, dass es die Hochspannungsbatterie abtrennt, um Sekundärkatastrophen wie Stromschläge usw. zu verhindern. Relais für Elektrofahrzeuge müssen in der Lage sein, Hochspannungsgleichstrom in kurzer Zeit zu unterbrechen, und sie müssen kompakt und leicht sein.

Es wird erwartet, dass die Nachfrage nach EV-Relais in Zukunft weiter steigen wird, da Länder auf der ganzen Welt daran arbeiten, umweltfreundliche Fahrzeuge vor dem Hintergrund der globalen Erwärmung und anderer Faktoren zu entwickeln, die zur Verwirklichung einer dekarbonisierten Gesellschaft beitragen.

Weitere Informationen über Kfz-Relais

Der Markt für Kfz-Relais

Relais werden in den verschiedensten Bereichen eingesetzt, von der FA bis hin zu Verbraucher- und Automobilanwendungen. In jüngster Zeit hat die Nachfrage nach Öko-Autos wie Plug-in-Hybriden und Elektrofahrzeugen zugenommen, was zum Teil auf die von Premierminister Kan propagierte dekarbonisierte Gesellschaft zurückzuführen ist. Es wird daher erwartet, dass der Markt für elektronische Komponenten für die Automobilindustrie mittel- bis langfristig wachsen wird.

Insbesondere die Nachfrage nach Kfz-Relais nimmt weltweit zu, da sie zur Elektrifizierung von Fahrzeugen beitragen. Die Größe des globalen Marktes für Kfz-Relais wird für 2017 auf 12,39 Milliarden USD geschätzt. Es wird erwartet, dass er bis 2022 mit einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate von 6,2 % wächst und bis 2022 16,7 Mrd. USD erreicht.

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Lock-In-Verstärker

Was ist ein Lock-In-Verstärker?

Ein Lock-In-Verstärker ist ein Gerät mit einer Schaltung, die in der Lage ist, ein Komponentensignal mit einer bestimmten Frequenz aus einem Eingangssignal zu extrahieren.

Lock-In-Verstärker entfernen das Rauschen, indem sie ein Referenzsignal und ein Eingangssignal mit einem Mischer im Gerät multiplizieren und dann ein Signal mit der gewünschten spezifischen Frequenz mit Hilfe eines Tiefpassfilters extrahieren. Dabei wird ein gerätespezifischer Wert, die so genannte Zeitkonstante, eingestellt, und je größer die Zeitkonstante ist, desto geringer sind die Schwankungen im Ausgangssignal.

Anwendungen von Lock-In-Verstärkern

Lock-In-Verstärker werden häufig im Bereich der Optik eingesetzt, insbesondere bei spektroskopischen Messungen. Manchmal werden sie auch in Kombination mit Mikroskopen verwendet. Lock-in-Verstärker werden insbesondere bei Experimenten eingesetzt, bei denen schwache Signale erfasst werden, z. B. bei astrophysikalischen Messungen wie astronomischen Beobachtungen oder bei spektroskopischen Messungen von dünnen Schichten in der Größenordnung von Nanometern.

Bei Messungen, bei denen das von der Probe stammende Signal schwach ist, z. B. bei dünnen Filmen mit einer Dicke von weniger als ein paar hundert Nanometern, ist ein Gerät wie ein Lock-In-Verstärker, der das Signal verstärkt und das Rauschen entfernt, unerlässlich. Weitere Anwendungen sind die Fluoreszenzmikroskopie und die Mikroskopie mit Raman-Spektroskopie sowie die Sondenmikroskopie wie die Rasterkraftmikroskopie.

Funktionsweise von Lock-In-Verstärkern

Die Funktionsweise eines Lock-In-Verstärkers ist eine schaltungsbasierte Signalverarbeitung, bei der das Eingangssignal durch einen Vorverstärker verstärkt und dann durch einen Mischer mit einem Referenzsignal und einem Tiefpassfilter multipliziert wird, um überschüssige Rauschkomponenten zu entfernen und so das gewünschte spezifische Frequenzsignal aus dem Eingangssignal zu erkennen.

Im Lock-In-Verstärker werden das Eingangs- und das Referenzsignal miteinander multipliziert, um ein Ausgangssignal zu erzeugen, das als Summe oder Differenz der Frequenzen von Eingangs- und Referenzsignal ausgedrückt wird. Wenn Vi=Acos(ωit+Φ) für das Eingangssignal und Vr=Bcosωrt für das Referenzsignal, ist die Frequenz des Ausgangs proportional zu {cos[(ωi-ωr)t+Φ]+cos[(ωi+ωr)t+Φ]}.

Da der Lock-In-Verstärker jedoch als Tiefpassfilter fungiert, ist die einzige verbleibende Komponente das Signal mit ωi-ωr nahe Null. Mit anderen Worten, indem das Signal durch einen Lock-In-Verstärker geleitet wird, kann nur das Eingangssignal extrahiert werden, dessen Frequenz nahe an der des Referenzsignals liegt, und zufällige Komponenten wie Rauschen können entfernt werden.

Als Referenzsignal für den Lock-In-Verstärker wird häufig eine Sinuswelle verwendet. Um die Schaltung zu vereinfachen und die Kosten zu senken, wird manchmal eine Rechteckwelle als Referenzsignal verwendet, aber in solchen Fällen ist die Rauschunterdrückung schlechter als bei einer Sinuswelle.

Weitere Informationen über Lock-In-Verstärker

1. Zeitkonstanten und Rauschen von Lock-In-Verstärkern

Lock-In-Verstärker haben eine so genannte inhärente Zeitkonstante. Die Zeitkonstante ist hier ein Wert, der als Produkt aus dem Widerstand eines an den Stromkreis angeschlossenen Widerstands und der Kapazität eines Kondensators ausgedrückt wird. Die Größe des Rauschens am Ausgang eines Lock-In-Verstärkers ist proportional zum Kehrwert der Zeitkonstante, d. h. je größer die Zeitkonstante ist, desto geringer ist das Rauschen im Ausgangssignal. Typische Zeitkonstanten liegen zwischen 10 Millisekunden und 10 Sekunden, während die Zeitkonstante eines Geräts, das eine digitale Verarbeitung durchführt, etwa 1000 Sekunden beträgt.

Lock-In-Verstärker werden durch das Signal-Rausch-Verhältnis (Signal-Rausch-Verhältnis in dB) beeinflusst, das ein Maß für den Rauschpegel des Eingangssignals ist. Der Rauschpegel des Eingangssignals muss beachtet werden, da sich die Messgenauigkeit des Lock-In-Verstärkers verschlechtert, wenn in der Vorstufe ein Verstärker mit einem schlechten Rauschpegel verwendet wird.

2. Was ist ein Chopper?

Ein Chopper ist ein Gerät, das Flügel in einem festen Zyklus rotieren lässt. Hochempfindliche Messungen, bei denen ein Lock-in-Verstärker und ein Chopper kombiniert werden, können als eine der häufigsten Methoden bei Spektralmessungen bezeichnet werden.

Durch die Platzierung des Choppers im Strahlengang eines kontinuierlichen Lichtstrahls wird das Licht blockiert, wenn sich die Lamelle im Strahlengang befindet, und das Licht wird durchgelassen, wenn sich die Lamelle nicht im Strahlengang befindet, wodurch das gemessene Licht in ein Signal mit konstanter Periode umgewandelt wird. Bei Messungen an Kristallen mit einem großen Absorptionskoeffizienten oder an Lichtwellenleitern mit großen Ausbreitungsverlusten wird das Messlicht von der Probe stark absorbiert, was die Intensität des detektierbaren Lichts verringert und den relativen Rauscheffekt erhöht.

Bei solchen Messungen ist es effektiver, einen Lock-In-Verstärker und einen Chopper zusammen zu verwenden. Durch Modulation eines Signals mit geringem Rauschen und hoher Frequenz mit einem Chopper oder Modulator und dessen effiziente Demodulation mit einem Lock-In-Verstärker kann ein rauscharmes Signal mit der ursprünglichen Frequenz erhalten werden.

3. Digitale Lock-in-Verstärker

Die heutigen Lock-In-Verstärker werden aufgrund ihrer Frequenzerweiterung immer mehr zu digitalen Verstärkern. Ein Referenzsignal mit einem ausgezeichneten Signal-Rausch-Verhältnis und ein steiler Tiefpassfilter sind für die Verbesserung der Leistung von Lock-In-Verstärkern unerlässlich, und digitale Lock-In-Verstärker sind so konfiguriert, dass sie diese Anforderungen erfüllen.

Durch den Einsatz einer PLL (Phase Locked Loop) zur internen Erzeugung einer neuen digitalen Sinuswelle, die mit der Frequenz und Phase eines externen Referenzsignals übereinstimmt, werden Verzerrungen und Fremdgeräusche unterdrückt, und es steht ein Referenzsignal mit einem hervorragenden Signal-Rausch-Verhältnis zur Verfügung. Steile Filtercharakteristiken können auch durch die Verwendung eines mehrstufigen digitalen Tiefpassfilters erreicht werden. Mit der Einführung dieses digitalen Lock-in-Verstärkers können nun Hochfrequenzmessungen bis zu 600 MHz durchgeführt werden.

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Pcb-Entwurf

Was ist Pcb-Entwurf?

Pcb EntwurfDer Begriff Pcb-Entwurf bezieht sich auf den Entwurf von Leiterplatten (Printed Circuit Board, PCB), wobei PCB direkt mit gedruckter Schaltung übersetzt werden kann. Eine gedruckte Schaltung ist eine so genannte strukturierte Leiterplatte, bei der Kupfer auf eine Leiterplatte aus Materialien wie Glas (Glasepoxid), Fasern (Komposit) oder Papierphenol aufgebracht und dann mit einem Lösungsmittel, dem so genannten Ätzen, geätzt wird, so dass nur die Kupferfolie im Schaltungsteil übrig bleibt.

Mit anderen Worten: Der Pcb-Entwurf ist der detaillierte Entwurf des Musters und des Lagenaufbaus auf einer Leiterplatte, zusammen mit den zu platzierenden Chipkomponenten wie ICs und LCRs, unter Verwendung spezieller Schaltpläne, Simulatoren, Verdrahtungslayouts und CAD-Tools für elektromagnetische Felder, Wärmeentwicklung und Spannungsanalyse.

Anwendungen des Pcb-Entwurfs

Der Pcb-Entwurf wird in praktischen Anwendungen in Form von Leiterplatten (PCBs) eingesetzt, die in elektrischen Geräten wie Klimaanlagen, Kühlschränken und Fernsehgeräten verwendet werden. Die Werkzeuge, mit denen die Leiterplatte als eine in das Produkt eingebaute elektronische Platine realisiert wird, sind spezielle CAD-Schaltpläne und CAD-Designs für Leiterplattenmuster.

Das Entwurfsverfahren umfasst in der Regel den Entwurf einer elektronischen Schaltung, die Umwandlung der Schaltung in eine tatsächlich verwendete Komponentenliste und dann die Realisierung einer Kupferfolienmusterschaltung auf der Leiterplatte in Form eines Musters der Schaltung und der montierten Komponenten.

Grundsätze des Pcb-Entwurfs

Um die Prinzipien des Pcb-Entwurfs zu erklären, muss man die Prinzipien der Leiterplatten verstehen, die, wie bereits erwähnt, aus isolierenden, nicht elektrisch leitenden Materialien wie Glas, Fasern oder Papier bestehen, auf denen eine elektrisch leitende Kupferfolie angebracht ist. Die Leiterplatte wird durch Ätzen der Kupferfolie hergestellt, außer an den Stellen, an denen Strom geleitet werden soll.

Der Pcb-Entwurf selbst ist die Information, die benötigt wird, um die Musterschaltung auf der Leiterplatte zu bilden, und die konkretisiert, wie das Muster auf der Leiterplatte zu realisieren ist. Die Informationen zum Musterentwurf, die die Hauptinformationsquelle darstellen, wurden auch im Verwendungszweck beschrieben, aber der erste Schritt ist die elektronische Schaltung, um die gewünschten Funktionen des Produkts zu realisieren.

Ohne diesen Schaltplan kann nichts beginnen. Nachdem der Schaltplan und die montierten Komponenten wie ICs und Chip-Bauteile im CAD erstellt und registriert wurden, werden die Schaltplaninformationen in ein spezielles CAD-System für den Entwurf von Leiterplattenmustern eingegeben. Diese Arbeit wird in der Regel von Mitarbeitern, die sich mit dem Entwurf von Mustern befassen, oder von Unterauftragnehmern erledigt.

Der Leiterplattendesigner gibt die erforderlichen Informationen an die zuständige Person weiter, und die Mindestinformationen, die zu diesem Zeitpunkt benötigt werden, sind die Abmessungen der Leiterplatte, die Lochdurchmesser, die Dicke der Leiterplatte und der Kupferfolie sowie die Platzierung der montierten Komponenten, die im Voraus festgelegt werden müssen. Dies sind die wichtigsten Grundsätze des Pcb-Entwurfs.

Weitere Informationen zum Pcb-Entwurf

1. Regeln für das Leiterplattendesign

Die Regeln für das Leiterplattendesign sind die Regeln, die für den Entwurf des Verdrahtungsmusters der Leiterplatte erforderlich sind. Die eigentliche Regel besteht darin, dass Sie sich zunächst für den Typ der Leiterplatte entscheiden müssen. Der Leiterplattentyp ist die Anzahl der Schichten auf der Leiterplatte, die so genannten Lagen.