Ich habe mich gefragt, welche Entwicklungen heute an elektrischen Bauteilen gemacht werden.
Versuchen die Hersteller, die von ihnen verkauften elektrischen Komponenten dem idealen Modell so nahe wie möglich zu bringen? Ist es beispielsweise das Ziel ihrer Festwiderstände, sich nach dem Ohmschen Gesetz für den breitesten Bereich von Spannungswerten und Frequenzen zu verhalten? Oder hat nichtlineares Verhalten Vorteile, die in einigen Anwendungsfällen vom idealen Modell abweichen?
Antworten:
Oft, aber bei weitem nicht immer , besteht das Ziel darin, das Verhalten einer idealen Komponente zumindest über einen bestimmten Bereich von Frequenz, Spannung, Temperatur usw. zu reproduzieren.
Manchmal weichen Hersteller jedoch absichtlich vom Ideal ab, da für die typische Anwendung eines Bauteils ein gewisses Maß an "nicht idealem" Verhalten wünschenswert ist. Betrachten Sie Bypass- / Entkopplungskondensatoren. Wenn Sie lange in der Elektronik gearbeitet haben, wissen Sie, dass zwischen Leistung und Masse Ihres Stromkreises eine Kapazität erforderlich ist.
Aus Herstellersicht verfügt TDK beispielsweise über eine Reihe von Keramikkondensatoren mit gesteuertem ESR, die für die Umgehung / Entkopplung der Stromversorgung vorgesehen sind. Obwohl ein idealer Kondensator einen äquivalenten Serienwiderstand von Null hat, ist der ESR dieser Kondensatoren absichtlich moderat. In der Tat haben sie tatsächlich mehr Geld ausgegebenauf jeder Komponente, um den ESR zu erhöhen, und somit ist die Kappe noch weiter vom vermeintlichen Ideal entfernt als ihre anderen MLCC-Kappen. Wenn Sie jemals die Leistung eines Stromverteilungssystems entworfen oder spezifiziert haben, wissen Sie, dass ein zu hoher ESR bedeutet, dass Ihre Bypass-Kappen nicht wirksam sind, aber ein zu niedriger ESR kann Resonanzen in Ihrem Stromnetz erzeugen und die Spannungswelligkeit erhöhen. MLCCs haben oft ein problematisch niedriges ESR, daher versucht TDK, Komponenten herzustellen, die dieses Problem lösen.
Aus der Sicht eines Ingenieurs, der Bypass-Kappen anwendet, ist es besser, verlustbehaftete (z. B. X5R-, X7R-Dielektrika) als die C0G-Typen mit hohem Q zu wählen: Ihr Stromversorgungssystem weist weniger Welligkeit auf. Wenn Sie einen HF-Filter herstellen, sind die High-Q-Kappen möglicherweise ein besserer Kompromiss.
Daher sind Komponenten manchmal absichtlich nicht ideal, da dies für die typische Anwendungsschaltung am besten ist. Ich habe es am besten gefunden, die Arten von nicht idealem Verhalten zu verstehen, die von bestimmten Komponenten gezeigt werden, und zu versuchen, es in die Schaltung "einzubauen".
Ja - aber zu einem Budget.
Beispielsweise stehen bei Widerständen verschiedene Toleranzen zur Verfügung, die angeben, um wie viel der tatsächliche Ohmwert vom angegebenen Wert abweichen kann. 5% Toleranz waren früher Standard, heutzutage ist 1% nicht wesentlich teurer. Wenn Sie einen Widerstand von 0,001% Toleranz wünschen, müssen Sie mehr bezahlen. Ähnliches gilt für den Temperaturkoeffizienten von Widerständen.
Widerstände haben einen Temperaturkoeffizienten des Widerstands. Drahtwiderstände haben eine Induktivität. Zusammensetzungswiderstände haben ebenfalls eine Induktivität, aber eher wie jedes Stück Draht eine Induktivität.
Kondensatoren haben Serienwiderstand, Leckage und Temperaturempfindlichkeit.
Induktivitäten haben einen Serienwiderstand und können eine signifikante Nebenschlusskapazität und Nichtlinearität der Magnetisierung aufweisen.
Alle passiven Komponenten haben eine Wertetoleranz. Alle werden in verschiedenen Qualitäten und Typen zu verschiedenen Preisen verkauft, um Lösungen für nicht ideales Verhalten für Anwendungen anzubieten, die etwas Besseres erfordern.
Aktive Komponenten und Geräte weisen ähnliche Mängel auf, wobei viele Produktvarianten und Entwurfsmethoden zum Ausgleich verwendet werden.
Versuchen die Hersteller, die von ihnen verkauften elektrischen Komponenten dem idealen Modell so nahe wie möglich zu bringen ?
Natürlich nicht. Dies wäre eine enorme Verschwendung von Zeit, Mühe und Geld. Sie stellen nur Teile her, die gut genug sind , um die Arbeit zu erledigen, für die ihre Kunden sie benötigen - mehr würde nur den Preis erhöhen und ihre Produkte wettbewerbsunfähig machen.
Nehmen Sie zum Beispiel einen einfachen Widerstand. Was sind seine idealen Eigenschaften? Null Toleranz, Null Kapazität und Induktivität, stabil und linear bis unendliche Spannung, unendliche Verlustleistung, unendliche Stromhandhabung usw. Aber selbst wenn ein solches Gerät möglich wäre, wäre es für die meisten Konstruktionen stark überbestimmt. Einige Leute benötigen möglicherweise einen Widerstand, der 1 MW bei 500 kV verarbeiten kann, andere benötigen möglicherweise nur 1 / 4W bei 5 V, aber niemand möchte mehr bezahlen, als er muss.
In allen Fällen ist (oder sollte) die Schaltung so ausgelegt, dass sie mit praktischen Komponenten arbeitet, die nicht ideale Eigenschaften aufweisen - manchmal sehr. Und manchmal ist die Schaltung tatsächlich so ausgelegt, dass sie sie ausnutzt. Ein Transistor funktioniert nicht wie eine "ideale" Komponente - ist aber dennoch nützlich. Transistoren haben normalerweise große Toleranzen und alle haben unerwünschte Eigenschaften, die einen Idealisten zum Weinen bringen würden. Eine typische Schaltung kann Dutzende anderer Teile aufweisen, deren einziger Zweck darin besteht, die "Fehler" des Transistors zu kompensieren. Aber das ist immer noch billiger als der Versuch, eine "idealere" Komponente herzustellen.
Der Hauptgrund für den Wunsch nach "idealen" Komponenten besteht darin, das Schaltungsdesign zu vereinfachen. In der Praxis müssen sie jedoch nicht perfekt sein, sondern nur so gut, dass die Schaltung wie vorgesehen funktioniert. Operationsverstärker werden häufig in Schaltkreisen verwendet, die mit diskreten Komponenten besser funktionieren könnten , aber schwieriger zu entwerfen wären. Viele Produkte verwenden ältere Teile nach Industriestandard, nur weil die Designer mit ihnen besser vertraut sind, und die Hersteller produzieren sie weiterhin in Millionenhöhe, obwohl sie von moderneren Teilen mit besseren Eigenschaften abgelöst werden.
Wenn es einen Grund gibt, warum jemand eine idealere Version von etwas haben möchte und es möglich ist, ein vorhandenes Design zu verbessern. Selbst wenn das neue Ding wirklich teuer wäre, solange es genügend Nachfrage dafür gibt, wird es natürlich gemacht.
Obwohl viele neue Designs und Verbesserungen darauf abzielen, die Dinge kleiner, energieeffizienter usw. zu machen und gleichzeitig das derzeitige Idealniveau beizubehalten.
Es gibt auch das Problem, dass viele Komponenten mehrere Eigenschaften aufweisen und das, was Sie für „idealer“ in Ihrer Anwendung halten, für andere Anwendungen weniger geeignet sein könnte.
Dann haben Sie Komponenten, die nicht für eine bestimmte Verwendung entwickelt wurden, sich jedoch für eine bestimmte Verwendung als gut erwiesen haben. Und natürlich nutzen die Leute die Fehler in den Dingen als Feature, um den verrückten Unsinn zu machen, den sie sich ausgedacht haben.
Es wird also verschwommen, was eine ideale Version von etwas tatsächlich ist. Wir können auch keine exakten Kopien von Dingen erstellen, es gibt immer einige Variationen. Es muss also immer ein gewisses Maß an Toleranz geben.
Ich denke, die offensichtlichsten Beispiele für Dinge, die besser bleiben, sind Leistungsumwandlung und Elektromotoren. Wenn sich Ihr Input-Output-Verhältnis im Laufe der Jahre und auch der Stromverbrauch erheblich verbessert haben, erhalten wir immer wieder Dinge, die immer weniger Strom benötigen, um dasselbe zu tun.
Natürlich tun sie das ... Meistens. Seriöse Hersteller werden immer das Beste bieten wollen, was sie können. Einige Dinge können jedoch einfach nicht erreicht werden. Nehmen wir zum Beispiel Operationsverstärker, es gibt einfach keine Möglichkeit, zum Beispiel eine unendliche Open-Loop-Verstärkung zu erzielen. Es ist auch unmöglich, eine unendliche Eingangsimpedanz oder eine Ausgangsimpedanz von Null zu haben. Aber die Hersteller werden versuchen, so nah wie möglich zu kommen.
Feste Widerstände verhalten sich immer nach dem Ohmschen Gesetz. Alle Hersteller können es so machen, dass es dem angegebenen Widerstand so nahe kommt. Deshalb haben sie Toleranzen.
Der Versuch, ideale Komponenten oder Komponenten mit extremer Präzision herzustellen, kostet Geld, daher wird es immer einige Kompromisse geben, was bedeutet, dass nichts jemals eine Idee sein wird.
Kurz gesagt, ein seriöser Hersteller wird sein Bestes geben, um das bestmögliche Produkt innerhalb eines zulässigen Budgets zu liefern. Je besser die technischen Daten sind, desto teurer ist die Herstellung des Produkts und desto teurer ist der Kauf.
Betrachten Sie den "idealen" Operationsverstärker: enorme Verstärkungsbandbreite, großer Ausgangsantriebsstrom == große Ausgangstransistoren, null Standby-Strom, null Einschwingzeit, stabil für alle positiven dB- und -dB-Verstärkungen, null Kosten == null Chipfläche.
Beachten Sie Konflikte in diesen "Idealitäten"?
Somit gibt es keinen einzigen "idealen" Opamp.