Ścieżki i przelotki na płytkach drukowanych

W czasopiśmie ZE 2/2025 w „Listach Czytelników” poruszona została ważna kwestia szerokości ścieżek płytek drukowanych. Ten artykuł pokazuje, że często niestety lekceważone parametry ścieżek i przelotek mogą mieć kluczowe znaczenie dla prawidłowego działania urządzenia elektronicznego.

W czasie projektowania płytek drukowanych należy uwzględnić wiele parametrów. Także dotyczących szerokości ścieżek. Ścieżki i przelotki mają wpływ nie tylko na poprawne działanie zaprojektowanego urządzenia elektronicznego, ale także na wielkość płytki drukowanej. Wielkość płytki drukowanej z kolei przekłada się na koszt jej wykonania. We współczesnych skomplikowanych urządzeniach elektronicznych nieraz trudno jest pogodzić te wszystkie czynniki. Projekt płytki drukowanej często powstaje z uwzględnieniem wielu kompromisów.

Stopniowanie szerokości ścieżek. Jednym z parametrów płytki drukowanej jest szerokość ścieżek. W wielu prostych projektach parametr ten może nie mieć większego znaczenia. Jednak zbyt mała szerokość ścieżek na płytce drukowanej w najlepszym przypadku spowoduje nadmierne ich nagrzewanie. Zwiększa to rezystancję takich ścieżek, co może spowodować zmianę parametrów pracy elementów na takiej płytce, a nawet usterkę. W skrajnym wypadku może dojść do przepalenia się ścieżki na płytce, a to może być powodem dalszych uszkodzeń. Dlatego należy wyrobić sobie nawyk stopniowania szerokości ścieżek płytek drukowanych i stosować go w praktyce.

Odstępy między ścieżkami. Z szerokością ścieżek jest związany kolejny parametr, jakim są odstępy ścieżek między sobą, polami lutowniczymi i elementami na płytce drukowanej. Również ten parametr w prostych projektach zwykle nie ma większego znaczenia. W przypadku ścieżek między którymi występuje wysokie napięcie, konieczne jest już zastosowanie odpowiednich odległości, a nawet szczelin i wycięć w płytce drukowanej. Dodatkowe obostrzenia i wymagania dotyczą izolacji galwanicznej od sieci energetycznej, to jednak oddzielny, szeroki temat. Przy niskich napięciach odległości między ścieżkami w prostych projektach mogą nie mieć większego znaczenia. W urządzeniach pracujących z dużą częstotliwością przetwarzania sygnałów stosuje się tak zwane pary różnicowe. Wówczas odległość ścieżek pary różnicowej ma znaczenie, pomimo że napięcia są małe. Wielkości i odległości związane są też z impedancją falową, co dotyczy bardzo szybkich sygnałów i układów w.cz. To też oddzielne, szerokie tematy.

Klasy sieci i reguły projektowe. Większość współczesnych programów dla elektroników ma funkcję umożliwiającą zdefiniowanie tak zwanych klas sieci lub klas połączeń. Czyli zdefiniowanie już na etapie edycji schematu parametrów ścieżek płytki drukowanej dla poszczególnych sieci połączeń. Sieciom tym możemy nadawać wybrane nazwy, na przykład GND. Następnie należy zdefiniować szerokość ścieżki na płytce dla danej sieci połączeń, jej odstępy od innych ścieżek, jak również przypisać im odpowiednie rozmiary przelotek. Taką sieć możemy przypisać do określonej warstwy płytki drukowanej, na przykład dolnej. Później na etapie ręcznego lub automatycznego trasowania ścieżek program do edycji płytek drukowanych stosuje zdefiniowane klasy sieci. Jest też możliwość zdefiniowania tak zwanych reguł projektowych, które również są uwzględniane podczas trasowania połączeń. Programy do edycji płytek nie są jednak idealne i może się zdarzyć, że najczęściej z powodu dużego zagęszczenia elementów i ścieżek na płytce niektóre połączenia nie zostaną wytrasowane.

Obliczenia

Jak w takim razie obliczyć wymaganą szerokość dla ścieżek, przez które będą przepływały prądy o dużej wartości? Tutaj z pomocą przychodzą twórcy programów EDA, dołączając do swoich programów kalkulatory. Dostępne są również kalkulatory szerokości ścieżek i innych paramentów płytek drukowanych działające online za pośrednictwem przeglądarki internetowej. Umożliwiają one obliczenie w prosty sposób wymaganej szerokości dla ścieżek płytki drukowanej. Do obliczeń przykładowej ścieżki płytki drukowanej przyjąłem standardową grubość warstwy miedzi laminatu – 35 µm, długość ścieżki – 82 mm i maksymalny prąd przez nią płynący do 10 A, przy wzroście temperatury o 20°C. Jest to ścieżka na płytce drukowanej z naniesionymi wymiarami, widoczna na rysunku 1. Jej łączna długość między otworami pól lutowniczych to około 81,5 mm. Jest to płytka do automatycznego odłączania ładowania akumulatora samochodowego.

KiCad. W programie KiCad kalkulator ten można uruchomić bezpośrednio z Menadżera projektu, klikając na ikonę Podręczny kalkulator elektronika. Uruchomiony kalkulator możemy zobaczyć na rysunku 2.

Po lewej stronie okna kalkulatora mamy rozwijane drzewo parametrów, które możemy obliczyć – między innymi szerokość ścieżki. W środkowej części okna podajemy wymagane parametry: prąd, przyrost temperatury i długość ścieżki. Po prawej stronie okna kalkulatora, w górnym prawym rogu mamy obliczone parametry dla ścieżek na warstwach zewnętrznych. (…)

——– ciach! ——–

To jest tylko fragment artykułu, którego pełna wersja ukazała się w październikowym numerze czasopisma Zrozumieć Elektronikę (ZE 10/2025). Pełną wersję czasopisma znajdziesz pod tym linkiem. Natomiast niepełna, okrojona wersja, pozwalająca zapoznać się z zawartością numeru ZE 10/2025 znajduje się tutaj.

Krzysztof Kawa
kaawa@wp.pl

Uwaga! Wskazówki, jak nabyć pełne wersje dowolnych numerów ZE znajdują się na stronie:
https://piotr-gorecki.pl/n11.