Forum: Platinen Layout für Vierleiter-Widerstände?


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von Bauform B. (bauformb)


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Hallo,

für genaue Strommessungen gibt es ja Widerstände mit 4 getrennten Pins. 
Wenn es nicht so genau sein muss, reicht auch ein normaler Widerstand. 
Nur sollte man dann die 4 Leiterbahnen trotzdem richtig verlegen, also 
möchte man 4 Netze und ein spezielles Widerstandssymbol. Von der 
Isabellenhütte gibt es sogar einen Vorschlag für einen normalen 2512 
Widerstand.

Aber wie baut man so ein Package im Leiterplattenprogramm? Am Ende muss 
das Kupfer von Strom- und Spannungs-Pad ja verbunden sein. In Eagle hab' 
ich die Wahl zwischen "Overlap" und "Clearance" Fehler.

von Christian B. (luckyfu)


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du kannst prinzipbedingt keine 2 unterschiedliche Netze an ein Pad 
anschließen. Was dir bleibt ist, die Padgeometrie, wie vorgeschlagen, zu 
übernehmen und diese sowohl im Schaltplan als auch im Layout dann mit 2 
Leitungen passend anschließen. In manchen Layoutsystemen gibt es die 
Funktion eines Net-tie, welches dafür geschaffen wurde genau das zu 
realisieren. Ich kenne mich bei Eagle aber zu wenig aus, um zu wissen, 
ob das dort verfügbar ist.

von Falk B. (falk)


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Bauform B. schrieb:
> Hallo,
>
> für genaue Strommessungen gibt es ja Widerstände mit 4 getrennten Pins.
> Wenn es nicht so genau sein muss, reicht auch ein normaler Widerstand.

Das Thema hatten wir vor kurzem.

Beitrag "Wie kontaktiert man extrem niederohmige R mit zwei Pins vernuenftig?"

https://www.analog.com/en/analog-dialogue/articles/optimize-high-current-sensing-accuracy.html

> Aber wie baut man so ein Package im Leiterplattenprogramm? Am Ende muss
> das Kupfer von Strom- und Spannungs-Pad ja verbunden sein.

Irrtum! Es sind getrennte PADs, die nur durch die Kontakte des 
Widerstands verbunden werden! Das ist ja der Trick der Vierdrahtmessung.

> In Eagle hab'
> ich die Wahl zwischen "Overlap" und "Clearance" Fehler.

Weder noch. Siehe oben.

von Harald W. (wilhelms)


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Falk B. schrieb:

> Es sind getrennte PADs, die nur durch die Kontakte des Widerstands
> verbunden werden! Das ist ja der Trick der Vierdrahtmessung.

Man kann durchaus auch Zweidrahtwiderstände mit vier Drähten
anschliessen. Die beiden Anschlüsse je Seite sollten dann
irgendwie v-förmig direkt an den Pad des Widerstands gehen.
Wie man Eagle sowas beibringt,weiss ich auch nicht.

von Old P. (old-papa)


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Falk B. schrieb:

> Irrtum! Es sind getrennte PADs, die nur durch die Kontakte des
> Widerstands verbunden werden! Das ist ja der Trick der Vierdrahtmessung.
>

Richtig! Und wenn ich richtig erinnere sind die äußeren die Strom- und 
die inneren die Sensoranschlüsse.
Irgendwann hatte ich so ein Ding mal offen, leider kein Foto.

Old-Papa

Mist, ich meinte die THD-Versionen.... ;-)

: Bearbeitet durch User
von Andreas S. (Firma: Schweigstill IT) (schweigstill) Benutzerseite


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Harald W. schrieb:
> Die beiden Anschlüsse je Seite sollten dann
> irgendwie v-förmig direkt an den Pad des Widerstands gehen.

Nein, gerade nicht "irgendwie v-förmig", sondern exakt angepasst an die 
Padgeometrie und Konstruktion des Widerstandes. Die Veröffentlichung von 
Analog Devices ist da doch schon recht aufschlussreich, behandelt aber 
nur einen einzigen Widerstandstyp. Neben den "klassisch" aufgebauten, 
flachen SMD-Widerständen gibt es auch noch welche in C- oder Bügelform. 
Bei diesen wäre es meines Erachtens besser, die Senseleitungen über die 
Mitte heranzuführen. Ein weiterer wichtiger Faktor wurden in der 
Publikation ebenfalls nicht behandelt, nämlich die Art die 
Hochstromanbindung. Dort wurde davon ausgegangen, dass es sich um 
normale Leiterbahnen handelt, die sich auf derselben Lage wie der 
Widerstand befinden. Für Hochstrombaugruppen arbeite ich z.B. gerne mit 
Microvias und Dickkupfer auf der ersten bzw. vorletzten Lage. Dadurch 
besteht zum einen die Möglichkeit, auf den Außenlagen auch Bauteile im 
0,5 mm-Rastermaß zu platzieren und mit 0,15 mm zu routen. Mit den 
Microvias kann man dann thermisch und elektrisch hervorragende 
Anbindungen an großflächige Dickkupferflächen vornehmen. 
Sense-Anschlüsse werden dann auf der Außenlage geroutet bzw. 
konventionell auf andere Lagen durchkontaktiert, aber die 
Hochstrombereiche werden dadurch nicht aufgeteilt oder geschlitzt.

Für Hochstromanwendungen bzw. präzise Strommessungen mit niederohmigen 
Shunts sind aber solche in echter Vierpolausführung ganz klar zu 
bevorzugen. Gute Erfahrungen habe ich z.B. mit Vishay Dale WSL2726 
gemacht:

https://www.vishay.com/docs/30131/wsl2726.pdf

Bei Aufbauten mit separaten Hochlastwiderständen habe ich auch schon 
gute Erfahrungen gemacht, indem die Senseleitungen direkt an den Lötösen 
der Hochlastwiderstände angeschlossen wurde. Allerdings ging es dabei 
dann eher um Widerstände im Bereich von 100 mR bis 220 R.

von Wolfgang (Gast)


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Bauform B. schrieb:
> Aber wie baut man so ein Package im Leiterplattenprogramm? Am Ende muss
> das Kupfer von Strom- und Spannungs-Pad ja verbunden sein.

Die Verbindung passiert aber nicht im Layout.

In dem Artikel "Optimize High-Current Sensing Accuracy by Improving Pad 
Layout of Low-Value Shunt Resistors" von Marcus O’Sullivan/Analog 
Devices werden ein paar Layouts verglichen.
https://www.analog.com/media/en/analog-dialogue/volume-46/number-2/articles/optimize-high-current-sensing-accuracy.pdf

von georg (Gast)


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Wolfgang schrieb:
> Die Verbindung passiert aber nicht im Layout

Aber selbst wenn es sich um das gleiche Potential handelt, das hindert 
einen beim Layouten doch nicht daran, Power- und Senseleitungen getrennt 
zu routen - nur die Autorouter sind dazu zu blöd.

Georg

von Wolfgang (Gast)


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georg schrieb:
> Aber selbst wenn es sich um das gleiche Potential handelt ...

Für vernünftige Messungen mit einem Shunt brauchst du einen 
Vierleiteranschluss. Auf der Platine sind das vier verschiedene Netze. 
Sonst fängst du dir die Fehler durch die gemeinsamen Lötstellen ein.
Mit dem Routen hat das noch gar nichts zu tun.

von Falk B. (falk)


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Was wären wir nur ohne unseren unangemeldeten Wolfgang? Der immer wieder 
mit TOPAKTUELLEN Infos überrrascht, an die noch kein einziger Teilnehmer 
der Diskussion gedacht hat. Ähhh, Moment . . .

von Wolfgang (Gast)


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Falk B. schrieb:
> Was wären wir nur ohne unseren unangemeldeten Wolfgang?

Das war nicht für dich, sondern für georg, bei dem das anscheinend 
noch nicht angekommen war ...

von georg (Gast)


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Wolfgang schrieb:
> Auf der Platine sind das vier verschiedene Netze.
> Sonst fängst du dir die Fehler durch die gemeinsamen Lötstellen ein

Wieso denn, das können genausogut nur 2 Netze sein.

Dir fehlt es am geometrischen Vorstellungsvermögen, aber da kannst du 
nichts dafür, das hat man oder man hat es nicht.

Kleiner Tipp: ein Netz kann durchaus 2 Pads am gleichen Bauteil 
beinhalten, das hindert einen in keiner Weise daran, die Anschlüsse von 
diesen Pads getrennt dahin zu routen wo sie hinsollen. Ist Routine seit 
Jahrzehnten für Testadapter in der Halbleiterfertigung. Es geht 
natürlich auch mit Net Tie, das ist halt Geschmackssache.

Georg

von Bauform B. (bauformb)


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georg schrieb:
> Wieso denn, das können genausogut nur 2 Netze sein.

Ja, Geschmackssache. Dann bleiben aber Luftlinien übrig und wenn du 
deshalb eine Leiterbahn verlegst war alles vergebens. Ich dachte, wir 
waren uns einig, dass es 4 getrennte Pads geben muss die erst durch den 
Widerstand verbunden werden.

von Elektrofurz (Gast)


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Man kann doch auch von Innen die Senseanschlüsse an den Pad heranführen, 
da fließt doch sowieso kein Strom mehr her. Der Hauptstrom kommt doch 
von Außen an den Widerstand dran.

von Falk B. (falk)


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Elektrofurz schrieb:
> Man kann doch auch von Innen die Senseanschlüsse an den Pad heranführen,
> da fließt doch sowieso kein Strom mehr her. Der Hauptstrom kommt doch
> von Außen an den Widerstand dran.

Falsch. Du hast das Problem und schon gar nicht die Lösung der 
Vierleitermessung verstanden.

https://de.wikipedia.org/wiki/Vierleitermessung

https://www.analog.com/en/analog-dialogue/articles/optimize-high-current-sensing-accuracy.html

von Elektrofurz (Gast)


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Falk B. schrieb:
> Falsch. Du hast das Problem und schon gar nicht die Lösung der
> Vierleitermessung verstanden.

Manometer! Natürlich habe ich das verstanden. Mein zweiter Vorname 
lautet schliesslich Vierleitermessung.

Aber hier geht es nun mal nicht anders, deshalb muss man in so einem 
Fall eine andere Lösung finden. Zum Beispiel meine skizzierte Lösung. 
Viel mehr Lösungen sehe ich sowieso nicht.

von Falk B. (falk)


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Elektrofurz schrieb:
> Manometer! Natürlich habe ich das verstanden. Mein zweiter Vorname
> lautet schliesslich Vierleitermessung.
>
> Aber hier geht es nun mal nicht anders, deshalb muss man in so einem
> Fall eine andere Lösung finden. Zum Beispiel meine skizzierte Lösung.
> Viel mehr Lösungen sehe ich sowieso nicht.

Dann ist dein 2. Vorname wahrscheinlich "Tunnelblick", der häßliche 
Bruder von "alternativlos".

von georg (Gast)


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Bauform B. schrieb:
> Ich dachte, wir
> waren uns einig, dass es 4 getrennte Pads geben muss

Bloss in dem Fall existiert ja das ganze Problem nicht, um den sich der 
Thread dreht. Dann hat man halt 4 Pads und 4 Leitungen, wo ist das 
Problem? Das hat man nur wenn man 4 Leitungen an 2 Pads anschliessen 
will, und dann bleibt keine Luftlinie, wo soll die sein? Zwischen Pad1 
und Pad1?

Elektrofurz schrieb:
> Zum Beispiel meine skizzierte Lösung.
> Viel mehr Lösungen sehe ich sowieso nicht

Da stimmt womöglich der Widerstandswert nicht genau, aber die Abweichung 
ist ja konstant, kann man also rauskalibrieren. So spricht nichts gegen 
die Lösung, abgesehen davon dass sowieso niemand einen besseren 
Vorschlag hat.

Georg

von Elektrofurz (Gast)


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Wieso das denn?

von georg (Gast)


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Elektrofurz schrieb:
> Wieso das denn?

Weil so ein Widerstand keine punktförmigen Kontakte hat (die wären 
schwierig lötbar), sondern z.B. rechteckige (bei SMD). Und da ist bei 
den Werten von üblichen Shunt-Widerständen der Widerstand von 
Aussenkante zu Aussenkante ein anderer als innen an den Kontakten 
gemessen, und nach dem Einlöten nochmal geringfügig anders. Es geht ja 
da ja um mOhm, sonst bräuchte man den ganzen Vierleiteranschluss nicht.

So gesehen sind THT-Shuntwiderstände mit 4 Anschlüssen präziser. Der 
Hersteller weiss auch am besten wo er die Senseanschlüsse platziert.

Georg

von Elektrofurz (Gast)


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Elektrofurz schrieb:
> Wieso das denn?

Meine Frage bezog sich auf Falks Text:

Falk B. schrieb:
> Dann ist dein 2. Vorname wahrscheinlich "Tunnelblick", der häßliche
> Bruder von "alternativlos".

Ihr hattet zufällig beide gleichzeitig um 17:57 Uhr gepostet. Tut mir 
leid.

von Bauform B. (bauformb)


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georg schrieb:
> Bauform B. schrieb:
>> Ich dachte, wir
>> waren uns einig, dass es 4 getrennte Pads geben muss
>
> Bloss in dem Fall existiert ja das ganze Problem nicht, um den
> sich der Thread dreht. Dann hat man halt 4 Pads und 4 Leitungen,
> wo ist das Problem? Das hat man nur wenn man 4 Leitungen an
> 2 Pads anschliessen will

Ja, o.k., man muss Pads und Pins unterscheiden. Bei Widerständen mit 4 
echten Pins ist alles klar, aber das sind Exoten. Normale 
SMD-Widerstände mit 2 Pins möchte man trotzdem auf 4 Pads löten um den 
Spannungsabfall der Lötstelle zu umgehen. Meine ursprüngliche Frage war 
ein Holzweg, Eagle macht das total richtig.

Die zusätzlichen kleinen Pads brauchen Platz, dafür sind normale 1206 
bis ca. 2512 zu klein. Ab 2512 reicht es evt. für einen schmalen 
Streifen am Rand. Besser wären Widerstände mit Pins an der langen Seite, 
aber das sind auch wieder Exoten.

Nicht ganz so exotisch sind welche mit (fast) quadratischen Pins, in 
2818 hab' ich immerhin 3 Familien von 2 Herstellern gefunden, sogar bei 
Reichelt (siehe oben). In der Größe kann man den Platz für die 
Spannungs-Pads spendieren. Das reduziert nur die Belastbarkeit, aber die 
ist bei solchen Modellen sowieso abartig hoch, die Pins sind ja massive 
Kupferklötze.

Dazu passend sind die Pads viel größer als normal, aber der Strom fließt 
trotzdem ziemlich direkt von der Leiterbahn nach oben ins eigentliche 
Widerstandsmaterial, gut zu sehen im älteren SMT-Datenblatt. Der größere 
Teil des Pads ist stromlos, also kann man die Spannungs-Pads bequem am 
Rand anordnen. Die Variante mit dem Via in der Mitte bringt keinen 
Vorteil, aber Stress mit der Lötpaste.

Die WSHM2818 sind im Prinzip genauso aufgebaut. Dale hat sich sogar 
ernsthaft Gedanken um ein Vierleiter-Layout gemacht, im Datenblatt gibt 
es einen guten und einen besten Vorschlag, mit Begründung. Für 2 Pads 
sind die gut und richtig, aber warum gibt es keinen Vorschlag mit 4 
Pads?

Die Widerstände aus dem Artikel von Analog Devices sind anscheinend 
anders aufgebaut:
with very low value resistors (0.5 mΩ or less), the physical location
of the sensing point on the pad and the symmetry of the current flow
through the resistor become more significant. For example, the
ULRG3-2512-0M50-FLFSLT is a solid metal-alloy resistor, so every
millimeter of the resistor along the pad will influence the effective
resistance.

von Andreas S. (Firma: Schweigstill IT) (schweigstill) Benutzerseite


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Bauform B. schrieb:
> also kann man die Spannungs-Pads bequem am
> Rand anordnen. Die Variante mit dem Via in der Mitte bringt keinen
> Vorteil, aber Stress mit der Lötpaste.

Das ist ein Trugschluss. Auf Grund der asymmetrischen Flächenaufteilung 
der Pads zieht die Oberflächenspannung des aufgeschmolzenen Lotes den 
Widerstand zur Seite weg. Auf dieses Problem wird auch in dem Paper von 
Analog Devices higewiesen.

von Bauform B. (bauformb)


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Andreas S. schrieb:
> Auf Grund der asymmetrischen Flächenaufteilung
> der Pads zieht die Oberflächenspannung des aufgeschmolzenen Lotes den
> Widerstand zur Seite weg.

Kann man das nicht reduzieren, indem man die Paste geschickt verteilt? 
Im R2817-seitlich.png ist sie nach Pasten-Fläche gleichmäßig verteilt, 
reicht das nicht?

Es müsste doch ganz einfach gehen: gegenüberliegend von den 
Spannungs-Pads werden zwei gleichgroße Dummy-Pads eingebaut.

Aber elektrisch hat die Variante mit Via in der Mitte trotzdem keinen 
Vorteil(?)

: Bearbeitet durch User
von Wolfgang (Gast)


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Bauform B. schrieb:
> R2817-seitlich.png

Du willst den Spannungsabfall nicht im Randbereich messen, sondern 
symmetisch bzgl. der Längsachse.

von Bauform B. (bauformb)


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Wolfgang schrieb:
> Du willst den Spannungsabfall nicht im Randbereich messen, sondern
> symmetisch bzgl. der Längsachse.

Also gut, noch ein Versuch. Dieser sieht schön gleichmäßig aus, mittig, 
aber ohne Via, das gefällt mir.

So ganz überzeugt bin ich aber noch nicht. Theoretisch ist symmetrisch 
immer besser, aber gibt es beim Strom in Leiterbahnen so einen Effekt 
wie bei "echten" Strömen aus Wasser? Also dass die "Strömung" in der 
Mitte stärker ist als am Ufer? Sowas wie einen DC-Skin-Effekt? Nur dann 
kann es Unterschied zwischen Rand und Mitte geben, oder?

Das kleine Spannungs-Pad ist gegen die dicke Leiterbahn isoliert. Also 
kann in dem Bereich auch im Kupfer des Widerstands kein Strom fließen. 
Dieser Kupferkontakt ist deutlich dicker als die Leiterbahn. Also messe 
ich jedenfalls relativ nahe am Widerstand. Außerdem geht der kürzeste 
Weg für den Strom direkt am Rand von der Leiterbahn nach oben zum 
eigentlichen Widerstand. Natürlich verteilt sich der Strom über die 
ganze Kontaktfläche, aber am anderen Ende bleibt verhältnismäßig wenig 
übrig. Das sollte einen eventuellen Unterschied zwischen Mitte und Rand 
noch weiter verringern.

von Wolfgang (Gast)


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Bauform B. schrieb:
> Theoretisch ist symmetrisch immer besser, aber gibt es beim Strom in
> Leiterbahnen so einen Effekt wie bei "echten" Strömen aus Wasser?

Beim Wasser wäre es der Geschwindigkeitsgradient und die innere Reibung, 
die zum Geschwindigkeitsprofil führt. Das ist bei der Stromverteilung 
sicher nicht der Fall (allenfalls im Magnetfeld -> Hallsensor).

Mit FEMM o.ä. lässt sich soetwas ganz gut rechnen, wenn auch nur in 2D.
Als Geometrie mit unterschiedlich leitenden Materialen sind Cu-Pads, 
etwas weniger leitende Contacte und Resist als eigentlicher Widerstand 
gegeben.
Für qualitative Betrachtungen sollte die Ähnlichkeit zum Shunt auf der 
Leiterplatte helfen.
Als Versuch ist links das Stromeinspeisepad asymmetrisch kontaktiert, 
rechts auf der Achse. Die Farbe stellt das Potential mit den 
Äquipotentiallinien dar. Links sieht man, dass durch die Asymmetrie ein 
Spannungsabfall über die Breite des Shunts entsteht, erkennbar an den 
nicht senkrecht verlaufenden Äquipotentiallinen. Mit der mittigen 
Kontaktierung (rechs) sieht das viel besser aus.
Für quantitative Aussagen kann man das Modell sicher noch verfeinern und 
z.B. die Leitfähigkeiten der Materialien besser anpassen.
Man sieht aber gut, dass bei symmetrischer Kontaktierung über die 
Kupferfläche eine recht gleichmäßige Stromverteilung ensteht, während 
man bei assymetrischer Kontaktierung Abstriche machen muss. Erst der 
Sense-Kontakt sorgt dann für einen Ausgleich. Wenn man statt dessen 
asymmetrisch einen kleinen Sense-Kontakt setzt, merkt man die nicht 
senkrecht laufenden Äquipotentiallinien.
Fazit: Symmetrische Kontaktierung hilft für gleichmäßige 
Stromverteilung, so dass dann die Lage der Sense-Kontakte nicht so 
entscheidend ist.

von Bauform B. (bauformb)


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Mir fehlen die Worte, dankeschön!

von Hase Cäsar (Gast)


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Bauform B. schrieb:
> dankeschön!

Biddeschööön

von georg (Gast)


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Wolfgang schrieb:
> Links sieht man, dass durch die Asymmetrie ein
> Spannungsabfall über die Breite des Shunts entsteht

Das weiss doch jeder, dass Strom nicht gern um die Ecke fliesst...

Aber FEM ist schon ok.

Georg

von Wolfgang (Gast)


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georg schrieb:
> Das weiss doch jeder, dass Strom nicht gern um die Ecke fliesst...
Der darf hier um die Ecke fließen, wie er möchte.

Hier ging es darum, wie die Potentiallinen auf Ebene des Sense-Kontaktes 
verlaufen.

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