Návrh elektronických zariadeníPREDNÁŠKY

Návrh elektronických zariadeníSKCube

Ing. Ondrej Závodský – zawin – Bc. Ing. UNIZA, FEIT, KME

Ing. Ľubomír Pasternák – luboss17 – Bc. UNIZA, FEIT, KME

FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A INFORMAČNÝCH TECHNOLÓGIÍ KATEDRA MECHATRONIKY A ELEKTRONIKY 2

Návrh elektronických zariadeníBalón universum

➢ Ondrej Závodský - organizátor projektu, vývoj dosky riadenia a senzorov

➢ Ing. Peter Goga - bezdrôtový prenos obrazu cez zigbit, spracovanie dát

➢ Ing. Peter Šindler - cenné rady pri vývoji

➢ Juraj Košťál - bezdrôtový prenos obrazu cez zigbit

➢ Marek Gešnábel - návrh a realizácia antén

➢ Ľubomír Pasternák - vývojové diagramy, realizácia programu pre merač radioaktivity

FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A INFORMAČNÝCH TECHNOLÓGIÍ KATEDRA MECHATRONIKY A ELEKTRONIKY 3

➢Martin Knocik - realizácia záložného vysielača

➢ Martina Gálusová - návrh gondoly v Audodesk Inventor

➢ Tomáš Kušnier - zhotovenie gondoly, grafika

➢ Juraj Krcho - zhotovenie gondoly, foto

➢ Pavol Bystričan - realizácia dosky geiger-mulleroveho čítača

➢ Miloš Harmady - úprave fotoaparátaCanon pre firmware CHDK

➢ Jozef Vokel - realizácia záložného vysielača, programovanie software

Návrh elektronických zariadení

FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A INFORMAČNÝCH TECHNOLÓGIÍ KATEDRA MECHATRONIKY A ELEKTRONIKY 4

Ako vznikajú elektronické zariadenia

Návrh elektronických zariadení

Idea elektronického

zariadenia

Špecifikácia parametrov

Špecifikácia prostredia

Obvodový návrh /

modifikácia

Výpočty Simulácia

navrhnutého zariadenia

Spĺňa parametre

Návrh schémyNávrh DPS

Definovanie zmien v

obvodovom návrhu

Implementovanie požadovaných

noriem

Definovanie noriem (schem.

značky)

Definovanie púzdier súčiastok

Pravidlá EMCTestovanie signálovej integrity

Výroba DPS

Generovanie výrobnej

dokumentácie

Generovanie výrobných

súborov

Oživenie a testovanie prototypu

Spĺňa parametre

Predlohy vrstiev DPS

Vŕtacie predlohy

Osadzovacie plány

Potlač DPS

NIE

NIE

Výsledný produkt

Výroba elektronického

zariadenia

FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A INFORMAČNÝCH TECHNOLÓGIÍ KATEDRA MECHATRONIKY A ELEKTRONIKY 5

Špecifikácia parametrov➢ 1 alebo 3f napájanie

➢ Vstupné a výstupné veličiny➢ Vstupný rozsah napätí➢ Európa 220 – 240 V 50Hz

➢ USA 100 – 127 V 50Hz

➢ Japonsko 100 – 127 V 50 – 60 Hz

➢ Maximálne zvlnenia výstupných veličín

➢ Napätia a prúdy v medzi-obvodoch

➢ Typ napájacích sietí➢ TN-C

➢ TN-S

FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A INFORMAČNÝCH TECHNOLÓGIÍ KATEDRA MECHATRONIKY A ELEKTRONIKY

6

Špecifikácia prostredia➢ Teplota

➢ Tlak

➢ Radiácia

➢ Vlhkosť

➢ Prašnosť

➢ Vibrácie

➢ ...

FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A INFORMAČNÝCH TECHNOLÓGIÍ KATEDRA MECHATRONIKY A ELEKTRONIKY 7

Obvodový návrh / simulácia

FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A INFORMAČNÝCH TECHNOLÓGIÍ KATEDRA MECHATRONIKY A ELEKTRONIKY 8

Orcad Matlab Ansys

Comsol Ltspice Mulitsim

Orcad➢ OrCad ja softvérový nástroj v prevažnej miere používaný pre návrh elektrických zariadení.

➢ Softvér je využívaný hlavne pri tvorbe dokumentácie elektronických zariadení pre výrobu plošných spojov aj pre automatizované systémy.

➢ Umožňuje kreslenie elektrických schém a ich simuláciu.

FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A INFORMAČNÝCH TECHNOLÓGIÍ KATEDRA MECHATRONIKY A ELEKTRONIKY 9

MatlabMATLAB je programovacie prostredie špecializujúce sa na

➢ vedecko-technické numerické výpočty

➢ modelovanie

➢ návrhy algoritmov

➢ počítačových simulácií

➢ analýzu a prezentáciu údajov

➢ merania a spracovania signálov

➢návrhy riadiacich a komunikačných systémov

FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A INFORMAČNÝCH TECHNOLÓGIÍ KATEDRA MECHATRONIKY A ELEKTRONIKY 10

Ansys➢Multi-fyzikálny softvér, v ktorom možno robiť tepelné, elektrické, štrukturálne, magnetické a rôzne iné druhy analýz.

➢ Na výpočet používa metódu konečných prvkov (finite element method), ktorá spočíva v rozdelení geometrického modelu do veľkého počtu bodov (uzlov), pričom sa konkrétna hodnota veličiny počíta pre každý uzol osobitne.

FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A INFORMAČNÝCH TECHNOLÓGIÍ KATEDRA MECHATRONIKY A ELEKTRONIKY 11

ComsolMulti-fyzikálny modelovací nástroj:

➢ elektrické prúdy

➢elektrostatiku

➢prestup tepla

➢laminárne prúdenie tekutín

➢akustiku

➢lineárnu pružnosť a pevnosť

➢magnetické polia

FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A INFORMAČNÝCH TECHNOLÓGIÍ KATEDRA MECHATRONIKY A ELEKTRONIKY 12

Súčiastky➢ THT - Through-hole technology

➢ SMT - Surface MountingTechnology

➢ SMD - Surface Mounted Devices

FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A INFORMAČNÝCH TECHNOLÓGIÍ KATEDRA MECHATRONIKY A ELEKTRONIKY 13

Parametre súčiastok➢ Púzdro

➢ Hodnota

➢ Napäťové zaťaženie

➢ Výkonové dimenzovanie

➢ Tolerancia

➢ Teplotný koeficient

➢ Štandardy

➢ Výrobca

➢ Balenie

FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A INFORMAČNÝCH TECHNOLÓGIÍ KATEDRA MECHATRONIKY A ELEKTRONIKY

14

PúzdrasúčiastokUkážka rôzneho púzdreniasúčiastok

➢ Napäťová odolnosť

➢ Výkonové zaťaženie

FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A INFORMAČNÝCH TECHNOLÓGIÍ KATEDRA MECHATRONIKY A ELEKTRONIKY 15

Hodnoty súčiastokRozsahové rady rezistorov a kondenzátorov

➢ E6 20%

➢ E12 10%

➢ E24 5%

➢ E48 2,5%

➢ E96 1%

➢ E192 0,5%

FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A INFORMAČNÝCH TECHNOLÓGIÍ KATEDRA MECHATRONIKY A ELEKTRONIKY

16

Parazitné vlastnosti rezistora

➢ Rezistor s karbónovým filmov je možné použiť do 1MHz.

➢ Vinuté rezistory sa neodporúčajú nad 50 kHz.

➢ SMD rezistory sú vhodné pre použitie GHz frekvencií.

FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A INFORMAČNÝCH TECHNOLÓGIÍ KATEDRA MECHATRONIKY A ELEKTRONIKY 17

FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A INFORMAČNÝCH TECHNOLÓGIÍ KATEDRA MECHATRONIKY A ELEKTRONIKY 18

Odporový rozsah

FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A INFORMAČNÝCH TECHNOLÓGIÍ KATEDRA MECHATRONIKY A ELEKTRONIKY 19

Odporový rozsah

𝑅±1% = 50490Ω; 51510Ω

𝑅𝑇 = 𝑅0. 1 + 𝑅𝑝𝑝𝑚. 𝑇 − 𝑇0

AEC-Q200 definuje teploty okolia

𝑅𝑝𝑝𝑚 = 50490. 1 + 150 − 20 . −100. 10−6 = 49833.63Ω

𝑅𝑝𝑝𝑚 = 51510. 1 + −50 − 20 . 100. 10−6 = 51870,57Ω

FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A INFORMAČNÝCH TECHNOLÓGIÍ KATEDRA MECHATRONIKY A ELEKTRONIKY

20

Použitie rôznych teplotných triedRI má TK = 100 ppm/°C

RF má TK = 75 ppm/°C.

Pre 10°C zmenu teploty sa

RI zmení o 0.1% na 1.001 jeho pôvodnej hodnoty

a RF zmení o 0.075% na 1.00075 jeho pôvodnej hodnoty

Nová hodnota zosilnenia teda bude

1,00075.𝑅𝐹

1,001.𝑅𝐼= 0,99975

𝑅𝐹

𝑅𝐼

Teda pre zmenu okolitej teploty sa zmení zosilnenie o 0.025%, čo predstavuje 1 LSB v 12-bitovom systéme.

FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A INFORMAČNÝCH TECHNOLÓGIÍ KATEDRA MECHATRONIKY A ELEKTRONIKY 21

Návrh DPSNávrh schémy

➢ Schéma je primárna dokumentácia a „mapa“ na porozumenie a zostavenie funkčného elektronického zariadenia.

➢ Schéma je schéma obvodov, komponentov a spojení, ktoré sú usporiadané spôsobom, ktorý sa ľahko sleduje.

➢ Schéma obsahuje čo najviac informácií vrátane tolerancií a veľkostí, poznámok o tepelných problémoch, postupoch ladenia, umiestnení kritických komponentov, informácií o PCB, odporúčaní týkajúcich sa riadeného smerovania impedancie a prípadne postupnosť operácií.

➢ Nepredpokladajte, že každý, kto si následne prečíta túto schému, bude vedieť toľko ako vy alebo rovnaké veci ako vy.

FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A INFORMAČNÝCH TECHNOLÓGIÍ KATEDRA MECHATRONIKY A ELEKTRONIKY

22

Návrh DPSVysoké frekvencie

➢ Vo všeobecnosti sa nemusíte starať o vysoké frekvencie, pokiaľ nepracujete so signálmi s frekvenciou 50 MHz alebo vyššou.

➢Usporiadanie dosiek plošných spojov, najmä pri vysokých frekvenciách, je o fyzike toku elektrónov. Pokyny zvyčajne odrážajú zdravý rozum o tom, ako sa elektróny správajú na úrovni dosky.

➢Signály na viac vrstvových DPS môžu interagovať medzi vrstvami.

➢Ak je impedancia stopy v porovnaní so záťažou zanedbateľná, nemusíme sa starať o vysoké frekvencie.

➢Ak je dĺžka stopy väčšia ako 1/3, 1/6 alebo dokonca 1/10 sínusovej vlnovej dĺžky signálu, potom je potrebné s ňou zaobchádzať tak, akoby išlo o prenosovú vedenie.

FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A INFORMAČNÝCH TECHNOLÓGIÍ KATEDRA MECHATRONIKY A ELEKTRONIKY

23

Návrh DPSUsporiadanie komponentov

➢Digitálne signály udržiavajte čo najďalej od analógových signálov. Analógové obvody sú citlivé na digitálne signály vrátane hodín, ktoré môžu spôsobovať šum na analógovej strane vášho systému.

➢Udržujte stopy čo najkratšie. Komponenty umiestnite fyzicky blízko čipov, ktoré upravujú (napr. Pull-up odpory, bypass kondenzátory).

➢Stopy, ktoré navrhnete vedľa seba alebo na sebe (na susedných vrstvách), môžu vyvinúť parazitickú kapacitu a indukciu, ktorá vedie k presluchu a väzbe. Pokiaľ je to možné, navrhujte stopy v susedných vrstvách kolmo na seba.

➢Pri DPS s viacerými vrstvami by mala byť aspoň jedna vrstva vyhradená pre zem (GND), znížime tak parazitné javy.

FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A INFORMAČNÝCH TECHNOLÓGIÍ KATEDRA MECHATRONIKY A ELEKTRONIKY

24

Návrh DPSUsporiadanie komponentov

FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A INFORMAČNÝCH TECHNOLÓGIÍ KATEDRA MECHATRONIKY A ELEKTRONIKY

25

Návrh DPSUmenie aj veda

➢ Navrhovanie úspešného rozloženia DPS môže byť jednoduché (pre jednoduchý obvod) alebo intenzívna veda pokrývajúca niekoľko disciplín s potenciálom extrémnej komplexnosti.

➢ Rozloženie PCB môže byť zložité, ak sú požiadavky na výrobok veľkosť, viacnásobné vrstvy, veľa rôznych komponentov a rôzne typy signálov (napr. vysokorýchlostné, nízke napätie, vysoké napätie, digitálne, analógové).

➢Predpisy a environmentálne normy sú tiež súčasťou procesu navrhovania DPS.

FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A INFORMAČNÝCH TECHNOLÓGIÍ KATEDRA MECHATRONIKY A ELEKTRONIKY

26

MSP430 launchpad

FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A INFORMAČNÝCH TECHNOLÓGIÍ KATEDRA MECHATRONIKY A ELEKTRONIKY 27

Fake súčiastky

FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A INFORMAČNÝCH TECHNOLÓGIÍ KATEDRA MECHATRONIKY A ELEKTRONIKY 28

Typ koncovej kabeláže

FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A INFORMAČNÝCH TECHNOLÓGIÍ KATEDRA MECHATRONIKY A ELEKTRONIKY 29

Použité zdroje➢ https://opensourceforu.com/wp-content/uploads/2017/12/Electronics.jpeg, http://old.spsemoh.cz/vyuka/zel/rezistory.htm

➢ http://wiki.ocrobot.com/doku.php?id=en%3Aknowledge%3Aelectronic%3A20180421, https://www.mpledziarovky.sk/fotky26210/fotos/_vyr_2997_vyr_259RE002.jpg

➢ https://www.gme.sk/data/product/1024_1024/pctdetail.114-273.1.jpg, https://www.gme.sk/data/product/1024_1024/pctdetail.110-049.1.jpg

➢ www.svetelektro.com, https://sound-au.com/fake/fs-front.jpg, https://kenarah.files.wordpress.com/2017/07/fakechinesecaps.jpg?w=584

➢ https://i.imgur.com/px1C7kM.jpg, https://hackaday.com/wp-content/uploads/2017/12/fakeparts_detail.jpg, https://i.redd.it/kwujrq5q09s21.jpg

➢ https://starecat.com/content/wp-content/uploads/how-computers-are-made-creative-explaination.jpg, https://sc02.alicdn.com/kf/HTB1LVi7wwaTBuNjSszfq6xgfpXas/200251092/HTB1LVi7wwaTBuNjSszfq6xgfpXas.jpg

➢ https://ochen.com/wp-content/uploads/2019/09/5pL99GiQYKgmevLmKoir_Plug-Types-of-the-world-WiFi_Socket_1[1].png, https://tallbloke.files.wordpress.com/2014/07/atm-temp-profile.jpg

➢ https://www.researchgate.net/profile/Salehi_Vahid/publication/311532354/figure/fig3/AS:571186270699520@1513192827125/MATLAB-Simulink-model-of-the-electric-skateboards-DC-Motor.png

➢ https://www.eeweb.com/profile/andrew-carter/articles/overview-of-the-film-type-resistors

➢ https://www.artedas.eu/attach/Blocco/image/produits/OrCAD-PSpice%20AD-integration1.png, https://autofem.com/images/stories/en/comparison/tutor1-13.png

➢ https://www.digitalengineering247.com/images/article/COMSOL_5.4-Mixer_App_.png, http://www.farnell.com/datasheets/2310790.pdf, https://www.analog.com/media/en/analog-dialogue/volume-30/number-2/articles/volume30-number2.pdf#page=18

➢ https://sk.farnell.com/c/passive-components/resistors-fixed-value/chip-smd-resistors

➢ https://www.golledge.com/news/the-aec-q200-standard-what-does-it-really-mean/, https://www.microcontrollertips.com/considerations-in-pcb-layout-guidelines-faq/

➢ https://sk.farnell.com/vishay/crcw060351k0fkea/res-51k-1-0-1w-0603-thick-film/dp/1469822

➢ https://www.analog.com/media/en/analog-dialogue/volume-31/number-1/articles/volume31-number1.pdf#page=20, https://www.vishay.com/docs/60107/freqresp.pdf

➢ https://www.powerelectronicsnews.com/step-by-step-example-for-practical-pcb-design-power-supply-design-tutorial-section-3-3/

FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A INFORMAČNÝCH TECHNOLÓGIÍ KATEDRA MECHATRONIKY A ELEKTRONIKY

30

Úloha na doma

https://www.powerelectronicsnews.com/

Step-by-Step Example for Practical PCB Design – Power Supply Design Tutorial Section 3-3

FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A INFORMAČNÝCH TECHNOLÓGIÍ KATEDRA MECHATRONIKY A ELEKTRONIKY

31