Kijk eens goed naar een printplaat. Je ziet die dunne, glanzende lijntjes die als een miniatuur wegenkaart over het oppervlak weven. Die zijn er niet alleen voor de sier. Het zijn kopersporen. En ze zijn absoluut essentieel voor de werking van je printplaat.
Kopersporen zijn niet zomaar glanzende lijntjes. Ze vormen de levensaders van je leven. circuit. Elk signaal. Elk beetje stroom. Het stroomt er allemaal doorheen – van delicate IC's tot energieverslindende drivers.
Maar een koperen spoor aanleggen is geen gokspel. Je kunt niet zomaar een lijn trekken en hopen dat die het houdt. Te dun? Dan raakt hij oververhit. Te breed? Dan verspil je ruimte en mogelijk geld.
Daar komt techniek om de hoek kijken. Je moet de afmetingen van elk spoor bepalen op basis van de huidige belasting, het gewicht van het koper en de hoeveelheid hitte die je kunt verdragen.
Het is een afweging. Breedte, dikte, temperatuurstijging – alles hangt met elkaar samen. Negeer je er één, dan riskeer je een storing. Doe je het goed, dan blijft je board koeler, veiliger en langer werken.
Dus, hoe doe je dat? Dat is waar we ons in verdiepen: hoe koperdikte, spoorbreedte, stroomsterkte en temperatuurstijging allemaal samenhangen in het PCB-ontwerp.
Koperdikte en zijn rol
Niet al het koper is hetzelfde, tenminste niet op een printplaat. De dikte van je kopersporen heeft een directe invloed op de hoeveelheid stroom die ze veilig kunnen geleiden. De meeste standaardprintplaten gebruiken koper van 1 gram, wat ongeveer 1.4 mils (of 35 μm) dik is. Maar zodra je met hogere stromen te maken krijgt, is dat misschien niet meer voldoende. Dan komen zwaardere kopergewichten van pas: 2 gram, 3 gram en indien nodig zelfs meer.
Dus waarom is dikte belangrijk? Simpel. Dikkere sporen kunnen meer stroom geleiden zonder oververhitting. Ze verminderen ook de weerstand, wat een betere efficiëntie oplevert. Maar er is een keerzijde. Dikker koper neemt meer ruimte in beslag en kost meer. En in meerlaagse PCB's is de ruimte beperkt.
Hier is een algemene referentie:
|
Kopergewicht (oz/ft²)
|
Dikte (mil)
|
Dikte (μm)
|
|
0.5 oz
|
0.7 duizend
|
~ 18 µm
|
|
1 oz
|
1.4 duizend
|
~ 35 µm
|
|
2 oz
|
2.8 duizend
|
~ 70 µm
|
|
3 oz
|
4.2 duizend
|
~ 105 µm
|
De conclusie? Koperdikte is niet zomaar een specificatie, het is een prestatiefactor. Gebruik het verstandig. Je moederbord blijft dan koeler en schoner. Bespaar erop en je loopt het risico op verbrande sporen en mislukte prototypes.
Hoe de koperen spoorbreedte van een PCB te berekenen
Nu gaan we echt aan de slag met het ontwerp. Een van de meest cruciale taken bij het ontwerpen van een printplaat? Bepalen hoe breed elke trace moet zijn. Het gaat niet alleen om het aanbrengen van lijnen tussen de pads. Elke trace moet stroom voeren zonder oververhit te raken.
Het doel is simpel: kies een breedte die de huidige belasting aankan en tegelijkertijd de temperatuurstijging binnen veilige grenzen houdt. Maar zoals u zult zien, is de wiskunde erachter niet altijd zo eenvoudig.
Er zijn twee belangrijke factoren:
1. Stroomdraagkracht
2. Aanvaardbare temperatuurstijging
De spoorbreedte is afhankelijk van beide. De algemene regel is: hogere stroom = breder spoor.
Het daadwerkelijke aantal kan echter variëren, afhankelijk van of het spoor zich intern (binnen de printplaat) of extern (op het oppervlak) bevindt en hoeveel temperatuurstijging u kunt tolereren.
Hier is de vergelijking, aangepast van IPC-2221 (de oude norm):
Breedte (mil) = (Stroom (A) / (K × ΔT^b))^(1/c)
Waar:
• k = 0.048, b = 0.44, c = 0.725 voor externe lagen
• ΔT is de temperatuurstijging in Celsius
Klinkt ingewikkeld? Je bent niet de enige. Daarom vertrouwen de meeste engineers tegenwoordig op PCB-spoorbreedtecalculators die voldoen aan IPC-2152.
PCB-spoorbreedtecalculator
In plaats van handmatig cijfers te berekenen, gebruiken de meeste ontwerpers een online tracecalculator of PCB-traceringsbreedtecalculator. Deze tools doen al het lastige rekenwerk achter de schermen. Je hoeft alleen maar het volgende in te voeren:
• Gewenste stroom
• Temperatuurstijging
• Kopergewicht (in oz)
• Of het nu intern of extern is
De tool geeft de minimale spoorbreedte aan die u moet gebruiken. Sommige rekenmachines laten u zelfs veiligheidsfactoren, spanningsval en spoorlengte aanpassen.
Hier zijn enkele populaire opties waar ingenieurs op vertrouwen:
• Geavanceerde PCB-spoorbreedtecalculator voor circuits
• Saturn PCB-toolkit
• EEWeb Trace Breedte Calculator
Houd er rekening mee dat elke calculator voor spoorbreedte gebaseerd is op een of andere vorm van IPC-standaard, meestal IPC-2152, die IPC-2221 heeft vervangen voor spoorbreedte ten opzichte van de huidige richtlijnen. IPC-2152 is nauwkeuriger, omdat het rekening houdt met testgegevens uit de praktijk, waaronder convectie, spoorafstand en plaatmateriaal.
Of u nu een eenvoudige LED-printplaat of een complexe stroomverdelings-PCB ontwerpt, een goede PCB-traceringscalculator bespaart u tijd en vermindert ontwerpfouten.
Relatiesonship Tussen kopergewicht, spoorbreedte en stroomdraagvermogen
Dit is waar alles met elkaar verbonden raakt. Stel dat je een printplaat ontwerpt die 5 ampère aankan. Je kunt dat op twee manieren bereiken:
1. Gebruik een dikkere koperlaag en houd het spoor smal
2. Houd standaard koper aan en maak het spoor veel breder
Hier is een korte tabel (met behulp van IPC-2152-richtlijnen):
|
Spoorbreedte
(Inch)
|
10 ° C
0.5oz
|
10 ° C
1.0oz
|
10 ° C
2.0oz
|
20 ° C
0.5oz
|
20 ° C
1.0oz
|
20 ° C
2.0oz
|
30 ° C
0.5oz
|
30 ° C
1.0oz
|
30 ° C
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
|
Dus ja, je kunt de spoorbreedte verkleinen door de koperdikte te vergroten. Maar nogmaals, er is een afweging tussen kosten, ruimte en thermische prestaties.
Daarom zijn tools zoals de spoorbreedtecalculator of spoordiktecalculator essentieel tijdens de ontwerpfase. Hiermee kunt u met parameters spelen om het meest efficiënte ontwerp te vinden.
Relatie tussen PCB-koperfolie-dwarsdoorsnede, stroomdraagvermogen en temperatuurstijging
Laten we inzoomen op iets dat vaak de werkelijke grootte van het koperspoor over het hoofd ziet, namelijk de dwarsdoorsnede. Dat is de spoorbreedte vermenigvuldigd met de koperdikte.
Simpele wiskunde, maar het vertelt je veel.
Oppervlakte = spoorbreedte × koperdikte
Hoe groter het oppervlak, hoe lager de weerstand. En een lagere weerstand betekent dat er minder warmte wordt gegenereerd wanneer er stroom door de trace stroomt.
Maar hier is het addertje onder het gras: stroomsterkte en temperatuurstijging zijn direct met elkaar verbonden. Als je meer stroom door een spoor stuurt zonder het oppervlak ervan te vergroten, vraag je het om een zwaardere belasting te dragen dan waarvoor het is ontworpen. Weerstand zet die overtollige stroom om in warmte, waardoor de temperatuur snel stijgt.
Dus, wat doe je? Je geeft de stroom meer "ruimte" door het oppervlak te vergroten – bredere geleider, dikker koper – of je vermindert de hoeveelheid stroom die je erdoorheen duwt.
Er is geen snelle oplossing. Het draait allemaal om balans. En vergeet niet dat de locatie van de trace op de PCB ook van belang is. Externe sporen kunnen gemakkelijker afkoelen dankzij luchtstroom. Interne sporen? Die zitten vast tussen de lagen en warmen sneller op.
Hier is een snelle vergelijking om het in perspectief te plaatsen:
2 oz koper, 150 mils breed spoor:
Dwarsdoorsnede = 150 mil × 2.8 mil = 420 mil²
Kan veilig ~6.5 A dragen bij een temperatuurstijging van 20°C
2 oz koper, 100 mils breed spoor:
Dwarsdoorsnede = 100 mil × 2.8 mil = 280 mil²
Wordt aanzienlijk sneller warm onder dezelfde stroomsterkte
Het afschaven van een beetje van de breedte lijkt misschien onschuldig, maar het heeft een serieuze impact op de thermische prestaties.
Stroom, oppervlakte en temperatuurstijging zijn allemaal met elkaar verbonden. Verander je er één, dan reageren de andere. Dit is de reden waarom veel ingenieurs spoorbreedtecalculators en spoorstroomcalculators gebruiken. en PCB-stroomcalculators om hun ontwerp binnen veilige grenzen te houden, vooral wanneer het krap wordt.
Conclusie
Kopersporen vormen de aders van elke printplaat. Als je ze verkeerd aanpakt, zie je van alles, van thermische loopbanen tot verbrande printplaten. Maar als je ze goed aanpakt, werkt je ontwerp koeler, veiliger en efficiënter.
Gebruik bij het werken met koperen sporen een spoorbreedtecalculator voor elke stroomleiding. Houd altijd rekening met het kopergewicht: 1 gram is niet genoeg voor hoogstroompaden. Houd rekening met de breedte en dikte: groter is niet altijd beter als de ruimte beperkt is. Controleer bovendien de IPC-2152-normen voor temperatuurstijging. Test bovendien de thermische prestaties onder realistische omstandigheden.
En vergeet niet dat PCB's meer zijn dan alleen sporen. Padgroottes, via's, thermische reliëfs en lay-outbeslissingen hebben allemaal invloed op warmte en prestaties.
Dus, neem de volgende keer dat u een printplaat ontwerpt even de tijd om uw koperen sporen te heroverwegen. Gebruik de juiste pcb-spoorstroomcalculator, begrijp de logica van de spoorbreedte versus de stroom en laat u bij uw ontwerp leiden door engineering – niet door giswerk.
