No Image

Расчет дорожек печатных плат по току

СОДЕРЖАНИЕ
638 просмотров
10 марта 2020

В качестве материала для печатной платы электронного звонка используется стеклотекстолит, т.к. он имеет следующие преимущества по сравнению с гетинаксом [7]:

– большая механическая стойкость;

– лучшая адгезия фольги со стеклотекстолитом;

– при сверлении отверстий дает меньшую шероховатость поверхности.

Стеклотекстолит дешевле некоторых прочих фольгированных материалов, таких как лавсан или фторопласт. Поэтому наиболее подходящим для изготовления устройств, работающих на частотах до 300 МГц и напряжениях до 1000 В является именно он.

Выбираем материал СФ1-35-1,5. Толщина фольги 35 мкм ток, протекающий по проводникам равен 0,20 А.

При расчете печатной платы рассчитываются электрические и конструктивные параметры. К электрическим параметрам относятся:

– t – ширина печатного проводника;

– S – расстояние между печатными проводниками;

– C – емкость печатного проводника;

– L – Индуктивность печатного проводника.

К конструктивным параметрам относятся:

– размер печатной платы;

– диаметр и количество монтажных отверстий;

– диаметр контактных площадок;

– минимальное расстояние между центрами двух отверстий для прокладки нужного количества проводников.

Рассчитываем ширину печатного проводника по формуле (1):

, (1)

где I – протекающий ток, А;

j – допустимая плотность тока, А/мм 2 ;

h – толщина фольги, мм.

Исходные данные для расчета:

– ток, протекающий по проводнику I складывается из токов всех видов активных элементов схемы, А 0,20;

– толщина фольги h, мм 0,05;

– плотность тока j выбирается по справочнику,
исходя из того что изделие относится к бытовой РА, А/мм 2 30.

Исходя из расчётов в формуле 1, печатная плата соответствует 3 классу точности. Изготовление печатных плат 3 класса не всегда требует применения уникального высокоточного оборудования. Принимаем t = 0,25 мм.

Т.к. рабочее напряжение не более 8,2 В, то по ГОСТ 23.751-86, выбираем расстояние между двумя проводниками 0,1…0,2. Для 3 класса изготовления печатной платы S = 0,25 мм.

Плата односторонняя, изготавливается химическим методом.

Определяем диаметры монтажных отверстий по формуле (2):

(2)

Если dв 0,8 то = 0,2, если dв > 0,8 то = 0,3 Рекомендуется имеет не более трех диаметров монтажных отверстий, поэтому некоторые диаметры увеличены в сторону большего.

Таблица 2 – Диаметры монтажных отверстий

Элемент Диаметр вывода, мм Диаметр отверстия
С2-23 0,6 0,8
СП3-38А 0,9 1,2
КМ6 0,6 0,8
К50-35 0,5 0,8
CD4060BCN 0,6 0,8
КР1561ГГ1 0,6 0,8
КТ315 0,9 1,2
КТ361 0,9 1,2

Для устройства выбраны диаметры монтажных отверстий 0,8 и 1,2 мм.

Для выбора размеров печатной платы определяется ее площадь (формула 3):

(3)

где Fэрэ – площадь, занимаемая электрорадиоэлементами (ЭРЭ);

Fто – площадь технологических или крепежных отверстий;

Fсв – площадь, которая не должна заниматься ЭРЭ по конструктивным соображениям;

Fм.о. – площадь монтажных отверстий;

Кз – коэффициент заполнения.

Fэрэ определяется по установочным размерам, в случаях если выводы элементов за пределами корпуса, или по площади корпуса, если выводы под корпусом.

Определяем площадь под технологические (крепежные) и монтажные отверстия по формуле (4):

, (4)

где d – диаметр отверстия;

n – количество отверстий.

Удобнее рассчитать площадь, занимаемую одним отверстием, а затем произвести общий расчет площади вместе с электрорадиоэлементами. Для этого исключим из формулы (4) n:

(5)

Вычислим площадь каждого отверстия:

Таким образом, вычислив площадь отверстий вместе с площадью электрорадиоэлементов, получим .

Исходные данные для расчета площади, занимаемой электрорадиоэлементами и отверстиями, приводятся в таблице 3.

Наименование Количество Площадь одного элемента, мм 2 ∑F, мм 2
Резисторы:
С2-23 13,20 92,40
СП3-38А 29,05 29,05
Конденсаторы:
КМ6 29,25 58,50
К50-35 19,63 39,26
Микросхемы
CD4060BCN 151,94 151,94
КР1561ГГ1 151,94 151,94
Транзисторы:
КТ315 19,60 19,60
КТ361 19,60 19,60
Отверстия диаметром, мм
0,8 0,50 29,14
1,2 1,13 10,17
ИТОГО 601,61

Выбираем коэффициент заполнения печатной платы, который обычно выражается в пределах от 0,3 до 0,8. Так как устройство работает автономно, необходимо уменьшить его габариты. Элементы, работающие от батарей, пропускают небольшие токи и поэтому не греются. Поэтому, принимаем Кз = 0,55. Отсюда площадь печатной платы, подставляя значение из таблицы, получившееся для суммы :

Читайте также:  Приложения для android 2018 г

Длина стороны печатной платы по ГОСТ 10317-79 должна заканчиваться 0 или 5. Далее подбираем размеры платы из неравенства (6):

. (6)

Из реальных размеров разведенной платы длина сторон 45 и 25 мм, т.е.
А = 45 мм, В = 25 мм:

Рассчитываем реальный коэффициент заполнения по формуле (7):

(7)

.

Рассчитаем диаметр контактных площадок по формуле (8):

(8)

где b – радиальная ширина контактной площадки;

∆d – точность получения отверстия;

Td – значение позиционного допуска расположения монтажных отверстий;

TD – значение позиционного допуска расположения контактных площадок.

Для плат, изготавливаемых по 3 классу точности b = 0,1 мм, Td = 0,08 мм,
TD = 0,15 мм.

Определяем минимальное расстояние между центрами двух соседних отверстий для прокладки нужного количества проводников по формуле (9):

(9)

где n – количество прокладываемых проводников;

∆t – предельное отклонение ширины печатного проводника;

Tl – значение позиционного допуска расположения печатного проводника.

Определим минимальное расстояние между центрами двух соседних отверстий для прокладки одного проводника:

Для прокладки двух проводников:

Для прокладки трех проводников:

Рассчитываем сопротивление проводника по формуле (10):

(10)

где ρ – удельное сопротивление медной фольги, 0,02 Ом·мм 2 /м;

l – длина проводника, 0,045 м (измеряем самый длинный проводник на печатной плате).

Паразитные параметры платы C – емкость печатного проводника и L – индуктивность печатного проводника оказывают влияние на частотах выше 50 МГц, поэтому их расчет не производится.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Лучшие изречения: Сдача сессии и защита диплома – страшная бессонница, которая потом кажется страшным сном. 8913 – | 7222 – или читать все.

91.146.8.87 © studopedia.ru Не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования. Есть нарушение авторского права? Напишите нам | Обратная связь.

Отключите adBlock!
и обновите страницу (F5)

очень нужно

Обзор

Максимальный ток, который может пропускать дорожка на печатной плате, зависит от ее ширины. Именно по этой причине инженеры в своих проектах определяют ширину проводников. Данный калькулятор вычисляет ширину проводника на печатной плате, учитывая следующую информацию: максимальный ток, толщину дорожки, повышение температуры, температуру окружающей среды и длину. Данный инструмент также рассчитывает сопротивление дорожки печатной платы, падение напряжения и рассеивание мощности.

Расчет

Входные данные:

Результаты:

Формулы

  • S – площадь сечения дорожки, мил 2 ;
  • T – толщина дорожки, в унциях;
  • 1,378 мил/унция.

  • Δt – изменение температуры, в градусах;
  • k, b, c – константы из стандарта IPC-2221:
  • для внешних слоев: k = 0.048, b = 0.44, c = 0.725;
  • для внутренних слоев: k = 0.024, b = 0.44, c = 0.725.

Размеры дорожки на печатной плате

На сайте работает сервис комментирования DISQUS, который позволяет вам оставлять комментарии на множестве сайтов, имея лишь один аккаунт на Disqus.com.

В случае комментирования в качестве гостя (без регистрации на disqus.com) для публикации комментария требуется время на премодерацию.

Формула была взята отсюда https://www.allaboutcircuit.
Сравнил с другими источниками. Действительно, видимо там опечатка.
Спасибо! Сейчас скрипт исправлен, в степень возводится вся дробь.

И что значит запись "1.378 мил/унция"?

Просто перевод толщины дорожки из унций в мил (подробнее про единицы измерения толщины меди на печатной плате тут – https://radioprog.ru/post/256 )

Заодно. Возможны небольшие несовпадения результатов с калькулятором по вашей ссылке. Это, похоже, как раз из-за округления при переводе единиц измерения толщины.
Здесь переводится без округления:
1 унция = 1,378 мил = 34,79 мкм
Там, возможно, округляется:
1 унция = 1,4 мил = 35,мкм

Шутки в сторону, тема серьёзная, пожароопасная. Поехали. Это третья статья из цикла, в ней рассмотрены модели оценки предельного тока печатной дорожки, который в некоторых ситуациях является определяющим параметром при выборе толщины проводящих слоёв печатной платы.

Читайте также:  Установить sticky notes windows 10

В предыдущей статье говорилось о том, выбор толщины медных слоёв печатной платы определяется, прежде всего, требуемыми минимальным зазором и минимальной шириной проводника, а также максимальным током, протекающим по проводнику. Эти параметры могут противоречить друг другу: чем тоньше проводящий слой, тем меньший топологический рисунок может быть получен, но тем меньший предельный ток выдержит печатная дорожка (при прочих равных условиях – ширина проводника, частота тока, теплоотвод и др.). Тепловая энергия Q выделяющаяся на омическом сопротивлении R печатной дорожки (джоулево тепло Q=I 2 Rt, где I – сила тока, t — время), вызывает повышение её температуры относительно окружающей среды, приводя к перегреву самого проводника и связанных с ним компонентов или, в крайнем случае, к его перегоранию при предельном токе (англ. fusing current). Соотношение между током через печатную дорожку и приростом температуры зависит от многих параметров и в общем виде трудно представимо, однако существуют формулы, позволяющие сделать предварительные оценки.

Прис, Ондердонк и Брукс

Одна из первых попыток принадлежит У.Г.Прису (англ. W.H.Preece). Свою эмпирическую зависимость он получил в лабораторном эксперименте, в котором он постепенно увеличивал ток через проводник до момента его накала докрасна. Формула Приса связывает ток накала c диаметром проводника d для различных материалов:

где K – табличная константа, примерно равная 80 для меди. Используя соотношение площади круга, можно переписать эту формулу для случая медного проводника с площадью сечения S:

В эксперименте Приса проводник был подвешен в воздухе, в отличие от проводника на печатной плате, условия теплоотвода для которого совсем другие. Более близкими являются условия теплоотвода для случаев одиночного соединительного проводника, а также для некоторых случаев микропроволочной разварки (когда для её защиты не используется компаундирование), где эта формула может давать хорошую оценку для предельного тока.

Допустимым приростом температуры печатной дорожки обычно считается 10-30 ˚С. Это значение может быть и больше в зависимости от параметров проекта, однако во всём диапазоне рабочих температур изделия температура дорожки должна быть меньше температуры стеклования материала печатной платы (англ. glass transition temperature, Tg) и тем более температуры накала меди. Поэтому полезна зависимость прироста температуры ∆T от тока I печатной дорожки шириной w и толщиной фольги h, приведённая Д.Бруксом в [1]:

где C, α, β, γ – константы, значения которых для внешних и внутренних слоёв приведены в таблице 1. Стоит учитывать, что на внешних слоях толщина фольги обычно больше на 20-40 мкм относительно базового значения в связи с дополнительным напылением при создании переходных отверстий. Также влияние финишного покрытия на платах без маски может быть значительным. Это используют в силовых приборах, когда на вскрытую от маски печатную дорожку паяют дополнительный припой.

Ещё одной известной формулой расчёта предельной токонесущей способности проводника является формула Ондердонка (англ. I.M.Onderdonk), которая содержит такой важный параметр, как время. Она связывает время t пропускания тока I через медный проводник сечением S и прирост температуры ∆T относительно начальной температуры T:

Так как при выводе формулы [2] исключается всякий теплоотвод, то для случая печатной дорожки эта формула применима для короткого импульса тока длительностью до 1-2 секунд. С увеличением времени и влияния теплоотвода точность оценки падает, в разы занижая предельный ток. Графики зависимостей по всем трём приведённым формулам для различных параметров печатной дорожки приведены на рисунках 1 и 2.

Всегда важно учитывать условия эксперимента или аналитические допущения при выводе, чтобы понимать границы применимости той или иной формулы. Ни одна из приведённых формул не даст точное и оптимальное соотношение между предельным током и требуемым сечением проводника для реальных приложений. Это же касается и простых калькуляторов, которые можно найти в сети Интернет (например), потому что они основаны на этих или аналогичных формулах. Влияние соседних проводников и компонентов как источников и приемников тепла, излучения, активного или пассивного охлаждения может быть учтено только при термоэлектрическом моделировании в специализированных САПР (таких как Cadence, ANSYS и других). Однако даже в этом случае результаты моделирования и эксперимента могут значительно отличаться. Дело в том, что печатная дорожка имеет не прямоугольное сечение, а близкое к трапециевидному (рис. 3), а её ширина и значение проводимости медной фольги могут не только отличаются от расчётных по модели, но и имеют некоторый разброс от образца к образцу, партии к партии, изготовителю к изготовителю и т.д. Влияние отклонений ширины усиливается с её уменьшением. Тем не менее, расчётные результаты по формулам и рекомендации стандартов чаще всего будут представлять наихудший случай, обеспечивая тем самым запас прочности системы. Если разработчику требуется оптимизировать соотношение между предельным током и требуемым сечением печатной дорожки, то к этой цели необходимо идти итеративным путём моделирования и эксперимента.

Читайте также:  Gigabyte ga n3150n d2h

Скин-эффект

Увеличение сечения печатной дорожки пропорционально снижает её омическое сопротивление на единицу длины, что уменьшает тепловые потери при протекании постоянного тока. Ситуация с переменным током не так проста по причине существования скин-эффекта (англ. skin effect), который приводит к тому, что плотность переменного тока неравномерно распределена по сечению проводника, экспоненциально убывая до нуля от поверхности проводника к центру. Для удобства расчётов применяется понятие эффективного сечения проводника с глубиной, определяемой соотношением:

где f – частота тока, σ – проводимость металла, μ – магнитная проницаемость. На глубине равной δ плотность тока становится меньше в e раз относительно плотности тока на поверхности JS. Математически можно показать верность следующего приближённого равенства для плотности тока J(x,y) в проводнике:

То есть для приближённых вычислений можно принять, что ток течёт только в граничном слое проводника периметра l глубиной δ, причём с равномерным распределением (рис. 4).

В рамках этой упрощённой модели, если глубина поверхностного слоя меньше половины толщины печатной дорожки, то импеданс печатной дорожки на данной частоте будет определяться именно этим эффективным сечением, приводя к увеличению омического сопротивления и незначительному снижению индуктивности. На рис. 5 представлена зависимость глубины поверхностного слоя от частоты тока с учётом разброса проводимости осаждённой меди. Из него видно, что для слоёв меди толщиной 18 мкм граничная частота (выше которой скин-эффект играет роль) находится в районе 50-70 МГц, а для слоёв толщиной 35 мкм – в районе 15-20 МГц. Отметим, что на частотах свыше 100 МГц глубина скин-эффекта меняется незначительно, это позволяет пренебрегать его зависимостью от частоты при расчётах для высокочастотных сигналов.

При проектировании печатных плат с постоянно действующими токами величиной в несколько ампер необходимо выполнять тепловые расчёты как для электрических компонентов, так и для проводников. Представленные модели и аналитические соотношения позволяют выполнить оценку предельного тока печатных дорожек и на её основании выбрать необходимую толщину медных слоёв и топологию проводников. Для получения точного решения необходимо использовать специализированные САПР, при этом желательно задавать геометрию с учётом технологических погрешностей изготовления и данные по проводимости меди, полученные от производителя печатных плат. Очень рекомендую ознакомиться со статьями Д.Брукса, посвящёнными подробному анализу методов оценки температуры печатных проводников, где представлены наглядные результаты моделирования температурных полей.

Литература

[1] Brooks D. G., Adam J. «Trace Currents and Temperatures Revisited», UltraCAD, 2015.
[2] Adam J., Brooks D. G. «In Search For Preece and Onderdonk», UltraCAD, 2015.

Статья была впервые опубликована в журнале «Компоненты и технологии» 2018, №1. Публикация на «Geektimes» согласована с редакцией журнала.

Комментировать
638 просмотров
Комментариев нет, будьте первым кто его оставит

Это интересно
Adblock
detector