A vezetősávok méretezése

Írta: Kategória: Tudásbázis Dátum: 2015-02-26 még nincs hozzászólás

 

A nyomtatott áramkörök tervezésénél a vezetősávok szélességét alulról a gyártástechnológiai, felülről pedig a méretbeli lehetőségek korlátozzák. Kézenfekvő tehát, hogy olyan szélességű vezetősávokat hozzunk létre, amelyek biztosan legyárthatóak az elvárt minőségben, és emellett helytakarékosak (költséghatékonyak) is. De vajon mely paraméterek befolyásolják azt, hogy milyen geometriai méreteket ajánlott egy adott helyre tervezni? A következőkben erre keressük a választ.

Egy áramkör alapvetően azért melegszik, mert az egyes alkatrészeken az átfolyó áram valamilyen mértékű veszteséget hoz létre. Az áramkör részének tekinthetők a vezetősávok is, nem csak a beültetendő passzív és aktív alkatrészek. A vezetősávok anyaga általános esetben 35µm vastagságú rézfólia. Mivel ez a méret adott, csak a szélességét kell meghatároznunk.

Az igazsághoz hozzátartozik, hogy ma már az áramkörök döntő hányada 2 vagy többrétegű, így a furatgalvanizálás is elkerülhetetlen. A furatgalvanizálás során azonban nem csak a furat falára galvanizálunk rezet, hanem magára a rajzolatra is. A nálunk a galvanizálás előtti kiinduló rézfólia vastagság általában 18µm, amelyre kb. 20-25µm vastagságú galvánréz réteg rakódik le. Emiatt a tényleges rézvastagság biztosan több lesz, mint 35µm.

A vezetősáv szélessége attól függ, hogy adott értékű átfolyó áram mellett mekkora hőmérséklet emelkedést (a táblázatban ∆T = 10…45°C között) szeretnénk megengedni rajta. Ez a hőmérséklet különbség természetesen nem pillanatszerűen jön létre, hanem exponenciálisan növekedve éri el a végértéket. Az pedig, hogy ez az idő mekkora, a vizsgált áramkör hőtehetetlenségétől függ.

A nyomtatott áramkörök tervezésének általános szabványa bizonyos peremfeltételek mellett az 1. táblázatban szereplő értékeket ajánlja minimum kiinduló értékeknek.

A táblázat értékei az 1 vagy többrétegű NYÁK-ok külső rétegeinek 35µm vastagságú vezetőire érvényesek, 25°C kiinduló hőmérséklet mellett, feltételezve, hogy a vezetősáv teljes területe sokkal kisebb, mint a hordozó áramköri lapé, és a vezetőben egyenáram folyik.

AVM_tablazat_1

1. táblázat A vezetősávok minimális szélessége a
külső rétegeken a vezetett áram függvényében.

AVM_tablazat_2

2. táblázat A vezetősávok minimális szélessége a
belső rétegeken a vezetett áram függvényében.

 

A táblázat értékeit alapul véve készítettem egy diagramot (1. diagram), amely a grafikus leolvasáshoz szokott olvasóknak lehet segítség.

AVM_diagram_2

1. diagram Segédlet a minimális vezetőszélesség meghatározásához a
NYÁK külső rétegein, adott hőmérséklet emelkedés mellett.

AVM_diagram_1

2. diagram Segédlet a minimális vezetőszélesség meghatározásához a
NYÁK belső rétegein, adott hőmérséklet emelkedés mellett.

Gyakorlati példa

Tehát, ha például a külső rétegen 20A-es áram fog folyni a vezetőn, és maximum 30°C-os melegedést engedünk meg rajta, akkor a táblázatból leolvasható, hogy 378mil, azaz 9,6mm széles vezetősávot kell terveznünk. A diagramból a narancssárga görbe 20A-hez tartozó pontjának levetítésével ugyanezt az értéket kapjuk. A belső rétegeken a kisebb hőleadás miatt szélesebb vezetők szükségesek (2. táblázat, 2. diagram).

vsm_1

Ahogy a fentiekben írtam, ezek az adatok csak kiinduló értékek, ajánlások. Minden konstrukció más és más, ezért lehetetlen minden helyzetre érvényes “képletet” vagy egyszerű számítást megadni. További ökölszabály, hogy a megadott vezetőszélességeket csökkenteni lehet 15%-kal, ha a panel vastagsága 0,8mm vagy az alatti, illetve ha a vezetősáv vastagsága 108um vagy afeletti.

Amennyiben egymáshoz közel több hasonló áramot vezető sáv fut, érdemes a szélességüket növelni, különben együtt nagyobb hőmérséklet emelkedést hoznak majd létre.

A fent leírtakon kívül szükséges figyelembe venni a panelon elhelyezkedő alkatrészek melegedését is. Ha pedig túlságosan szélesnek kellene lennie egy adott vezetősávnak, úgy érdemesebb ónnal befuttatva elérni a kívánt keresztmetszetet (terhelhetőséget). Itt, a cikk végén ismét szeretném hangsúlyozni, hogy a fenti értékek DC, azaz egyenáram esetén érvényesek. Kapcsolóüzemű tápegységek, inverterek, indukciós hevítők, rádióadók és más nagyfrekvenciás eszközöknél a Skin-hatással is számolni kell a tervezéskor.

A ma széleskörűen használt PWM-mel (Pulse Width Modulation – impulzusszélesség moduláció) működő teljesítményelektronikai áramköröknél mindig a vezetősávokat igénybevevő áram effektív értékével kell számolni, ami induktív terhelés esetén jelentősen eltérhet a kimeneti feszültség alakjától. Ha multiméterrel mérünk hullámos egyenáramot, akkor figyeljünk arra, hogy a műszerünk “True RMS”, azaz valódi effektív értéket mérjen. (Az ilyen műszerek mindig drágábbak a számított effektív értéket mutató műszereknél.)