20 listopada br. odbyła się we Wrocławiu 3. edycja niezwykle interesującej konferencji Hardware Design Masterclasses. Krótką relację z tego wydarzenia zamieściliśmy w dziale „Aktualności” 2 grudnia. Dzisiaj powracamy jeszcze na chwilę do tego tematu, gdyż do naszej redakcji dotarły materiały źródłowe niektórych wystąpień, które z pewnością zasługują na szerszą prezentację.

Organizator konferencji, dr inż. Rafał Stępień z firmy DoktorTronik przyjął założenie, aby nie ograniczać się do wąskiego zakresu tematyki. Była to świetna decyzja, sprawiająca, że każdy uczestnik mógł znaleźć coś, co go interesowało szczególnie, nawet podczas wysłuchiwania wystąpień tematycznie odległych od własnej specjalizacji. Poniżej prezentujemy skróty kilku prezentacji.

„Zanim wyślesz na orbitę, przetestuj radiacyjnie – kilka słów o testach komponentów COTS”

To tytuł pierwszej prezentacji Huberta Graczyka, z Sieci Badawczej Łukaszewicz – Instytut Lotnictwa. Autor rozpoczął od wymienienia źródeł promieniowania, na które muszą być odporne obiekty wysyłane w przestrzeń kosmiczną. Te źródła to: Słońce, „Deep Space” i pasy Van Allena. Następnie zostały omówione efekty kumulacyjne i pojedyncze zdarzenia będące wynikiem promieniowania. Na kolejnym slajdzie zostały zaprezentowane zdjęcia przestawiające skutki zdarzeń kumulacyjnych. W tym przypadku była to pogorszenie jakości zdjęć na skutek degradacji matrycy wywołanej promieniowaniem gamma.

Elektronika wysyłana na orbitę musi spełniać ostre normy kosmiczne. W prezentacji zostały porównane elementy kategorii RAD-HARD, RAD-TOLERANT, INDUSTRIAL i COST, a więc te, które lecą w kosmos i te, które znajdujemy w zupełnie ziemskich telewizorach i aparatach telefonicznych. Dowiedzieliśmy się również, że urządzenia muszą przechodzić szczegółowe testy, ale są one bardzo drogie i wykonuje je zaledwie kilka upoważnionych laboratoriów. Autor omówił testy SEE/DD, TID prezentując kilka bardzo ciekawych przykładów.

Na kilku następnych slajdach autor omówił kolejne etapy testów: od zdefiniowania misji, opracowania planu testów i całej kampanii testowej, aż do testów funkcjonalnych. Pan Robert posłużył się przykładem testu radiacyjnego urządzenia ECU opracowanego w Instytucie Lotnictwa.

 „Akcelerator cząstek od kuchni – jak przyspieszyć sobie wiązkę elektronów?”

Autor prezentacji, Marcin Knafel z firmy Okiem Elektronika już na samym początku zaznaczył na jednym z pierwszych slajdów, że będzie to prezentacja z przymrużeniem oka. Nie było to bynajmniej tylko nawiązanie do nazwy firmy. Autor rzeczywiście w bardzo luźnej formie omawiał zagadnienia, których przeciętny człowiek, jak to się mówi, w ogóle nie ogarnia. Pan Marcin ma bardzo duży bagaż doświadczeń zawodowych, od serwisanta automatyki, po operatora i inżyniera wysokich częstotliwości w jedynym w Polsce synchrotronie Solaris. Obecnie pracuje w Hitachi Energy oraz projektuje i uczy elektroniki na swoim blogu Okiem Elektronika.

Opowiadanie o akceleratorach, a więc urządzeniach, które kojarzą się z olbrzymimi obiektami – dla przypomnienia akcelerator Wielki Zderzasz Hadronów w CERN ma kształt koła o promieniu mierzącym ponad 4 km, rozpoczęło się od omówienia zasady działania klasycznej lampy oscyloskopowej (CRT). Na tym etapie dyskusji podstawowym zagadnieniem były metody wytwarzania cząstek poddawanych następnie przyspieszaniu i odchylaniu. Kolejny temat, jak się okazuje, nie taki oczywisty, jakby wydawać się mogło, to przyjęcie definicji prędkości. Cząstki elementarne poruszają się znacznie szybciej niż większość obserwowanych przez nas na co dzień obiektów, więc ich prędkość często określamy jako ułamek prędkości światła. Jednak w takim ułamku pojawia się wiele cyfr po przecinku i wynik staje się mało czytelny, więc dla cząstek elementarnych stosuje się też równoważnik prędkości w postaci energii z jednostką eV.

Autor skupił się następnie na przedstawieniu jak ewoluowały metody przyspieszania cząstek. Od powielacza napięcia Cockrofta-Waltona po skomplikowane synchrotrony. Dowiedzieliśmy się m.in., że jednym z największych problemów są przebicia napięciowe i wyładowania niezupełne.

Na jednym ze slajdów uczestnicy mogli zobaczyć poglądowy przekrój cyklotronu, a autor omówił zasadę jego działania.

Kolejne fazy rozwoju, to synchrotron i często współpracujący z nim akcelerator liniowy, tzw. LINAC. W prezentacji nie został pominięty wspomniany już LHC – Wielki Zderzacz Hadronów.

Kolejny wątek prezentacji dotyczył synchrotronu Solaris, który Pan Marcin zna niemal od podszewki. Nie zabrakło bardzo szczegółowych rysunków pokazujących jego skomplikowaną budowę. Zostały omówione takie elementy jak: linac, modulator, klistron porównany do magnetronu. W dalszej części uczestnicy mogli dowiedzieć się, jak przebiegają eksperymenty w synchrotronie.

Przypomnijmy, że prelekcja zaczęła się od lampy oscyloskopowej. Na tym etapie omawiane już były niemal najdrobniejsze elementy akceleratorów: transmitery, cyrkulatory, linie koncentryczne, sprzęgacze mocy, wnęki rezonansowe itp. Miny niektórym uczestnikom konferencji mocno zrzedły, ale wszyscy zachowywali wysoki poziom koncentracji.

Na zakończenie autor przedstawił kilka praktycznych zastosowań akceleratorów cząstek, nie tylko w nauce, ale też przede wszystkim w medycynie. Jak się okazało, o akceleratorach można by było mówić jeszcze przez następną godzinę, ale kolejny prelegent szykował się już do swojego wystąpienia.

„Klucz do sukcesu: jak współpraca z EMS-em przekłada się na doskonałość projektu – Czas. Jakość. Wsparcie”.

W odróżnieniu od przedstawionych wcześniej dwóch prezentacji, kolejna, której autorem był Rafał Jabłoński z firmy Nordes mogła dotyczyć dużej części uczestników konferencji. Mowa była o współpracy projektantów elektroniki z firmami typu EMS (Electronic Manufacturing Services). Z taką współpracą musi zmierzyć się chyba każdy konstruktor-elektronik, ponieważ produkcja współczesnych obwodów drukowanych wymaga stosowania technologii, na których wdrożenie we własnym zakresie nie mogą pozwolić sobie nawet spore zakłady produkcyjne. Taka współpraca ma szczególne znaczenie podczas opracowywania prototypów urządzeń, kiedy prawdopodobieństwo popełniania jakichś błędów jest stosunkowo duże, a koszty ich eliminacji są wysokie. Autor zwrócił uwagę na zaufanie jakim powinni się darzyć zlecający usługi i ich wykonawcy.

Praca z prototypami jest, można powiedzieć, ciężkim tematem dla konstruktorów, gdyż wiąże się często ze sporymi kosztami. Nie jest to zresztą jedyny dyskusyjny temat. Nie mniej ważne są trzy czynniki: park technologiczny przystosowany do produkcji masowej, cena i czas. Trudno przy tym pogodzić wszystkie ograniczenia wynikające z każdego z nich.

Wytworzenie prototypów wiąże się z zamówieniami na mało opłacalną dla firm EMS skalę. Niekiedy przezbrojenie maszyn kosztuje więcej niż wyprodukowanie zamówionych sztuk. Przy dobrej woli EMS-a takie prototypy są „doklejane” do większych zamówień. Należy również brać pod uwagę koszty zakupu elementów, których cena drastycznie spada dla wielkich serii, a w przypadku ilości potrzebnych do prototypów staje się niekiedy trudna do zaakceptowania. Innym czynnikiem wpływającym na koszt prototypu jest niepełne wykorzystanie mocy produkcyjnej linii zaangażowanej w wykonanie serii prototypowej. Takich sprzecznych wymagań można jeszcze mnożyć i mnożyć.

Pan Rafał wspomniał też o jakości dokumentacji, w skład której wchodzą pliki Gerber, BOM, opis wymagań dotyczących PCB. Im jest ona lepiej przygotowana, tym lepszych rezultatów współpracy można się spodziewać.

„O zjawiskach falowych przystępnie. Rozwiewanie wątpliwości i burzenie mitów dotyczących terminacji szeregowej dla linii transmisyjnych”

Rafał Wiśniewski – Konstruktor elektronik podjął się omówienia zagadnień, które powinny być dobrze znane elektronikom, szczególnie projektującym obwody drukowane. Czy jednak korzystamy w pełni z posiadanej wiedzy, szczególnie podczas projektowania układów z szybkimi sygnałami o stromych zboczach? O lekceważeniu tych zagadnień możemy się przekonać już po pierwszym uruchomieniu urządzenia zaprojektowanego „na intuicję”, a nie zgodnie ze sztuką, gdy nie wiedzieć czemu nie działa jak powinno.

Na wstępie autor opowiedział o najczęściej stosowanych liniach transmisyjnych oraz o tym jak propagowane jest wokół nich pole elektromagnetyczne. Zwrócił też uwagę na znaczenie drogi powrotnej prądu, w tym różnych kłopotliwych przypadków i utrudnień, jakie często występują podczas projektowania PCB.

Nie zabrakło omówienia zjawisk zachodzących w zwartej i rozwartej linii transmisyjnej. I tak od ogółu powoli przechodziliśmy do szczegółu. Na kolejnych slajdach omawiany był model linii długiej oparty na elementach skupionych, a następnie rozproszonych.

Rozpatrując sygnał przesyłany linią długą nie można przyjmować, że pojawia się on jednocześnie i w tym samym kształcie na obu końcach linii. Długość fali sygnału propagującego przez linię długą jest porównywalna z rozmiarami tej linii, muszą więc być uwzględniane związane z tym zagadnienia. Zostało to zilustrowane na jednym ze slajdów.

Kolejna część prelekcji była poświęcona omówieniu opisu matematycznego linii długich. Pojawiły się wzory i wykresy. To właśnie one prawdopodobnie zniechęcają elektroników do zgłębiania tajników linii długich. Chcąc jednak wykonywać swoją pracę na najwyższym poziomie, niestety trzeba przez to wszystko jakoś przebrnąć.

W ostatnim bloku prezentacji autor omówił znaczenie terminowania linii długich i przedstawił kilka metod, którymi się to robi. Wspomniał również o wpływie elementów pasożytniczych na degradację sygnału w linii.

„Wire Bonding In Altium Designer 25: Features & Capabilities”

Konferencję zamykała prezentacja, której autorem był Samer Aldhaher z Altium. Była ona prowadzona zdalnie w języku angielskim. Autor przedstawił zalety i korzyści wynikające z połączeń drutowych na PCB. Wspomniał o kosztach tej techniki.

Jak można przypuszczać, jedną z najważniejszych kwestii jest materiał z jakiego są wykonane druty, a właściwie druciki służące do łączenia. Nie ma tu jednak zaskoczenia. Najczęściej jest stosowane złoto, aluminium lub miedź, przy czym każdy z tych materiałów ma swoje unikatowe cechy.

Uczestnicy konferencji byli oczywiście zainteresowani możliwościami programu Altium Designer 25 w zakresie projektowania padów pod połączenia drutowe. Autor przedstawił przykłady projektów z takimi rozwiązaniami. Nie było to oczywiście szkolenie w tym zakresie, a jedynie prezentacja możliwości programu.

Źródło: materiały prezentowane podczas HDM (listopad 2024) zostały udostępnione przez organizatora konferencji – Rafała Stępnia z firmy DoktorTronik