¿Cómo circula la corriente en múltiples vías?

Question

¿Cómo viaja la corriente en múltiples vías de una capa a otra?

Por ejemplo, conectamos cuatro vías, cada una de las cuales tiene un límite de 1,3 A cada una, desde el plano de alimentación al dispositivo sumidero. Si el sumidero consume 4A de corriente, ¿se separará entre estas cuatro vías como 1A cada una o la primera vía que recibe la corriente de la fuente será mayor que las otras vías? ¿Fallará la primera vía?

Answer 1

Puede ser preocupante en algunos casos. A veces vale la pena romper componentes para ver. Es decir, sustituye cada traza y vía de la placa de circuito impreso por su resistencia equivalente (o impedancia si se trata de CA) y simula. Aquí tienes un ejemplo:

Imagina que tienes un tramo de 5 pulgadas que tiene que ir de la parte superior a la inferior de la placa, y pones 4 vías en las marcas de 1/2/3/4 pulgadas.

4 amperios sobre 1 onza/pie cuadrado de PCB, 100 mil trazas, 5 pulgadas de largo. Utilizando la configuración por defecto de aquí para la resistencia estimada de la vía. Una pulgada de traza aquí tiene un poco menos de 5mOhm de resistencia. Y las vias alrededor de 0.75mOhm de resistencia.

simular este circuito - Esquema creado con CircuitLab

Cuando calculas las corrientes a través de las vías, ocurre algo curioso. La primera y la ultima toman 1.87 A cada una, y las dos del medio solo 130mA cada una. (Tengo las corrientes configuradas en la simulación. Ejecutar->Análisis CC. No se como mostrarlas directamente en la respuesta).

Esto se debe principalmente a que las vías no tienen tanta resistencia en general. Es mucho mayor por unidad de longitud pero las vías no son tan largas. Así que si entrecierras un poco los ojos tienes dos resistencias en paralelo cortocircuitadas de vez en cuando - y por supuesto no tienes mucho flujo de corriente entre las dos excepto al principio y al final.

Si es posible, las vías deben estar muy juntas o conectadas en estrella. Normalmente no hay diferencia. De vez en cuando, sí.

(Como nota al margen, las anchuras / longitudes / etc de las trazas aquí son completamente inventadas. Por favor, no utilice alegremente estos números).

Answer 2

• La corriente se divide en todos los caminos disponibles pero tiende a dividirse más en los caminos de menor impedancia => la corriente en un camino dado depende de su impedancia y de la impedancia de los otros caminos disponibles (véase "divisor de corriente" ).

• La impedancia de un trayecto depende de muchos factores:

  1. La resistencia de las pistas (proporcional a la longitud/( anchura X espesor del cobre)) y de las vías (proporcional a la profundidad/(diámetro del agujero X espesor del chapado)). Las vias/planos de cobre pueden considerarse un montón de caminos diferentes disponibles alrededor de los agujeros.
  2. Temperatura: la resistividad del cobre aumenta con la temperatura, por lo que si hay gradientes de temperatura en la placa, la distribución de la corriente cambiará.
  3. (Para corrientes alternas): la parte inductiva de la impedancia depende de la geometría de las pistas y vías (las pistas finas y largas son más inductivas) y del área de bucle de la vía de retorno: si la corriente de "retorno" no puede pasar directamente por debajo de la vía de "allí" porque se ve forzada en una pista o alrededor de agujeros en un plano, la inductancia aumentará.
  4. (Para corrientes alternas): la parte capacitiva de la impedancia depende de la geometría y la disposición del apilamiento y de las pistas/vías: cuanto más cerca esté la vía del plano GND u otros planos y señales, y cuanto mayores sean las zonas cercanas, mayor será la capacitancia.
  5. Obviamente, si los distintos caminos pasan por distintos componentes, las impedancias de estos componentes cuentan.
  6. ...

La analogía del agua no siempre es aplicable, pero puede ayudarte en este caso: si tienes varias tuberías de distintos diámetros que salen de una sola, el flujo de agua se dividirá de forma proporcional más en las tuberías más grandes, pero no dejará ninguna tubería vacía.

Nota: como puedes deducir de esto, no hay un "límite de corriente" real para las pistas y vías, sólo límites que nos fijamos a nosotros mismos para permitir que las pistas consideradas sólo alcancen un cierto aumento de temperatura en un caso simplificado y aislado. En tu ejemplo, si por las razones mencionadas anteriormente una de tus vías y el camino a ella tienen menos resistencia que las otras, conducirá más amperios que las otras - pero se calentará más, así que esta diferencia en corrientes disminuirá hasta que se alcance el estado estacionario.

Answer 3

Hay un vídeo de Robert Ferenec que explica esto en simulación, puedes empezar en 38:24 para ver el flujo de corriente en múltiples vías, dependiendo de su colocación. https://www.youtube.com/watch?v=56FvQX63Ea0

Básicamente, depende de cuál sea el camino de menor resistencia (sólo CC)

Answer 4

cada uno de los cuales tiene un límite de 1,3 A desde el plano de alimentación hasta el dispositivo sumidero.

Los conductores no tienen un "límite" como tal. A medida que fluye la corriente, se calientan. También pierden calor en el ambiente. Su temperatura les afecta a ellos y a su sustrato. El valor de 1,3 A se ha calculado para que no cause daños.

Las vías compartirán la corriente en la medida en que las pistas superior e inferior igualen la tensión en sus extremos y que la resistencia de las vías coincida. Si las vías están muy juntas, es probable que compartan la corriente razonablemente bien. Si están espaciadas en una línea, y las conexiones son a un extremo y al otro extremo de la línea, entonces también compartirán bien. Si hay una línea larga alimentada desde un extremo, no compartirán bien.

bad
current in ----------------------------------
               |       |           |       |
current out----------------------------------

reasonable
current in ----------------------------------  
               |       |           |       |  
           ---------------------------------- current out  

reasonable for the vias, but why are the tracks so long?
current in ----------------------------------
                                        ||||
current out---------------------------------- 

Esto es para CC y baja frecuencia, y consideraciones resistivas. Existen consideraciones similares para alta frecuencia e impedancia.

Como las vías son bastante baratas, siempre puedes añadir unas cuantas más si te preocupa que algunas no "den la talla".

Answer 5

Entrenamos tanto la Ley de Ohm y la resistencia que nos olvidamos de su inversa: Conductancia .

La conductancia utiliza la unidad siemens y es el 1/ohmios. Así que una resistencia de 10 ohmios tiene 0,1 siemens de conductancia,

Con trayectorias paralelas, la corriente fluye en proporción a su conductancia.

Por tanto, si tienes 3 trayectorias de 10 siemens, 20 siemens y 40 siemens, y fluyen 7 amperios, la corriente de cada trayectoria será de 1 amperio, 2 amperios y 4 amperios respectivamente.

Eso es fácil.

Ya haces todas estas cuentas con regularidad. Simplemente las percibes como trayectorias paralelas de 100 miliohmios, 50 miliohmios y 25 miliohmios respectivamente... y es realmente difícil mentalmente ver la respuesta desde esa perspectiva.

Así que si te sobran placas de muestra, puedes destrozar tres de las vías de cada placa y determinar la impedancia de la vía bajo prueba, pasarla a conductancia y listo.

Y un poco de sobrediseño nunca viene mal.