Forum: Platinen Thermische Entkopplung z.B. DS18B20


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von Moritz E. (familienvater)


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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

von Kevin M. (arduinolover)


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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.

von MaWin (Gast)


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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.

von Cyblord -. (cyblord)


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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.

von Georg (Gast)


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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

von Moritz E. (familienvater)


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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

von Wühlhase (Gast)


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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...

von Wühlhase (Gast)


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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.

von Max G. (l0wside) Benutzerseite


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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.

von Wolfgang (Gast)


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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.

von Cyblord -. (cyblord)


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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.

von Georg (Gast)


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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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