Bij lage frequenties kan de plaatsing van de elektronische componenten op de gedrukte schakeling met meer vrijheid en gemak worden uitgevoerd. De enige kritische punten zijn het uiteindelijke ontwerp en de warmtedissipatie. Bij hoge frequenties is hun plaats echter van fundamenteel belang en een verkeerde plaatsing, ook al is die elektrisch in orde, zou de werking van het hele systeem in gevaar brengen.
Inleiding
De plaatsing van de elektronische componenten op de printplaat is het belangrijkste onderdeel van elk project. Veel ingenieurs laten deze fase vaak aan zich voorbijgaan en schuiven ze misschien naar momenten na het oplossen van andere problemen. Bij hoge frequenties is de behoefte aan een goede positionering groter, omdat het belangrijk is de signaalpaden te optimaliseren en de werking van de schakeling te verbeteren. Tegenwoordig is de beste plaatsing van componenten op een printplaat niet alleen het resultaat van strikte theoretische regels van de elektronica en wordt zij sterk vergemakkelijkt en geholpen door krachtige software die ontwerpers ondersteunt bij het maken van zeer verfijnde elektronische schakelingen. De meest algemene regels moeten betrekking hebben op de verkorting van de lengte van de kritieke pads, de fysieke scheiding tussen de voedings- en de beslissingseenheden en het onderscheid tussen de analoge en de digitale onderdelen. Een zorgvuldige opstelling draagt bij tot een verhoging van de efficiëntie van de schakeling en vermindert tevens de fysieke omvang ervan.
Plaatsing van hoogfrequente componenten
Wanneer elektrische signalen de frequentie van 1 MHz overschrijden, wordt het systeem uiterst kritisch, met name wat betreft de plaatsing van de elektrische en elektronische componenten, vooral de capacitieve en inductieve. De componenten, zelfs wanneer zij elektrisch met elkaar zijn verbonden, gedragen zich verschillend naargelang hun opstelling, de vorm en de grootte van de elektrische verbinding. Soms is het voldoende een condensator of een inductantie enkele centimeters te verplaatsen om het gedrag van de elektronische schakeling totaal te veranderen. Dit is het geval bij radiozenders en -ontvangers, HF-versterkers en andere apparatuur die met hoge frequenties werkt. Vergeet niet dat wanneer deze laatste in de orde van Mhz liggen, de signalen de elektrische schakelingen verlaten en zich verspreiden in de omringende ruimte. Zelfs een zeer kleine variatie in de bedrading en verbindingen beïnvloedt (in positieve of negatieve zin) de werking van het apparaat. Figuur 1 demonstreert dit kriticiteit aan de hand van een kleine hoogfrequente elektrische schakeling. Vooral in dit soort schakelingen en oplossingen moeten de aardingspunten dicht bij de componenten worden geplaatst, om te voorkomen dat er lange signaallijnen ontstaan die de goede werking van het HF-systeem in gevaar zouden brengen. De aansluitklemmen van de elektronische componenten mogen niet te ver uit elkaar liggen, vooral niet bij de aardingspunten, omdat dan gemakkelijk ongewenste zelftrillingen kunnen optreden. Integendeel, de componenten moeten, indien mogelijk, op één enkel aardingsvlak worden aangesloten.
Figuur 1: in hoogfrequente schakelingen moet het aardingsvlak zeer beperkt zijn, in termen van verlenging, en de componenten die erop aangesloten zijn moeten zo dicht mogelijk bij elkaar liggen
De verbindingen tussen afstem- en versterkingselementen moeten zeer kort zijn, vooral als de werkfrequentie hoger is dan 8-10 Mhz. In het geval van hoogfrequente LC-schakelingen verandert soms de fysieke verdraaiing van een spoel ten opzichte van de condensator het rendement van een schakeling volledig, hoewel de elektrische verbinding hetzelfde blijft (zie figuur 2).
Figuur 2: bij hoge frequenties is het niet voldoende dat de reactieve componenten elektrisch met elkaar verbonden zijn, maar ze moeten ook op de juiste manier opgesteld zijn
Ook aan de plaatsing van de weerstanden moet de grootst mogelijke aandacht worden besteed, omdat zij, vooral bij de vermogensweerstanden, inwendig bestaan uit een spiraal van halfgeleidermateriaal die als spoel fungeert. Terwijl dit feit voor gelijkstroom- of laagfrequente installaties geen enkel probleem oplevert, is het bij hoge frequenties een aspect waarmee met grote nauwkeurigheid rekening moet worden gehouden.
Plaatsing van componenten voor warmtedissipatie
Het optimaliseren van een printplaat en het plaatsen van elektronische componenten is altijd een delicate en veeleisende bezigheid (zie figuur 3). De algemene regel luidt dat de sporen die de verschillende elementen (weerstanden, condensatoren, spoelen, geïntegreerde en andere) met elkaar verbinden, uiterst kort moeten zijn, met de apparaten zeer dicht bij elkaar. Dit is het geval wanneer hoofdzakelijk in een hoge frequentie wordt gewerkt. Het minimaliseren van de lengte van de verbindingen zou echter thermische problemen kunnen veroorzaken, waardoor een ongelijkmatige accumulatie van plaatselijke warmte ontstaat en op het eerste gezicht onverklaarbare storingen kunnen ontstaan. In deze gevallen wordt de voorkeur gegeven aan een parallelle plaatsing van de componenten en de thermische kanalen in de schakeling. De huidige benaderingen bieden ook snelle methoden voor het bepalen van een optimale plaatsing van de componenten, waardoor in feite een gelijkmatige verdeling van de warmtestroom wordt verkregen. Het daaruit voortvloeiende voordeel is een betere thermische prestatie van het gehele systeem.
Figuur 3: de metingen van de bedrijfstemperaturen en de thermische simulaties dragen bij tot een goede positionering van de elektronische componenten
Het is ook nuttig om het uiterst wetenschappelijke aspect van het probleem te benaderen met behulp van vergelijkingen. Er wordt een wiskundig model overwogen voor de prestaties van elke afzonderlijke component, dat de luchttemperaturen op een elektronische printplaat beschrijft. De printplaat bestaat uit een rooster met thermisch actieve elementen die warmte produceren, maar tegelijkertijd worden gekoeld door een geforceerde stroom van verse lucht door convectie. De modellen geven vergelijkingen voor de temperaturen van de componenten en de lucht. Lineaire wiskundige modellen geven over het algemeen uitstekende resultaten. Het gebruikte model helpt bij het vinden van de optimale plaatsing van de elektronische componenten op een printplaat, teneinde de algemene temperatuur van het systeem te verlagen, met een toename van de prestaties en de betrouwbaarheid. Onder normale omstandigheden convergeren de modellen in één enkele stabiele temperatuurtoestand. Relatieve optimalisatie is gericht op het minimaliseren van de maximale temperatuur van de printplaat.
Plaatsing van componenten en genetische algoritmen
Met de komst van kunstmatige intelligentie is ook de elektronicasector op grote schaal betrokken. Er bestaan toepassingen van genetische algoritmen voor de optimalisatie van de plaatsing van de elektronische componenten, met name voor de evaluatie van de thermische graad tijdens de werking (zie figuur 4 Aanvankelijk worden zij op een oppervlak geplaatst en convectiegekoeld door een geforceerde luchtstroom. Het thermische model is tweedimensionaal. Het algoritme optimaliseert derhalve de positie en de onderlinge afstand aan de hand van verschillende thermische criteria. In de volgende fase wordt het genetisch algoritme gebruikt om de positie van de elektronische componenten op een printplaat te optimaliseren aan de hand van, ditmaal, een driedimensionaal thermisch model. Voor dit soort optimalisatie voert de software miljoenen permutaties en combinaties uit tot de beste opstelling is gevonden.
Figuur 4: Genetische algoritmen helpen enorm bij het optimaliseren van de positie van de componenten op de printplaat
Conclusies
Er bestaat absoluut geen betere positionering van elektronische componenten op een schakeling. Dit is afhankelijk van vele factoren zoals de bedrijfsfrequentie, het vermogen en de stroom in omloop, de verwachte bedrijfstemperaturen en vele andere. Vandaag de dag zijn er berekeningstools ontwikkeld die snel een uitstekende positionering van componenten met een uniforme warmtestroomverdeling opleveren. De meest geavanceerde tools zijn gebaseerd op genetische algoritmen die gebruik maken van verschillende combinaties van oplossingsstrategieën. Verwacht wordt dat dit soort benaderingen kan worden gebruikt in een grote verscheidenheid aan toepassingen, zoals de ruimtevaart, de automobielindustrie en de energievoorziening in het algemeen.
