当我们给痕迹通电时,痕迹就会变热。对痕量的电流施加足够的电流,使温度升高到铜的熔点是可能的。我们称这部分电流为融合电流。记得从我前一篇文章供暖是一个点的概念。这意味着当一个痕迹融化时,它将在痕迹中最弱的(可能是最薄的)点融化。

如果我们想计算轨迹的熔合电流,有几种方法可以做到(除了计算机模拟)。威廉·亨利·普里斯爵士(咨询工程师,后来成为英国邮政总局的总工程师)在19世纪80年代开发了一个方程,现在被称为普里斯方程:

[公式1]I = 12277 * A3/4

地点:
I =以安培计的熔断电流
A =截面积,单位为英寸

后来,i.m. Onderdonk提出了一个更复杂的方程,引入了一个时间变量:

E2使用

地点:
按安培计算的电流
一个=圆形mils的截面积
年代=施加电流的时间,单位为秒
t =从环境或初始状态上升的温度(假设为40摄氏度)


Preece在实验室里做实验。他认为当被研究的电线开始发光时,他已经达到了熔合温度。Onderdonk被认为是在20世纪20年代推导出了他(她)的方程。Onderdonk方程的有效时间框架通常小于10秒,因为这个方程假设没有冷却效应。有关这两个人的已知信息的讨论以及可能的源文档参考,请参见[2]。

考虑两种可能的情况:

A.一个突然的大电流(明显大于熔断电流)被施加到迹上。我们预计电流会使导线过载,使温度升高,并使导线上的一点迅速融化。

B.一个比熔断电流大一点的电流加到迹上。温度上升的速度会更慢,最终在最脆弱的地方融化痕迹。

图1和图2说明了这两个场景。你认为哪个数字适合哪个场景[3]?

F1
图1。由于施加电流而产生的微量熔化。
F2
图2。另一种由于施加电流而融化的痕迹。


如果我们突然施加一个非常大的电流穿过轨迹,轨迹会很快加热。痕迹继续加热,直到它在某一点融化,这(当然)立即停止电流流动。在一个实验中,我们在一个15米宽,0.5盎司的导线上突然施加了6安培的电流。温度与时间的关系如图3所示。痕迹在2.75秒内融化了。

F3
图3。15毫米宽,0.5盎司痕迹,携带6安培。


图中的横轴是时间。纵轴是导线上的电压。将电压转换为温度是有问题的。我们知道的是穿过轨迹的初始电阻Rt0,迹的初始温度,通过迹的恒定电流,因此,穿过迹的初始电压。我们还知道(但愿如此)铜的热电阻率系数α。给定这些参数,我们可以通过(首先)测量迹上的电压,根据欧姆定律估计温度下的迹电阻,从而推断出迹在任何时间点的温度,最后计算:

E3

地点:
ΔT=环境温度的变化(ref) (oC)
α=铜的热电阻率系数(1/oC)
Rt=在被测温度下痕量电阻(欧姆)
R=导线在参考温度下的电阻(欧姆)


这种方法的问题至少有三个方面:

1.事情发生得如此之快,以至于很难得到一致精确的测量,
2.估计的痕迹温度是整个痕迹的平均值。我们从[1]中的参考文献中知道,痕迹不均匀受热。
3.由于沿迹有热梯度,那么α本身将沿迹变化

因此,图中显示的温度估计值是近似(最佳猜测)估计值。

在这种情况下,融合的意义是令人印象深刻的。如图1所示。融合时间发生在一个视频帧内,或1/30秒。没有可检测到的烟雾或损坏的董事会(除了融化的痕迹在一点)。

如果我们将电流施加到近似等于熔断电流的迹上,情况就完全不同了。在我们的一个测试板上,有一个20米宽,1.5盎司厚的痕迹。我们给它加了8.3安培的电流。痕迹的温度迅速上升到约213度oC,然后稳定了两个多小时。第二天,我们用8.5安培的电流处理同样的信号。图4说明了由此产生的温度随时间变化的模式。

F4
图4。20毫米宽,1.5盎司,带8.5安培电流。


和以前一样,温度迅速上升到约214华氏度oC.但随后它继续缓慢增长。大约30分钟后,温度上升到514度左右oC,这时温度开始迅速上升,直到痕迹融化。整个过程花了大约30分钟[4]。图2是这个例子的视频,大概是在熔合的时刻。这里有几个相关的板材料热参数[5]:Tg:玻璃化转变温度;Td:热分解温度;和分层温度(s)和时间。

当板的温度达到每一个阈值时,冷却过程的有效性降低,而板的加热速率增加。阈值点在图4中不容易识别,但是不难想象流程是如何工作的。

这一过程令人印象深刻。大约15分钟后,燃烧电介质的香气开始弥漫整个房间。大约20分钟后,板子开始冒烟。大约25分钟后,烟雾从烟道下的几个点冒出,在其中一些点喷出的烟雾承受着相当大的压力。最后,随着痕迹融化,沿着痕迹的一点爆发出火焰。这时,电路打开,电流停止。明显有相当大的损害,沿板沿轨迹,过热发生。

(旁白:融化过程本身有几种形式。这种痕量可能很快蒸发,从而破坏电路。痕迹可能会融化,但融化的铜会留在原地,让电流持续流动一段不确定的时间。或者,痕迹可能会融化,融化的铜漂浮(可能是通过重力)破坏电路。)

一个有趣的问题是我们能否预测这个融合时间。在显著过载的情况下(图1和图3),答案是肯定的。Onderdonk方程假设没有冷却过程。参考资料表明,该方程适用于大约10秒以下的情况。但有证据表明,Onderdonk与悬浮在空中的(输电)电线有关。电路板上的痕迹会更快更有效地冷却。我们的研究表明,Onderdonk方程在电路板上的应用时间可达1.0到1.5秒。我们可以采用一些近似方法将这一时间延长至4.0秒[6]。

注:

1.道格拉斯·G·布鲁克斯和约翰尼斯·亚当PCB跟踪电流/温度关系及其依赖性”,信号完整性杂志2019年10月8日
2.参见“PCB痕迹和通径电流和温度:完整的分析,2nd2017年版,道格拉斯·G·布鲁克斯博士和约翰内斯·亚当博士,可在亚马逊网站上购买。第9章提供了关于Preece和Onderdonk已知的内容的广泛讨论,以及Onderdonk方程的推导。
3.这些数字是我们的书第11章报告的图11.2和图11.4的再版,参考注释2。
4.这个过程的时间是不可预测的。这取决于被测痕迹的独特特征。
5.见注释2参考文献第16-17页。
6.参见注释2参考文献中的第10章。