PCB-Leiterbahnbreiten-Rechner
Dieser Rechner nutzt den Industriestandard IPC-2221, um die erforderliche Breite einer Leiterplatte (PCB) zu bestimmen, die einen bestimmten Strom leitet, ohne einen sicheren Temperaturgrenzwert zu überschreiten. Die Kernformeln lauten:
$$ A = \left( \frac{I}{k \cdot \Delta T^b} \right)^{\frac{1}{c}} $$
$$ W = \frac{A}{T \cdot 1.378} $$
Dabei ist \(A\) die Querschnittsfläche (\(mils^2\)), \(I\) die Stromstärke (Ampere), \(\Delta T\) der Temperaturanstieg (°C), \(W\) die Breite (mils) und \(T\) die Kupferdicke (oz/ft²).
Tipp: Geben Sie unten die Parameter Ihrer Schaltung ein. Externe Leiterbahnen kühlen schneller ab als interne, was die erforderliche Breite beeinflusst!
Elektrisch & Thermisch
Physische Schicht
1. Erforderliche Leiterbahnbreite
Breite (mils)
0.00
Metrische Breite (mm)
0.00
2. Visualisierung des PCB-Querschnitts
Schematische Darstellung der Schichtstruktur basierend auf Ihrer Auswahl.
Berechnete Fläche:
0 sq mils
IPC-2221 Konstante (k):
0
3. Schritt-für-Schritt Ableitung (IPC-2221)
Der komplette PCB-Leiterbahnbreiten-Rechner
Strombelastbarkeit, Thermodynamik, Spannungsabfall & IPC-Standards
Kurzantwort
Die Berechnung der Leiterbahnbreite bestimmt das Minimum an Kupferbreite, das erforderlich ist, um einen spezifischen Strom sicher zu leiten, ohne zu überhitzen. Basierend auf dem IPC-2221-Standard berücksichtigt diese Berechnung Strom (Ampere), Kupfergewicht (oz) und den zulässigen Temperaturanstieg (ΔT). Eine korrekte Berechnung verhindert Spannungsabfälle, Board-Delamination und katastrophale Ausfälle.
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Von Prof. David Anderson
Hardware Engineering & PCB Layout
„Riechen Sie das? Das ist der stechende, giftige Geruch von verbranntem FR-4 Glasfaser. Wenn Sie eine Motorsteuerung entwerfen und einfach eine 10-mil Leiterbahn für 15 Ampere nutzen, wird Ihr PCB wie eine teure Sicherung wirken. In diesem Labor verlassen wir uns nicht auf Schätzungen. Wir nutzen IPC-Industriestandards, um Leiterbahnbreiten dynamisch zu berechnen, die Unterschiede zwischen internen und externen Lagen zu verstehen und thermische Engpässe zu vermeiden.“
1. Die Physik: Jolische Erwärmung
Jede Kupferbahn auf einer Leiterplatte hat einen winzigen elektrischen Widerstand. Gemäß dem Ohmschen Gesetz und der Leistungsformel ($$P = I^2 \cdot R$$) wird die verlorene Energie in Wärme umgewandelt. Dies nennt man Jolische Erwärmung.
Ist die Leiterbahn zu schmal, ist der Widerstand höher und es entsteht mehr Wärme. Wenn diese Wärme nicht schnell genug an die Umgebung abgegeben werden kann, steigt die Temperatur rapide an, bis sich das Kupfer vom Substrat löst (Delamination) oder schmilzt.
2. Die Mathematik: IPC-2221 Standards
Um Brände zu verhindern, nutzt die Industrie den IPC-2221 Standard. Diese empirische Formel hilft uns, den benötigten Querschnitt basierend auf dem zulässigen Temperaturanstieg (ΔT) zu berechnen.
$$I = k \cdot \Delta T^b \cdot A^c$$
Gleichung 1: IPC-2221 Stromkapazität (I = Ampere, ΔT = Temp.-Anstieg in °C, A = Querschnitt in mils²)
3. Die Falle der internen Lagen
🚨 Prof. Andersons Warnung: Thermodynamik nicht ignorieren!
Viele Anfänger berechnen eine Leiterbahn für die Außenlage und nutzen dieselbe Breite für die Innenlage. Das ist ein kritischer Designfehler.
- Externe Leiterbahnen: Geben Wärme durch Konvektion direkt an die Luft ab.
- Interne Leiterbahnen: Sind von FR-4 umgeben, einem hervorragenden Isolator. Die Wärme wird gestaut.
Faustregel: Eine interne Leiterbahn muss fast 3-mal breiter sein als eine externe, um den gleichen Strom bei gleicher Temperatur zu führen!
4. Das Dilemma des Spannungsabfalls ($$V = I \cdot R$$)
SIGNALINTEGRITÄT
Ihre Leiterbahn überhitzt nicht, aber der Mikrocontroller stürzt ständig ab? Das liegt am Spannungsabfall.
[Image illustrating voltage drop along a long PCB trace from power supply to the load]Eine Leiterbahn verbraucht Spannung. Bei langen Wegen steigt der Widerstand. Ein Strom von 2A an 0,3Ω verursacht 0,6V Abfall. Aus sauberen 5,0V werden 4,4V – der Brown-Out Detector (BOD) schlägt an und das System crasht. Bei langen Bahnen müssen Sie breiter planen, als die thermische Berechnung vorgibt.
5. Kupfergewicht (oz) erklärt
In der Fertigung wird die Kupferdicke oft in Unzen (oz) pro Quadratfuß gemessen.
| Kupfergewicht | Physische Dicke | Standard-Anwendung |
|---|---|---|
| 0.5 oz | 0.68 mils (17.5 µm) | Interne Lagen bei Multilayer-Boards. |
| 1.0 oz | 1.37 mils (35 µm) | Industriestandard. Default für 95% aller PCBs. |
| 2.0 oz | 2.74 mils (70 µm) | „Heavy Copper.“ Für Netzteile und Motorsteuerungen. |
6. Der Via-Engpass
PCB LAYOUT STRATEGIE
Eine breite Leiterbahn nützt nichts, wenn sie durch ein winziges 0,3mm Via auf eine andere Lage wechselt.
Sie erzeugen einen thermischen Flaschenhals. Das Via wird wie eine Sicherung durchbrennen. Nutzen Sie Via Stitching – ein Array aus mehreren Vias, um den Stromfluss aufzuteilen.
7. FAQ des Professors
F: Welcher Temperaturanstieg (ΔT) ist sicher?
Ein konservatives Design rechnet mit 10°C. Bei 25°C Umgebung wird die Bahn 35°C warm. In engen Designs sind 20°C-40°C möglich, solange die Gesamt-Temperatur das Board-Limit (meist 130°C für FR-4) nicht überschreitet.
F: Funktioniert der Rechner für Wechselstrom (AC)?
Ja, für Niederfrequenz (50/60 Hz). Nutzen Sie den RMS-Wert (Effektivwert) des Stroms. Bei Hochfrequenz (RF) müssen Sie zusätzlich den Skin-Effekt berücksichtigen.
8. Referenzen & Standards
- IPC-2221A: Generischer Standard für das Design von Leiterplatten.
- IPC-2152: Moderner Standard für die Strombelastbarkeit in Leiterplatten.
Breite & Ampere berechnen
Geben Sie Ihren Strom ein, wählen Sie das Kupfergewicht und den Temperaturanstieg. Unser Tool berechnet sofort die nötige Breite.
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