Jeder freut sich über eine gute Tonqualität auf einem mobilen Gerät, wenn er eine Sendung ansieht oder mit Freunden und Familie oder in einer Geschäftsumgebung kommuniziert. Auf der anderen Seite erschrecken wir, wenn etwas mit dem Ton nicht stimmt. Einer der Schuldigen für schlechte Tonqualität ist der "singende Kondensator", ein Begriff, der sich in der Branche durchgesetzt hat.
Ein Kondensator fängt an zu "singen", wenn der Welligkeitsstrom des Eingangssignals den Kondensator aufgrund des piezoelektrischen Effekts zum Schwingen bringt. Das akustische Rauschen wird nicht direkt durch den vibrierenden Kondensator verursacht, sondern eher indirekt, wenn der Kondensator die Leiterplatte in Schwingung versetzt.
Wie lässt sich dieses Phänomen eines singenden Kondensators charakterisieren? Wie kann der Konstrukteur den richtigen Kondensator für eine bestimmte Anwendung auswählen und das Platinenlayout anpassen, um einen singenden Kondensator zu vermeiden? Herkömmliche Mikrofone messen den Schalldruckpegel (SPL), haben aber keine räumliche Auflösung und sind daher nicht in der Lage, den Übeltäter (d. h. den Kondensator, der die Leiterplatte zum Singen bringt) zu identifizieren. Die Schwingungsamplituden von singenden Kondensatoren sind sehr klein. Selbst Verschiebungen im Subnanometerbereich führen dazu, dass die Leiterplatte bei ausreichend hohen Pegeln vibriert und das Klangerlebnis des Verbrauchers beeinträchtigt.
Analyse der Betriebsschwingform zur Aufdeckung kritischer Frequenzen
Hier kommen die Laser-Doppler-Vibrometer (LDVs) von Polytec ins Spiel. Ein Laservibrometer ist ein optischer Sensor, der mithilfe von Laserlicht selbst die kleinste Bewegung der Oberfläche eines Objekts erkennt und Schwingungen bis in den Pikometerbereich auflöst.
Das LDV funktioniert wie ein hochempfindliches optisches Mikrofon mit einem Laserspot, der um Größenordnungen kleiner ist als die Größe des Kondensators. Intelligente Abtastspiegel im Inneren des Vibrometerkopfes eines PSV Polytec Scanning Vibrometers ermöglichen den Produktentwicklern eine genaue und schnelle Charakterisierung der Leiterplatte und ihrer Komponenten.
Die Schwingungsdaten werden zur Validierung von Simulationsmodellen und zur Durchführung von Troubleshootings verwendet.
Diese Animation zeigt ein schönes Beispiel für einen Schwingungsscan mit hoher Dichte auf einer Leiterplatte. Anhand der Daten wird die Beziehung zwischen dem Schwingungsverhalten der Leiterplatte und der Kondensatoren analysiert und der singende Kondensator identifiziert. Polytec Vibrometer sind äußerst wertvolle Instrumente im Werkzeugkasten eines Entwicklungsingenieurs: Sie werden nicht nur in der Unterhaltungselektronik eingesetzt, sondern auch in der Luft- und Raumfahrt, in der Automobilindustrie und in der Medizintechnik sowie bei der Entwicklung von Ultraschallwandlern und MEMS.
Bildnachweise: Soweit nachfolgend nicht anders aufgeführt bei den Autoren. Titelbild: Foto: Jacob Lund/shutterstock.com & Wellen: Kryshtofor Volodymyr
