Knallen met elektronica n o 7/8 7/8-2009 een Benelux uitgave e + inclusief EMC-ESD Praktijk elektronica embedded systems inclusief Sensorwijzer Gedistribueerde software beheert levenscyclus elektronisch product De ene zonnecel is de andere niet Rekbare printplaten maken slim textiel comfortabeler
Halfgeleider T-R schakelaar voor hoge vermogens Schakelen met PiN-dioden Ontwikkelaars van radiotransceivers worden altijd geconfronteerd met hetzelfde dilemma: hoe stuur je het sterke zendsignaal naar de antenne, terwijl je voorkomt dat dit signaal het gevoelige front-end van de lokale ontvanger bereikt en er toch een dempingsarme verbinding bestaat tussen zender en ontvanger. GERALD HILLER en RICK CORY, Skyworls Solutions Inc. De manier waarop dit probleem wordt opgelost hangt in zekere mate af van de architectuur van het systeem. Als de zender en de ontvanger op verschillende frequenties werken, kan een filternetwerk worden opgenomen tussen de antenne, de zenduitgang en de ontvangeringang. De filters in zo n zogenoemde diplexer scheiden de zend- en ontvangstsignalen en sturen ze naar de gewenste bestemming. Systemen waarin dezelfde frequentie voor zenden en ontvangen wordt gebruikt, kunnen natuurlijk geen gebruik maken van zo n diplexer. Voor zulke transceivers wordt de scheiding gerealiseerd met behulp van halfgeleiderschakelaars die zijn geconfigureerd als transmit/receive (T-R) schakelaar. Schakelontwerpen Een T-R-schakelaar kan zijn uitgevoerd als een in serie geschakelde PiN-diode tussen de antenne en de zender en een diode tussen de antenne en de ontvanger, zoals getoond in figuur 1. Deze SPDT-schakelaar (single pole, dual throw) wordt bediend door een doorlaatstroom toe te voeren aan de tak waar een verliesarme verbinding moet zijn en een stroom in tegenrichting (of geen stroom) aan de isolerende tak. Dit is een relatief eenvoudige benadering en heeft als voordeel dat hij breedbandig is doordat geen frequentieselectieve onderdelen aanwezig zijn. Een consequentie in dit ontwerp is dat de in serie geschakelde PiN-diode geen al te grote vermogens kan verwerken, waardoor het zendvermogen gelimiteerd blijft. Bovendien moet er een doorlaatstroom beschikbaar zijn in de ontvangst- of standby-toestand. Een meer gangbare benadering werkt met serie- en parallelgeschakelde PiNdioden, zoals in figuur 2. In dit ontwerp worden beide dioden in de doorlaattoestand geschakeld in de zendtoestand, waarbij de seriediode D1 een Figuur 1. Bredeband transmit-receive schakelaar. Figuur 2. Kwartlambda T-R schakelaar 18 elektronica 7/8-2009
HF-techniek Figuur 3. De Sky 12204. dempingsarm pad maakt tussen zender en antenne en de ontvanger wordt beschermd door de lage impedantie van paralleldiode D2. Deze lage impedantie wordt getransformeerd door een kwartlambda-transmissielijn die de antenneaansluiting belast met een hoge impedantie. In de ontvangsttoestand staan beide PiN-dioden in nietgeleidende toestand, dus hoeft er geen energie te worden toegevoerd aan de schakelaar. Ook dit ontwerp heeft qua vermogen zijn beperkingen doordat er in de zendtak een seriediode zit. Ook moet worden opgemerkt dat de paralleldiode in de ontvangsttak dezelfde hoogfrequentstroom voert als de antenne en dus voldoende vermogen moet kunnen dissiperen. Halfgeleider T-R-schakelaar voor hoge vermogens Een ontwerp dat twee parallel geschakelde PiN-dioden bevat een paar kwartlambda-transformatoren kan significant meer RF-vermogen verwerken dan de circuits in figuur 1 en 2. De Sky12204 SPDT-schakelaar werkt met twee parallelle PiN-dioden en is geschikt voor 25 watt CW en 100 watt pieken. De schakelaar heeft een lage demping, nominaal 0,6 db, als hij als T-R-schakelaar wordt gebruikt in het frequentiegebied van 1,90 tot 2,10 GHz, bijvoorbeeld voor TD-SCDMA basisstations. Het interne circuit van de schakelaar is te zien in figuur 3. Het bevat een SPDTschakelaar met twee identieke secties, die met elkaar zijn verbonden aan de RF-aansluiting die antenne is genoemd. De schakelaar kent twee discrete toestanden. De diode in één deel van de schakelaar bevindt zich in geleidende toestand wat resulteert in een lage impedantie en isolatie tussen de antenneaansluiting en de RF-aansluiting aan deze kant van de schakelaar, terwijl de diode aan de andere kant in de nietgeleidende toestand staat, wat over- Figuur 4. Equivalent circuit van de Sky 12204. elektronica 7/8-2009 19
eenkomt met een hoge impedantie en een dempingsarme verbinding tussen de RF-aansluiting en de antenneaansluiting. De andere toestand is precies het tegenovergestelde hiervan. In de schakelaar zijn, in serie met de RF-aansluitingen en tussen de schakelende delen en de antenneaansluiting, condensatoren opgenomen om de gelijkstroom te blokkeren. De isolerende toestand wordt bereikt door het toevoeren van een doorlaatstroom van 50 ma aan de diode. Dit geeft een lage impedantie parallel aan de RF-transmissielijn, waarbij de RFenergie terug naar de bron wordt gereflecteerd. Deze lage impedantie wordt getransformeerd naar een hoge impedantie aan de antenneaansluiting door het circuit dat een kwartlambda-transmissielijn vormt en dat in figuur 3 en 4 is aangeduid als λ/4. De dempingsarme toestand wordt verkregen door de diode in niet-geleidende toestand te brengen, zodat hij een hoge impedantie heeft. Er wordt een tegenspanning aangelegd om te voorkomen dat de diode af en toe gaat geleiden als de RF-stroom zo groot zou zijn dat de diode in doorlaattoestand komt. De grootte van deze tegenspanning in een vermogensschakelaar hangt af van de frequentie, de RF-spanning en de breedte van het i-gebied in de PiNdiode. Voor de Sky12204 wordt een tegenspanning van 7 volt gespecificeerd bij een vermogen van 25 W. Dit is experimenteel bepaald en komt overeen met een theoretische analyse. Het gebruik van een tegenspanning reduceert ook de harmonische vervorming en de intermodulatievervorming die wordt veroorzaakt door de niet-geleidende PiN-diode. Prestaties van de schakelaar De grafieken in figuren 5, 6 en 7 geven een indruk van de prestaties van de Sky12204. De gegevens zijn gemeten bij T A = 25 ºC en Z 0 = 50 Ω. TX, transmissiemodus: V BIAS1 = -7 V, I BIAS2 = 50 ma RX, receivemodus : I BIAS1 = 50 ma, V BIAS2 = -7 V Vermogen Het vermogen dat de schakelaar kan verwerken is gerelateerd aan de dissipatiecapaciteit van de PiN-diode parallel aan de ontvanger. In de zendmodus is de RF-stroom in deze diode gelijk aan de RF-stroom in de antenne. Voor een juiste belasting is de formule voor het in de diode gedissipeerde vermogen als volgt: P diss = R sx P trans / Z 0. De gebruikte PiN-diodechip is de APD2220-000. Deze component heeft een nominale serieweerstand (Rs) van 1 Ω bij 50 ma. Bij 25 W zendvermogen is de dissipatie volgens de formule 0,5 W. De waarde voor de thermische weerstand van deze diode is 80 ºC/W; de dissipatie zorgt dus voor een verhoging van de junctietemperatuur van 40 ºC. Voor een betrouwbare werking zou de junctietemperatuur niet boven de 175 ºC moeten komen. Als de schakelaar onjuist wordt belast, neemt het gedissipeerde vermogen drastisch toe. Aangetoond kan worden dat voor een staandegolfverhouding (SWR) van de belasting van 2,0 het gedissipeerde vermogen toeneemt tot 0,88 W en bij een totale misaanpassing, SWR =, zal de dissipatie theoretisch stijgen tot 2,0 W. Dit zijn worst case scenario s die ervan uitgaan dat de fase van de misaanpassing een maximum stroom veroorzaakt in de PiN-diode en dat de vermogensversterker een volledige spanning en stroom genereert in de misaangepaste antenne. Vervorming In een geleidende PiN-diode wordt vervorming veroorzaakt doordat de diode- Figuur 5. Demping van de Sky12204 in transmit modus. Figuur 6. Demping in de receive modus. 20 elektronica 7/8-2009
Halfgeleiders weerstand varieert binnen de perioden van het RF-signaal, wat resulteert in een weerstandswaarde die gedurende de tijd verandert. Dit effect kan worden geanalyseerd en het blijkt dat bij een schakelende PiN-diode het vervormingsgedrag verbetert bij toenemende frequentie en een dun i-gebied in de diode levert ook betere vervormingseigenschappen op dan een dikker gebied. Vervorming is ook evenredig met de hoeveelheid opgeslagen lading (doorlaatstroom vermenigvuldigd met de levensduur van de dragers) en omgekeerd evenredig met de weerstand van de PiN-diode. De vervorming die wordt gegenereerd door een PiN-diode in niet geleidende toestand (reversed biased) wordt veroorzaakt door de momentane verandering van capaciteit en geleding gedurende de periode van het RF-signaal. De vervorming is het slechtst bij zeo bias en verbetert naarmate de aangelegde tegenspanning hoger wordt. Reverse bias vervorming neemt toe als de frequentie toeneemt en een dik i-gebied heeft betere reverse bias vervormingskarakteristieken dan een dun gebied. Op de Sky12204 zijn vervormingsmetingen uitgevoerd door het aanleggen van twee +15 dbm signalen op een onderlinge afstand van 5 MHz. Vervolgens werd de amplitude gemeten van de derde orde intermodulatiesignalen ten opzichte van de draaggolven. Uit deze meting is het ingangs derde orde intermodulatie interceptiepunt (IIP3) berekend. Deze berekeningen kwamen tot waarden van meer dan + 90 dbm; de metingen zelf werden gelimiteerd door systeemruis en toonde een IIP3 van meer dan + 80 dbm. Skyworks specificeert conservatief op nominaal > +70dBm. n Referenties Design with PiN diodes, Skyworks Application Note APN1002 R. Caverly en G. Hiller: Distortion in PiN Diode Control Circuits, IEEE Trans. On Microwave Theory and Techniques, vol. MTT-35, p. 492, mei 1987 R. Caverly en G. Hiller: Establishing thr Minimum Reverse Bias for a PiN Diode in a High Power Switch, IEEE Trans. On Microwave Theory and Techniques, vol. MTT-38, p. 1938, dec. 1990 BFi Optilas www.bfioptilas.nl Figuur 7. De relatie tussen frequentie en isolatie. LIKSEMBEVEILIGING HANDBOEK BLIKSEMBEVEILIGING VOOR GEBOUWEN EN INSTALLATIES Michiel Hartmann Peter Hasse e.a. Handboek Bliksembeveiliging Hét Nederlandstalige standaardwerk over bliksembeveiliging voor gebouwen, installaties en apparatuur. In dit boek wordt op een toegankelijke wijze diepgaand ingegaan op alle aspecten van bliksembeveiliging. Vooral de laatste jaren zijn er veel ontwikkelingen geweest in het vakgebied bliksembeveiliging. Niet op de laatste plaats door het verschijnen van de nieuwe norm, waarin nu alle wereldwijde ervaringen ten aanzien van het ontstaan en de gevolgen van onweer en bliksem en de beveiligingsmaatregelen hier tegen, gebundeld zijn. Aangezien deze nieuwe norm voor bliksembeveiliging, de NEN-EN-IEC 62305, sterk is gewijzigd ten opzichte van de voorgaande norm NEN 1014, is deze nieuwe norm als leidraad gebruikt voor dit boek. Dit handboek richt zich tot vakmensen en studenten in de elektrotechniek en in het bijzonder tot diegenen die zich (gaan) bezighouden met de planning, de advisering, het ontwerp, de productie en installatie en het testen dan wel onderhouden van elektrotechnische en elektronische systemen. HARTMANN E.A. EMC reeks Handboek Bliksembeveiliging Omvang: 448 pagina s 73,50 Bestel online: www.engineersonline.nl/shop 05-05-2008 14:37:52 elektronica 7/8-2009 21