En baja frecuencia, la disposición de los componentes electrónicos en el circuito impreso puede realizarse con mucha libertad y facilidad. Los únicos puntos críticos para vigilar son el diseño final y la disipación térmica. En alta frecuencia, sin embargo, su ubicación es de importancia fundamental y un posicionamiento incorrecto, incluso si es eléctricamente válido, pondría en peligro el funcionamiento de todo el sistema.
El posicionamiento de los componentes electrónicos en el PCB es la parte fundamental de todo proyecto. Muchos ingenieros a menudo tratan de evitar esta fase, tal vez después de resolver otros problemas.
En alta frecuencia, la necesidad de un buen posicionamiento es más importante, ya que es importante optimizar los trayectos de las señales y mejorar el funcionamiento del circuito. Hoy en día, la mejor colocación de componentes en una tarjeta no es sólo el resultado de reglas teóricas estrictas de la electrónica. Es muy fácil gracias a un software potente que permite a los diseñadores crear circuitos electrónicos muy sofisticados.
Las normas más generales deben referirse a la reducción de la longitud de las vías críticas, la separación física entre los circuitos de potencia y de control y la distinción de las partes analógicas de las digitales. Una disposición cuidadosa contribuye a un aumento de la eficiencia del circuito, también reduciendo su tamaño físico.
Cuando las señales eléctricas superan la frecuencia de 1 Mhz, el sistema puede llegar a ser crítico, especialmente en lo que se refiere al posicionamiento de los componentes eléctricos y electrónicos, en particular capacitivos e inductivos. Los componentes, incluso cuando están conectados eléctricamente entre sí, se comportan de manera diferente según su disposición, la forma y el tamaño de la conexión eléctrica. A veces basta con mover un condensador o una inductancia de unos pocos centímetros para cambiar totalmente el comportamiento del circuito electrónico. Es el caso de los transmisores y receptores de radio, los amplificadores de HF y otros equipos que funcionan con frecuencias elevadas. Recuerde que cuando estos últimos son del orden del Mhz, las señales salen de los circuitos eléctricos y se propagan en el espacio circundante. Incluso una variación muy pequeña del cableado y de las conexiones afecta (de manera positiva o negativa) al funcionamiento del aparato.
La imagen 1 muestra esta sensibilidad a través de un pequeño circuito eléctrico de alta frecuencia. En estos tipos de circuitos y soluciones en particular, los puntos de puesta a tierra se colocarán cerca de los componentes para evitar la formación de largas líneas de señales que puedan poner en peligro el correcto funcionamiento del sistema de HF. Los bornes de los componentes electrónicos no deberán estar muy alejados entre sí, especialmente en los puntos de masa, ya que podrían producirse fácilmente auto oscilaciones no deseadas. Por el contrario, los componentes deberán estar conectados, si es posible, a una única placa de masa.
Imagen 1: En los circuitos de alta frecuencia, el plano de masa debe ser muy limitado, en términos de extensión, y los componentes conectados a él deben estar lo más cerca posible unos de otros.
Las conexiones entre los elementos de afinación y amplificación deben ser muy cortas, especialmente si la frecuencia de trabajo es superior a 8-10 Mhz. En el caso de los circuitos LC de alta frecuencia, la rotación física de una inductancia con respecto al condensador a veces modifica totalmente la eficiencia de un circuito, aunque la conexión eléctrica sigue siendo la misma (ver imagen 2).
Imagen 2: En alta frecuencia, no es suficiente que los componentes reactivos estén conectados eléctricamente, pero deben colocarse juntos correctamente.
Al elegir el posicionamiento de las resistencias, también hay que tener mucho cuidado, ya que están hechas de una espiral de material semiconductor que hace las veces de inductor, cuando ello no plantee ningún problema para las instalaciones DC o de baja frecuencia en alta frecuencia. Es un aspecto para considerar con gran precisión.
La optimización de un PCB y el posicionamiento de componentes electrónicos es siempre una tarea delicada y exigente (ver imagen 3). La norma general estipula que las pistas que conectan los diferentes elementos (resistencias, condensadores, inductancias, integrados y otros), deben ser extremadamente cortas con aparatos muy próximos los unos de los otros. Esto es cierto cuando se trabaja principalmente en alta frecuencia. Sin embargo, minimizar la longitud de las conexiones podría crear problemas térmicos, causando una acumulación desigual de calor local y causando defectos inexplicables a primera vista. En estos casos, es preferible adoptar un posicionamiento paralelo de los componentes y conductos térmicos en el circuito. Los enfoques actuales también proporcionan métodos rápidos para determinar un posicionamiento óptimo de los componentes, obteniendo así una distribución uniforme del flujo térmico. La ventaja resultante es un mejor rendimiento térmico de todo el sistema.
Imagen 3: Las mediciones de las temperaturas de funcionamiento y las simulaciones térmicas contribuyen a un buen posicionamiento de los componentes electrónicos.
También es útil abordar el aspecto extremadamente científico del problema, utilizando ecuaciones. Se considera un modelo matemático para el rendimiento de cada componente individual, que describe las temperaturas del aire en una tarjeta electrónica. El mapa consiste en una cuadrícula con elementos activos térmicamente que generan calor, pero, al mismo tiempo, se enfrían por un flujo forzado de aire fresco por convección. Los modelos proporcionan ecuaciones para las temperaturas de los componentes y el aire. Los modelos matemáticos lineales suelen dar excelentes resultados. El modelo utilizado permite encontrar el posicionamiento óptimo de los componentes electrónicos en una tarjeta, con el fin de disminuir la temperatura general del sistema, con un aumento de las prestaciones y de la fiabilidad. En condiciones normales, los modelos convergen en un único estado estable de temperatura. Optimización relativa para minimizar la temperatura máxima de la tarjeta.
Con el advenimiento de la inteligencia artificial, este sector electrónico también está muy involucrado. Existen implementaciones de algoritmos genéticos para la optimización del posicionamiento de los componentes electrónicos, especialmente para la evaluación del grado térmico en funcionamiento (ver imagen 4). Inicialmente, se colocan sobre una superficie y se enfrían por convección mediante un flujo de aire forzado. El modelo térmico es bidimensional. Por lo tanto, el algoritmo optimiza la posición y el espaciado según diferentes criterios térmicos. En la fase siguiente, el algoritmo genético se utiliza para optimizar la posición de los componentes electrónicos en un PCB, esta vez, un modelo térmico tridimensional. Para este tipo de optimización, el software realiza millones de permutaciones y combinaciones hasta que se encuentra la mejor solución.
Imagen 4: Los algoritmos genéticos ayudan mucho a optimizar la posición de los componentes en el PCB
No hay mejor posicionamiento de los componentes electrónicos en un circuito. Esto depende de muchos factores como la frecuencia de funcionamiento, la potencia y la corriente en circulación, las temperaturas de funcionamiento deseadas y muchos otros. Hoy en día, se han desarrollado herramientas para encontrar un excelente posicionamiento de los componentes con una distribución uniforme del flujo térmico. Los más sofisticados se apoyan en algoritmos genéticos que prueban diferentes combinaciones de estrategias de solución. Este tipo de enfoque también podría ser utilizado en una amplia variedad de aplicaciones, tales como espacio, automóviles y suministros de energía en general.