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3D打印機技術比較

3D打印機技術比較

本文章會分別解釋及比較現今三種最常用的材料及其製造技術的基礎知識,分別是:FFF(熔絲式線材製作,Fused Filament Fabrication),SLA(光固化立體造型製作,Stereolithography)和SLS(選擇性激光燒結,Selective Laser Sintering)。

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3d printer

在過去的十年中,對3D打印技術的越來越多的使用已經徹底改變了各個領域的現狀,包括學校、企業、軍事和醫療領域等,甚至是家中DIY maker創客的普及。但是,有了許多可用的方法,決定使用哪種方法可能是一個艱鉅而令人困惑的過程。本文章會分別解釋及比較現今三種最常用的材料及其製造技術的基礎知識,分別是:FFF(熔絲式線材製作,Fused Filament Fabrication),SLA(光固化立體造型製作,Stereolithography)和SLS(選擇性激光燒結,Selective Laser Sintering)。

FFF (熔絲式線材製作 / Fused Filament Fabrication)

FFF是最通用,最實惠且較易接觸及入門的3D打印過程,應用範圍最廣。用這種方法,將固體熱塑性塑料加熱到所需的熔融溫度並通過噴嘴擠出。3D打印機將熔化的長絲沉積在冷卻過程中,然後沿著預定坐標逐層沉積到構建板上,直到完成物體,熔化的長絲在冷卻時會固化。近年來,隨著高分辨率工具頭的推出,FFF打印質量證明了分辨率的提高。這項技術可在任何環境中使用,它可以放置在您的辦公桌上,放在教室裡的推車上或家中放置的打印機架子上。

SLA (光固化立體造型製作 / Stereolithography)

使用SLA,可將感光型光敏聚合物樹脂倒入盛有淹沒型表面的槽中。 使用紫外線調諧的激光,一次將樹脂選擇性地固化一層,以形成固體。 一旦完成印刷階段,下一個清潔任務便開始了。 打印機操作員戴上手套,眼睛保護裝置。視工序及規模,操作員可能需要面罩及開啟呼吸器的個人防護設備。將未固化的樹脂從零件中排出,除去印刷表面,並用溶劑或化學藥品沖洗掉剩餘的樹脂。然後,零件將經受額外的UV固化過程。 儘管此方法特別適用於具有復雜幾何形狀和小尺寸對象的零件,但相對於其他3D打印方法,構建完成所需的周期時間和其他設備更為重要。

SLS (選擇性激光燒結 / Selective Laser Sintering)

SLS利用粉末狀的合成聚合物,這些聚合物形成片狀,放在「建構」區域上一層,之後使用高功率激光將選定的部分融合在一起,然後逐層重複此過程,直到完成對象。該方法主要使用聚酰胺,通常簡稱為尼龍,簡稱PA。 這種3D打印方法不需要支撐材料,仔細度高,甚至可以在成品外觀上完全不會看見層線。

FFF

SLA

SLS

應用材料

工程熱塑性塑料,包括ABS、尼龍、聚碳酸酯,柔性TPE,PVA/PLA等

光敏樹脂

尼龍粉

層高範圍

0.05 mm – 1.5 mm

0.025 mm – 0.15 mm

0.06 mm – 0.15 mm

尺寸精度

±200 μm

±100 μm

±300 μm

價錢

專業台式機起價為2000美元,更大規模的起價為15,000美元

台式機起價為$ 3000,較大的價格為$ 80,000- $ 750,000

台式機起價為9000美元,更大的價格範圍為10,000美元至100,000美元

應用材料價錢

$20-$50/kg

$50-$100/liter

$100-$500/kg

物料消耗

一卷1公斤的燈絲等於約400件標準尺寸的棋子

一升樹脂等於大約90個標準尺寸的棋子

不確定,取決於機器和材料

額外費用/注意事項

PEI構建的表面塗層可確保在打印時保持適當的底座附著力,在正確保養後幾乎不需要更換。 一些較昂貴的市場選擇需要定期更換打印床表面。

一些FFF打印機製造商收取服務費用,例如基本技術支持和必需的培訓。 更大型的可能要求維修合約費用。
個別FFF類型打印機要求專有的線絲,限制了用家在材料上的選擇,同時增加了成本。
徹底清洗成品上的樹脂可能需要使用超聲波清洗機,價格從$ 300- $5000不等
如需要樹脂在單獨的單元中進行「後固化(post-curing)」,
這可能會額外增加成本$ 100- $ 5000
樹脂托盤需要時常更換,並且壽命根據托盤類型和所用樹脂的不同,可能在2或3幅打印紙之間變化,最多20幅打印紙。 這些通常每個花費在$ 20- $ 50之間。
PEC/PAD無污染抹布(用於清潔敏感的打印機組件)
用於處理樹脂和溶劑的個人護理設備(丁腈手套,安全眼鏡或護目鏡)
需要良好的通風系統
防爆真空吸塵器(有些粉塵可燃,只需點燃一點火花即可),價錢約為1000美元
需要添置設備,例如用於「後處理」時的成品清潔櫃(約(3000美元及以上)及粉末回收系統($2,000-$12,000)
操作和設備維修需要熟練的操作員
高功率激光可能是危險的,需要特定空間
個人護理設備(丁腈手套,安全眼鏡或護目鏡)用於處理和清潔粉末

優點

使用安全,無毒,無刺激性化學物質
清理簡單,無有害粉末或樹脂
材料選擇範圍最廣; 使用最終用途材料(如ABS)進行打印。 可以使用雙擠壓3D打印機打印水溶性支撐物,多種顏色和多種材料模型
最低的新手「入場」門檻和材料成本
易於設備操作和維護
最小的物理佔地面積,不需要額外的實體設備
可以快速打印
打印的物體可以具有光滑的表面光潔度
印刷成品精確,尺寸公差小
無需其他支撐物料
牢固的層附著力
可以同時打印大量零件而不會影響打印時間

缺點

印刷件的結構強度可能取決於印刷密度、方向和印刷分辨率
如需最佳的成品表面處理,便需要更薄的層處理和更長的打印時間
多種材料選擇可能需要線絲存儲空間
已知樹脂和清潔劑有毒; 含有紫外線固化樹脂的材料應作為危險廢物進行處理和處置
不打印最終用途的材料。 材料僅模擬所需的聚合物。
由於難聞的煙氣和雜亂的樹脂,需要專用的空間; 易損件可能會污染附近的表面
不能一次打印多種材料
打印後需要額外的洗滌和固化
薄壁成品通常很脆
UV過度或曝光不足會影響打印次數和壽命
與其他方法相比,桌面模型的構建量較小
具有封閉結構的成品需要添加孔,以使未固化的樹脂逸出
原料是粉末,如果吸入有害
只適合大批量生產; 中小型單品打印不經濟
粒狀,沙質表面處理
材料通常是專用的
產生大的平面和小孔可能會產生問題,因為它們容易翹曲和過度燒結
印刷品本質上是多孔的(通常約為30%),需要特殊潮濕的環境在可為成品「後處理」
打印需要長達12小時的冷卻時間
必須在設計中添加排料孔,以去除空心部分中未燒結的粉末

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目測檢查對電子工業的重要性

visual-inspection

引言

現在科技的進步,可以將大部份的生產工序自動化,但是仔細的外觀目測(visual inspection)仍然是確保電子裝配質量和發現缺陷的主要方法。實際上,可以通過肉眼檢測到大多數缺陷,例如組件未對準、焊料橋接(solder bridging)、共面問題、焊接缺陷、表面板損壞(以及組件損壞,例如塑料成型問題)以及焊球等問題。

當然,有些缺陷類型只能通過更複雜的技術(例如X射線成像)才能發現。但是,目測仍然是發現電路組件中的缺陷並在它們到達測試的後期階段並作為交付的產品進入現場之前對其進行糾正的主要方法。

良好的視覺檢查需要兩個基本要素:一個熟練且訓練有素的檢查員,以及用於協助檢查員工作的適當設備。前者是通過人才訓練及經驗累積得來,在這文章不會詳述。我集中討論向後者,因為現在已有很多精密儀器或技術協助單從「肉眼」以嚴密檢查的微型零件和組件。

放大和照明

人眼能識別反射光所攜帶的細節。因此,不僅有必要放大細節,而且還要適當地照亮它們。原因不僅僅在於識別難以發現的缺陷,例如焊點中的裂紋。操作員的舒適度是進行良好檢查的主要因素。 疲倦的工人能否很好地執行面向細節的任務? 否,視力疲勞的檢查員很可能會錯過否則會被檢測到的缺陷。因此,製造主管的職責是確保其檢查人員使用的設備能夠最大程度地減少眼睛疲勞的可能性。適當的放大倍率,適當的照明以及設備的人體工程學功能(例如可調節性和可定位性)至關重要。

顯微鏡和照明

顯微鏡可提供最高水平的光學檢查放大倍率和清晰度。市場上有許多優質顯微鏡,本文的目的不是深入討論或評估許多可用的類型和選件。 顯然,當今使用的幾乎所有顯微鏡都是立體型的,可為操作人員提供高質量的圖像,並在一定程度上提供一定的深度感知。 高倍率CCD相機也用於光學檢查,從而將圖像投影到彩色監視器屏幕上。儘管使用這種方法的細節可能略少一些,但該設備的一個優勢是,多個人可以同時查看同一幅圖像,以達成共識,分析或指導。捕獲數字化圖像以通過Internet傳輸或培訓視頻等也很容易。無論哪種方式,正確的照明都是至關重要的。

顯微鏡/ CCD相機照明有幾種形式。一種類型安裝在顯微鏡本身上,由一個封閉圓形熒光燈罩的罩組成。 圓形設計用於均勻分佈照明。 熒光燈長期以來一直受到青睞,因為它們提供冷光。然而,過去,發出的綠色光譜,加上鎮流器引起的令人討厭的閃爍,陰影和嗡嗡聲,使操作員感到煩惱並導致眼睛疲勞。固態技術的出現和熒光燈泡科學的發展現在使這些燈泡可以在整個光譜範圍內提供更高強度的冷白光。無閃爍或陰影,且無聲操作。 此外,通過複雜的微電子控件可以輕鬆地完成曾經不可能的事情-使熒光燈變暗的能力。

MUSTOOL-G600
MUSTOOL-G600

另一種類型的顯微鏡光提供由外部電源產生的照明,並通過柔性的,金屬護套的光纜提供給顯微鏡上的附件。 該附件將通過一個環形圈在均勻的圓形區域內提供光線,並可能帶有可調節以保持恆定的色溫的虹膜光圈。在發生器端,可以調節光的強度,從而使操作員可以高度控制分佈在檢查區域上的光的密度和強度,例如MUSTOOL G600

為了向照明點提供足夠的光,必須在原點產生足夠強度的光。過去,存在光纖燒毀,強度調節變阻器發熱並燒毀的問題。當今的發電機組對光線進行紅外過濾,以防止損壞光纖並保持冷光光線。固態強度控制已經取代了變阻器。纖細的環形光導有助於連接顯微鏡,快速連接設計使其易於適應CCD相機。

市場上還提供了這些光纖系統,以代替附在顯微鏡上的環形環,帶有可聚焦透鏡的雙點照明器。這些使操作員能夠從無數種不同角度以多種不同方式調節照明,從而在嚴格的PCB架構中實現照明的完整和總體靈活性。聚焦鏡頭的能力增加了操作員「度身定制」照明以及定向角度和光源的能力。視乎設備而定,它可能配有微型環或8點環形(用於更長的工作距離),可變光闌和彩色濾光片套件。

色溫的作用

在使用機器視覺檢查的某些應用中,保持色溫恆定非常重要。通常,使用不同他類型的照明設備,例如用於檢查光感弱(photoresist)物類的黃色燈泡和用於檢查保形塗層、鍍層空隙和某些其他缺陷的紫外線(ultraviolet)。當然,所使用的紫外線的波長不在與曬傷等相關的有害紫外線的範圍內。但是,總的來說,在檢查中使用的特種彩色照明的百分比非常小,並且特定於某些有限的應用。

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防靜電

照明放大倍數中的ESD安全問題是一個重要的問題。通常,製造商會竭盡全力保護與操作員和台式機接觸的所有物體並使其接地,而忘記了懸掛在工件上方的強大的ESD潛在潛能源–發光的放大鏡!保護產品免受潛在ESD損害的最佳方法是,確保所使用的放大鏡是由優質金屬部件(支架、遮光罩等)或最近開發的ESD安全塑料設計和製造的。 當然,操作員應該關注的是,ESD是否會懸而未決,就像他們關注其他來源一樣。

照明放大鏡

基於顯微鏡的檢查可能會使操作員感到厭煩。在較低放大倍率就足夠的應用中,帶照明的放大鏡比顯微鏡更簡單易用。它們提供了廣闊的視野,並且與顯微鏡相比,使用、調整、聚焦等方面的工作更輕鬆。通常,可以在單個視圖中檢查整個組件。 照明放大鏡本質上是一個大型放大鏡,安裝在帶有內置照明的框架中,所有放大鏡都固定在可調節臂的末端,該臂夾在工作台上。 這是最簡單的描述,但是帶照明的放大鏡比總和要多得多。

首先,有不同級別的玻璃,它們會影響透鏡的清晰度和允許的反射光質量。例如,許多照明放大鏡使用B級綠色透鏡,但是這種類型的玻璃會限制光的透射,並與長期的眼睛疲勞有關。 照明放大鏡最好的鏡片是透明的白色鏡片,具有最高的透光率。

不同的放大倍數用「屈光度(diopter)」表示,它基本上是透鏡屈光力的測量單位,等於焦距的倒數,以米為單位。 例如,典型的5英寸直徑的鏡頭可被定為3屈光度,放大倍數為1.75倍。 5屈光度中的同一鏡頭將具有2.25倍的放大倍率。

照明放大鏡的光源仍然是熒光燈,這些產品也得益於熒光燈技術的進步。通常,將燈放置在鏡頭的任一側或 U形,以提供盡可能均勻且無陰影的照明。固態微電子技術使得熒光調光成為可能,並且如前所述,消除了閃爍和嗡嗡聲。此外,市場還有一種新的「防眩光」燈泡。眩光會加劇操作員的眼睛疲勞,並掩蓋否則會明顯看到的缺陷。一種新的三混合磷光體,與設計用於產生白光的熟悉的冷白色磷光體不同,但也具有產生反射性反跳和眩光的缺點。這種新的熒光粉混合物消除了反彈的光線,從而減少了60%的眩光。它使操作員的眼睛可以更好地吸收和更有效地利用燈泡產生的光。結果是提高了舒適度,改善了操作員的性能和效率,並提供了更高質量的產品。

人們不能足夠強調熒光調光已用於照明放大檢查的突破。將熒光燈從100%調低至25%的能力非常重要,因為它可以輕鬆看到高反射表面,而在過去,眩光將是一個重大問題。

結論

全面了解當今用於視覺檢查的技術以及檢查應用程序的特殊需求,可以幫助製造商選擇最適合工作的檢查設備。最大限度地減少操作員的疲勞(無論是眼睛疲勞還是其他疲勞),對於維持良好的檢查程序,做法和操作員效率至關重要。光學檢測設備並不像看起來的那麼簡單,並且持續的技術創新不斷改善視覺檢測設備的質量和功能。

(原文參考:Key Elements For Good Visual Inspection, by Richard May, President, O.C. White Company)

(歡迎轉載,請註明出處。)

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什麼是eSIM?

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要了解eSIM前,要先說一下IOT(物聯網,Internal of Thing)這「東西」。物聯網是近幾年電子界熱騰騰的話題,事實上,物聯網部署正在上升。以前,這種技術被認為是技術性很高且實施起來很複雜,而今天,我們看到了多個跨部門和用例的IoT連接高峰,這在很大程度上歸功於IoT SIM卡在易用性方面的巨大改進。讓我們回顧一下不同類型的IoT SIM卡,以及它們如何使在全球範圍內實施IoT變得更加容易。

什麼是IoT SIM卡?

簡而言之,IoT SIM卡是一種SIM卡,它可以將網絡用於物聯網服務,或者有時也稱為「機器對機器(M2M)」通訊。

但是,IoT SIM卡的構建並非全部相同,不同網絡對應單一的實體SIM卡,阻礙了IoT 的發展。儘管某些用例仍依靠實體SIM卡來連接IoT設備,但eSIM技術正在興起,使用戶能夠連接其IoT設備並完全通過無線管理IoT配置文件。

eSIM由GSMA開發,已經被電訊市場廣泛接受,是SIM卡技術的新標準。以下是在實體尺寸的比較圖。尺寸形式-從「傳統」形式包括迷你(2FF),微型(3FF)和nano(4FF)以及單獨的嵌入式eSIM芯片(MFF2),例如Truphone eSIM

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圖一 實體SIM卡與eSIM體積的比較 (圖片來源 Truphone Pty Ltd.)

eSIM卡與常規SIM卡有什麼分別?

eSIM完全不需要塑料SIM卡。與標準的塑料SIM卡相比,eSIM卡的主要優點是它不會將您鎖定在任何一個網絡提供商中。eSIM卡是完全可重寫的,這意味著您可以快速輕鬆地切換網絡-類似於我們如何使用不同的WiFi網絡,具體取決於我們身在何處以及哪種網絡效果最好。

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在物聯網領域,eSIM變得特別方便,因為可以使用Bootstrap技術遠程激活它。使用塑料SIM卡(與移動設備一樣),您必須將SIM卡物理插入IoT設備中。借助Bootstrap技術,對於已內置eSIM卡的IoT設備,您可以將其從包裝中取出後立即連接到世界另一端的任何網絡(如果需要)。 Bootstrap消除了為正確的設備找到正確的IoT SIM的麻煩,無論您在哪個國家/地區部署設備,Bootstrap都能為您提供最佳的第一個連接。

eSIM如何用於物聯網?

正如我們剛剛談到的那樣,eSIM是物聯網的巨大受益者,因為它簡化了實施過程,並使大規模推出物聯網設備變得更加容易。

為了說明這一點,假設您是一家為大型機械生產傳感器或跟踪器的公司,以便公司可以使用Bootstrap監視其送貨卡車,無論何時何地,您都可以連接和監視整個卡車車隊(或您)在世界上。比手動添加塑料IoT SIM卡容易得多。在這種情況下,eSIM使服務將不再次受限於主要運營商的漫遊夥伴的功能,就算漫遊夥伴可能無法在所訪問的國家/地區提供最佳覆蓋範圍或最佳網絡性能,eSIM亦可以立即被讀寫而用於當區網絡。

eSIM 安全問題

在安全標準上,安全eSIM生態系統被廣泛認為與現有傳統SIM技術一樣安全。eSIM技術不同於傳統SIM的地方是遠程SIM設置平台的新增功能。 GSMA要求提供遠程SIM供應平台服務將根據其嚴格的SAS安全要求進行認證。這樣的安全規格是無可置疑。

總結

eSIM能夠實現網絡的遠程切換的靈活性將為未來的IoT設備提供支持,對於產品設計師而言,eSIM的最大優勢在於其模塊化架構,電路及外型設計更具靈活性。

對於製造商而言,eSIM的最大優勢在於可以在整個生命週期內構建,維護和支持產品,不需再昂貴地生產多個SKU,每個SKU都是為單個運營商量身定制的。借助eSIM,製造商可以生產單個SKU,隨後可以空中對其進行個性化設置。將您的業務模式從一次性交易轉變為終身關係,並釋放新的經常性收入來源。

eSIM的步伐還是剛開始…

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什麼是熱成像(Thermal Imaging)?

「眼見為憑」,但可惜人類視覺固有的局限性使我們只可在狹窄的可見光範圍內看東西。紅外線(Infrared)能量是從太陽,甚至地球上的每個物體和生物所散發出的電磁輻射(electromagnetic radiation),是人類只能使用熱像儀(thermal imaging camera, TIC)才能看到的東西。紅外線輻射恰好在750nm(納米)左右的可見光波長之外,並且屬於較長頻率範圍的一部分,緊接著的是太赫茲(terahertz),微波和無線電波。由於人類視覺「看不見」紅外線,我們需要利用工具將紅外線轉為人類「可視」影像,即是熱像儀(thermographic camera)。

Visible Spectrum
圖一 可見光頻譜(圖片來源 Seek Thermal, Inc)

從以前的大體積,如何成為細小的便攜式操作?

每個熱像儀都通過測量物體發射、透射和反射的紅外能量來進行操作。使用稱為微測輻射熱計(microbolometer)的微小釩氧化物傳感器,使現今市場上的熱像儀可以便攜式操作,而不必依靠固定的低溫冷卻器即可正常工作。

照相機對從物體發出的熱量進行表面溫度測量,然後將其作為圖像投射到屏幕上,稱為熱分析圖。儘管此功能可以識別表面的「涼爽」或「熱點」,但通常不會給用戶提供X-ray射線視力看穿牆壁的能力,哪麼說可看穿水管漏水或喉管電線過熱,如何做到?

黑體的基準發射率是「1」,並且提供了一個參考,可以根據該參考測量其他輻射度。然後利用算法功能來計算和分析物體周圍的多個紅外能量源,並構建隨後顯示在LCD屏幕上的圖像。由於在測量及分析過程中會受到外界環境影響,例如光源、濕度、反射等,將可能造成影響的「因子(factor)」演化成數學模組,經不斷的環境測試、實驗及數學計算,將得出的誤差值減到最低,這說是一價值USD100 與USD1000一部熱像儀的分別了。

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與光學相機不同,熱成像儀不依賴玻璃製成的聚焦透鏡,因為它會阻擋長波紅外光。部份生產商會使用由特殊材料製成的鏡頭,例如鍺或藍寶石晶體,它們是自然物料但易碎且生產成本昂貴。硫屬化物玻璃(Chalcogenide glass)是一種更新、更便宜的材料,可以降低熱像儀進入市場並進入客戶手中的成本。 該材料是透鏡的理想選擇,因為它可以通過其表面傳輸各種電磁頻率。鏡頭焦點處的矩形光感測像素稱為焦平面陣列(Focal Plane Arrays, FPA),有助於接收紅外能量並將其聚焦到傳感器上。

顯示影像

圖像往往是單色的,或顯示錯誤的配色方案,以使溫度的任何變化都可辨別。相機芯片處理器從不同像素的顯示屏中分配每個像素來代表溫度。計算完後,然後為像素分配顏色,從而在屏幕上生成結果圖像。在熱配色方案中,通常使用較深的藍色,紫色和綠色來表示較低的溫度,而較亮的顏色(黃色,橙色,紅色)通常表示存在熱量。

圖二 熱成像照相機影像生成圖 (圖片來源Seek Thermal, Inc)

與夜視儀(Night Vision Devices,NVD)之間的區別

儘管夜視鏡熱成像儀通常都屬於「NVD」一詞的總稱,但它們的工作方式卻大不相同。

傳統的夜視鏡使用真空管(又稱圖像增強器)來增強低水平的環境光以生成可區分的圖像,並以不同的綠色陰影對其進行演色(rendering)。它們廣泛用於軍事和執法界,是監視和防止罪案發生的好幫手。

但是,獲得清晰的圖像在很大程度上取決於現有環境光的存在。在一個完全黑暗的房間裡看夜視鏡將幾乎無法提供清晰度。相比之下,熱像儀不需要光線亦可操作,並且可以在完全黑暗的環境中以及煙、霧和霾中進行掃描。

儘管NVD提供了更多的「逼真」輪廓圖像,但它們在軍事應用之外的使用仍然很少。隨著越來越多的應用,熱像儀利用其豐富多彩的,鮮明的對比從遠處照亮物體和人物,並在眾多設置中突出顯示關注的區域,這是熱像儀的成功及普及的原因及優勢。

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RFID技術基礎

RFID技術基礎

射頻識別(Radio Frequency Identification, RFID)是通過電磁波在特定標籤和閱讀器之間無線或非接觸式傳輸數字編碼及其他數據的方法。 實體的標籤使企業團體和消費者或使用者以分配一個唯一的數碼身份(一對相同的數碼)來無縫地識別、認證、追踪、感知每個需參與的物件對象。

與其他自動ID技術(例如光學QR碼)相反,根據RFID系統的類型,RFID允許在幾厘米到20多米(約60英尺)的距離內無需視線即可讀取標籤。 典型的例子是在托盤上的盒子內讀取數百種帶有標籤的產品,在裝運碼頭的門後安裝有固定的閱讀器門,或在商店貨架和貨架上滑動手持閱讀器以在幾秒鐘內計算庫存,或在錢包上點擊智能手機以驗證真實性並簽署會員計劃。

RFID如何運作?

簡而言之,RFID系統由三部分組成:RFID標籤或智能標籤; RFID閱讀器(也稱為詢問器(interrogators)); 以及將獲取的數據輸入IT系統或物聯網(IoT)的軟件(也稱為中間件(middleware))。 根據應用需求,需要仔細選擇系統組件,以實現所需的性能,準確性和可靠性。

RFID 標籤

RFID標籤具有各種形狀和大小,並且是「無源」或「有源」的。 通常,它們是被動的,這意味著它們不需要集成的能源,例如電池。 無源標籤通常由RFID嵌體和用於防止物理損壞的外殼組成。 嵌件(Inlay)由一個小的矽微芯片組成,該芯片存儲數字身份以及其他數據,並附著在諸如紙或塑料(PET)薄膜等薄基板上的天線上。 無源標籤的天線接收來自閱讀器的無線電波,並將其引導到微芯片,在微芯片中,能量被收集並用於將無線電信號發送回閱讀器。

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嵌件非常薄,可以輕鬆嵌入傳統標籤中,將其轉變為智能標籤,也可以嵌入非常堅固的塑料(硬標籤)或生物相容性玻璃(玻璃標籤)中,以用於極端惡劣的環境或註入動物體內。

RFID類型

RFID系統分為三個主要的射頻範圍:低頻(Low Frequency, LF),高頻(High Frequency, HF)和超高頻(UHF)。 它們從應用、最大讀取範圍以及所使用的RFID標籤和讀取器的類型而異。

超高頻(Ultra-High Frequency, UHF)

UHF RFID系統在860和960 MHz之間的頻率範圍內運行。 典型的讀取距離是從近距離接觸到20米或60英尺以上,從而實現了廣泛的應用,例如庫存和供應鏈管理,智能製造,航空行李跟踪,運動計時等等。
在該頻率範圍內,監管機構定義了兩個主要的區域子帶。 歐洲電信標準協會(The European Telecommunications Standards Institute, ETSI)為RFID的使用定義了865-868 MHz,聯邦通信委員會(Federal Communications Commission, FCC)選擇了902-928 MHz。 我們的某些RFID標籤和嵌體指定用於FCC或ETSI頻率,但是許多較新的產品都支持這兩個頻段。
UHF Tag (支持兩個頻段)
圖一 UHF Tag (支持兩個頻段) (ART915X252503MA-IC, Abracon LLC)
與HF和LF相比,UHF系統支持更遠的讀取範圍,並支持具有成本效益的各種尺寸和形狀的嵌件和標籤,以及快速讀取散裝物品的方法,但缺點是較容易受到金屬或導電材料的無線電波干擾或液體。

高頻(HF)和近場通信(Near-Field Communication, NFC)

HF和NFC RFID系統在13.56 MHz的頻帶內工作,讀取範圍從接近接觸到50厘米或20英寸。 典型的應用是圖書館媒體管理、製造自動化、賭博籌碼管理、ID卡及使用NFC支付卡或智能手機應用的非接觸式支付等。 與HF標籤需要特殊的讀取器不同,NFC標籤幾乎可以在幾厘米的距離內用任何智能手機讀取。
HF/NFC Tag
圖二 13.56MHz NFC Tag(2800, Adafruit)
當今市場上有數十億支持NFC的智能手機,越來越多的消費者習慣於非接觸式支付,因此利用NFC標籤進行消費者互動和其他以消費者為中心的新應用的機會很大。

低頻(Low Frequency,LF)

大多數低頻系統在125-134 kHz的頻帶內運行,並允許最大10厘米或4英寸的讀取範圍。 典型的應用領域包括動物識別、通道控制、汽車進出以及液體和金屬密度高的環境。
LF Tag
圖二 LF Tag (IPC03-50P, Pepperl+Fuchs, Inc.)
與UHF和HF相比,LF系統的數據傳輸速率和讀取距離較低,但其優點是支持困難環境中的應用。

(參考原文:RFID technology basics, Avery Dennison Corporation )

(歡迎轉載,請註明出處。)

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用於能量收集的電解電容器和超級電容器的發展

用於能量收集的電解電容器和超級電容器的發展

專為能量收集應用而開發的電容器可改善各種類型和尺寸的設備,從直接供電的IoT設備到併網發電機。自開始以來,環境能量就一直存在於地球的生態系統中。 人類長期以來一直在尋找富有想像力的方法來利用它:在陽光下烘烤早期的建築材料,利用風的動能磨碎穀物並移動運輸。 隨著工業化的發展,使用化石燃料等能源滿足了按需增加功率的需求。現在,化石燃料的弊端變得越來越明顯,包括其有限的性質,有問題的排放,日益困難和昂貴的開採過程以及可能導致供應問題和價格波動的政治因素。 鐘擺向周圍擺動。
根據MarketWatch的數據,全球收集環境能源的市場在2019年至2025年期間將以11.2%的複合年增長率Compound annual growth rate (CAGR) 增長,達到9.34億美元。 (資料來源: Energy Harvesting Market : In-Depth Industry Analysis on Size, Cost Structure and Prominent Key Players Analysis)

今天的能量收集

自從環境能源最初的鼎盛時期以來,發生了一些變化,包括發現電力以及隨後開發加熱器和電動機以處理以前直接由太陽或風完成的工作。 還有將太陽能和風能轉換為電能的有效技術,包括光伏電池 (photovoltaic cells)的改進和寬帶隙功率半導體 (wide-bandgap power semiconductors) 技術的商業化可投入市場。 諸如各種類型的電容器和電池之類的經濟,高質量的存儲也至關重要,這有助於平衡能量流並確保按需可用性。伴隨著許多類型電氣設備功耗的普遍降低,這些因素共同使環境能量成為並網發電機、離網屬性或直接為設備供電,例如IoT傳感器和低壓燈光。
並網發電機的範圍很廣,從大型太陽能或風電場等公用事業級裝置到私人擁有的微型發電機。這些加在一起構成了分佈式基建,可通過增加常規裝機容量並幫助維持以前由大型集中化,包括化石燃料或核動力裝置獲得的穩定性來支持從化石燃料步向可再生能源的轉移。
專門為本地負載供電的孤島式微型發電機有助於減少對電網系統的需求,同時還可以減少大厦內業戶的水電費。應用不僅包括「離網」房屋,還包括較小的負載,例如路邊電子標牌和物聯網設備,或無線通訊設備。
利用環境能量為設備供電的機會很方便,不僅節省了公用事業成本,還節省了安裝電源線或派遣維護團隊定期更換電池的成本。此外,該設備還不受任何電網停電的影響。將電力的優勢帶到偏遠的農村地區也變得更加容易和更具成本效益。

能量捕獲和轉換

能量收集系統的基本組件包括能量轉換設備,例如光伏陣列或風力渦輪機,用於從周圍環境產生電能。 接下來的階段包括電源轉換,存儲和管理。 儲能設備(例如電池和電容器)對於系統的成功與否十分重要,是穩定電源質量和確保按需可用性所必需的。
在終端設備,連接的負載可以是小型設備(例如低能耗無線模塊),也可以是較大的負載(例如智能傳感器或控制和監視設備的網絡),或用於LED照明網絡的低壓DC配電總線。 。 圖1概括地說明了每個階段。

圖1 能量收集系統的關鍵功能模塊 (圖片來自KEMET ELECTRONICS CORPORATION)

例如,在小型太陽能微型發電機中,DC-DC轉換器從光伏陣列獲取電能並輸出可用於為設備供電的電能。高能效和電能質量(Energy density)是關鍵的系統性能指標,它可以最大程度地減少浪費的寶貴能源,並以正確的電壓和最小的跌落或波動為負載提供穩定的直流電源。

利用超級電容收集能量

作為電池的替代品,超級電容(Supercapacitor)可以提供諸如簡化的充電電路,明顯更長的循環壽命,更寬的工作溫度範圍以及在短時間內需要大功率負載的峰值放電速率等優點。相對於體積,電容值可能比傳統電容高幾個數量級,並且超級電容可以與電池結合使用,以結合兩種設備類型的最佳功能。
超級電容包含極性,可提供各種額定電壓。筆者在這裡介紹幾款超級電容,較易在市場找到及購買,是著名廠牌,品牌及貨期較易保證。 包括 KEMET FS系列,它們都能涵蓋5.5V DC至12V DC的額定值及超過1F電容量選擇,適用於備用和電機驅動應用。ELNA AMERICA DBJ 系列,它們集中於5.5VDC,亦有高至1F電容量,適用於電視機及電話裝置備用。AVX Corporation BestCap BZ系列額定值由3.6V至20V,1F電容量,用於GSM/GPRS PCMCIA Modems 備用。

結言

對於從低功率或遠程安裝的電子設備到低壓基礎設施,微型發電機和並網發電機的應用而言,收集環境能量是一種可行的解決方案。 能量收集系統中使用的組件的許多方面已得到改進,以滿足應用的特定要求,包括用於高速能量傳輸的堅固而高效的超級電容器以及用於穩定直流功率傳輸的長壽命電解電容器。
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利用LT3072為數位IC實現單片雙線性的穩壓輸出

低壓差(LDO)線性穩壓器通常用於為處理器內核和通訊電路提供潔淨的電源。在這些應用中,由於處理器和功率放大器對電源輸出噪聲和負載瞬態響應具有嚴格的性能要求,因此LDO穩壓器較為普遍使用。弓般而言,這些電路需要一個LDO穩壓器,該穩壓器在額定電流和每個IC的電源軌方面都非常合適,以最大程度地減小解決方案尺寸。

通常LDO穩壓器需要對硬件進行修改以調節其輸出電壓,但是如果規格不斷變化,則更換電路板和組件可能會增加開發時間。在此類應用中,具有軟件可編程輸出電壓的LDO穩壓器可以節省時間和成本。不過,LDO穩壓器輸出的軟件控制只能解決部分問題。 LDO穩壓器通常用作開關穩壓器的後穩壓器。從LDO穩壓器的角度來看,開關穩壓器通常用於在輸入功率到達線性穩壓器之前對其進行預調節。理想情況下,開關穩壓器的輸出具有適當的裕量(高於LDO穩壓器的壓差),以便LDO穩壓器在其最有效的區域內工作,並優化了瞬態響應。為了保持LDO穩壓器的最佳輸入電壓,開關穩壓器的輸出必須根據LDO穩壓器的輸出進行調整。同樣,這是最好的實現方式,無需進行昂貴的硬件修改。

Analog Device Inc. LT3072雙路2.5A線性穩壓器滿足了數字IC電源的挑戰性要求,同時允許與硬件無關的輸出電壓調整,即使LT3072遵循預穩壓器輸入電源時也是如此。 LT3072具有UltraFast瞬態響應和80 mV的低壓差,允許在負載快速變化時輕鬆產生嚴格調節的電源電壓。僅10 µF(1 µF + 2.2 µF + 6.8 µF)的輸出電容就可以實現LT3072的低12 µV rms的輸出噪聲和UltraFast瞬態響應。低噪聲對於保持通信或傳感器電路的高性能很重要。LT3072在單個封裝中集成了兩個完全獨立的2.5A LDO穩壓器。 LT3072的0.6V至2.5V輸出電壓範圍足夠寬,可以為各種數字IC電源軌供電。通過設置LT3072上的幾個三態引腳,可以編程每個通道的輸出電壓,該方法可以通過跳線、微控制器或電源系統管理(PSM)IC輕鬆實現。

【技術基礎 -低壓差穩壓器的操作原理】

穩壓器用於提供穩定的電源電壓,與負載阻抗、輸入電壓變化、溫度和時間無關。低壓差穩壓器的特點是能夠維持穩定的穩壓能力,並且電源電壓和負載電壓之間的差異很小。例如,當鋰離子電池從4.2 V(充滿電)下降到2.7 V(幾乎放電)時,LDO可以維持負載上恆定為2.5V。

「線性」系列穩壓器(圖1)通常由參考電壓、縮放輸出電壓並將其與參考電壓進行比較的裝置、反饋放大器和串聯傳輸晶體管(例如BJT或FET)組成,該晶體管的電壓降由放大器控制,以將輸出保持在所需值。例如,如果負載電流減小,導致輸出逐漸增加,誤差電壓將增加,放大器輸出將上升,傳輸晶體管兩端的電壓將增加,並且輸出將返回其原始值。

PMOS LDO circuit diagram
圖1  基本增强模式 PMOS LDO

在圖1中,誤差放大器和PMOS晶體管形成一個電壓控制電流源。分壓器(R1,R2)將輸出電壓VOUT按比例縮小,並與參考電壓(VREF)進行比較。誤差放大器的輸出控制增強型PMOS晶體管。「壓降電壓」是輸出電壓與輸入電壓之間的差,在該電壓下,電路會隨著輸入電壓的進一步降低而退出調節。通常認為在輸出電壓降至標稱值以下100 mV時達到。該關鍵因素,亦是穩壓器的參數特性,取決於傳輸晶體管的負載電流和介面溫度。

【零件參數介紹 -具有低噪聲和超快速瞬態響應的可編程雙路輸出】

圖2顯示了獨立電路中的LT3072,適用於對功率有嚴格要求的數字IC負載。嚴格的電源規格的重要組成部分是能夠快速響應負載瞬態的能力,如圖2所示,這就是LT3072的UltraFast瞬態響應,12 µV rms輸出噪聲和80 mV壓降電壓特性滿足具有嚴格功率要求的數字IC的需求。在此原理圖中,顯示了三態VO1B2-0VO2B2-0引腳分別將OUT1固定為2.5 V和將OUT2固定為0.6 V,但是只需更改這些引腳上的狀態即可更改輸出電壓,從而實現軟件控制,無需耗時且昂貴的硬件修改即可實現LT3072的功能。

LT3072 application circuit
圖2  LT3072的應用線路圖(圖片來自Analog Device Inc.)

下圖3是 LT3072的單路輸出的UltraFast瞬態響應顯示,在幾微秒內的建立時間僅為10 µF(1 µF + 2.2 µF + 6.8 µF)的輸出電容。中間的跡線表明,可以使用附加電容來限制偏移幅度,但建立時間略長。

LT3072 Load Transient Response
圖3  LT3072的瞬態響應表現演(圖片來自Analog Device Inc.)

每個輸出值由三個三態引腳編程:VO1B2VO1B1VO1B0VO2B2VO2B1VO2B0。每個三態引腳可通過接地、浮動或對其施加電壓來設置。這樣可以將輸出編程為0.6 V至2.5V。除了設置標稱編程電壓外,裕度輸入還允許圍繞編程輸出電壓進行額外的±10%調整。各個輸入電壓可以比2.5 V和0.6 V輸出電壓低200 mV,或者稍高一些,以優化瞬態響應性能的裕量。輸出電壓狀態由PWRGD引腳指示,並且有一些引腳用於模擬輸出電流監控,這些引腳還可以設置±7%的精確輸出電流限值。還有一個引腳,用於模擬監視芯片溫度。

【應用分析 -具有獨立電壓輸入至輸出控制的雙電源降壓控制】

以下範例利用VIOC(電壓輸入至輸出控制)引腳用於控制兩個LT8610A作開關穩壓器,以控制為輸入供電的上游降壓型穩壓器。

LT3072 Dual Supply with Independent VOIC Buck Control
圖4具有獨立VOIC降壓控制的雙電源 (圖片來自Analog Device Inc.)

當中VIOC自適應地驅動降壓型穩壓器,以將LT3072的輸入至輸出電壓差在最大負載下保持為300mV,在輕負載下保持為450mV,從而以較小的輸入電容將功耗降至最低。LT8610A 是一款單片,恆定頻率,電流模式降壓型DC / DC轉換器。使用RT引腳上的電阻器設置頻率的振盪器在每個時鐘週期開始時打開內部頂部電源開關。

電路中利用RT=52.3K達到800Hz。 之後選擇L Inductor 值

電路中選擇L = 4.7uF。

使用LT3072 VIOC功能在LT3072和 LT8610A之間創建一個反饋環路。選擇該VIN-VOUT差分電壓標度可提供快速的瞬態響應和良好的高頻PSRR,同時最大程度地降低功耗並提高效率。例如,在2.5A滿輸出電流下,從1.5V到1.2V的轉換和從1.3V到1.0V的轉換在每個通道上產生0.75W的最大功耗。 VIOC引腳將調節到的最小輸入電壓通常為0.85V。

如應用於FPGA系統,FPGA系統設計人員現在可以將其功率估算與通過IMON / LIM引腳的負載電流的直接測量相關聯。

此功能每1A負載電流可提供333.3µA,作為輸出電流的縮放動態表示。終端電阻對IMON / LIM引腳電壓達到1V時的精確電流限制。

【市場分析– 零件比較】

在文章中我們介紹了LT3072,但礙於市場供應、項目預算或對某生產商的偏愛,筆者找出現市場上同類型,但生產於不同廠的線性穩壓,包括MAXIM INTEGRATED 的MAX8556和TEXAS INSTRUMENTS TPS7440,並列出各重要參數的比較表,讓工程師一目了然市場動態,順利選料。

LT3072/MAX8556/TPS74401 Comparison
圖5  LT3072與 MAXIMINTEGRATED MAX8556,TEXAS INSTRUMENTS TPS74401 比較表

【結言】

在數字世界的發展中,為數字IC提供完善的電源解決方案是大勢所趨。ANALOG DEVICE公司的LT3072為工程師提供一個不錯的選擇。LT3072雙路LDO穩壓器具有兩個具有UltraFast負載瞬態響應的低噪聲通道。通過設置幾個三態引腳可以設置兩個輸出電壓,而無需電阻。當LT3072的輸入電源是一個預調節器時,LT3072 VIOC功能可用於控制輸入電源,以允許輸出電壓編程中的動態變化,而不會犧牲瞬態響應性能或效率。

(參考原文:Dual Linear Regulator for Digital IC Power Enables On-the-Fly Output Adjustment and Dynamic Headroom Optimization,by Andy Radosevich)

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