Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Matrix aus PCB-Heizelementen (stromgeregelt) ansteuern


von Daniel P. (zwirbeljupp)


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Hallo zusammen,

ich versuche gerade herauszufinden ob und wie man PCB-Heizelemente 
sinnvoll in Matrixanordnung ansteuern kann.
Die Heizelemente bestehen aus spiralförmigen Leiterbahnen auf einer 
2-lagigen Platine. Der Widerstand des Heizelements liegt bei ca. 0,5 Ohm 
(35 µm Kupferdicke, Leiterbahnlänge: 220 mm, Breite: 0.2 mm)

Es soll nun eine Heizleistung von ca. 100 mW eingeprägt werden (also 
einem Strom von ca. 200 mA. Zusätzlich soll eine Steuerung der 
Heizleistung per PWM erfolgen.

Was schlagt ihr vor, wie sollte ich diese Heizspiralen ansteuern?
Individuell per Konstantstromquelle?
TPIC6A595 und einfach in die Strombegrenzung (350mA) rennen lassen?
Spricht etwas konsequent dagegen, die Leiterbahnen als Heizelement zu 
nutzen?

Die Heizleistung genau einzuhalten ist nicht so wichtig; es geht primär 
um die Aufheizung des PCBs um etwa 10 - 15 K. Diese Temperaturerhöhung 
hängt natürlich von vielen Faktoren ab, daher die Idee, die Heizleistung 
per PWM zu regeln.

Danke & Gruß
Daniel

von hinz (Gast)


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Daniel P. schrieb:
> Der Widerstand des Heizelements liegt bei ca. 0,5 Ohm
> (35 µm Kupferdicke, Leiterbahnlänge: 220 mm, Breite: 0.2 mm)
>
> Es soll nun eine Heizleistung von ca. 100 mW eingeprägt werden (also
> einem Strom von ca. 200 mA.

Da hast du dich verrechnet.

von Daniel P. (zwirbeljupp)


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Aua, danke für den Hinweis. 450 mA sind es natürlich.

von Daniel P. (zwirbeljupp)


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Die eigentlichen Fragen bleiben aber bestehen: wie treibe ich den Strom 
durch die Heizelemente und ist die Heizung in Form eines PCB-Elements 
überhaupt sinnvoll realisierbar?

Bin für alle Anregungen dankbar!

Gruß
Daniel

von Wolfgang (Gast)


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Daniel P. schrieb:
> Der Widerstand des Heizelements liegt bei ca. 0,5 Ohm
> (35 µm Kupferdicke, Leiterbahnlänge: 220 mm, Breite: 0.2 mm)

Bei einer derart niedrigen Spannung über dem Heizelement stehen die 
Chancen nicht schlecht, dass ein Mehrfaches der Heizleistung in der 
Stromregelung verbraten wird.

von Werner H. (werner45)


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Da braucht man keinen Treiber.
U² = P x R; U = Wurzel (P x R) = Wurzel (0,1 x 0,5) = 0,224 V für 100mW.
Eher einen zusätzlichen Vorwiderstand.

von Axel S. (a-za-z0-9)


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Daniel P. schrieb:
> Die eigentlichen Fragen bleiben aber bestehen: wie treibe ich den Strom
> durch die Heizelemente

Wie du lustig bist. Der Widerstand der Heizelemente liegt ja fest. Die 
minimal nötige Spannung damit auch. Natürlich kannst du auch mehr 
Spannung (und damit mehr Strom = mehr Momentanleistung) verwenden und 
die thermische Trägheit dazu nutzen, per PWM auf eine geringere 
durchschnittliche Leistung zu kommen. Auch eine Matrix ist denkbar 
(erscheint mir aber sinnlos). Und sie schränkt das Verhältnis von 
Momentan- zu Durchschnittsleistung natürlich zusätzlich ein.

> und ist die Heizung in Form eines PCB-Elements
> überhaupt sinnvoll realisierbar?

Wissen wir nicht. Aber wenn du eine Spannung passender Größe und 
Belastbarkeit hast, dann spricht nichts dagegen. Die Leistung brauchst 
du so oder so. Die Spannungslage kannst du immerhin halbwegs frei 
wählen, durch den Widerstand deiner Heizelemente. Auch, ob du das Kupfer 
der Platine oder aufgelötete Widerstände nehmen willst.

von Manfred (Gast)


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Daniel P. schrieb:
> ist die Heizung in Form eines PCB-Elements
> überhaupt sinnvoll realisierbar?

Ob das sinnvoll ist, hängt davon ab, welche Aufgabe erfüllt werden soll. 
Vielleicht stellst Du mal dar, wie das Gesamtgerät aussehen soll / 
welche Aufgabe es hat.

Kupferdraht als Heizung mit Konstantstrom zu treiben, sehe ich kritisch. 
Beachte den Temperaturkoeffizienten von Cu!

von Guest (Gast)


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Manfred schrieb:
> Kupferdraht als Heizung mit Konstantstrom zu treiben, sehe ich kritisch.
> Beachte den Temperaturkoeffizienten von Cu!

Siehst du das bei millionen 3D Druckern auch kritisch? Die wärmen ihr 
Bett auf die gleiche Weise auf 80 bis 100 Grad ;)

von Daniel P. (zwirbeljupp)


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Hallo zusammen, Danke für eure Beiträge!

Okay, hier etwas mehr Kontext:
Das Ziel ist es, eine thermochrome Lackschicht lokal aufzuheizen, um 
gezielte Farbänderungen hervorzurufen. Um eine möglichst hohe Auflösung 
des "Displays" zu erhalten, soll natürlich eine Vielzahl (>= 200) von 
Heizelementen realisiert werden (idealerweise in Matrixanordnung, um die 
Ansteuerung per Logik zu vereinfachen).
Um die Kosten und den Aufwand möglichst gering zu halten daher der 
Ansatz, die Heizelemente direkt auf PCB zu realisieren, ohne zusätzliche 
Komponenten aufzulöten und insgesamt eine möglichst geringe thermische 
Masse aufheizen (und wieder abkühlen) zu müssen.

Den Widerstand der Heizelemente kann ich leider nur bedingt weiter 
erhöhen, da irgendwann die Leiterbahnen zu filigran werden.

Eine präzise Einstellung des Stroms bzw. der Temperaturerhöhung ist 
dabei nicht erforderlich, es geht mehr darum, wie steuere ich eine 
Vielzahl dieser Heizelemente am wirtschaftlichsten an?

Gruß
Daniel

von Manfred (Gast)


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Guest schrieb:
>> Kupferdraht als Heizung mit Konstantstrom zu treiben, sehe ich kritisch.
>> Beachte den Temperaturkoeffizienten von Cu!
>
> Siehst du das bei millionen 3D Druckern auch kritisch? Die wärmen ihr
> Bett auf die gleiche Weise auf 80 bis 100 Grad ;)

Das könne sie gerne tun, ich kenne die zugehörigen Ansteuerungen / 
Regelkreise nicht.

Kupfer hat einen positiven Temperaturkoeffizienten. Fahre ich den Draht 
mit konstanter Spannung an, wird bei zunehmender Temperatur die 
Leistung geringer.

Betreibe ich den Kupferdraht mit Konstantstrom , wird die Leistung mit 
zunehmender Temperatur quadratisch ansteigen, will man das?

von Joe F. (easylife)


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Daniel P. schrieb:
> es geht primär
> um die Aufheizung des PCBs um etwa 10 - 15 K.

> Das Ziel ist es, eine thermochrome Lackschicht lokal aufzuheizen, um
> gezielte Farbänderungen hervorzurufen.

Wird das Display auch im Sommer funktionieren?

Ich hatte vor einiger Zeit mal vor auf diese Weise eine Wanduhr zu 
bauen, hatte mir schon Heizdraht dafür besorgt und habe das ganze 
Vorhaben dann nach genauerem Nachdenken wieder verworfen.
Die Farbe wird bei ca. 31°C transparent, mir wurde dann allerdings 
schnell klar, dass das Aufheizen (mit entsprechend viel Leistung) nicht 
mein Hauptproblem sein würde.
Bei Zimmertemperaturen knapp unter 31° im Sommer stellt das Abkühlen der 
Pixel ein ziemliches Problem dar - auch für eine Wanduhr, die ihre Pixel 
nur 1x pro Minute umschalten soll...

: Bearbeitet durch User
von Daniel P. (zwirbeljupp)


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Der Betrieb im Sommer ist kein Problem, da das Gerät in einer 
klimatisierten Umgebung eingesetzt wird.

Um ein grobes Gefühl für die erforderliche Heizleistung zu bekommen, 
habe ich die Erwärmung des FR4-Tabs (Durchmesser 11 mm, Dicke 1mm) 
überschlägig berechnet. Mit 100 mW Heizleistung für 20 Sekunden lässt 
sich das Material um 10 K erwärmen (unter Vernachlässigung von 
Konduktion und Konvektion). In der Realität sollte eigentlich eine 
deutlich geringere Heizleistung erforderlich sein, da ich nur die dünne 
Lackschicht über den Leiterbahnen aufheizen möchte, und nicht das FR4 
Tab. Die schlechte Wärmeleitfähigkeit des FR4 sollte hier von Vorteil 
sein.

Bei Reduzierung der Leiterbahnbreite auf 6 mil lässt sich der Widerstand 
der Leiterbahnspirale auf ca. 800 mOhm erhöhen.
Ich könnte die Heizspiralen nun mit einem Vorwiderstand versehen (z.B. 
13 Ohm ergibt ca. 350 mA und damit knapp 100 mW im Heizelement an 5 V), 
würde dann aber in Summe 1.7 W pro Heizelement verbraten. Als 
straight-forward-Lösung könnte ich nun die einzelnen Heizelemente an 
einen ULN2803A anschließen.
Aber gibt es vielleicht eine andere schlaue Lösung, um die 
Verlustleistung in den Vorwiderständen zu vermeiden? Vielleicht 
LED-Treiber ICs für diese Aufgabe mißbrauchen?

von Joe F. (easylife)


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Daniel P. schrieb:
> da ich nur die dünne
> Lackschicht über den Leiterbahnen aufheizen möchte, und nicht das FR4
> Tab. Die schlechte Wärmeleitfähigkeit des FR4 sollte hier von Vorteil
> sein.

Dann kannst du dir die Heizwendel auf der Unterseite des PCB aber auch 
sparen...

Daniel P. schrieb:
> Ich könnte die Heizspiralen nun mit einem Vorwiderstand versehen (z.B.
> 13 Ohm ergibt ca. 350 mA und damit knapp 100 mW im Heizelement an 5 V),
> würde dann aber in Summe 1.7 W pro Heizelement verbraten.

mal 200 Pixel = gewaltiges Netzteil.
Und die dann insgesamt 70A bei 5V muss man auch irgendwie übers PCB 
führen...

Besser wäre ganz ohne Vorwiderstand auszukommen.
Also Widerstand der Heizelemente erhöhen (Traces dünner, länger), statt 
5V eine niedrigere Spannung verwenden (über Spannungswandler, nicht 
Linearregler), und PWM zu nutzen.

Wenn man 100mW im Mittel haben möchte, kann man auch mit einer 10% PWM 
mit 1W heizen. Das hat natürlich irgendwo seine Grenzen, 1000W für 0.01% 
der Zeit wird der Trace wohl nicht aushalten.

von Harlekin (Gast)


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Daniel P. schrieb:
> Bei Reduzierung der Leiterbahnbreite auf 6 mil lässt sich der Widerstand
> der Leiterbahnspirale auf ca. 800 mOhm erhöhen.

Ist immer noch um Faktor 100 zu klein. Der Widerstandsunterschied 
zwischen Zuleitung und Heizspirale ist zu gering. Es wird sich alles 
erwärmen.



Daniel P. schrieb:
> Ich könnte die Heizspiralen nun mit einem Vorwiderstand versehen (z.B.
> 13 Ohm ergibt ca. 350 mA und damit knapp 100 mW im Heizelement an 5 V),
> würde dann aber in Summe 1.7 W pro Heizelement verbraten.

Um Bestückungskosten zu sparen 2W-Widerstände bestücken?
Wird ganz schön warm werden. Die "Heizelemente" wirken schon fast als 
Kühlelemente.


Daniel P. schrieb:
> Aber gibt es vielleicht eine andere schlaue Lösung, um die
> Verlustleistung in den Vorwiderständen zu vermeiden?

- Indem man die (Vor)widerstände als Heizelemente verwendet. z.B 200 Ohm 
SMD-Komponenten

oder
- Leiterbahnspirale aus einem Material mit höherem 
Widerstandskoeffizient herstellen. 200 Ohm

von Daniel P. (zwirbeljupp)


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Einverstanden, mit reinen Kupferleiterbahnen ist es vermutlich ziemlich 
grenzwertig, insbesondere bei Skalierung auf > 200 Elemente.

Harlekin schrieb:
> - Leiterbahnspirale aus einem Material mit höherem
> Widerstandskoeffizient herstellen. 200 Ohm
Strukturen aus Graphit könnten sich eignen. Kennt jemant einen Anbieter, 
der dünne Graphitstrukturen auf FR4 aufbringen kann?

von Joe F. (easylife)


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Suche mal nach "carbon print".
Allerdings ist die nötige Strukturgröße wesentlich gröber als bei Kupfer 
(ca. >=0.4mm), da das nicht geätzt sonder gedruckt wird.
Evtl. kann man das auch selber machen (mit einer Pastenmaske...)?
Die Frage wäre natürlich noch, wie hitzeresistent so ein Carbon-Print 
ist, ich schätze das ist Kupfer weit unterlegen.

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