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Strombelastbarkeit von Leiterbahnenvon Prof. Jürgen Plate |
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Strombelastbarkeit von Leiterbahnenvon Prof. Jürgen Plate |
Die folgende Grafik und die Tabelle dienen als Anhaltspunkte. Die wirklichen Temperaturwerte hängen aber auch von der Struktur der Platine und von der Luftzirkulation im Gehäuse ab. Breite und flache Leiterbahne geben die Hitze besser an die Umgebung ab als schmale und hohe Leiterbahnen gleichen Querschnitts. Die Wärmeableitung ist geringer in der Nähe von Bauteilen mit hoher Verlustleistung. Eine rückseitige Kupferfläche erhöht die Wärmeabfuhr.
Die Tabelle sagt aus, wie stark sich eine Leiterbahn über die Umgebunstemperatur hinaus erwärmt, wenn der angegebene Strom fliesst. Zum Beispiel erwärmt sich eine 1.5 mm breite Leiterbahn mit 35 µm Kupferauflage um ca. 10 °C oberhalb der Raumtemperatur, wenn durch sie ein Strom von 3 A fliesst.
Bei Impulsbesastung kann der kurzzeitig auftretende Strom wesentlich höher sein. Für Leiterbahnen aus Kupfer kann man bei kurzen rechteckförmigen Impulsen die Belastung abschätzen durch die folgenden Formeln:
dT = K * I2 * t / A2 [A, ms, mm2]
wobei t die Zeit, A die Fläche der Leiterbahn und I der Strom sind.
Für den Faktor K gilt:
K = (Spez_Widerstand / Wärmekapazität / Dichte)
Für Kupfer gilt: spezifischer Widerstand 17,8 * 10 -9 Ohm*m, Dichte 8900 kg/m3
und Wärmekapazität 385 J/(Kg*K). Daraus ergibt sich für K ca. 5,1 * 10-3.
Siehe auch www.schmelzleiter.de.
Bei noch höheren Strömen kann man die entsprechenden Leiterbahnen vom Löststopplack aussparen (Leiterbahn blank lassen) und die Belastbarkeit durch Auflöten von massivem Kupferdraht oder das Aufschrauben von Kupferschienen erhöhen. Ein "Aufzinnen" bringt eher weniger Erfolg, da der spezifische Widerstand von Zinn höher als der von Kupfer ist → der Hauptanteil des Stroms fließt weiter durch die Kupferbahn.
| Schicht- stärke | Leiterbahn- breite | Max. Strom im Verhältnis zu Temperaturerhöhung | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 10 °C | 20 °C | 30 °C | 45 °C | 60 °C | |||||
| 35 µm | 0,25 mm | 0,5 A | 0,8 A | 1,0 A | 1,3 A | 1,6 A | |||
| 0,50 mm | 1,0 A | 1,6 A | 2,0 A | 2,5 A | 3,0 A | ||||
| 1,00 mm | 2,2 A | 3,0 A | 3,6 A | 4,2 A | 4,8 A | ||||
| 1,50 mm | 3,0 A | 3,8 A | 4,6 A | 5,3 A | 6,5 A | ||||
| 2,00 mm | 3,8 A | 5,0 A | 6,5 A | 7,5 A | 8,5 A | ||||
| 3,00 mm | 4,5 A | 6,5 A | 8,0 A | 9,5 A | 11,0 A | ||||
| 4,00 mm | 6,0 A | 8,5 A | 10,0 A | 12,0 A | 13,5 A | ||||
| 5,00 mm | 7,0 A | 10,0 A | 12,0 A | 14,5 A | 16,0 A | ||||
| 6,00 mm | 7,5 A | 11,0 A | 14,0 A | 16,0 A | 18,0 A | ||||
| 8,00 mm | 9,0 A | 14,0 A | 17,0 A | 20,0 A | 22,5 A | ||||
| 10,00 mm | 10,0 A | 16,0 A | 20,0 A | 23,0 A | 26,0 A | ||||
| 70 µm | 0,25 mm | 1,0 A | 1,6 A | 2,0 A | 2,5 A | 3,0 A | |||
| 0,50 mm | 2,0 A | 2,8 A | 3,5 A | 4,0 A | 4,5 A | ||||
| 1,00 mm | 3,5 A | 4,7 A | 5,8 A | 6,8 A | 8,0 A | ||||
| 1,50 mm | 4,5 A | 6,2 A | 7,5 A | 9,0 A | 10,5 A | ||||
| 2,00 mm | 6,0 A | 8,5 A | 10,0 A | 12,0 A | 13,5 A | ||||
| 3,00 mm | 7,5 A | 11,0 A | 14,0 A | 16,0 A | 18,0 A | ||||
| 4,00 mm | 9,0 A | 13,5 A | 17,0 A | 19,0 A | 22,0 A | ||||
| 5,00 mm | 10,0 A | 15,0 A | 19,0 A | 23,0 A | 25,0 A | ||||
| 6,00 mm | 11,0 A | 18,0 A | 22,0 A | 26,0 A | 28,0 A | ||||
Die Verbreiterung von Leiterbahnen sollte aber auch nur dann erfolgen, wenn höhere Ströme zu erwarten sind, etwa bei der Stromversorgung, den Masseleitungen oder wenn hohe Lasten geschaltet werden. Bei reinen Signalleitungen (analog und digital) sollten die Leiterbahnen möglichst schmal gehalten werden, um die Kapazitäten und somit die Schwingneigung der Schaltung zu minimieren.