Aeg ajalt on tarvis joota või maha joota komponent, millel on suur ligipääsematu plats plaadile, millel on palju hästi ühendatud vaske. Hea näide võiks olla PAM8019, mida kõrvaklapivõimendil kasutasin.
Selle komponendi GND platsil on vida, mis seovad platsi suurte vasealadega kõigik neljal trükplaadikihil. Seda on keeruline soendada, eriti madala võimsusega jootmispuhuri abil. Pealejootmine on veel talutav, sest saad platsi soendada enne komponendi paigaldamist. Komponenti maha jootes pead aga seadmele väga pikalt väga kõrget temperatuuri andma ja see on komponendi tervisele ohtlik.
Hea oleks trükplaati eelkuumutada. Tootena maksavad kuumutusplaadid ja muud sarnased kuni paarsada eurot. Võib leida ka alla saja, ma usun. Aga veel parem oleks see ise meisterdada ja kogu kupatuse eest vaid paarkümmend eurot maksta.
Me teeme selle trükplaadist, vedades trükplaadile nii pika raja, et sellest saab mitmeoomine ja mitmekümmend vatti kannatav suure pindalaga takisti. Ning siis me kütame seda takistit oma laboritoiteplokist.
Võimsus
Et olla asjalik ja pakkuda natukenegi haridusliku sisu, ei tulista me rajalaiust/pikkust puusalt. Me hoopis arvutame välja vajamineva võimsuse ja tuletame sellest paraja voolu-pinge suhte.
Mõned lähteparameetrid.
Soovitud temeratuur: 100 °C. See on ligikaudu 75 °C üle toatemperatuuri.
Aeg temperatuuri saavutamiseks: 3 minutit ehk 180s.
PCB mõõdud: 10×10 cm. Hea odav suurus JLCPCB-st.
PCB vasekihi paksus: 1 oz vasekaalu tähendab umbes 35μm kihipaksust. Sellele lisandub kalvaniseeritud vasekiht paksusega 35μm. Kokku 70μm.
PCB mass: FR4 tihedus on 1,85g/cm2 kohta. Meil on 100cm ja PCB paksus on 0,16 cm. 1,85*100*0,16 = 29,6g
FR4 erisoojus: 1100 J/kg*C
Paar asja jätan lihtsuse mõttes välja:
Asjaolu, et plaat hakkab jahtuma samal momendil, kui selle temperatuur toatemperatuurist kõrgemaks kasvab ning tegelik võimsus soovitud temperatuuri saavutamiseks ettenähtud ajaga on suurem. Jahtumist oleks aga küllalt keeruline täpselt arvesse võtta.
Kuumutatav keha koosneb lisaks alusmaterjalist FR4 ka vasest. Arvestada tuleks ka vase erisoojusega. Aga ma ei taha vaeva näha ja arvutada, kui suure osakaalust moodustab vask.
Me teeme järgmist:
-
Arvutame välja energiahulga, mida on tarvis objekti kuumutamiseks.
-
Arvutame välja millist võimsust on tarvis selleks, et energiahulk soovitud ajaga üle anda.
-
Millise takistuse peab trükkplaadi rada moodustama, et sobiv võimsus tekiks.
Kuidas on omavahel seotud erisoojus, mass ja temperatuuritõus? Vastus on peidus erisoojuse ühikus.
Et sellest kätte saada džaulid (J) üksi, tuleb erisoojus korrutada massi ja soovitud temperatuurimuutusega – ühikud taanduvad välja.
Üks märkus veel – kahekordistame PCB kaalu. Me ju soendame midagi veel peale enda plaadi.
2 * 0,0296 kg * 75 C * 1100 J/kg*C = 4884 J
Teine viis jõuda džauldieni on korrutada võimsus ja aeg. Sedasi saame teada, kui suurt võimsust on tarvis, et saavutada saavutada soovitud energiahulk ettenähtud ajaga.
Seega 4880J/180s ~ 27W.
Viimane asi on otsustada voolu ja pinge suhe, mida selle võimsuse saavutamiseks kasutada. Minu laboritoiteplokk teeb 30V ja 5 amprit. Enam-vähem keskmine mõlema parametri suhtes oleks 2A ja sellele vastavalt 13,5V. Sedasi jääb toiteallikale loodetavasti piisav varu, et ära katta kaod mida ma arvestada ei viitsinud.
Siit edasi oomi seadus: 13,5 V/2 A = 6,75Ω.
Raja paksus ja pikkus
Lihtsaim viis kuidas raja pikkus arvutada on valida raja laiuse ja kahe raja vahelise kaugus nii, et need kahepeale annaksid kokku ühe millimeetri. Sedasi saab kergesti hinnata, kui pikk tekkiv rada on. See on alati 100mm * 100 = 10000 mm = 10m.
Arvutamiseks kasutan veebipõhist kalkulaatorit https://www.allaboutcircuits.com/tools/trace-resistance-calculator/
Mõned eksperimendid
|
Raja paksus |
Radade vaheline kaugus |
Tekkiv takistus |
|
0,5 |
0,5 |
9,71 |
|
0,6 |
0,4 |
8,1 |
|
0,7 |
0,3 |
6,94 |
|
0,8 |
0,2 |
6,07 |
Tuleb välja, et parim rajalaiuse ja radade vahe suhe on 0,7 ja 0,3.
Kokkuvõte
Viimaseks ülesandeks on see 10 meetrit pikk rada 10 * 10 cm trükplaadi peale ära joonistada. Pigem tüütu töö, aga kopeeri-kleebi aitab.
Tulemus selline.
Kruvisin nurkadesse poldid, et plaat maast lahti saada. Kogutakistus oli lõpuks 6,9Ω. Selleks, et temperatuur mõistliku ajaga üle 100 °C läheks, tuli pinge 14 V peale keerata. See teeb veidi alla 30W. Kui vask kuumeneb siis selle takistus kasvab ja kuumutusalus hakkab ise oma voolu piirama.
