Forum: Platinen Bitte um Überprüfung meines Layouts


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von Matthi (Gast)


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Hallo Zusammen,

ich habe eine 4-Layer Relaismatrix entworfen, die über CAN und Ethernet 
ansteuerbar sein soll. Die Relais sollen bis zu 15A schalten können. Das 
ist jedoch sehr selten. In der Regel schalten die Relais 3-4 A. Auf 
Layer 1 und 4 habe ich eine Massefläche. Die Relaistreiber werden über 
die Portexpander MCP23017 angesteuert und diese über STM32F407. Rechts 
und unten an der Platine soll Draht auf die Pads gelötet werden, die 
dann auf jeweils einen Hochstromstecker gehen. Ich könnte sicherlich 
jedes kleinste Detail beschreiben, aber dann würde ich euch mit 
Informationen überfluten. Ich denke die Schaltung sowie das Layout im 
Anhang beschreiben das wichtigste. Falls irgendwas unklar ist , bitte 
Fragen.

Da ich noch Anfänger bin (Student, 6. Semester, Elektrotechnik) wär es 
sehr nett, wenn jemand mein Layout und die Schaltung begutachten könnte. 
Ich weiß , dass es nicht perfekt ist .. Mich würde eher interessieren ob 
es grundsätzlich funktionieren könnte oder ob ich irgendwo ganz grobe 
Fehler gemacht habe.

Würde mich sehr über Antworten freuen.

Vielen Dank für eure Hilfe

Viele Grüße,
Mathi

: Verschoben durch Moderator
von Stefan ⛄ F. (stefanus)


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Meinst du nicht, das das ein bisschen viel für kostenlose Hilfe ist?

Wie hast Du Dir eigentlich die Kühlung der Platine vorgestellt?

: Bearbeitet durch User
von Matthi (Gast)


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Stefan U. schrieb:
> Meinst du nicht, das das ein bisschen viel für kostenlose Hilfe ist?

Oh .. Es tut mir leid, wollte nicht unverschämt sein und übertreiben.

Stefan U. schrieb:
> Wie hast Du Dir eigentlich die Kühlung der Platine vorgestellt?

Wird die Platine denn wirklich so warm? Die Leiterbahnen für die 15A 
Ströme habe ich auf 5 mm ausgelegt, damit die Wärme besser abgehen kann. 
Aber über eine Kühlung sollte ich mir dennoch Gedanken machen.

von hm? (Gast)


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Sehe ich das richtig, dass jedes Relais dann eine einzelne Last (3-4 A) 
schaltet gegen Masse schaltet?

von Matthi (Gast)


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hm? schrieb:
> Sehe ich das richtig, dass jedes Relais dann eine einzelne Last
> (3-4 A)
> schaltet gegen Masse schaltet?

Nein, an dem einen Eingang (Layer Rot) fließen die 3-4 A Ströme rein , 
über das Relais und fließen dann über den Augang ( Layer Blau) wieder 
ab. Lediglich die MOSFETs, die zum Treiben der Relais da sind, schalten 
ihre Ströme gegen Masse.

von Matthi (Gast)


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Ich glaube die Überprüfung des Layouts war doch etwas zu viel des Guten 
..

von hm? (Gast)


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Vielleicht solltest du die Fragen präziser Stellen und nicht darum 
bitten wirklich alles zu überprüfen.

Was sagen denn der DRC?

von Sven K. (Gast)


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Hallo Matthi,

ich halte das gewählte Gesamtkonzept nicht für sinnvoll.
Ich würde Dir vorschlagen Deine Idee in Teilmodule zu unterteilen.

Vorschlag:

1 - Steuerinterface
2 - Relaiskarte mit einer maximal vertretbaren Stromaufnahme
    (z.B. 1 bis 2 Relais)

Auf Relaiskarte 2, die Du ja zahlreich in Deinem Aufbau verteilen kannst 
und mehrfach bauen, kannst Du wunderbar die Treiber mit einigen Relais 
unterbringen und so einen internen Bus bauen.

Bei einem Defekt tauscht Du nur den defekten Teil und die anderen Teile 
können vielleicht schon mal weiterlaufen.

Oder alternativ:

Hutschienenmontage der Relais und das Steuerinterface steuert einfach im 
Schaltschrank Deine Relais im Sockel an. So können die Relais ganz 
einfach getauscht werden.

Gruß Sven

von Matthi (Gast)


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hm? schrieb:
> Was sagen denn der DRC?

Der DRC gibt keine Fehler bzw. es wurden alle Fehler behoben.

hm? schrieb:
> Vielleicht solltest du die Fragen präziser Stellen

Stimmt wohl: Mich würde interessieren ob die µC-Beschaltung soweit in 
Ordnung ist, sofern man das schnell überblicken kann.

Andere Frage: Die MOSFETs schalte ich gegen Masse. Was wäre wenn ich 
mehrere MOSFETs ( bspw. 50 ) gleichzeitig gegen Masse schalte. Würde das 
die µC-Beschaltung beeinflussen ? Ich denke darüber nach die Massefläche 
aufzutrennen.

von Matthi (Gast)


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Sven K. schrieb:
> Ich würde Dir vorschlagen Deine Idee in Teilmodule zu unterteilen.

Ja, die Idee kam mir auch aber leider erst im nachhinein. Ich denke bei 
einer zweiten Version ( wenn es eine geben wird ) würde ich die Platine 
in Teilmodule unterteilen.

von Georg (Gast)


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Matthi schrieb:
> Die Relais sollen bis zu 15A schalten können

1. 5mm Leiterbahnen bei 35µ reichen gerade für die Hälfte des Stroms.

2. Die Leiterplatte ist geeignet zum Schalten von 12 oder 24 V Lasten, 
nicht aber für 230 V.

Georg

von hm? (Gast)


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Matthi schrieb:
> hm? schrieb:
>> Was sagen denn der DRC?
>
> Der DRC gibt keine Fehler bzw. es wurden alle Fehler behoben.
>
> hm? schrieb:
>> Vielleicht solltest du die Fragen präziser Stellen
>
> Stimmt wohl: Mich würde interessieren ob die µC-Beschaltung soweit in
> Ordnung ist, sofern man das schnell überblicken kann.
>

Stell dafür bitte Beschaltung des µC noch einmal einzeln dar. Auf dem 
großen Layout sind teilweise Leitungen die ins nichts führen.

von Matthi (Gast)


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Georg schrieb:
> 1. 5mm Leiterbahnen bei 35µ reichen gerade für die Hälfte des Stroms.

Okay, da hat mir der Hardwareentwickler aus der Nachbarabteilung wohl 
Müll erzählt. Er sagte zwar, dass 5mm schon hart an der Grenze ist aber 
noch reichen sollte.

Georg schrieb:
> Die Leiterplatte ist geeignet zum Schalten von 12 oder 24 V Lasten,
> nicht aber für 230 V.

Ich Schalte bis maximal 24 V Lasten

von hm? (Gast)


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Es kommt immer darauf an welche Erwärmungen der Leiterbahn du zulassen 
kannst/willst. Ohne das Kühlkönzept oder die Umgebung zu kennen kann man 
darüber keine pauschale Aussage treffen.

von Sieh an (Gast)


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Matthi schrieb:
> Okay, da hat mir der Hardwareentwickler aus der Nachbarabteilung wohl
> Müll erzählt. Er sagte zwar, dass 5mm schon hart an der Grenze ist aber
> noch reichen sollte.

Glaubst Du einem anonymen Gast in einem Forum mehr als einem Kollegen, 
dessen Fähigkeiten und Kenntnisse Du sehr, sehr viel besser kennen 
müßtest?

von hm? (Gast)


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Georg schrieb:
> Matthi schrieb:
>> Die Relais sollen bis zu 15A schalten können
>
> 1. 5mm Leiterbahnen bei 35µ reichen gerade für die Hälfte des Stroms.
>
> 2. Die Leiterplatte ist geeignet zum Schalten von 12 oder 24 V Lasten,
> nicht aber für 230 V.
>
> Georg

Bei 5mm und 35µm ergibt es bei 16 A eine Temperaturerhöhung von 60°C.

von Matthi (Gast)


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hm? schrieb:
> Stell dafür bitte Beschaltung des µC noch einmal einzeln dar. Auf dem
> großen Layout sind teilweise Leitungen die ins nichts führen.

Ist es so besser ?

Ohje .. ich hätte den Thread vielleicht doch etwas besser Strukturieren 
sollen. Ich hoffe ihr verzeiht mir diese Überflutung .. :-/

von Georg (Gast)


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hm? schrieb:
> Bei 5mm und 35µm ergibt es bei 16 A eine Temperaturerhöhung von 60°C

So etwa.

Matthi schrieb:
> Okay, da hat mir der Hardwareentwickler aus der Nachbarabteilung wohl
> Müll erzählt

Nicht total Müll, aber 60 Grad würde ich nicht zulassen 
(Temperaturerhöhung! bei 30 Grad Umgebung sind das schon 90 Grad). 
Ausserdem potenziert sich das Problem, wenn mehrere Relais solche Ströme 
einschalten.

Es gibt mehrere Lösungen für so ein Problem, v.a. kommen dickere 
Cu-Schichten in Frage. Leider ist es nicht so, dass doppelt dick = halbe 
Temperatur. Besorg dir den "Saturn PCB Toolkit" und rechne selbst.

Georg

von Georg (Gast)


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Nachtrag:

Relais, die 15 A schalten, werden noch zusätzlich heiss.

Georg

von Matthi (Gast)


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Okay, also sollte unbedingt ein ordentliches Kühlkonzept her .. Ich habe 
nun öfters gelesen, dass man die Kühlung auch über eine "Plane" 
vornimmt. Ist bei Verwendung einer Plan noch die Bestückung auf beiden 
Seiten der Platine dann noch möglich ?

von MiWi (Gast)


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Matthi schrieb:


>
> Da ich noch Anfänger bin (Student, 6. Semester, Elektrotechnik) wär es
> sehr nett, wenn jemand mein Layout und die Schaltung begutachten könnte.
> Ich weiß , dass es nicht perfekt ist ..

Wieso kippst Du dann das hier ab und fragst um Hilfe? (Und warum 
antworte ich überhaupt darauf?)

oder anders gefragt: warum machst Du es nicht so gut Du es kannst und 
kommst dann mit konkreten Fragen hierher?


> Mich würde eher interessieren ob
> es grundsätzlich funktionieren könnte oder ob ich irgendwo ganz grobe
> Fehler gemacht habe.
>
> Würde mich sehr über Antworten freuen.

ich weiß nicht ob Du dich über meine Antwort freuen wirst...


Ein Schaltplan, bei dem Bauteilnamen durch Leitungen überdeckt wird ist 
Krixikraxi aber kein Schaltplan. Es geht nicht hier nicht um Rätselraten 
der pt. Helfer oder gar Kundschaft sondern es soll ein Schaltplan 
gelesen und verstanden werden.
Also - Ausrichtung der Namen und Refdes so, daß sie lesbar sind. Das 
betrifft vor allem - aber nicht nur die Relais-FETs.

Schaltpläne ohne Bauteilbezeichungen  (was ist das große Ding rechts 
außen am Seite2`Prozessor? FPGA? Kuddelmuddel? Und IC11 mit >VALUE ist 
auch nicht sonderlich hilfreich.

Du kannst Dir das GND bei jedem GND-Symbol sparen, der Text ist unnötig 
und erzeugt informelles Rauschen, das bei IC1 (und den anderen, die 
davon kopiert wirden sind) recht zu Unleserlichkeit führt. auch der 
Kerko ist zwar nett, hat aber an der Stelle im Schaltplan nix verloren 
sondern gehört einige mm weiter nach rechts.

Entweder heißt das Netz Vcc oder 5V, beides zusammen geht nicht (um QG1)

Und bevor das nicht gefixt ist ist jede weitere Schaltplananalyse für 
den sprichwörtlichen Hugo.

Was das Layout betrifft: Nun... die Beschriftung im Layout ist 
Katastrophal und ein erster Blick auf die I2C-Dekoder zeigt, daß die 5V 
Versorgung mehr als Verbesserungswürdig wäre und GND nicht einmal 
ansatzweise an dern Kerkos als auch an den ICs kontaktiert wurde, lies 
also erst einmal die üblichen Layouthinweise und handle danach und dann 
kommen mit sauberen Schaltplänen (als pdf) und Layout, das nicht die 
Hälft der Infos durch Verschleierung mittels unlesbarem Text verdeckt 
wieder.




Es ist im Layout auch völlig uninteressant ob ein Kerko 100n oder was 
anderes hat - wichtig ist, daß der Refdes dort steht denn nur so läßt 
sich erkennen ob der C, der im Schaltplan diese Funktion hat auch im 
Layout dort sitzt wo er layouttechnisch hingehört.

Über die Strombelastbarkeiten wird eh schon ausreichend intensiv 
diskutiert.


Viel Erfolg.

von Georg (Gast)


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Matthi schrieb:
> Ich habe
> nun öfters gelesen, dass man die Kühlung auch über eine "Plane"
> vornimmt

Das nützt für dein Problem garnichts. Mit einer Cu-Fläche kann man nur 
die Wärme von z.B. einem Transistor oder IC etwas weiter verteilen, um 
Hotspots zu vermeiden.

Was hilft ist nur den Widerstand der Leiterbahnen verkleinern, damit 
weniger Wärme anfällt. So wie das Layout aussieht, kann man die 
Leiterbahnen nicht breiter machen ohen komplettes neues Layout, geht 
also nur eine Cu-Dicke von 70 oder 105 µ, aber dann musst du erst mal 
einen Fertiger finden, der zugleich so dicke Leiterbahnen und deine 
hauchzarten Logiksignale fertigen kann. Das gibt es natürlich, es gibt 
fast alles, kostet aber Geld.

Georg

von Stefan ⛄ F. (stefanus)


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> Wird die Platine denn wirklich so warm?

Ich dachte da viel mehr als die Relais. Die geben annähernd 100% ihrer 
Stromaufnahme als Wärme ab, dazu kommen Verluste in den Kontakten.

Das ist ein sehr häufiger Fehler, den ich in kommerziellen Geräten 
gesehen habe. Zu viele Relais zu dicht gepackt. Du wirst wohl einen 
Ventilator direkt davor bauen müssen.

von Wolfgang (Gast)


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Georg schrieb:
> Es gibt mehrere Lösungen für so ein Problem, v.a. kommen dickere
> Cu-Schichten in Frage. Leider ist es nicht so, dass doppelt dick = halbe
> Temperatur.

Und warum bitte nicht?

An der kühlenden Oberfläche ändert sich nichts und die Verlustleistung 
sinkt bei konstantem Strom linear mit dem Widerstand.

von TorbenK (Gast)


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Georg schrieb:
> Es gibt mehrere Lösungen für so ein Problem, v.a. kommen dickere
> Cu-Schichten in Frage. Leider ist es nicht so, dass doppelt dick = halbe
> Temperatur. Besorg dir den "Saturn PCB Toolkit" und rechne selbst.

Habe nur mal drübergeflogen. Mit diesen Stromgrößen würde ich keine 
Platine mehr allein lassen. Bein meinen Kfz-Platinen damals habe ich für 
die richtig fetten Verbraucher (Magnetschalter, Kühlergebläse ... 16A) 
2.5 oder 4qmm Kupferdraht auf die Leiterbahnen gelötet. Damit gabs dann 
auch nie Probleme. Aber sich bei soviel Ampere allein auf die dünne 
Kupferschicht zu verlassen, kann sowas von nach hinten losgehen....

von Cyborg (Gast)


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Matthi schrieb:
> Ist es so besser ?

Ne, Leiterplatten mit Masseflächen ohne technischen Grund zu fluten
ist zu einer modischen Unsitte geworden.

Was bezgl. der Wärmeproblematik auch nicht beachtet wurde, ist der
Stromverbrauch jedes Relais. In der Summe läppert sich das.
Über die Mängel im Schaltplan wurde ja schon geschrieben.
Man kann das Problem mit Netznamen oder Labels lösen, wie
das schon anders im Schaltplan gemacht wurde. Nur muss das dann
überall gemacht werden.
Daran wie man später mal die Leiterplatte befestigt, sollte man auch
mal einen Gedanke verschwenden. Zum Schluss ist das nicht mehr machbar.
Die Steuerlogik muss nicht in eine Ecke gequetscht werden, wenn 3/4
des nutzfreien Raums frei verfügbar sind. Den Platz kann man sinnvoll
nutzen.

Bei solchen monströsen Plänen sollte man die Darstellgröße so wählen
das man auch was erkennen kann. Wenn bei Vollzoom nur eine
Relaisschaltung gerade mal darstellbar ist, wird das Sichten der
ganzen Schaltung zur Quälerei. Hier könnte ein PDF Abhilfe schaffen.

von Reginald L. (Firma: HS Ulm) (reggie)


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Das Hühnerfutter (tx/rx) am eth-phy's könnte / sollte näher an den ic. 
Die Beschaltung des Power feedbacks sollte man auch nochmal 
überarbeiten. Siehe auch datasheet und appnote. Die müssen noch c's ran. 
Ich würde das auch nicht genau so wie im datasheet veranschlagt machen. 
Bei 4 lagen kann man da mit der PF-spannung ruhig erst auf die c's 
fahren.

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