Puede parecer una pregunta estúpida. Soy nuevo en el diseño de PCB. Diseñé un rastro similar a la siguiente imagen (Disculpe por los gráficos deficientes)
La traza de mi PCB es como la imagen de la izquierda, ahora cuando fluye la corriente, ¿cómo fluyen los electrones? Soy un ingeniero mecánico, así que imagino que debería ser algo así como el flujo de un fluido como he mostrado en la imagen correcta. Si es así las esquinas afiladas no hacen nada! ¿Alguien puede explicarme eso por favor?
Encontré esta pregunta muy interesante, así que hice una simulación SPICE. (Lo siento por no usar la herramienta de diseño de este sitio, pero necesitaba un poco más de control sobre la simulación ...)
Coloqué 6146 resistencias de 1 Ohm horizontal y verticalmente en una cuadrícula, como se muestra a continuación. (La parte roja se muestra ampliada en el centro)
En la parte inferior, hay una fuente de voltaje de 1 V conectada a los extremos inferiores de las barras verticales.
LasimulacióndeSPICEcalculaelvoltajeencadanodo,yladistribucióndevoltajeseveasí:
Paravermásdetalles,utilicéunesquemadecolorHSVrotativodondeserepitenloscolores.Ladiferenciadevoltajeentredosáreasvecinasdelmismocoloresde50mV.Cuantomásrápidocambianloscolores,mayoreselgradientedevoltajey,porlotanto,lacorrientees.
Apartirdeladistribucióndevoltaje,sepuedecalcularlacorrientequesaledecadanodohacialasresistenciasconectadas:
Apartirdeestaimagen,yaestáclaroquehayunamayordensidaddecorrienteenlasesquinas"internas" y una corriente más baja en las esquinas "externas". Sin embargo, para ver más detalles, una vez más utilicé el otro esquema de color, donde la diferencia actual entre dos áreas vecinas del mismo color es 4mA.
Siobservamoselperfilactualalolargodelaslíneasdepuntosenelgráficoanterior,obtenemosesto:
Si bien la corriente es más o menos constante (~ 3.5mA) en todo el ancho de la pista a lo largo de la línea horizontal y vertical, es casi tres veces más alta en la esquina superior derecha interna y cae a casi cero con respecto al esquina exterior.
Los electrones son muy pequeños, \ $ 2.8 ^ {- 15} m \ $ .
¿Por qué pensarías a esa escala, una esquina afilada es diferente de cualquier borde de un conductor? Los electrones solo "notan" un borde cuando se acercan bastante, por lo tanto, un borde y una esquina no tendrían mucho efecto diferente hasta que se acerque, y eso solo puede aplicarse a una pequeña cantidad de electrones. Además, en estas escalas, el borde de la pista va a "verse" tanto como una esquina como una esquina real.
Habrá algunas fuerzas electrostáticas en las esquinas, por lo que una esquina hará algo, pero SWAG solo dentro de unos pocos diámetros de electrones del borde de la pista, por lo que una esquina no va a ser muy diferente a un borde de la pista para la mayoría rápida de electrones (hasta llegar a frecuencias muy altas).
La velocidad de propagación de una señal (una fracción significativa de c , la velocidad de la luz) no está relacionada con la velocidad de movimiento de los electrones.
Los electrones se mueven muy lentamente, por ejemplo, este artículo de wikipedia Velocidad de deriva de electrones estima la velocidad de deriva a 0.00028 m / s (bajo 1mm / segundo).
Por lo tanto, un electrón no va a "hacer un corredor de carretera" y "volar por el camino del acantilado" tratando de doblar una esquina, o tiene que "poner los frenos en" yendo a la esquina.
Similar al flujo de un fluido, el flujo de una corriente eléctrica puede ser "impedido" por algunos obstáculos. En el caso de su diagrama, hay un pequeño aumento en la impedancia eléctrica en las esquinas afiladas. La fuerza de impedimento proviene de los campos inducidos que se generan alrededor de cualquier conductor que lleva una corriente eléctrica. Para una visualización aproximada, puede dibujar anillos concéntricos centrados en la trayectoria actual asumida en su diagrama. (Los anillos simulan las líneas del campo magnético). En las áreas de conductores con anillos densos o cruzados, existe una impedancia incrementada en la dirección del flujo. Incluso para una línea recta simple, algunas de las líneas de campo pasarán a través del material conductor y darán cierta impedancia. Pueden surgir problemas adicionales cuando múltiples señales que transportan señales se acercan a una PCB. Las líneas de campo de una traza pueden interferir o impedir señales en la otra traza.
Todo esto puede sonar como que necesitas crear trazos curvos suaves para todos tus circuitos. En realidad, a excepción de los casos más críticos, esto no suele ser necesario, y no todos los sistemas de dibujo de PCB ofrecen esta opción. Como compromiso, a menudo es útil tratar de evitar o reducir el número de curvas de 90 grados (en su lugar, use dos curvas de 45 grados), esta práctica es más útil solo para los rastros de frecuencia más alta. Las trazas con solo baja frecuencia o corrientes de CC se benefician mucho menos al reducir las esquinas nítidas. La reducción general de las curvas de 90 grados puede ser beneficiosa para reducir el espacio de la placa y minimizar los problemas de fabricación de PCB.
Como idea más básica, el flujo de corriente eléctrica toma el camino de menor resistencia (y cualquier "impedancia" del flujo puede considerarse como una resistencia). Cuando sea más preciso (y con circuitos de mayor frecuencia), trataría los valores de impedancia y resistencia por separado.
Si realmente necesitas saber, los electrones fluyen desde la conexión negativa (GND en este caso) a la conexión positiva. Esto puede parecer al revés, pero esto solo se debe al hecho de que los electrones se definen como entidades cargadas negativamente, (me atrevo a decir partículas).
Si realmente quiere pensarlo en términos mecánicos, el flujo de electrones en un conductor es mucho más parecido a un gas compresible que a un fluido incompresible como el agua.
Un gas llenará todo el espacio disponible independientemente de la presión, al igual que los electrones "llenarán" todo el volumen del cobre conductor.
Una traza más ancha (equivalente a una tubería más ancha) siempre tendrá menos resistencia al flujo, independientemente del tamaño de la conexión del terminal.
La corriente en realidad fluirá en todas las secciones de la traza en su dibujo, aunque la densidad de la corriente será mayor en la región negra que superpuso, especialmente alrededor de las esquinas. Eliminar cualquier de la traza aumentaría la resistencia total entre los nodos, aunque la eliminación de las esquinas exteriores haría un cambio muy pequeño. Rellenar las esquinas interiores puede ser una mejora útil.
Generalmente, para calcular la resistencia de este tipo de estructura, es lo suficientemente preciso como para contar cuadrados. Para una resistividad del material dada, la resistencia de un cuadrado de traza (igual longitud y ancho) es un valor fijo. Cuente los cuadrados a la mitad de la traza y permita 1/2 para una esquina.
Esto no es 100% exacto: las esquinas están en realidad más cerca de 0.4 * resistencia cuadrada cuando están conectadas por rastros 'largos'; con formas más ajustadas como las que tiene aquí (la longitud del trazado entre esquinas no es > > ancho), el cálculo es más complejo.
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