Hallo,
Ich versuche mich gerade in das Thema Wärmeentwicklung/maximale
Belastbarkeit von Leiterplatten usw. einzuarbeiten.
Angenommen ich habe eine kleine Leiterplatte (2x2cm) groß, darauf
befindet sich nur eine einzelne Diode (1N4001 als Beispiel).
Diese verkraftet einen Strom von maximal 1,0 A bei 75 Grad, dabei fällt
eine Vorwärtsspannung von 1,0 V ab.
Lasse ich jetzt wirklich das eine Ampere fließen, fällt ein Watt Wärme
an, diese gibt die Leiterplatte an die Umgebung ab.
Wie muss ich mir das nun vorstellen? Angenommen die Leiterplatte hängt
frei in der Luft oder liegt auf der Tischplatte. Wie kann man so etwas
berechnen?
Mich würde interessieren: Wie lange es von beispielsweise 20 Grad
Umgebungstemperatur dauert, bis die 75 Grad erreicht sind bzw. welchen
maximalen Strom man ausnutzen kann, wenn man will, dass die 75 Grad
gerade so erreicht werden.
(Ich habe also keine konkrete Fragestellung technischer Natur, es geht
mir um die Berechnung der Wärmeentwicklung.)
Mir geht es einfach darum, ein Gefühl dafür zu bekommen, was geht und
was nicht und wie man das vielleicht sinnvoll "überschlagen" kann - eine
exakte Berechnung ist auch gar nicht mein Ziel, einfach nur eine
Vorstellung, ob ich so und so viele Bauteile zusammenpacken kann und ob
sich das thermisch noch ausgeht.
Danke euch!
Michael
Am einfachsten ist es vermutlich ein passend großes Stück Platine zu
nehmen, ein Watt darin zu verbraten und zu schauen wie heiß die Platine
wird (Umgebungstemperatur konstant halten!).
So hat man den genauen Wert für das vorliegende Material. Den sollte man
dann auch entsprechend skalieren können.
> Wie kann man so etwas berechnen?
Naja, theoretisch kann man alles berechnen. Aber das haengt von
zuvielen Parametern ab. Wie breit und lang sind z.B die Leiterbahnen?
Wie dick? Hat die Platine eine dicke Kupferflaeche welche die Waerme
besser verteilt? Gibt es Konvektion?
Das ist wohl wirklich messen am sinnvollsten. Entweder ein kleines
Minithermoelement auf den Baustein kleben oder Waermekamera.
Olaf
Zur groben Abschätzung:
Der mit Abstand größte Wärmewiderstand ist der Übergangswiderstand von
Platine/Bauteil zu der Luft.
Dazu hier etwas mehr:
https://de.wikipedia.org/wiki/W%C3%A4rme%C3%BCbergangskoeffizient
Für das Bauteil gibt es in den meisten Fällen Wärmewiderstände
Rthxx
z.B. für die Diode
RthA = Sperrschicht zu Umgebung
RthL = Sperrschicht zu Anschlussdrähten
Ob teure Leiterplattenentwurfsprogramme oder andere Spezialsoftware
sowas inzwischen kann, bin ich überfragt.
Es ist viel Erfahrung und Bauchgefühl dabei. Möglichst viel Kupfer zur
Entwärmung mit einbinden, bei SMD Bauelementen (reichlich) Thermal Vias
nutzen, von 1 OZ Cu auf 2 OZ Kupfer gehen, notfalls Alukernplatinen
nutzen, KK bei Leistungshalbleitern nutzen. Das kann bei mehreren SMD
Leistungshalbleitern dann auch bedeuten, Kundenspezifische KK fertigen
lassen zu müssen, wenn die Gehäuse unterschiedliche Höhe haben.
Ich habe auch mal davon gelesen, das es soetwas wie Gelkissen, ähnlich
den Gelkompressen, gibt, um SMD Boards zu kühlen.
Michael schrieb:> Wie kann man so etwas> berechnen?
Schwierig.
Mit einer FEM Thermal Simulation würde ich vermuten.
Da aber die 1N4001 THD bereits eine sehr beschränkte Fähigkeit hat ihre
Wärme an die PCB abzugeben, hat die dann wohl schon um die 175°C in
deinem Setup.
Wie viel sie an Wärme abgeben kann hängt von der Länge der Beine ab, der
Kupferstärke der PCB, dem Layout, Lötstopplack oder nicht, PCB hochkannt
oder flach aufliegend, welche Konvektionsströmungen etc.pp.
Ab ca 1cm Entfernung führt die Kupferfläche auch nicht mehr viel ab.
Aber auch das hängt wieder vom der Zahl der Thermovias etc. ab.
Bevor man das also berechnet, würde man eine deutlich fettere Diode
verwenden, ein kühlbares Gehäuse oder eine aktiv Gleichrichtung.
Man kann nur verlieren wenn man am Limit dimensioniert.
Gerald B. schrieb:> Gelkissen, ähnlich> den Gelkompressen, gibt, um SMD Boards zu kühlen.
Gap Pad von z.B. Bergquist.
Von hart bis weich von 0.5mm bis 5mm.
Die sind super und so teuer das man lieber erstmal sei Design in den
Griff bekommt bevor man dazu greift.
Michael schrieb:> Wie kann man so etwas> berechnen?
Überhaupt nicht. So wie so ziemlich alles nicht berechenbar ist.
Es gibt allerdings jede Menge Leute, die es unbedingt versuchen wollen.
Selbst diese müssen dabei aber Faustwerte und durch frühere Messungen
ermittelte Standardwerte bemühen. Sobald man das braucht, ist es aber
keine Mathematik mehr, sondern nur ein Vergleich.
Ohne diese Standardwerte läufst du Gefahr, mal eben um zwei, drei
Größenordnungen daneben zu liegen.
Genau - so wie es keine Programme dafür gibt, die so etwas annähern
können. Alles Scharlatane und Quacksalber. Komisch das so eine
Simulationen (hatte so etwa vor 8 Jahren mal damit zu tun) ziemlich
genau zu den anschließenden Messwerten passten... Seltsam, nicht wahr?
Es gibt sogar Firmen die eine thermische Modellierung als Diesntleistung
anbieten und sogar das Programm dafür lizensieren ...
Die Angabe des entsprechenden Links habe ich mal gelassen, da es
bestimmt noch unzählige weitere Firmen gibt neben der einen Bude die wir
damals beauftragt haben. Wer mag, kann ja mal nach 'Thermal Risk
Management Tool' suchen - da sind einige Anbieter zu finden.
Elektriker schrieb:> Genau - so wie es keine Programme dafür gibt, die so etwas annähern> können. Alles Scharlatane und Quacksalber.
Hast du dir mal die Mühe gemacht den ersten Satz im 1. Beitrag des TO zu
lesen?
Nein!
Sonst wüsstest du dass er kein Unternehmen beauftragen will um für eine
mindestens 4stellige Summe eine thermische Modellierung einer Platine
oder eine Risiko Abschätzung zu machen, sondern eher eine einfache
"Faustformel" sucht.
> Sonst wüsstest du dass er kein Unternehmen beauftragen will um für eine> mindestens 4stellige Summe eine thermische Modellierung einer Platine> oder eine Risiko Abschätzung zu machen, sondern eher eine einfache> "Faustformel" sucht.
Hallo,
solche Messungen mit thermische Modellierungen
gibt es auch unter 1000€.
Gruß
Walter
www.zth-messtechnik.de
Udo S. schrieb:> Hast du dir mal die Mühe gemacht den ersten Satz im 1. Beitrag des TO zu> lesen?
Er hat sich auch nicht die Mühe gemacht, zu begreifen, daß auch in
diesen Programmen Faustwerte bzw. frühere Messwerte enthalten sind.
Sobald man nur drei, vier ineinandergreifende Parameter in einer
Berechnung hat, kann man Mathematik schon vergessen. Weil sich ganz
schnell Fehler multiplizieren. Und in der Aufgabe des TO sind es locker
10 Parameter. Deshalb ist das ja auch so aussichtslos. Nicht mal bei nem
massiven Kühlkörper klappt das richtig, geschweige denn bei einer Diode,
wo die Wärme durch Anschlüsse, Lötungen, Platine, Leiterbahnen usw.
getragen wird.
Udo S. schrieb:> Hast du dir mal die Mühe gemacht den ersten Satz im 1. Beitrag des TO zu> lesen?> Nein!
Natürlich habe ich den gelesen. Im Bastel-Bereich (habe ich etliche
Jahre selber gemacht) ist so eine Simulation möglich, aber
höchstwahrscheinlich zu teuer. Da funktioniert pi*Daumen und anfassen
wenn man es aufgebaut hat.
Sobald man anfängt zu Entwickeln ist eine thermische Simulation absolut
sinnvoll bevor man ein paar zig-tausend Euro ausgegeben hat um dann nach
ein paar Wochen / Monaten (je nach Lieferzeit der fertigen Leiterplatte
+ Inbetriebnahme + Messungen) festzustellen dass man mit Zitronen
gehandelt hat.
Die Frage lautet doch eher ob du dir selber die Mühe gemacht hast,
deinen eigenen ersten Satz zu lesen:
Uwe S. schrieb:> Überhaupt nicht. So wie so ziemlich alles nicht berechenbar ist.
Und genau diese (deine) Aussage ist schlicht und ergreifend falsch. Wie
etwas weiter oben geschrieben - beim Basteln zu teuer, beim Entwickeln
aber sehr hilfreich und zielführend.
Elektriker schrieb:> deinen eigenen ersten Satz
ok - habe ich eben erst gesehen - Autoren verwechselt. Inhalt läuft aber
auf das Gleiche hinaus.
Uwe S. schrieb:> Sobald man nur drei, vier ineinandergreifende Parameter in einer> Berechnung hat, kann man Mathematik schon vergessen.
Wenn man mit einer einfachen Formel und Kopfrechnen nicht weiter kommt
dann kann man durchaus auf numerische Verfahren ausweichen. Und die ach
so vielen Parameter lassen sich durchaus abbilden.
Nur weil ich es nicht selber im Kopf nachrechnen kann bedeutet es ja
nicht dass es unmöglich ist. So einen Rubik Cube kann ich ja auch nicht
lösen und trotzdem
ist die Aufgabe weit entfernt von 'unmöglich'.
Nicht immer von sich selbst auf alle Anderen schließen!
Michael schrieb:> fällt ein Watt Wärme an, diese gibt die Leiterplatte an die Umgebung ab.
Zum Teil. Oder warum meinst du, verbrennst du dir an dem Diodenkörper
die Finger?
Na ja, es ist wohl das hier Unvermeidliche. Einige Theoretiker glauben
felsenfest an alles, was ihnen aufgetischt wird. Andere haben die Welt,
und vor allem wie wenig der Mensch tatsächlich weiß/kann, irgendwann mal
begriffen.
Diskussionen an dem Punkt wohl unsinnig bzw. auch unnötig, denn der TO
scheint es ja gerafft zu haben. Nur darum geht es.
