Warum ist die Position der Komponenten auf Ihrer Leiterplatte wichtig?

Bei niedrigen Frequenzen kann die Anordnung der elektronischen Komponenten auf der Leiterplatte mit großer Freiheit und Leichtigkeit durchgeführt werden. Die einzigen kritischen Punkte, die überwacht werden müssen, sind das endgültige Design und die Wärmeableitung. Bei hohen Frequenzen ist jedoch die Lage der Bauteile von grundlegender Bedeutung und eine falsche Positionierung würde, selbst wenn diese elektrisch gültig wäre, die Funktionstüchtigkeit des gesamten Systems beeinträchtigen.

Die Position der Komponenten auf einer Platine, ist ein wesentlicher Bestandteil eines jeden Projekts. Viele Ingenieure versuchen oft, diese Phase zu umgehen, um eventuell wichtigere Probleme zuerst zu lösen.
Bei hohen Frequenzen ist eine sorgfältige Platzierung der Komponenten außerordentlich wichtig, da es wesentlich ist, die Signalwege zu optimieren und die Funktion der Schaltung zu verbessern. Die beste Platzierung von Bauteilen auf einer Platine ist heutzutage nicht mehr nur von strengen theoretischen Regeln in der Elektronik definiert. Diese Entscheidung wird durch leistungsstarke Programme, die es Entwicklern ermöglicht hochkomplexe elektronische Schaltungen zu erstellen, erheblich erleichtert.
Die allgemeineren Regeln sollten sich auf die Reduzierung der Länge der kritischen Bahne, die physische Trennung zwischen Hauptstrom- und Steuerkreisen und die Unterscheidung zwischen analogen und digitalen Teilen beziehen. Ein sorgfältiges Layout trägt zu einer Erhöhung der Effizienz der Schaltung bei, wodurch auch deren Baugröße verringert wird.

Positionierung von Hochfrequenzkomponenten

Wenn elektrische Signale die Frequenz von 1 MHz überschreiten, kann das System kritisch werden, insbesondere im Hinblick auf die Positionierung elektrischer und elektronischer Komponenten, insbesondere kapazitiver und induktiver Komponenten. Komponenten verhalten sich, selbst wenn sie elektrisch miteinander verbunden sind, je nach ihrer Anordnung, Form und Größe der elektrischen Verbindung unterschiedlich. Manchmal genügt es, einen Kondensator oder eine Spule einige Zentimeter zu verlagern, um das Verhalten der Platine vollständig zu verändern. Dies ist der Fall bei Funksendern und -empfängern, HF-Verstärkern und anderen Geräten, die mit hohen Frequenzen operieren. Denken Sie daran, dass wenn diese in der Größenordnung von MHz liegen, die Signale den elektrischen Schaltkreis verlassen und sich im Außenraum ausbreiten. Selbst eine kleine Veränderung der Verkabelung und der Verbindung beeinflusst (positiv oder negativ) den Betrieb des Geräts.

Die Abbildung 1 zeigt diese Anfälligkeit anhand eines kleinen elektrischen Hochfrequenzschaltkreises. Insbesondere bei solchen Schaltungen und Lösungen sollten die Erdungspunkte in der Nähe der Komponenten platziert werden, um die Bildung langer Signalleitungen zu vermeiden, die die einwandfreie Funktion des HF-Systems beeinträchtigen würden. Die Anschlüsse der elektronischen Komponenten sollten vor allem in den Massepunkten nicht sehr weit voneinander entfernt sein, da es leicht zu unerwünschten Eigenschwingungen kommen kann. Vielmehr sollten die Komponenten nach Möglichkeit mit einer einzigen Massefläche verbunden werden.

Abbildung 1: In Hochfrequenzschaltungen muss die Massefläche in ihrer Ausdehnung sehr begrenzt sein, und die daran angeschlossenen Komponenten sollten so nahe wie möglich beieinander liegen.

Die Verbindungen zwischen den Abstimmungs- und Verstärkungselementen müssen sehr kurz sein, insbesondere wenn die Arbeitsfrequenz 8-10 MHz überschritten wird. Im Falle von Hochfrequenz-LC-Schaltungen verändert die physische Drehung einer Induktivität relativ zum Kondensator den Wirkungsgrad einer Schaltung manchmal vollständig, obwohl die elektrische Verbindung gleich bleibt (siehe Bild 2).

Bild 2: Bei hohen Frequenzen reicht es nicht aus, dass die reaktiven Komponenten elektrisch verbunden sind, sie müssen indessen richtig angeordnet werden.

Auch bei der Wahl der Positionierung der Widerstände ist große Vorsicht geboten, da diese aus einer Spirale aus Halbleitermaterial bestehen, die als Induktoren wirken, während dies bei Gleichstrom- oder Niederfrequenzanlagen kein Problem darstellt. In hoher Frequenz ist es ein Aspekt, der mit großer Genauigkeit zu berücksichtigen ist.

Platzierung von Komponenten zur Wärmeableitung

Die Optimierung einer Leiterplatte und die Positionierung von elektronischen Komponenten ist immer eine heikle und anspruchsvolle Aufgabe (siehe Bild 3). Als allgemeine Regel gilt, dass die Leiterbahnen, die die verschiedenen Elemente (Widerstände, Kondensatoren, Induktivitäten, integrierte und andere) verbinden, extrem kurz sein müssen, wobei die Geräte sehr nahe beieinander liegen müssen. Dies trifft zu, wenn Sie hauptsächlich in hoher Frequenz arbeiten. Eine Verringerung der Länge der Verbindungen könnte jedoch thermische Probleme verursachen, die eine ungleichmäßige lokale Erwärmung verursachen und zu Defekten führen, die auf den ersten Blick unverständlich sind. In diesen Fällen ist eine parallele Positionierung der Bauelemente und Wärmekanäle in der Platine zu bevorzugen. Moderne Ansätze bieten schnelle Methoden zur Bestimmung der optimalen Komponentenpositionierung, wodurch eine gleichmäßige Wärmestromverteilung erreicht wird. Der daraus resultierende Vorteil ist eine bessere thermische Leistung des gesamten Systems.

Bild 3: Betriebstemperaturmessungen und thermische Simulationen tragen zur korrekten Positionierung von elektronischen Komponenten bei.

Es ist ebenfalls vom Nutzen den rein wissenschaftlichen Aspekt des Problems mithilfe von Gleichungen anzugehen. Es wird ein mathematisches Modell für die Leistung jeder einzelnen Komponente betrachtet, welches die Lufttemperaturen auf einer elektronischen Platine beschreibt. Die Leiterplatte besteht aus einem Gitter mit thermisch aktiven Elementen, die Wärme erzeugen, aber gleichzeitig durch einen erzwungenen Kaltluftstrom durch Konvektion gekühlt werden. Die Modelle liefern Gleichungen für Komponenten- und Lufttemperaturen. Lineare mathematische Modelle liefern im Allgemeinen ausgezeichnete Ergebnisse.

Platzierung von Komponenten und genetischen Algorithmen

Mit dem Aufkommen der künstlichen Intelligenz ist auch die Elektronikbranche stark mit einbezogen. Es gibt Integrierungen von genetischen Algorithmen zur Optimierung der Positionierung von elektronischen Komponenten, insbesondere zur Auswertung des Wärmegrades im Betrieb (siehe Bild 4). Zunächst werden sie auf eine Oberfläche gelegt und durch Konvektion mit einem erzwungenen Luftstrom gekühlt. Das thermische Modell ist zweidimensional. Der Algorithmus optimiert daher Position und Abstand, indem er verschiedenen thermischen Kriterien folgt. In der nächsten Phase wird der genetische Algorithmus verwendet, um die Position der elektronischen Komponenten auf einer Leiterplatte zu optimieren, diesmal aber folglich einem dreidimensionalen thermischen Modell. Für diese Art der Optimierung führt die Software Millionen von Permutationen und Kombinationen aus, bis die beste Anordnung gefunden wird.

Bild 4: Genetische Algorithmen sind sehr hilfreich bei der Optimierung der Position von Komponenten auf der Leiterplatte.

Schlussfolgerung

Es gibt absolut keine bessere oder schlechtere Positionierung von elektronischen Komponenten auf einer Platine. Diese hängt von vielen Faktoren ab, wie zum Beispiel von der Betriebsfrequenz, der Leistung, dem Strom im Umlauf und den zu erwartenden Betriebstemperaturen, sowohl als auch viele andere. Heute sind Berechnungswerkzeuge entwickelt worden, die schnell eine ausgezeichnete Komponentenpositionierung mit einer gleichmäßigen Wärmestromverteilung liefern. Diese hochentwickelten Werkzeuge basieren auf genetischen Algorithmen, die verschiedene Kombinationen von Lösungsstrategien verwenden. Solche Ansätze könnten in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt werden, z.B. in der Luft- und Raumfahrtbranche, in der Automobilindustrie und in der allgemeinen Energieversorgung.