Wzmacniacz. Produkcja masowa

Wzmacniacz. Produkcja masowa

„Wzmacniacz” jest najczęściej występującym układem elektronicznym.

Tranzystory bipolarne początkowo wykonywały tą samą role co wypierane przez nie lampy elektronowe ale szybko pojawiły się nowe zastosowania faktycznie niemożliwe do realizacji na lampach elektronowych.

Najdoskonalszy komputer ery lampowej IBM 709 po stranzystorowaniu i przyśpieszeniu nazwano 7090 a po kolejnym przyśpieszeniu 7094.

Koniem roboczym w scalonych układach analogowych są pary różnicowe

i układ mnożący Gilberta, stosowane także w logice ECL.

Im większa jest rozmaitość komórek funkcjonalnych w układach cyfrowych tym są one szybsze , mają mniej tranzystorów i mniej pobierają mocy niż układy ortodoksyjne o małej różnorodności.

W odróżnieniu od układów na elementach dyskretnych łatwe są do scalenia cyfrowe 4 poziomowe modulatory i demodulatory fazy wraz z towarzyszącymi dzielnikami i układami pętli fazowej PLL. Radiowe przesyłanie informacji radioliniami w postaci cyfrowej staje się konkurencyjne do postaci analogowej.

Konwencjonalny wzmacniacz mocy w zakresie radiowym RF jest duży i wymaga pracochłonnego strojenia trymerów i cewek. Ale m.in. Motorola i Philips produkują małe hybrydowe, niestrojone względnie szerokopasmowe ( obejmują cały konkretny zakres ) wzmacniacze na zakres VHF i UHF co umożliwia miniaturyzowanie radiotelefonów otwierając szanse na masowy rynek łączności. Szczegóły produkcji nie są znane ale tranzystory są selekcjonowane na grupy i przy nieczęstej zmianie w produkcji użytych gatunków chipów tranzystorów zmienia się też pojemności do dopasowujących impedancje układów hybrydowych. Typowy schemat takiego wzmacniacza omówiono dalej.

Wąskim gardłem popularnego radiotelefonu jest akumulator ale prace w koncernach motoryzacyjnych nad akumulatorami do samochodów elektrycznych trwają od lat i dają pewne efekty.

Wszelka masowa produkcja wymaga detali o ustalonych parametrach aby nie było konieczne ich indywidualne spasowywanie czy strojenie.

Cywilizacja i technologia rozwijają się ewolucyjnie ale nieliniowo i nie ciągle. Wdrażane wielkie wynalazki gruntownie zmieniają produkcje co jednak zajmuje sporo czasu.

Na początku wieku stan hutnictwa, stalownictwa, odlewnictwa, konstrukcji maszyn do obróbki metalu... pozwalał na masową produkcje elementów z blach i drutów, śrub, nakrętek, nitów... oraz wykonywanie odlewów i ich obróbkę skrawaniem.

W czasach gdy ręcznie montowany w manufakturach samochód z silnikiem spalinowym w Europie był drogim dziwactwem dla bogaczy w fabrykach Henry Forda pioniersko produkujących masowo samochody osobowe narodził się fordyzm. Wielka ilość nisko wykwalifikowanych pracowników wykonywała na liniach produkcyjnych dość proste, powtarzalne czynności. Ford wdrażał u siebie rozwiązania podejrzane też w innych zakładach z innych branż. Ford krytykowany był za wysokie płace w swoich fabrykach.

W fabrykach fordyzmu wykorzystywano też silny efekt skali masowej, zmechanizowanej produkcji.

Okres II Wojny Światowej był pokazem sprawności, elastyczności i zdolności organizacyjnej amerykańskiego kapitalizmu oraz siły kreacji tamtejszych inżynierów. Po I Wojnie amerykański przemysł zbrojeniowy został faktycznie zniszczony i Ameryka startowała z produkcją militarną niemal od Zera. Kończąca II Wojnę supernowoczesna latająca Superforteca B-29 była pierwszą konstrukcją człowieka mającą ponad 1 mln elementarnych części. Kolejnym krokiem w złożoności był dopiero program kosmiczny Apollo.

Z drugiej strony amerykański kapitalizm ufundował Wielki Kryzys w świecie !

Wojna pokazała że wygrywa się ją w laboratoriach i fabrykach.

Narodowy socjalizm Niemców okazał się w wojennej produkcji przemysłowej niezbyt sprawny.

Ale po wojnie niemiecki cud gospodarczy udowodnił że mało konfliktowy, socjaldemokratyczny kapitalizm negocjacji i porozumienia jest równie sprawny jak amerykański kapitalizm konfliktu i antagonizmów właścicieli z pracownikami. Nie wolno jednak zapominać o tym że USA faktycznie dwukrotnie oddłużyły Niemców Zachodnich pozostawiając nietknięte ich zagraniczne wierzytelności - po prostu jest im w zimnej Wojnie potrzebny silny sojusznik i dlatego pomogli Niemcom Zachodnim. W takich cieplarnianych warunkach stworzonych Niemcom przez USA wręcz trudno było nie odnieść sukcesu.

Oczywistym, kolejnym krokiem była zaawansowana mechanizacja i automatyzacja produkcji. Eksperymenty ze skomplikowaną mechanizacją i automatyzacją u Forda trwały już przed wojną. Robotników w obecnych nowoczesnych fabrykach Zachodu nie trzeba wielu. Potrzeba sporo drogich techników i inżynierów do nadzoru i napraw skomplikowanych systemów.

Praca maszyn na tle prostej dającej się zmechanizować pracy robotnika jest bardzo tania. Przykładowo mimośród napędza nóż synchronicznie obcinający powstające kolejne detale czy ramie wpychające z linii kolejne sztuki towaru do kolejnego kartonu. Praca takiej maszyny jest conajmniej >100 razy tańsza niż człowieka ale trzeba opracować wpierw maszynę i jej zastosowanie w linii. Wielka była już pod koniec XIX wieku produkcja papierosów z tytoniu i bibuły z pierwszej skonstruowanej maszyny zastępującej kompanie ludzi.

Współcześnie ogromna większość elementów elektronicznych montowana jest na płytach drukowanych PCB, które upowszechniły się pod koniec lat pięćdziesiątych mimo iż w produkcji FUSE stosowano je po raz pierwszy w USA już w czasie wojny.

Płyty drukowane wykonywane są metodą fotolitografii którą zastosowano później w bardziej zaawansowanej formie w produkcji układów scalonych.

W koncernie IBM „szycie” w komputerach połączeń ogromną ilością przewodów i automatyczny montaż elementów w układach hybrydowych i na płytach drukowanych automatyzowano już na przełomie lat 50/60.

Współcześnie na Zachodzie montaż elementów na PCB w masowej produkcji elektroniki jest zautomatyzowany. Najprostsze maszyny sterowane minikomputerem wkładające elementy elektroniczne do płyt mają proste i względnie tanie serwo napędy z silnikami krokowymi bez sensorów sprzężenia zwrotnego. Konieczne optymalne sterowanie silników krokowych pozwala uzyskać z silników maksimum momentu napędowego. Koszt maszyny rośnie m.in. wraz z ilością różnych elementów które ona montuje. Stąd pożądana jest minimalizacja ilości różnych elementów. Przykładowo gdy wartość jednego rezystora jest mocno niekrytyczna warto zastąpić ja inną wartością często występującą w układzie.

Niestety w krajach RWPG montaż elementów elektronicznych jest nadal ręczny co wynika z niskich kosztów ludzkiej pracy przy bardzo drogiej pracy skomputeryzowanych maszyn możliwych (?) do kupienia za „dolary” to znaczy każda walutę wymienialną. Zauważmy że księżycowe kursy wymiany różnych złotówek (jest ich kilka !) na dolary i obecny faktyczny brak tej wymiany w gruncie rzeczy uniemożliwia poprawną alokacja kapitału we wszelkich inwestycjach czy nawet przy zakupie maszyn do istniejącej już modernizowanej linii.

Zakup skomputeryzowanej maszyny za przyjmijmy 30-100 tysięcy dolarów wobec niemożliwości zorganizowania pracy na 3 zmiany i 7 dni w tygodni i przy brakach w zaopatrzeniu w elementy faktycznie jest nonsensem.

Przy ciągłej pracy 24 godziny na dobę i 7 dni w tygodniu w produkcji eksportowej odbiornika telewizji kolorowej czy radiomagnetofonu maszyna oczywiście szybko się spłaci. Prawdopodobnie już w ciągu roku.

Wprawny pracownik montujący tylko kilka rodzajów elementów ( ale w PCB i tak jest ich po kilka ) może w ciągu 8 godzin pracy włożyć do 15 tysięcy elementów RCD w PCB a więc dużo. Aby zredukować możliwość pomyłek niewykwalifikowany pracownik może jednak na przykład znać kolorowy kod paskowy oporników. Użyteczne są też szablony dla PCB do sprawdzania czy obsadzono właściwe miejsca.

Do układów hybrydowych produkowane są elementy w znacznie mniejszych obudowach. Struktura jest ta sama co w zwykłym elemencie. W ceramicznym podłożu raczej nie wykonuje się otworów ( wykonuje się gdy jest to konieczne ) i elementy są przylutowane powierzchniowo. Regułą jest też wykonywanie na podłożu ceramicznym grubowarstwowych rezystorów.

Z uwagi na ulepszenia technologi produkcji płyt drukowanych PCB i wzrost rozdzielczości, elementy do układów hybrydowych są montowane także na PCB co znacznie powiększa gęstość montażu. Na miejsca pod elementami nanosi się maską sitodrukową klej i położony element hybrydowy utrzymywany jest siłą napięcia powierzchniowego kleju. Klej wiąże w wysokiej temperaturze w czasie lutowania.

Stosowanie układów scalonych w miejsce wielu elementów dyskretnych zmniejsza powierzchnie PCB, eliminuje złącza i kasety. Potrzebny jest mniejszy zasilacz i wentylator, który może być zbędny.

Płytę lub płyty drukowane umieszcza się w obudowie urządzenia. Płyty drukowane PCB są coraz większe i coraz bardziej skomplikowane. W przypadku rozbudowanych urządzeń profesjonalnych ( choćby centrala telefoniczna ) płyty w standardowym rozmiarze „karty” ze złączem umieszcza się w standardowej kasecie a kasety w standardowych stojakach. Złącza, kasety i stojaki można zakupić bez konieczności uruchamiania własnej produkcji.

Koszt płyty drukowanej rośnie szybko z ilością jej warstw. Projekt PCB do produkcji masowej jest „ostro” optymalizowany aby zadowolić się tanią płytką jednostronną. Maszyny montują rezystory o wartości Zero Ohm lub zwory standardowych długości spełniające rolę ścieżek drugiej, nieobecnej warstwy PCB. Połączenia przewodami są pracochłonne i gniazda oraz potencjometry dla użytkownika także montowane są na płytach drukowanych.

Uruchomienia dużej płyty drukowanej PCB jest znacznie trudniejsze niż kilku mniejszych płyt z tym samym schematem systemu. Duża płyta oszczędza jednak na kosztownych złączach i połączeniach oraz pracochłonności montażu w urządzeniu.

Dużą płytę drukowaną zawierającą kompletny procesor minikomputera na układach TTL nazywano „mikroprocesor”. Nazwa ta jest wcześniejsza niż procesor Intela !

Zastępowanie tranzystorów mocy w „nietechnologicznych” obudowach TO3 wymagających ręcznego montażu do radiatorów i prowadzenia przewodów połączeniowych praktycznymi w montażu automatycznym obudowami „plastikowymi” TO220 i TOP3 daje spore oszczędności w nakładzie pracy czyli w kosztach produkcji. Obudowy tranzystorów mocy TO220 i TOP3 są też dużo tańsze niż obudowy metalowe TO66 i TO3.

Podstawową ale nie jedyną (!) siłą napędową w gospodarce wolnorynkowej – wolnokonkurencyjnej jest konkurencja czyli chęć bycia pierwszym i spijania śmietanki z rynku drogich nowości. Jednak przesadnie duża konkurencja na rynku z niskimi cenami nie sprzyja nowoczesności i modernizacji technologicznej. Firmy środkami ze sprzedaży finansują przecież kosztowne prace badawcze i konstrukcyjne czemu z braku środków mogą nie podołać.

W wielkiej gospodarce USA często jest tylko kilka firm o tym samym profilu produkcji. Najlepsze przyrządy pomiarowe „masowo” produkują Hewlett Packard i Tektronix. Lepsze unikalne nierynkowe przyrządy na zamówienie produkują tylko firmy niszowe szokująco drogo.

Konkurencja koncernów japońskich jest udawana. One konkurują ze światem to znaczy z USA i Europą Zachodnią.

Struktura gospodarcza państwa powinna maksymalnie korzystać z efektu skali. Sens podejmowania małej produkcji musi być wymuszony konkretnymi okolicznościami jako że koszty skomplikowanych opracowań są duże.

Nie wiadomo jaki sens ma produkowanie podobnych przyrządów pomiarowych w małych przecież, w skali świata, gospodarkach krajów RWPG.

Natomiast wielki sens miałoby stworzenie funkcjonalnej, ulepszonej (!) kopi układów ICL7106 i masowa produkcja wielofunkcyjnych przyrządów z nimi !

Bardzo tanie są masowo produkowane rezystory o marnych i średnich parametrach. Cena wynika właśnie z mechanizacji, masowej produkcji i udoskonalenia technologii całymi dekadami !

Walec rezystora kompozytowego – węglowego wykonany jest z homogenicznej masy z pyłu węgla i spoiwa. Po „wypieczeniu” i dołączeniu wyprowadzeń całość jest lakierowana a wartość rezystora oznaczona jest paskowym kodem kolorowym.

Znacznie lepsze są rezystory metalizowane ( w krajach RWPG typu MŁT ) a także rezystory grubo i cienkowarstwowe.

Stosując rezystory pamiętać należy że mają one określony temperaturowy współczynnik oporności wynikający z technologi produkcji i użytych materiałów. Typowo dla rezystora o tolerancji 1% wynosi on 50 ppm/K a dla rezystora o tolerancji 0.1% 15 ppm/K, a więc całkiem sporo. W układach analogowych przyrost temperatury rezystora „sygnałowego” wywołany mocą strat winien być znikomy.

W dzielnikach wejściowych dokładnych mierników cyfrowych trzeba stosować rezystory o dryfcie poniżej 1..3 ppm/K

Największe szumy mają rezystory kompozytowo - węglowe.

O ile produkowane masowo niedokładne rezystory są tanie to cena rezystorów błyskawicznie rośnie wraz z ich dokładnością i spadającym dryftem. Dokładne rezystory mają ceny popularnych układów scalonych lub są nawet droższe.

Dokładne rezystory są też stosowane we wzmacniaczach instrumentalnych do układów z sensorami wykonanych na wzmacniaczach operacyjnych. Obecnie produkowany przetwornik A/D do 3 1/2 cyfrowego miernika z wyświetlaczem LCD  ICL7106 ma zbyt duże szumy wejściowe aby pracować wprost z małym sygnałem z mostka tensometrycznego ( i mostka z innymi sensorami ) bez drogiego wzmacniacza instrumentalnego. Modyfikacja układu ICL7106 jest możliwa w dwóch kierunkach:

A.Znaczne zmniejszenia szumów wejściowych dla pracy z małymi sygnałami, także kosztem niewielkiego podniesienia poboru prądu zasilania

B.Znaczne zmniejszenie poboru prądu kosztem niewielkiego ale akceptowalnego wzrostu szumów. Czas pracy miernika DVM z baterii uległby istotnemu wydłużeniu.

Przełomowy układ ICL7106 nie jest pozbawiony wad ale są one łatwe do usunięcia. Usunięcie irytującego nasycenie po przesterowaniu wymaga dodaniu w strukturze układu ledwie kilkunastu tranzystorów w bramkach logiki sterowania.

Lepsze jest wrogiem dobrego. Po zastosowaniu potrójnego całkowania rozdzielczość przetwarzania można podnieść dziesięciokrotnie. I tak dalej.

Masowo produkuje się elektronikę konsumpcją. Świetnie rokująca nowością są domowe komputery.

Wigoru nabiera też produkcja elektroniki do samochodów osobowych. Samochód osobowy jest co do ceny i rynkowej ważności drugim po mieszkaniu - domu towarem w zachodniej gospodarce. Pierwszy komercyjny elektroniczny wtrysk paliwa Jetronik (później dodano literę D aby odróżnić kolejną generacje ) niemieckiego Boscha sprzedawany jest od 1967 roku ale dopiero mikrokontrolery temu systemowi nadają wielki sens. Uzupełnieniem jest elektroniczny zapłon. D-Jetronik ma 25 tranzystorów. Tylko wyjściowe tranzystory mocy sterujące dwa wtryski na obrót wału korbowego są germanowe.

D-Jetronik ma indukcyjny sensor podciśnienia w kanale dolotowym powietrza współpracujący z termistorem NTC do pomiaru temperatury. Sensory pracujące w wyzwalanym 2 tranzystorowym układzie czasowym wytwarzają impuls o czasie proporcjonalnym do masy podawanego do cylindrów silnika powietrza.

Analogowe układy interfejsów do sensorów w systemie z mikrokontrolerem muszą być ekstremalnie zoptymalizowane. Muszą być w miarę dokładne a przy tym proste , tanie i trwałe. Kolejnym elementem systemu jest program dla mikrokontrolera !

W mniejszej skali produkowana jest elektronika przemysłowa dla wszelkiego przemysłu ( także systemów komunalnych ) telekomunikacji, biurowości oraz przyrządy pomiarowe do wszelkich laboratoriów.

Sterowania numeryczne dla maszyn NC i CNC mają grubo powyżej 1000-2000 elementów elektronicznych a więc są skomplikowane.

Gospodarki Zachodu zorganizowane są wokół wielkich koncernów. Są one niezwykle ważne w zadaniu modernizacji całej gospodarki. Narodowymi koncernami elektrotechnicznymi USA są General Electric i Westinghouse. Oba giganty zaangażowane są w produkcje militarną, także broni jądrowej. W obu koncernach optymalizacje maszyn elektrycznych z użyciem komputerów rozpoczęto już w latach pięćdziesiątych

Narodowym koncernem elektrotechnicznym Niemiec Zachodnich jest ogromny Siemens od którego kupujemy różne licencje. Przepływ kadr i idei między koncernami a pozostałymi firmami służy propagacji wiedzy w całej gospodarce.

To wielkie koncerny integrują całą gospodarkę w nowoczesny system produkcyjny. Od poszukiwania i wydobycia surowców po montaż nowoczesnego, skomplikowanego finalnego wyrobu poszukiwanego na rynku światowym.

Regulatory bezpośredniego działania w postaci termostatu są stosowane w - lodówka, żelazko, grzejnik elektryczny, czajnik elektryczny, chłodnica samochodu, zawór regulacyjny kaloryfera. Bezpośredniego działania jest też zawór nadciśnieniowy. Te regulatory niedługo będą elektroniczne tak jak regulator elektroniczny napięcia alternatora zastąpił regulator elektromechaniczny.

Tylko do niektórych rodzajów sensorów w automatyce małej i dużej potrzebne są dokładne wzmacniacze operacyjne.

Małe napięciowo sygnały daje mostek tensometryczny i termopary ale rezystancje wewnętrzne tych sensorów są małe. Sygnał z przepływomierza elektromagnetyczny jest mały a rezystancje wewnętrzna sygnału nie jest mała co stawia spore wymagania przed wzmacniaczem.