Elektronikk. Sammenkoplingsteknologi. Elektronikk Knut Harald Nygaard 1

Transkript

1 Elektronikk Sammenkoplingsteknologi Elektronikk Knut Harald Nygaard 1

2 Sammenkoplingsteknologi Sammenkopling Kabler Trykte kretskort DAK-verktøy Produksjon Elektronikk Knut Harald Nygaard 2

3 Sammenkopling Liming Vil på sikt erstatte lodding (?) Lodding Mest vanlig Wire-wrapping For prototyper Crimping Ved høyeffekt forbindelser Sveising Internt i IC Ved noen høyeffekt forbindelser Elektronikk Knut Harald Nygaard 3

4 Lodding Lager elektrisk og mekanisk forbindelse mellom metaller Loddetinn er en legering av tinn, kopper, sølv, vismut, indium, sink, antimon og spor av andre metaller Smeltetemperatur: C Bly er ikke lenger tillatt p.g.a. miljøkrav (innen bl.a. EU) Elektronikk Knut Harald Nygaard 4

5 Loddefluks Flukskjerne 1 mm Elektrisk loddemiddel inneholder flukskjerner. Kopper og noen andre materialer som loddes, oksyderer lett. Oksyden fjernes med fluksen. Fluksen reduserer overflatespenningene til loddemiddelet. Dette gjør at loddemiddelet flyter lettere og hindrer tørrlodding. Elektronikk Knut Harald Nygaard 5

6 Loddeforbindelser Loddeøyer (ikke flytende) Riktig loddeforbindelse Tørrlodding vanligvis bare problem ved håndlodding Loddeboltspissen må dekkes med smeltet loddemiddel for å effektivisere varmetransporten Spissen bør tilhøre en loddebolt som holder korrekt temperatur takket være temperaturregulering Elektronikk Knut Harald Nygaard 6

7 Wire-wrapping Brukbar for logikk og lavfrekvens kretser Brukt for å lage prototyper Bruker spesielle pinner, tråd og verktøy for å vikle tråden Raskere enn lodding og enklere å modifisere IC-sokler med wire wrapping pinner er tilgjengelig Elektronikk Knut Harald Nygaard 7

8 Crimping En terminal klemmes på ledningen som dermed holdes fast Den elektriske forbindelsen er ikke gasstett og således utsatt for korrosjon Metoden brukes for forbindelser som er vanskelig å lodde hurtig ledningsføring Elektronikk Knut Harald Nygaard 8

9 Sveising To metalloverflater smeltes sammen Varme besørges av flamme eller elektrisk oppvarming Brukes i hovedsak for å forbinde tråd og pute ( bonding pads ) i IC er, eller for meget store elektrisk ledende overflater Elektronikk Knut Harald Nygaard 9

10 Wiring Sammenlignet med forbindelser på kort, har wiring (sammenkopling ved hjelp av ledninger) høy kost ved sammenkopling for hånd større sannsynlighet for feil Ledning ( Wire ): enkel eller flertrådig leder med eller uten isolering Kabel: Samling av ledninger ( wires ) og ledere bundet sammen, muligens med en felles isolering Elektronikk Knut Harald Nygaard 10

11 Isolasjonsmaterialer Polyvinylklorid (PVC) Temperatur: holdes under 70 O C Polytetrafluoretylen (PTFE), også kalt Teflon Smeltepunkt: 321 O C Polypropylen (PP) Polyuretan (PUR) Polyamid (nylon) Gummi, Silikongummi Elektronikk Knut Harald Nygaard 11

12 Resistans & Resistivitet Resistansen R (Ω) til en leder er proporsjonal med lengden L (m) invers proporsjonal med tverrsnittsarealet A (m 2 ) Proporsjonalkonstanten er resistiviteten ρ (Ωm) R = ρl A Elektronikk Knut Harald Nygaard 12

13 Kabler SNODD PAR Signaler opp til ~ 10 MHz SKJERMET Laveffektsignaler ved audiofrekvenser KOAKSIAL Opp til 1 GHz signaler PARKABEL Radioantenne nedføring BÅNDKABEL Parallell dataforbindelse Elektronikk Knut Harald Nygaard 13

14 Kabeltyper Type Konstruksjon Anvendelse Skjermet En eller flere ledere med hel metallflettet eller spiralformet skjerm & isolering Laveffekt signaltransmisjon opp til audiofrekvensene Snodd par To ledninger isolert og snodd sammen, med heldekkende mantel, muligens skjermet Signaltransmisjon opp til 10 MHz RS-422 data Koaksial En leder omgitt av Signaltransmisjon opp til 1 GHz dielektrikum, metallfletting og ytre isolering Parkabel 2 parallelle ledere ca 10 mm fra hverandre, Radiomottaker antenne nedføring isolert og separert av plastnett Båndkabel tråder lagt i parallell og i samme plan, dekket og separert av isoleringen Parallell logikk forbindelser i datasystemer Elektronikk Knut Harald Nygaard 14

15 Kabler som transmisjonslinjer Hvis en kabel er lenger enn bølgelengden til signalet på den, er den en transmisjonslinje Den karakteristiske impedansen til kabelen er da viktig Vanlig 50, 75 eller 150 ohm. Kabler har en dempning db/m ved en oppgitt frekvens Normal kapasitans < 100pF/m. Elektronikk Knut Harald Nygaard 15

16 Kabel Y tverrsnitt Betegnelse: Ledning oppgis ofte som X / Y, der X er antall tråder, hver med Y mm diameter. Temperatur: For effektanvendelser er strømkapasiteten i tverrsnittet viktig. Spenningsfall kan være viktig. (For kopper: ρ = 1.7 x 10-8 Ω m). Elektronikk Knut Harald Nygaard 16

17 Lyshastighet maksimal utbredelseshastighet for elektriske og elektromagnetiske signaler påvirker oppførselen til elektroniske systemer der dimensjonene overstiger lyshastigheten x signalperioden oppdelte kretsmodeller ikke lenger gyldig ledere må betraktes som transmisjonslinjer Elektronikk Knut Harald Nygaard 17

18 Distribuerte parametre En spenningspuls kan være så kort at ved den tiden den kommer fram til en gitt del av kretsen, kan spenningen ved generatoren allerede ha gått tilbake til null. Oppdelt parameter kretsmodeller (lokalisering av kretsegenskaper i komponenter) er ikke lenger gyldig. Kretsens ledningsføring må betraktes som en transmisjonslinje. Elektronikk Knut Harald Nygaard 18

19 Enkel puls d Hvis varigheten av pulsen T < d/c, har pulsen kanskje ikke rukket R før den er gått til null ved kilden. T < d/c V S R Oppdeling i parametriske kretsmodeller er da ikke lenger gyldig. Strømmen fra spenningskilden vil ikke være bestemt av R, men av den karakteristiske impedansen til transmisjonslinjen. Elektronikk Knut Harald Nygaard 19

20 Karakteristisk impedans Z 0 egenskap til transmisjonslinje, kalt Z 0 avhenger av geometri og dimensjoner til lederne permittivitet til medium eller dielektrikum mellom ledere dynamisk - kan ikke måles med multimeter inngangsimpedans til transmisjonslinjen når lastimpedansen er den samme utgangsimpedans til transmisjonslinjen når kildeimpedansen er den samme Elektronikk Knut Harald Nygaard 20

21 Z 0 distribuerte parametre R Serie Resistans Ω/m L Serie Induktans H/m C Parallell Kapasitans F/m G Parallell Konduktans S/m [ ] R + jωl Z 0 = G + jωc Elektronikk Knut Harald Nygaard 21

22 Karakteristisk impedans Ideell eller tapsfri linje Z 0 = (L/C) siden R og G er 0 Praktisk linje R og G absorberer energi fra utbredelses-bølge eller -puls dempningskoeffisient = α ca 1 eller 2 db/m øker med frekvensen Elektronikk Knut Harald Nygaard 22

23 Utbredelseshastighet 1 1 c ν = = = (LC) (ε 0 ε r µ 0 µ r ) (ε r µ r ) ν utbredelseshastighet L distribuert induktans (H/m) C distribuert kapasitans (F/m) ε 0 ε r friroms permittivitet relativ permittivitet µ 0 friroms permeabilitet µ r relativ permeabilitet c lyshastighet Elektronikk Knut Harald Nygaard 23

24 Transmisjonslinje - uterminert innfallende puls spenningsdobling åpen krets Z = 8 reflektert puls ingen energi kan absorberes av åpen krets innfallende pulse reflekteres pulsene overlapper ved lasten og gir dermed spenningsdobling Elektronikk Knut Harald Nygaard 24

25 Transmisjonslinje terminert med Z 0 innfallende puls ingen reflektert puls tilpasset terminering Z = Z 0 Z=Z 0 virker som lengden av linjen er forlenget til uendelig når en pulse er sendt inn på en linje med uendelig lengde, er den aldri sett igjen! Elektronikk Knut Harald Nygaard 25

26 Transmisjonslinje - kortsluttet innfallende puls ingen spenning ved kortslutning kortslutning Z = 0 invertert reflektert puls ingen energi kan absorberes ved termineringen ingen spenning ved kortslutningen følgelig inverteres den reflekterte pulsen Elektronikk Knut Harald Nygaard 26

27 Refleksjonskoeffisient V r Z - Z 0 Γ = = V i Z + Z 0 V r V i Z Z 0 amplitude til reflektert puls amplitude til innfallende puls termineringsimpedans karakteristisk impedans Elektronikk Knut Harald Nygaard 27

28 Optiske fibre - Spektrum Det elektromagnetiske spektrum Elektronikk Knut Harald Nygaard 28

29 Optiske fibre Snells lov Snells lov sin Φ v 1 sin Φ i sin Φ sin Φ i t t sin Φ = v v = v n = n r n = n 2 1 sin Φ sin Φ = v i n brytningsindeks i mediet v lyshastighet i mediet 2 t Elektronikk Knut Harald Nygaard 29

30 Optiske fibre - oppbygging Oppbygging Forplantning av lysstråle Elektronikk Knut Harald Nygaard 30

31 Optiske fibre - moder Innfallsvinkelens betydning Numerisk apertur: NA = n θ n a 0 0 sinθ - Aksepteringsvinkel = 1for luft a = n 2 1 n 2 2 To forskjellige forplantningsmoder Elektronikk Knut Harald Nygaard 31

32 Optiske fibre - egenskaper Fordeler: Elektrisk isolasjon Immun mot elektromagnetisk interferens Ingen krysstale (interferens mellom nærliggende ledere) Sikkerhet (Informasjon kan ikke tappes) Ulemper: Vanskelig å skjøte Mekanisk svake Elektronikk Knut Harald Nygaard 32