Announcement: there is an English version of this forum on Hallo in die Runde, hier gibt es bestimmt jemand, der praktische Erfahrung beim Thema thermische Entkopplung auf Platinen hat, oder? Folgendes Szenario: Ich habe eine kleine Platine (FR4, zweilagig 35µ), auf der sich neben Zusatzbeschaltung im Wesentlichen sechs 7-Segmentanzeigen und ein Temperatursensor DS18B20 befinden. Die 7-Segment werden gemultiplext, folglich fließen hier schon einige mA, auch die Zusatzbeschaltung zieht ein paar mA. Lange Rede, kurzer Sinn: Die Platine erwärmt sich, in thermischer Beharrung sind das ein paar Kelvin. Über die Zuleitungen zum DS18B20, insbesondere Anbindung an die Massefläche, erwärmt dieser sich folglich mit, was es so gut es geht zu vermeiden gilt (Ja, ich habe die Threads zum Thema "Eigenerwärmung" und "Aufwärmzeit DS18" gelesen; Nein, es wird nicht jede Sekunde eine Messung angestoßen; Nein, eine Kompensation in Software ist keine Option, da das Temperaturdelta z.B. von der variablen Helligkeit der Anzeigen abhängt). Für mich stellt sich nun die Frage, wie sich diese thermische Kopplung so gut es geht beim Platinenlayout vermeiden lässt. Meine Ideen bisher: - Sperrflächen auf beiden Lagen unter dem Tempsensor-IC, sodass dort die Massefläche weggeätzt wird - Zuleitungen VCC, GND mit minimaler Leiterbahnbreite zum IC führen. 100n Kerko bleibt am IC - Zuleitungen VCC, GND und Signal über 0 Ohm - Widerstände anbinden Habe ich etwas übersehen? Gibt es weitere Tipps & Hinweise von den Profis? Bin gespannt auf Eure Rückmeldungen! Danke & Grüße
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-Großzügige Ausparung der Masseflächen auf allen Lagen -Cutouts im PCB mit möglichst dünnen Verbindungen. -Dünne Leiterbahnen Beispiel siehe Anhang. Viel mehr kann man nicht machen und selbst dann wird es eine gewisse Erwärmung geben. In dem im Anhang gezeigten Beispiel sind es im Gleichgewichtszustand ca. 4 bis 5K über der eigentlichen Raumtemperatur, kommt natürlich auf den Luftfluss an. Allerdings befindet sich ca. 50mm neben der Messtelle ein Schaltregler mit vergleichsweise hoher Leistung der ca. 30K über der Raumtemperatur liegt.
Moritz E. schrieb: > Gibt es weitere Tipps & Hinweise Ich habe meine DS18B20 in meinen Raumthermostaten nachdem schon der Probeaufbau zu ähnlichen Problemen geführt hat: Im Gehäuse ein 2cm breites mit alufoliebeklebter ABS Trennwand abgetrenntes Kompartment nur für den DS18B20 mit Lüftungslöchern unten und Lüftungslöchern oben eingerichtet, der DS18B20 in TO92 mit ungekürzten Anschlussdrähten in die Rückseite der hinter der Trennwand befindlichen Platine eingelötet, alle warmen Bauteile sind höher montiert. Noch besser wäre es natürlich, ihn über ein Kabel abzusetzen, aber entscheidend ist: wird es im Kompartment warm (und das wird es) steigt die Luft wie in einem Kamin auf und es wird unten durch die Löcher frische Luft angesaugt. So hängt der DS18B20 da unten stets in einem leichten Luftstrom von Temperatur mit Aussenluft. Ich glaube, er misst so nicht mehr als 1K zu viel.
Also man platziert einen Temperatursensor flächig auf einer Platine will aber gar nicht die Temperatur dieser Platine messen? Das ist merkwürdig. Wenn ihr die Temperatur von was anderem messen wollt, solltet ihr den Sensor auch da platzieren.
Moritz E. schrieb: > Habe ich etwas übersehen? Ja, dass nach kurzer Zeit alles die gleiche Temperatur annimmt, egal wie das Layout gestaltet wird, das ändert höchstens die Zeitkonstante nach dem Einschalten. Für eine sinnvolle Temperaturmessung muss der Sensor dort sitzen, wo die Temperatur gemessen werden soll, und nicht auf einer Platine mit der Anzeigeelektronik. Dort misst er die Temperatur dieser Elektronik - aber wenn das die Absicht ist braucht man auch kein besonderes Layout. MaWin schrieb: > So hängt der DS18B20 da unten stets in einem > leichten Luftstrom von Temperatur mit Aussenluft Das ist eine Kompromissmöglichkeit, aber keine Grundlage für eine Präzisionsmessung. Für einen Heizkörper kann es reichen, muss aber sorgfältig getestet werden. Georg
Vielen Dank soweit für die sehr konstruktiven Rückmeldungen. Im Nachhinein ist man immer schlauer, vielleicht hätte es geholfen, die zwei Zusatzinfos gleich mitzugeben: - Es soll die Raumtemperatur gemessen werden - Die Platine bleibt später "offen" (steht nur auf vier Distanzbolzen) auf dem Schreibtisch, es kommt kein Gehäuse drum herum. Ich überlege nochmal, ob im nächsten Muster ein DS18B20 im TO92-Gehäuse zum Einsatz kommt. Bisher war ich fest vom SO-8 Gehäuse ausgegangen, da ausschließlich SMD Bauteile zum Einsatz kommen. Ein THT Bauteil wäre aber kein Beinbruch, form follows function.. Kevin, danke für die Darstellung inkl. Bild. Inwiefern sich Cutouts realisieren lassen, werde ich mal prüfen! Georg, Du hast natürlich vollkommen Recht. Mein Ziel wäre, das Gleichgewicht zwischen Erwärmung durch die Platine und Sensorverlustleistung auf der einen Seite und "Kühlung" durch die Umgebungsluft möglichst nahe an der tatsächlichen Umgebungstemperatur zu schaffen. Dabei kommt mir folgende Idee - Im SO-8 Package hat der IC fünf NotConnected-Pins. Macht es Sinn, diese als "Kühlpins" zu nutzen, d.h. durch geschickten Einsatz von breiten Leiterbahnen Zusatzbeschaltung Kühlkörper / Kühlfähnchen diese fünf Pins mit einem kleineren, thermischen Widerstand an die Umgebung anzubinden, als die drei Leitungen Vcc, GND und Daten an die Wärmequelle Platine? (Am Ende ist es alles nur Spielerei, aber der Ingenieur in mir gibt sich erst zufrieden, wenn alle Möglichkeiten ausgeschöpft sind.. :-) ) Grüße Moritz
Ich würde, unter deinen Bedingungen, versuchen möglichst viel Abstand zwischen warmen Teilen (dazu gehört auch z.B. der Spannungsregler) und dem Sensor zu lassen. Eurokarte, das warme Zeug in eine Ecke, den Sensor die diagonal entgegengesetzte Ece - fertig. Und die Massefläche brauch man nicht überall, in deinem Fall versaut sie dir das Ergebnis wenn sie die Abwärme zu deinem Sensor transportiert. Den würde ich da vielleicht nur mit einer einfachen Leiterbahn anbinden. Dann sollte das eigentlich funktionieren...
Nachtrag: Moritz E. schrieb: > Dabei kommt mir folgende Idee - Im SO-8 Package hat der IC fünf > NotConnected-Pins. Macht es Sinn, diese als "Kühlpins" zu nutzen, d.h. > durch geschickten Einsatz von breiten Leiterbahnen / Zusatzbeschaltung / > Kühlkörper / Kühlfähnchen diese fünf Pins mit einem kleineren, > thermischen Widerstand an die Umgebung anzubinden, als die drei > Leitungen Vcc, GND und Daten an die Wärmequelle Platine? Das ist kontraproduktiv. Über deine Kühlleiterbahnen würdest du mehr Wärme von anderswo zu deinem IC leiten. Du willst aber eine Wärmeisolation. Und thermische Dioden gibt es (soweit ich weiß) nicht.
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Mit diesem Themenkomplex habe ich mich jahrelang herumgeschlagen. Wie auch immer man es macht, man macht es eigentlich immer falsch. In meiner Bedienungsanleitung steht ein längerer Text dazu, siehe Anhang. Der TO-92 bringt in jedem Fall etwas gegenüber der Leiterplatten-Montage. Eine völlige Entkopplung ist aber faktisch nicht möglich, weil die Beinchen des DS18B20 aus Kupfer bestehen und das leider nicht nur Strom, sondern auch Wärme gut leitet. Du kannst versuchen, mit einem TO92-Kühlkörper noch etwas Abhilfe zu schaffen, aber auf Null wirst du nie kommen. Ich habe mal eine Serie gemessen mit SMD-Sensoren vs. TO92 - bei einer Verlustleistung von ca. 120mW in der Dose waren das fast 1K Unterschied. Ausfräsungen in der Leiterplatte bringen überraschend wenig. Durch die Faserrichtung der Leiterplatten leiten die in der Ebene leider die Wärme ziemlich gut. Du kannst dir die Theorie der elektrischen Entwärmung mal anschauen. Leider habe ich auch nach einigem Googeln nichts wirklich Gutes gefunden, am besten ist noch https://www.fh-dortmund.de/de/fb/3/personen/lehr/hahn/medien/Waermetransport.pdf. Du kannst mal versuchen, mit ein paar Messungen ein thermisches Modell deines Systems aufzubauen, trivial ist das aber nicht. Wenn man mal die Äquivalenz zwischen thermischen Ketten und elektronischen Schaltkreisen verstanden hat (Verlustleistung => Strom, Temperaturdifferenz => Spannung, Wärmewiderstand => Widerstand), hilft das, zu verstehen, was da eigentlich passiert. Du hast dir offentlichtlich Gedanken zur Eigenerwärmung gemacht. Hast du das mal praktisch getestet, d.h. mit verschiedenen Auflösungen und verschiedenen Messintervallen geprüft, ob sich der Sensor selbst erwärmt? Worst case (12 bit im 1s-Raster) zieht der Sensor 7,5mA während 750ms, bei 5V im Mittel also 28mW. Ein TO92 hat rund 100K/W, das wären 2,8K Selbsterwärmung. Aber das ist Theorie, für eine praktische Messung war ich immer zu faul. Bin gespannt, wie dur weiterkommst - das Thema ist viel komplexer, als man zunächst glaubt.
Cyblord -. schrieb: > Also man platziert einen Temperatursensor flächig auf einer Platine will > aber gar nicht die Temperatur dieser Platine messen? Quatsch. Der Sensor mit seinem TO-92 schwebt an seinen Beinen über/neben der Platine. Problem ist, dass die Beine aus elektrisch gut leitfähigem Material bestehen. Leider besteht ein physikalischer Zusammenhang zwischen elektrischer Leitfähigkeit und Wärmeleitfähigkeit, so dass die Beine als Nebeneffekt Wärme von einer erwärmten Platine zum Chip transportieren.
Wolfgang schrieb: > Quatsch. Der Sensor mit seinem TO-92 schwebt an seinen Beinen über/neben > der Platine. Nur geht es hier um ein SMD Package. Da schwebt nichts.
Cyblord -. schrieb: > Nur geht es hier um ein SMD Package. Da schwebt nichts. Und das wäre auch das erste was ich ändern würde. Auch wenn SMD "geiler" ist. In diesem Fall sind die Beinchen ein Vorteil, man kann sie auch möglichst lang lassen, um den Sensor thermisch zu isolieren, das wirkt weit besser als Freifräsungen usw. Georg
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