ألقِ نظرة فاحصة على أي لوحة دوائر مطبوعة. ستلاحظ تلك الخطوط الرفيعة اللامعة تتشابك على سطحها كخريطة طريق مصغّرة. هذه الخطوط ليست مجرد مظهر، بل هي خطوط نحاسية، وهي بالغة الأهمية لكيفية عمل لوحتك.
آثار النحاس ليست مجرد خطوط لامعة، بل هي خطوط الحياة لجسدك. الدائرة. كل إشارة. كل ذرة طاقة. كل شيء يتدفق عبرها - من الدوائر المتكاملة الدقيقة إلى المحركات المتعطشة للطاقة.
لكن وضع خط نحاسي ليس بالأمر السهل. لا يمكنك رسم خط على أمل أن يصمد. هل هو رفيع جدًا؟ سيسخن أكثر من اللازم. هل هو عريض جدًا؟ ستهدر المساحة وربما المال.
وهنا يأتي دور الهندسة. تحتاج إلى تحديد حجم كل أثر بناءً على الحمل الحالي، ووزن النحاس، وكمية الحرارة التي يمكنك تحملها.
إنها مسألة موازنة. العرض، السُمك، ارتفاع درجة الحرارة - كلها عوامل مترابطة. تجاهل أي منها يُعرّضك لخطر الفشل. أما إذا أحسنت الاختيار، فستعمل لوحتك بشكل أبرد وأمان ولمدة أطول.
إذن، كيف نحقق ذلك بشكل صحيح؟ هذا ما سنتناوله بالتفصيل: كيف تترابط سماكة النحاس، وعرض الأثر، والتيار، وارتفاع درجة الحرارة في تصميم لوحة الدوائر المطبوعة.
سمك النحاس ودوره
ليس كل النحاس مُصنّعًا بالتساوي، على الأقل ليس على لوحة الدوائر المطبوعة. سماكة مسارات النحاس لديك تؤثر بشكل مباشر على كمية التيار التي يمكنها تحملها بأمان. تستخدم معظم اللوحات القياسية أونصة واحدة من النحاس، أي ما يعادل حوالي 1 مل (أو 1.4 ميكرومتر). ولكن بمجرد البدء في التعامل مع تيارات أعلى، قد لا يكون هذا كافيًا. وهنا يأتي دور أوزان النحاس الأثقل - 35 أونصة، 2 أونصات، وحتى أكثر، عند الحاجة.
إذًا، لماذا يُعد السُمك مهمًا؟ ببساطة. تستطيع المسارات السميكة حمل تيار أكبر دون ارتفاع درجة حرارتها. كما أنها تُقلل المقاومة، مما يعني كفاءة أعلى. ولكن هناك مُقايضة. فالنحاس السميك يشغل مساحة أكبر ويكلف أكثر. وفي لوحات الدوائر المطبوعة متعددة الطبقات، تكون المساحة ضيقة.
وهنا مرجع عام:
|
وزن النحاس (أونصة/قدم مربع)
|
سمك (مل)
|
سمك (ميكرومتر)
|
|
0.5 اونصة
|
0.7 1000
|
~18 ميكرومتر
|
|
1 اونصة
|
1.4 1000
|
~35 ميكرومتر
|
|
2 اونصة
|
2.8 1000
|
~70 ميكرومتر
|
|
3 اونصة
|
4.2 1000
|
~105 ميكرومتر
|
الخلاصة؟ سمك النحاس ليس مجرد مواصفة، بل هو عامل أداء. استخدمه بحكمة. ستعمل لوحتك بشكل أبرد وأنظف. أما التوفير فيه، فقد يؤدي إلى حرق آثار ونماذج أولية فاشلة.
كيفية حساب عرض مسار النحاس في لوحة الدوائر المطبوعة
الآن، ندخل في العمل التصميمي الفعلي. من أهم المهام في تصميم لوحات الدوائر المطبوعة تحديد العرض المطلوب لكل مسار. لا يقتصر الأمر على تركيب خطوط بين الوسادات، بل يجب أن يحمل كل مسار تيارًا دون ارتفاع درجة حرارته.
الهدف بسيط: اختر عرضًا يتحمل الحمل الحالي مع الحفاظ على ارتفاع درجة الحرارة ضمن الحدود الآمنة. ومع ذلك، كما سترى، فإن الحسابات الرياضية ليست دائمًا بهذه البساطة.
هناك عاملين رئيسيين:
1. القدرة الاستيعابية الحالية
2. ارتفاع مقبول في درجة الحرارة
يعتمد عرض المسار على كليهما. القاعدة العامة هي: تيار أعلى = مسار أوسع.
ومع ذلك، يختلف العدد الفعلي بناءً على ما إذا كان الأثر داخليًا (داخل اللوحة) أو خارجيًا (على السطح) ومدى ارتفاع درجة الحرارة الذي يمكنك تحمله.
إليكم المعادلة المقتبسة من IPC-2221 (المعيار القديم):
العرض (ملي) = (التيار (أمبير) / (ك × ΔT^b))^(1/c)
أين:
• k = 0.048، b = 0.44، c = 0.725 للطبقات الخارجية
• ΔT هو ارتفاع درجة الحرارة بالدرجة المئوية
هل يبدو الأمر معقدًا؟ لست وحدك. لهذا السبب يعتمد معظم المهندسين الآن على حاسبات عرض مسار لوحة الدوائر المطبوعة التي تتبع معيار IPC-2152.
حاسبة عرض تتبع ثنائي الفينيل متعدد الكلور
بدلاً من إجراء الحسابات يدويًا، يستخدم معظم المصممين حاسبة تتبع إلكترونية أو حاسبة عرض مسار لوحة الدوائر المطبوعة. تُجري هذه الأدوات جميع العمليات الحسابية المعقدة خلف الكواليس. ما عليك سوى توصيل:
• التيار المطلوب
• ارتفاع درجة الحرارة
• وزن النحاس (بالأونصة)
• سواء كان داخليا أو خارجيا
تُحدد لك الأداة الحد الأدنى لعرض التتبع الذي يجب استخدامه. بعض الآلات الحاسبة تتيح لك ضبط عوامل الأمان، وانخفاض الجهد، وطول التتبع.
فيما يلي بعض الأمثلة الشائعة التي يثق بها المهندسون:
• حاسبة عرض مسار لوحة الدوائر المطبوعة المتقدمة
• مجموعة أدوات لوحة دوائر مطبوعة من Saturn
• حاسبة عرض التتبع EEWeb
تذكر أن جميع حاسبات عرض التتبع تعتمد على أحد أشكال معيار IPC، وهو عادةً IPC-2152، الذي حل محل IPC-2221 لقياس عرض التتبع مقارنةً بالإرشادات الحالية. يُعد IPC-2152 أكثر دقةً لأنه يأخذ في الاعتبار بيانات الاختبار الفعلية، بما في ذلك الحمل الحراري، وتباعد التتبع، ومادة اللوحة.
سواء كنت تقوم بتصميم لوحة LED بسيطة أو لوحة PCB معقدة لتوزيع الطاقة، فإن حاسبة تتبع PCB الجيدة تساعد في توفير الوقت وتقليل أخطاء التصميم.
ريلاتيالعلاقة بين وزن النحاس وعرض الأثر والقدرة الاستيعابية الحالية
هنا تترابط الأمور. لنفترض أنك تصمم لوحة دوائر مطبوعة تتحمل 5 أمبير. يمكنك تحقيق ذلك بطريقتين:
1. استخدم طبقة نحاسية أكثر سمكًا وحافظ على الأثر ضيقًا
2. حافظ على النحاس القياسي واجعل الأثر أوسع بكثير
فيما يلي جدول سريع (باستخدام إرشادات IPC-2152):
|
عرض التتبع
(بوصة)
|
10 درجة مئوية
0.5oz
|
10 درجة مئوية
1.0oz
|
10 درجة مئوية
2.0oz
|
20 درجة مئوية
0.5oz
|
20 درجة مئوية
1.0oz
|
20 درجة مئوية
2.0oz
|
30 درجة مئوية
0.5oz
|
30 درجة مئوية
1.0oz
|
30 درجة مئوية
2.0oz
|
|
0.01
|
0.5
|
1
|
1.4
|
0.6
|
1.2
|
1.6
|
0.7
|
1.5
|
2.2
|
|
0.015
|
0.7
|
1.2
|
1.6
|
0.8
|
1.3
|
2.4
|
1
|
1.6
|
3
|
|
0.02
|
0.7
|
1.3
|
2.1
|
1
|
1.7
|
3
|
1.2
|
2.4
|
3.6
|
|
0.025
|
0.9
|
1.7
|
2.5
|
1.2
|
2.2
|
3.3
|
1.5
|
2.8
|
4
|
|
0.03
|
1.1
|
1.9
|
3
|
1.4
|
2.5
|
4
|
1.7
|
3.2
|
5
|
|
0.05
|
1.5
|
2.6
|
4
|
2
|
3.6
|
6
|
2.6
|
4.4
|
7.3
|
|
0.075
|
2
|
3.5
|
5.7
|
2.8
|
4.5
|
7.8
|
3.5
|
6
|
10
|
|
0.1
|
2.6
|
4.2
|
6.9
|
3.5
|
6
|
9.9
|
4.3
|
7.5
|
12.5
|
|
0.2
|
4.2
|
7
|
11.5
|
6
|
10
|
11
|
7.5
|
13
|
20.5
|
|
0.25
|
5
|
8.3
|
12.3
|
7.2
|
12.3
|
20
|
9
|
15
|
24
|
إذًا، نعم، يمكنك تقليل عرض الأثر بزيادة سُمك النحاس. ولكن، مجددًا، هناك توازن بين التكلفة والمساحة والأداء الحراري.
لهذا السبب، تُعدّ أدوات مثل حاسبة عرض أو سُمك الأثر ضروريةً خلال مرحلة التصميم. فهي تُتيح لك تعديل المُعاملات للوصول إلى التصميم الأكثر كفاءة.
العلاقة بين مساحة المقطع العرضي لرقاقة النحاس في لوحة الدوائر المطبوعة، وسعة حمل التيار، وارتفاع درجة الحرارة
لنُركز على أمرٍ غالبًا ما يُغفل الحجم الفعلي لأثر النحاس، أي مساحة مقطعه العرضي. وهو حاصل ضرب عرض الأثر في سُمك النحاس.
إنها عملية حسابية بسيطة، ولكنها تخبرك بالكثير.
المساحة = عرض الأثر × سمك النحاس
كلما كبرت هذه المساحة، انخفضت المقاومة. وانخفاض المقاومة يعني توليد حرارة أقل عند مرور التيار عبر المسار.
لكن المشكلة تكمن في أن ارتفاع التيار وارتفاع درجة الحرارة مرتبطان ارتباطًا مباشرًا. إذا مررتَ تيارًا أكبر عبر مسار دون زيادة مساحته، فأنتَ تُحمّله حملًا أثقل مما صُمّم له. تُحوّل المقاومة هذا التيار الزائد إلى حرارة، وتبدأ درجة الحرارة بالارتفاع بسرعة.
إذن، ماذا تفعل؟ إما أن تمنح التيار "مساحة" أكبر بزيادة المساحة - مسار أوسع ونحاس أكثر سمكًا - أو تقلل كمية التيار الذي تدفعه.
لا يوجد اختصار هنا. الأمر كله يتعلق بالتوازن. وتذكر أن موقع المسار على لوحة الدوائر المطبوعة مهم أيضًا. تبرد المسارات الخارجية بسهولة أكبر بفضل تدفق الهواء. أما المسارات الداخلية؟ فهي محصورة بين الطبقات وتسخن أسرع.
فيما يلي مقارنة سريعة لوضع الأمر في نصابه الصحيح:
2 أونصة من النحاس، وعرض 150 مل:
مساحة المقطع العرضي = 150 مل × 2.8 مل = 420 مل²
يمكن أن تحمل بأمان حوالي 6.5 أمبير مع ارتفاع درجة الحرارة بمقدار 20 درجة مئوية
2 أونصة من النحاس، وعرض 100 مل:
مساحة المقطع العرضي = 100 مل × 2.8 مل = 280 مل²
يسخن بشكل أسرع بكثير تحت نفس التيار
لذا، فإن إزالة القليل من العرض قد يبدو غير ضار، إلا أنه له تأثير خطير على الأداء الحراري.
التيار، والمساحة، وارتفاع درجة الحرارة كلها مرتبطة ببعضها. تغيّر أحدها، فتتفاعل البقية. لهذا السبب يستخدم العديد من المهندسين حاسبات عرض التتبع، وحاسبات تيار التتبع، وآلات حاسبة التيار الكهربائي للوحات الدوائر المطبوعة للحفاظ على تصميمها ضمن الحدود الآمنة، وخاصة عندما تصبح الأمور صعبة.
الخاتمة
آثار النحاس هي عروق أي لوحة دوائر مطبوعة. إذا أخطأت في استخدامها، فسترى كل شيء من التسرب الحراري إلى احتراق اللوحات. ولكن إذا أخطأت في استخدامها، فسيعمل تصميمك بشكل أبرد وأمان وكفاءة أعلى.
عند العمل مع مسارات النحاس، استخدم حاسبة عرض المسارات لكل خط كهرباء. ضع دائمًا وزن النحاس في الاعتبار، فوزن أونصة واحدة لا يكفي لمسارات التيار العالي. وازن بين العرض والسمك، فالأكبر ليس دائمًا الخيار الأمثل إذا كانت المساحة محدودة. علاوة على ذلك، تحقق جيدًا من معايير IPC-1 لارتفاع درجة الحرارة، واختبر الأداء الحراري في ظروف واقعية.
ولا تنسَ أن لوحات الدوائر المطبوعة (PCBs) أكثر من مجرد آثار. فحجم الوسادات، والفتحات، والتوزيعات الحرارية، وخيارات التصميم كلها تؤثر على الحرارة والأداء.
لذا، في المرة القادمة التي تُصمّم فيها لوحةً كهربائية، خصّص بعض الوقت لإعادة النظر في مسارات النحاس. استخدم حاسبة تيار مسارات لوحة الدوائر المطبوعة المناسبة، وافهم العلاقة بين عرض المسار ومنطق التيار، ودع الهندسة - وليس التخمين - تُوجّه تصميمك.
