Me preguntaba qué desarrollos se realizan hoy en los componentes eléctricos.
¿Intentan los fabricantes hacer que los componentes eléctricos que venden sean lo más cercanos posible al modelo ideal? Entonces, por ejemplo, ¿el objetivo de sus resistencias fijas se comportan de acuerdo con la ley de Ohm para el rango más amplio de valores de voltaje y frecuencias? ¿O hay beneficios para el comportamiento no lineal que difiere del modelo ideal en algunos casos de uso?
Respuestas:
A menudo, pero lejos de siempre , el objetivo es replicar el comportamiento de un componente ideal, al menos en algún rango de frecuencia, voltaje, temperatura, lo que sea.
A veces, sin embargo, los fabricantes se alejan intencionalmente del ideal porque es deseable un cierto grado de comportamiento "no ideal" para la aplicación típica de un componente. Considere los condensadores de derivación / desacoplamiento. Si ha trabajado durante mucho tiempo en electrónica, sabe de la necesidad de capacitancia entre la alimentación y la tierra de su circuito.
Por ejemplo, desde la perspectiva del fabricante, TDK tiene una línea de condensadores cerámicos controlados por ESR destinados a la derivación / desacoplamiento de la fuente de alimentación. Aunque un condensador ideal tiene una resistencia en serie equivalente a cero, la ESR de estos condensadores es moderada intencionalmente. De hecho, realmente han gastado más dineroen cada componente para aumentar la ESR y, por lo tanto, el límite está aún más lejos del supuesto ideal que sus otros límites de MLCC. Si alguna vez ha diseñado o especificado el rendimiento de un sistema de distribución de energía, sabrá que un ESR demasiado alto significa que sus tapas de derivación no son efectivas, pero un ESR demasiado bajo puede crear resonancias en su sistema de energía, aumentando la fluctuación de voltaje. Los MLCC a menudo tienen una ESR problemáticamente baja, por lo que TDK está tratando de crear componentes que resuelvan este problema.
Desde la perspectiva de un ingeniero que aplica tapas de derivación, es mejor elegir las con pérdida (por ejemplo, dieléctricos X5R, X7R) que los tipos C0G de alta Q: su sistema de energía tendrá menos ondulación. ¿Estaba haciendo un filtro de RF, tal vez las tapas de alta Q serían una mejor compensación?
Entonces, a veces los componentes son intencionalmente no ideales porque eso es lo mejor para el circuito de aplicación típico. He descubierto que es mejor comprender los tipos de comportamiento no ideal exhibidos por componentes particulares e intentar "diseñarlo" en el circuito.
Sí, pero a un presupuesto.
Por ejemplo, en el caso de resistencias, hay varias tolerancias disponibles que le indican cuánto puede diferir el valor real de ohmios del valor establecido. El 5% de tolerancia solía ser estándar, en estos días el 1% no es significativamente más caro. Si desea una resistencia de tolerancia de 0.001%, tendrá que pagar más. Cosas similares se aplican al coeficiente de temperatura de las resistencias.
Las resistencias tienen un coeficiente de temperatura de resistencia. Las resistencias enrolladas tienen inductancia. Las resistencias de composición también tienen inductancia, pero más como cualquier pedazo de cable tiene inductancia.
Los condensadores tienen resistencia en serie, fugas y sensibilidad a la temperatura.
Los inductores tienen resistencia en serie y pueden tener capacitancia de derivación significativa y no linealidad de magnetización.
Todos los componentes pasivos tienen un valor de tolerancia. Todos se venden en varios grados y tipos a varios precios para ofrecer soluciones a un comportamiento no ideal para aplicaciones que requieren algo mejor.
Los componentes y dispositivos activos tienen defectos similares con muchas variaciones de productos y métodos de diseño utilizados para compensar.
¿Los fabricantes tratan de hacer que los componentes eléctricos que venden lo más cercano al modelo ideal de lo posible ?
Por supuesto no. Hacerlo sería una enorme pérdida de tiempo, esfuerzo y dinero. Solo fabrican piezas que son lo suficientemente buenas como para hacer el trabajo para el que sus clientes las necesitan; cualquier otra cosa solo aumentaría el precio y haría que sus productos no fueran competitivos.
Tome una resistencia simple, por ejemplo. ¿Cuáles son sus características ideales? Tolerancia cero, capacitancia e inductancia cero, voltaje estable y lineal a infinito, disipación de potencia infinita, manejo de corriente infinita, etc. Pero incluso si tal dispositivo fuera posible, sería excesivamente especificado para la mayoría de los diseños. Algunas personas pueden necesitar una resistencia que pueda manejar 1MW a 500kV, otras pueden necesitar solo 1 / 4W a 5V, pero nadie quiere pagar más de lo necesario.
En todos los casos, el circuito está (o debería estar) diseñado para funcionar con componentes prácticos que tienen características no ideales, a veces mucho. Y a veces el circuito está diseñado para aprovecharlo. Un transistor no funciona como cualquier componente 'ideal', pero sigue siendo útil. Los transistores generalmente tienen amplias tolerancias, y todos tienen características no deseadas que harían un grito idealista. Un circuito típico puede tener docenas de otras partes cuyo único propósito es compensar los "defectos" del transistor. Pero eso sigue siendo más barato que tratar de hacer un componente más "ideal".
La razón principal para querer componentes "ideales" es facilitar el diseño del circuito. Sin embargo, en la práctica no tienen que ser perfectos, solo lo suficientemente buenos como para que el circuito funcione según lo previsto. Los amplificadores operacionales a menudo se usan en circuitos que podrían funcionar mejor con componentes discretos, pero serían más difíciles de diseñar. Muchos productos utilizan piezas más antiguas "estándar de la industria" simplemente porque los diseñadores están más familiarizados con ellas, y los fabricantes continúan produciéndolas por millones a pesar de ser reemplazadas por piezas más modernas con mejores características.
Si hay una razón por la cual alguien querría una versión más ideal de algo y es posible mejorar un diseño existente. Incluso si lo nuevo fuera realmente costoso, siempre que haya suficiente demanda, entonces, por supuesto, se hará.
Aunque muchos nuevos diseños y mejoras se basan en hacer las cosas más pequeñas, más eficientes energéticamente, etc. mientras se mantienen los niveles actuales de idealidad.
También existe el problema de que muchos componentes tienen múltiples características y lo que crees que es más "ideal" en tu aplicación podría ser menos para otras aplicaciones.
Luego tiene componentes que no fueron diseñados con un uso en mente, pero resultaron ser buenos para algún uso. Y, por supuesto, la gente usa los defectos de las cosas como una característica para hacer lo que nunca soñaron.
Por lo tanto, comienza a volverse borroso en cuanto a qué es realmente una versión ideal de algo. Tampoco podemos producir copias exactas de las cosas, siempre hay alguna cantidad de variación. Entonces, siempre tiene que haber cierto nivel de tolerancia.
Creo que los ejemplos más obvios de cosas que se mantienen mejor son la conversión de potencia y los motores eléctricos. Donde sus relaciones de entrada a salida han mejorado mucho a lo largo de los años y también el consumo de energía, seguimos obteniendo cosas que requieren cada vez menos energía para hacer lo mismo.
Por supuesto que sí ... La mayoría de las veces. Los fabricantes de renombre siempre querrán proporcionar lo mejor que puedan. Sin embargo, algunas cosas simplemente no se pueden lograr. Tome los amplificadores operacionales, por ejemplo, simplemente no hay forma de obtener una ganancia de bucle abierto infinito, por ejemplo. También es imposible tener una impedancia de entrada infinita o una impedancia de salida cero. Pero los fabricantes intentarán acercarse lo más que puedan.
Las resistencias fijas siempre se comportarán de acuerdo con la Ley de Ohmios. Todos los fabricantes pueden hacerlo lo más cerca posible de la resistencia especificada. Por eso tienen tolerancias.
Tratar de hacer componentes ideales, o componentes de precisión extrema cuestan dinero, por lo que siempre habrá algunas compensaciones que significan que nada será idea.
En resumen, un fabricante de buena reputación hará todo lo posible para tratar de ofrecer el mejor producto posible, dentro de un presupuesto permitido. Cuanto mejores sean las especificaciones, más caro será fabricar el producto y más caro será comprarlo.
Considere el opamp "Ideal": gran ancho de banda de ganancia, gran corriente de salida de salida == enormes transistores de salida, corriente de espera cero, cero tiempo de estabilización, estable para todas las ganancias positivas de dB y -dB, costo cero == área de matriz cero.
¿Notan algún conflicto en estas "idealidades"?
Por lo tanto, no hay un único opamp "ideal".