Elektronik tasarım dünyasında düşük voltajlı dijital devrelerle çalışmak genellikle "bağlantıları doğru yapma" meselesidir. Ancak işin içine yüksek voltaj (High Voltage) girdiğinde, kurallar tamamen değişir. Artık sadece devrenin çalışmasını değil, ark oluşumunu, dielektrik delinmesini ve en önemlisi kullanıcı güvenliğini düşünmek zorundasınız.
Pcbreel.com olarak bu yazımızda, yüksek voltajlı PCB tasarımlarınızda (HV PCB) felaketleri önlemek ve kart ömrünü uzatmak için uygulamanız gereken en temel yerleşim (layout) ipuçlarını derledik.
1. Temel Kavramları Ayırt Edin: Clearance vs. Creepage
Yüksek voltaj tasarımının anayasası bu iki terimdir. Türkçede sıklıkla karıştırılsalar da fiziksel karşılıkları farklıdır:
Clearance (Hava Aralığı): İki iletken arasındaki hava üzerinden ölçülen en kısa mesafedir. Hava, belirli bir voltajdan sonra iyonize olarak iletken hale gelebilir ve "ark" (kıvılcım) atlamasına neden olur.
Creepage (Yüzey Aralığı / Kaçak Yolu): İki iletken arasında, PCB yüzeyi (yalıtkan malzeme) boyunca ölçülen en kısa mesafedir. Toz, nem ve kirlilik zamanla yüzey direncini düşürebilir.
İpucu: Tasarım yaparken IPC-2221 standartlarındaki voltaj/mesafe tablolarını mutlaka referans alın. Her zaman minimum değerin üzerinde, güvenli bir marj bırakmaya çalışın.
2. İzolasyon Kanalları (Isolation Slots) Açın
Bazen kart üzerinde iki yüksek voltajlı hat arasında yeterli "Creepage" mesafesi bırakacak yeriniz olmayabilir. İşte burada izolasyon slotları devreye girer.
İki iletken arasındaki PCB malzemesini (FR4) fiziksel olarak kesip bir hava boşluğu (slot) oluşturduğunuzda, yüzeyden gidilecek yolu uzatmış olursunuz. Elektrik, boşluktan atlayamayacağı için (Clearance kurtarıyorsa) yüzeyi dolaşmak zorunda kalır. Bu basit teknik, dar alanlarda hayat kurtarıcıdır.
3. Keskin Köşelerden Kaçının (Yuvarlatma Yapın)
Lisedeki fizik derslerini hatırlayın: Elektrik yükleri sivri uçlarda toplanma eğilimindedir. Yüksek voltajlı bir yolda 90 derecelik keskin bir köşe veya sivri bir pad kenarı varsa, elektrik alanı o noktada yoğunlaşır.
Bu yoğunlaşma, havayı iyonize ederek ark oluşumunu kolaylaştırır.
Çözüm: Yüksek voltaj hatlarını çizerken köşeleri yumuşatın (kavisli hatlar kullanın).
Pad Tasarımı: Mümkünse dairesel veya kenarları yuvarlatılmış pad'ler kullanın. Lehim maskesi açıklıklarının da keskin olmamasına özen gösterin.
4. PCB Malzeme Seçimi ve CTI Değeri
Standart FR-4 malzemesi birçok proje için harikadır ancak çok yüksek voltajlarda yetersiz kalabilir. Burada bakmanız gereken değer CTI (Comparative Tracking Index) yani Karşılaştırmalı İzleme İndeksi'dir.
Yüksek voltaj, zamanla PCB yüzeyinde karbonlaşmış yollar (tracking) oluşturarak yalıtkan malzemeyi iletken hale getirebilir. Yüksek CTI değerine sahip malzemeler, bu bozulmaya karşı daha dirençlidir. Eğer endüstriyel veya çok yüksek gerilimli bir kart tasarlıyorsanız, "High CTI" özellikli laminatlar talep etmeyi düşünün.
5. Çok Katmanlı (Multilayer) Tasarımlarda Dikkat
Eğer çok katmanlı bir kart tasarlıyorsanız, sadece yüzeydeki değil, katmanlar arasındaki voltaj farkını da düşünmelisiniz. Prepreg (katmanlar arası yalıtkan) kalınlığı, yüksek voltajı izole etmeye yetecek mi?
Özellikle iç katmanlarda yüksek voltaj taşıyan yolların, diğer katmanlardaki düşük voltajlı hassas sinyallerin veya ground plane'lerin (toprak düzlemi) tam üstüne/altına gelmemesine dikkat edin. Katmanlar arası dielektrik kalınlığının voltaj dayanımını üreticinizle teyit edin.
6. Koruyucu Kaplamalar (Conformal Coating)
Tasarım bitti, üretim yapıldı. Peki kart sahada nasıl davranacak? Nem, toz ve kimyasallar yalıtkanlık direncini düşüren en büyük düşmanlardır. Yüksek voltajlı devrelerde, montaj sonrası Conformal Coating (Koruyucu Vernik/Kaplama) uygulamak, yüzey aralığı (creepage) sorunlarını minimize etmek ve ark riskini azaltmak için en etkili yöntemlerden biridir.
Güvenlik Tesadüf Değildir
Yüksek voltajlı PCB tasarımı, standart bir LED devresi çizmeye benzemez. Yapılan en ufak bir yerleşim hatası, cihazın yanmasına veya elektrik çarpmasına yol açabilir.
Özetle:
Hava ve yüzey aralıklarını (Clearance/Creepage) standartlara uygun hesaplayın.
Gerektiğinde PCB üzerine kanallar (slots) açın.
Sivri köşeleri yuvarlatın.
Doğru yalıtkan malzemeyi seçin.
Güvenli ve hatasız tasarımlar için bizi takip etmeye devam edin!