Mi chiedevo quali sviluppi vengano fatti oggi sui componenti elettrici.
I produttori cercano di rendere i componenti elettrici che vendono il più vicino possibile al modello ideale? Ad esempio, l'obiettivo dei loro resistori fissi è comportarsi secondo la legge di Ohm per la più ampia gamma di valori e frequenze di tensione? O ci sono vantaggi per il comportamento non lineare che differisce dal modello ideale in alcuni casi d'uso?
Risposte:
Spesso, ma lungi dall'essere sempre , l'obiettivo è replicare il comportamento di un componente ideale, almeno in un intervallo di frequenza, tensione, temperatura, qualunque cosa.
A volte, tuttavia, i produttori si allontanano intenzionalmente dall'ideale perché un certo grado di comportamento "non ideale" è desiderabile per l'applicazione tipica di un componente. Considerare i condensatori di bypass / disaccoppiamento. Se hai lavorato a lungo nell'elettronica, sei consapevole della necessità di capacità tra la potenza e la terra del tuo circuito.
Ad esempio, dal punto di vista del produttore, TDK ha una linea di condensatori ceramici ESR controllati destinati al bypass / disaccoppiamento dell'alimentazione. Sebbene un condensatore ideale abbia una resistenza in serie equivalente a zero, l'ESR di questi condensatori è intenzionalmente moderato. In effetti, hanno effettivamente speso più soldisu ciascun componente al fine di aumentare l'ESR, e quindi il limite è ancora più lontano dal presunto ideale rispetto agli altri tappi MLCC. Se hai mai progettato o specificato le prestazioni di un sistema di distribuzione dell'alimentazione, saprai che un ESR troppo elevato significa che i cappucci di bypass non sono efficaci, ma un ESR troppo basso può creare risonanze nel sistema di alimentazione, aumentando l'ondulazione di tensione. Gli MLCC hanno spesso un ESR problematicamente basso, quindi TDK sta cercando di creare componenti che risolvano questo problema.
Dal punto di vista di un ingegnere che applica i cappucci di bypass, è meglio scegliere quelli con perdita (ad es. Dielettrici X5R, X7R) rispetto ai tipi C0G ad alta Q: il tuo sistema di alimentazione avrà meno ondulazioni. Stavi creando un filtro RF, forse i limiti di Q elevati sarebbero un compromesso migliore.
Quindi a volte i componenti sono intenzionalmente non ideali perché è la cosa migliore per il tipico circuito applicativo. Ho trovato meglio capire i tipi di comportamento non ideale esibiti da particolari componenti e provare a "progettarlo" nel circuito.
Sì, ma con un budget limitato.
Ad esempio, nel caso dei resistori, sono disponibili varie tolleranze che indicano quanto il valore ohm effettivo può differire dal valore dichiarato. Il 5% di tolleranza era solito essere standard, in questi giorni l'1% non è significativamente più costoso. Se vuoi una resistenza di tolleranza dello 0,001% dovrai pagare di più. Cose simili si applicano al coefficiente di temperatura dei resistori.
I resistori hanno un coefficiente di temperatura di resistenza. I resistori a filo avvolto hanno induttanza. Anche i resistori di composizione hanno induttanza, ma più come ogni pezzo di filo ha induttanza.
I condensatori hanno resistenza in serie, perdite e sensibilità alla temperatura.
Gli induttori hanno una resistenza in serie e possono avere una significativa capacità di shunt e non linearità della magnetizzazione.
Tutti i componenti passivi hanno una tolleranza del valore. Tutti sono venduti in vari gradi e tipi a vari prezzi per offrire soluzioni a comportamenti non ideali per applicazioni che richiedono qualcosa di meglio.
I componenti e i dispositivi attivi presentano carenze simili con molte varianti di prodotto e metodi di progettazione utilizzati per compensare.
Do produttori cercano di rendere i componenti elettrici che vendono il più vicino al modello ideale il più possibile ?
Ovviamente no. In questo modo sarebbe un'enorme perdita di tempo, fatica e denaro. Costruiscono solo parti sufficientemente buone per svolgere il lavoro di cui i loro clienti hanno bisogno, altrimenti aumenterebbero semplicemente il prezzo e renderebbero i loro prodotti non competitivi.
Prendi ad esempio un semplice resistore. Quali sono le sue caratteristiche ideali? Tolleranza zero, capacità zero e induttanza, tensione stabile e lineare a infinita, dissipazione di potenza infinita, gestione della corrente infinita ecc. Ma anche se un dispositivo del genere fosse possibile, sarebbe ampiamente sovrastimato per la maggior parte dei progetti. Alcune persone potrebbero aver bisogno di un resistore in grado di gestire 1 MW a 500kV, altri potrebbero aver bisogno solo di 1/4 W a 5V, ma nessuno vuole pagare più del necessario.
In tutti i casi il circuito è (o dovrebbe essere) progettato per funzionare con componenti pratici che hanno caratteristiche non ideali - a volte moltissimo. E a volte il circuito è effettivamente progettato per sfruttarlo. Un transistor non funziona come nessun componente "ideale", ma è comunque utile. I transistor di solito hanno ampie tolleranze e tutti hanno caratteristiche indesiderate che farebbero piangere un idealista. Un circuito tipico può avere dozzine di altre parti il cui unico scopo è compensare i "difetti" del transistor. Ma è ancora più economico che cercare di creare un componente più "ideale".
Il motivo principale per cui si desiderano componenti "ideali" è semplificare la progettazione dei circuiti. Tuttavia, in pratica non devono essere perfetti, ma abbastanza buoni da far funzionare il circuito come previsto. Gli amplificatori operazionali vengono spesso utilizzati in circuiti che potrebbero funzionare meglio con componenti discreti, ma che sarebbero più difficili da progettare. Molti prodotti utilizzano parti più vecchie di "standard di settore" semplicemente perché i progettisti ne hanno più familiarità e i produttori continuano a sfornarli a milioni nonostante siano sostituiti da parti più moderne con caratteristiche migliori.
Se c'è una ragione per cui qualcuno vorrebbe una versione più ideale di qualcosa ed è possibile migliorare un progetto esistente. Anche se la nuova cosa sarebbe davvero costosa, fintanto che c'è abbastanza richiesta per essa, ovviamente sarà fatta.
Sebbene molti nuovi progetti e miglioramenti si basino sul rendere le cose più piccole, più efficienti dal punto di vista energetico, ecc., Pur mantenendo gli attuali livelli di idealità.
C'è anche il problema che molti componenti hanno molteplici caratteristiche e ciò che ritieni più "ideale" nella tua applicazione potrebbe esserlo di meno per altre applicazioni.
Quindi hai componenti che non sono stati progettati pensando a un uso, ma si sono rivelati buoni per un certo uso. E, naturalmente, le persone usano i difetti nelle cose come una caratteristica per fare qualsiasi assurdità folle che abbiano mai immaginato.
Quindi inizia a diventare sfocato su quale sia una versione ideale di qualcosa in realtà. Inoltre non possiamo produrre copie esatte delle cose, c'è sempre una certa variazione. Quindi ci deve sempre essere un certo livello di tolleranza.
Penso che gli esempi più ovvi di cose che mantengono meglio sono la conversione di potenza e i motori elettrici. Laddove il tuo rapporto input / output è migliorato molto nel corso degli anni e anche il consumo di energia, continuiamo a ottenere cose che richiedono sempre meno energia per fare la stessa cosa.
Certo che lo fanno .... Il più delle volte. I produttori affidabili vorranno sempre offrire il meglio che possono. Tuttavia, alcune cose non possono essere raggiunte. Prendiamo ad esempio gli op-amp, ad esempio non è possibile ottenere un guadagno infinito ad anello aperto. È anche impossibile avere un'impedenza di ingresso infinita o un'impedenza di uscita zero. Ma i produttori cercheranno di avvicinarsi il più possibile.
I resistori fissi si comporteranno sempre secondo la legge di Ohm. Tutti i produttori possono farlo rendendolo il più vicino possibile alla resistenza specificata. Ecco perché hanno tolleranze.
Cercare di realizzare componenti ideali o componenti di estrema precisione costa denaro, quindi ci saranno sempre dei compromessi che significano che nulla sarà mai idea.
In breve, un produttore rispettabile farà del suo meglio per cercare di dare il miglior prodotto possibile, entro un budget consentito. Migliori sono le specifiche, più costoso è il prodotto da realizzare, e quindi più costoso sarà l'acquisto.
Considera l'opamp "ideale": enorme guadagno-larghezza di banda, enorme corrente di pilotaggio in uscita == enormi transistor di uscita, zero corrente di standby, zero tempo di assestamento, stabile per tutti i guadagni positivi di dB e -dB, costo zero == zero area die.
Notare eventuali conflitti in queste "idealità"?
Quindi non esiste un unico opamp "ideale".