Platine zur RGB-LED-Steuerung - Strombelastbarkeit

[Thomas Z. (thomasz85)]

Hallo zusammen,

erst einmal vorab: Ich bin eher ein Laie, was Elektronik angeht. Ich 
habe unter https://dordnung.de/raspberrypi-ledstrip eine Anleitung zur 
Steuerung von RGB-LED-Strips mit dem Raspberry Pi gefunden, die ich 
gerne umsetzen würde (mit normalen 12V SMD5050 LED Strips). Ich habe 
vor, mir eine Platine herstellen zu lassen, da ich mehrere 
RGB-LED-Strips steuern möchte und ich aufgrund der Stromstärken und der 
Tatsache, dass das auf Dauer so laufen soll (ca. 10-14 Stunden pro Tag), 
kein Breadboard verwenden möchte. Einen einfachen groben Entwurf habe 
ich mal als Bilddatei angehängt.

Ich habe u.a. unter 
https://www.pcb-pool.com/download/spezifikation/deu_cmso001_strombelastbarkeit.pdf 
eine Tabelle gefunden, welche die Temperaturerhöhung bei verschiedenen 
Leiterbahnbreiten und Stromstärken angibt. In meinem Fall wäre das z.B. 
eine Platine mit 35 µm Kupfer und einer Leiterbahnbreite von 1,5 mm. 
Laut der Tabelle käme ich hier auf 20 °C Temperaturerhöhung bei 3 A bzw. 
30 °C bei 4,6 A Stromstärke.

Meine Frage ist nun: Die Plus-Leitung meines 12 V DC Netzteils würde 
direkt zu den RGB-LED-Strips führen (nicht über die Platine) und nur die 
Minus-Leitung würde über diese Platine laufen - also zu den Source-Pins 
der MOSFETs, vom Drain-Pin der MOSFETs zu den LEDs und einmal zum 
Raspberry Pi - so, wie auf den Skizzen in der Anleitung gezeigt. Die 
Skizze aus der Anleitung habe ich mal als "LED-Breadboard.png" mit 
hochgeladen.

Ist die Stromaufnahme/-belastung, welche die LEDs "verursachen" dann 
auch auf dem Board so hoch, also auf den Leiterbahnen und an den 
MOSFETs, oder nur auf der Plus-Leitung zu den LEDs? Bei 2 Metern 
LED-Strip mit 60 LEDs pro Meter habe ich bereits bis zu 1,42 A 
Stromaufnahme gemessen (Farbe "weiß").

Wenn ich nämlich nun z.B. 3x 5 Meter RGB-LED-Strips mit 60 LEDs/Meter 
verwenden möchte, käme ich auf eine maximale Stromaufnahme von etwa 10,6 
A (bei der Farbe "weiß"). Dann müsste ich ja schon 5-8 mm dicke 
Leiterbahnen nehmen, damit die Platine das auch verträgt... Oder fließt 
auf der Platine selbst, also über die Masseleiterbahnen und die MOSFETs, 
nicht dieser relativ starke Strom? Ich wundere mich nämlich, wie sehr 
kleine Controller mit winzigen Platinen relativ viele LED Strips steuern 
können, deswegen die Frage.

Ich hoffe, ich konnte verständlich machen, was ich damit meine. Ich 
würde mich sehr über Antworten freuen. Vielen Dank schon einmal im 
Voraus!


Gruß
Thomas

[test (Gast)]

Thomas Z. schrieb:
> Ich wundere mich nämlich, wie sehr kleine Controller mit winzigen
> Platinen relativ viele LED Strips steuern können,

Die Chinesen kennen da einen tollen Trick. Wollen sie die technischen 
Daten eines Gerätes verbessern, dann ziehen sie das alte Kabel ab und 
kleben das mit den höheren Daten aufs Gerät. Wird schon irgendwie 
funktionieren ;-)

Und natürlich fließt der Strom auch in der Minusleitung.
Was stört dich dann an breiten Leiterbahnen? Du kannst die Leiterbahnen 
aber auch du eine manuelle Verzinnung (mit dem Lötkolben viel Lot drauf) 
verstärken. Und du kannst die Leiterbahn auf beiden Platinenseiten 
gleichzeitig haben (dann mit mehreren Vias beide Seiten verbinden).

[test (Gast)]

Korrektur... "das alte Kabel" meint "das alte Label". Autokorrektur ist 
Mist.

[Teo D. (teoderix)]

RGB! 1 Leitung(+) hin, 3 zurück(GND/-). Du hast also max. 1/3 des 
Gesamtstromes auf einer Leiterbahn, bis zu dem Punkt wo du diese wieder 
zusammenführst. Mach diese ruhig so dick wie du willst, bzw. Platz ist. 
Tut ja keinem weh.

So wirst du aber noch auf das Gleiche Problem stoßen, aber dieses mal 
sind es die Leiterbahnen in den Stripes. Nicht das diese zu warm würden, 
nein es fällt aber genügend Spannung ab, das die hinteren LEDs deutlich 
dunkler sind. Je nach Länge in der Mitte o. mehrfach einzuspeisen.

[Thomas Z. (thomasz85)]

test schrieb:
> Und natürlich fließt der Strom auch in der Minusleitung.
> Was stört dich dann an breiten Leiterbahnen? Du kannst die Leiterbahnen
> aber auch du eine manuelle Verzinnung (mit dem Lötkolben viel Lot drauf)
> verstärken. Und du kannst die Leiterbahn auf beiden Platinenseiten
> gleichzeitig haben (dann mit mehreren Vias beide Seiten verbinden).

Vielen Dank für deine Antwort!

Grundsätzlich störte mich an den breiteren Leiterbahnen, dass ich das 
Ganze eigentlich so platzsparend wie möglich machen wollte und dass ich 
mich über die "China-Platinen-Lösungen" gewundert hatte.

An die Lösung mit beiden Platinenseiten und den Vias hatte ich noch gar 
nicht gedacht, danke für den Tipp. Wenn ich bei so einem normalen 
2-Layer-PCB (35 µm) dann auf dem oberen und unteren Layer die gleichen 
Bahnen parallel lege und die beiden Layer/Seiten dann mit einigen Vias 
darauf verbinde, kann ich so gesehen vermutlich die Stromstärken aus der 
Tabelle bei der Schichtstärke 70 µm (anstelle die bei 35 µm) verwenden, 
weil sich das die Strombelastung darauf dann ja aufteilt, oder? Also in 
dem Fall bei 5 mm breiten Leiterbahnen z.B. 10 A anstelle von 7 A 
Belastbarkeit bei einer Temperaturerhöhung um 10 °C, oder? Davon würde 
ich jetzt zumindest ausgehen. Ich habe mal ein Rendering (beispielhaft 
ein Via) angehängt, wie ich mir das aktuell dann vorstellen würde.

[Teo D. (teoderix)]

Thomas Z. schrieb:
> kann ich so gesehen vermutlich die Stromstärken aus der
> Tabelle bei der Schichtstärke 70 µm (anstelle die bei 35 µm) verwenden,

Da kannst du ruhig noch 30% drauflegen! Du hast da schließlich die 
doppelte Oberfläche zur Luft.
(Setze mehr Vias. alle 3-5mm)

test schrieb:
> Du kannst die Leiterbahnen
> aber auch du eine manuelle Verzinnung (mit dem Lötkolben viel Lot drauf)
> verstärken.

Bringt nichts. Zinn leitet zu schlecht. Hilft nur bei gelegentlicher 
hoher Pulsbelastung (Thermische Trägheit).

[Thomas Z. (thomasz85)]

Teo D. schrieb:
> RGB! 1 Leitung(+) hin, 3 zurück(GND/-). Du hast also max. 1/3 des
> Gesamtstromes auf einer Leiterbahn, bis zu dem Punkt wo du diese wieder
> zusammenführst. Mach diese ruhig so dick wie du willst, bzw. Platz ist.
> Tut ja keinem weh.

Danke für die Antwort! Und stimmt..., ich hatte mir auch nur um die 
GND-Leiterbahn Gedanken gemacht und habe deswegen für die 3 LED-Strips 
(jeweils 3 MOSFETs) auch 3 getrennte Bahnen zum GND-Punkt gezogen, damit 
nicht alles an einer zusammengeführten Bahn hängt. Das heißt, dann 
sollten auf den 3 Leiterbahnen zum GND-Punkt bei LED-Strips mit jeweils 
5 Metern Länge nach meiner Messung theoretisch ja jeweils pro Leiterbahn 
nur die bis zu ca. 3,53 A liegen, oder? Und dann streng genommen nur an 
dem Punkt, an dem ich meine GND-Leitung anlöten wollen würde ("GND" 
unten rechts), die vollen 10,6 A, was aber nicht schlimm sein sollte, 
oder? Oder müsste dort dann lieber eine größere Kuperfläche mit einem 
Loch in der Mitte hin? Eigentlich nicht, würde ich jetzt vermuten... 
Sorry, falls ich das gerade komplett falsch liege ^^

Teo D. schrieb:
> So wirst du aber noch auf das Gleiche Problem stoßen, aber dieses mal
> sind es die Leiterbahnen in den Stripes. Nicht das diese zu warm würden,
> nein es fällt aber genügend Spannung ab, das die hinteren LEDs deutlich
> dunkler sind. Je nach Länge in der Mitte o. mehrfach einzuspeisen.

Die Leiterbahnen in den Stripes sollten eigentlich kein Problem sein, 
würde ich vermuten, da diese ja für die Länge ausgelegt sein sollten. 
Ich würde ganz normale 5 m Stripes nehmen und auch nicht mehrere solcher 
aneinander hängen o.ä., die 3 möchte ich getrennt steuern.

[Teo D. (teoderix)]

Thomas Z. schrieb:
> würde ich vermuten,

Ich nicht, das ist Erfahrung und nicht nur von mir, das Forum ist voll 
mit diesem Tip! So ab 2m (je nach LED pro Meter) wird das schon deutlich 
sichtbar.

Thomas Z. schrieb:
> Oder müsste dort dann lieber eine größere Kuperfläche mit einem
> Loch in der Mitte hin? Eigentlich nicht, würde ich jetzt vermuten...

Da kommt es mehr drauf an, wie du das Kabel befestigen willst.
Kabel anlöten, Loch (Kabeldurchmesser) mit DUKO und genügend Restring 
(Fläche), für gute Mechanische Stabilität. Dann passt das auch für die 
Stromstärke.

[Thomas Z. (thomasz85)]

Teo D. schrieb:
> Ich nicht, das ist Erfahrung und nicht nur von mir, das Forum ist voll
> mit diesem Tip! So ab 2m (je nach LED pro Meter) wird das schon deutlich
> sichtbar.

Okay, danke für den Hinweis, dann schaue ich mir das auf jeden Fall 
lieber nochmal an.

Teo D. schrieb:
> Kabel anlöten, Loch (Kabeldurchmesser) mit DUKO und genügend Restring
> (Fläche), für gute Mechanische Stabilität. Dann passt das auch für die
> Stromstärke.

Theoretisch könnte ich (unabhängig von Vias) anstelle der 3 getrennten 
GND-Leiterbahnen (derzeit 1,5 mm breit) auch einfach insgesamt eine 
einzige größere Kupferfläche nehmen, richtig? Also so wie auf dem 
Beispiel-Rendering im Anhang, was ich schnell mal grob erstellt habe. 
Die Fläche hätte bei diesem Beispiel eine Höhe von 7,6 mm.

Vielen Dank auf jeden Fall schon mal für die hilfreichen Antworten und 
Tipps!

[Teo D. (teoderix)]

Thomas Z. schrieb:
> Theoretisch könnte ich (unabhängig von Vias) anstelle der 3 getrennten
> GND-Leiterbahnen (derzeit 1,5 mm breit) auch einfach insgesamt eine
> einzige größere Kupferfläche nehmen, richtig?

Klar, du könntest auch das Ganze regelrecht Fluten (GND-Polygon).
Zumindest etwas dicker (Platz hast ja noch genügend) und direkt an die 
Fläche gebunden. Nich das doch noch zufiel Spannung am Drain ansteht und 
die Fets nicht mehr voll durchschalten.
(Bei 10A, hier eher Theorie. Ab 0,4mm Breite würde ich mir Sorgen 
machen, würde ich sie so dünn machen - müssen)


PS:
EAGLE? Wenn ja, schick mal rüber. Ich spiel da mal mit rum. Ist 
einfacher als nur Prosa.

[Thomas Z. (thomasz85)]

Teo D. schrieb:
> Klar, du könntest auch das Ganze regelrecht Fluten (GND-Polygon).
> Zumindest etwas dicker (Platz hast ja noch genügend)

Wenn ich ein GND-Polygon/GND-Plane nehme, was ich dann auch direkt um 
die MOSFETs herum setze (natürlich nur mit Kontakt zum Source-Pin, würde 
ich in der Höhe ja sogar noch Platz sparen und die GND-Fläche wäre breit 
bzw. groß genug, sodass auch die insgesamt 10A kein Problem sein 
dürften. Ich brauche ja keine einzelnen GND-Leiterbahnen.

Ich habe mal beispielhaft ein Rechteck mit einer Höhe von 20 mm 
drumherum gelegt und eine direkte Pad-Verbindung (keine speichenförmige) 
dafür gewählt. Die Frage wäre nur, ob das auf dem Top- oder Bottom-Layer 
sinnvoller wäre oder ob es egal ist.

Soweit ich mich gerade darüber belesen habe, macht man das ja gerne auf 
dem Bottom-Layer. Das Pad beim Source-Pin der MOSFETs würde den oberen 
Layer ja, wie ein Via auch, verbinden (mit dem Unterschied, dass man 
dort noch den MOSFET Source-Pin drauflöten kann), oder? Dann würde die 
Platine von oben zwar etwas langweiliger/leerer aussehen, da man nur 
noch die kurzen Leiterbahnen vom Gate und Drain sieht, aber dafür 
müssten genau diese Leiterbahnen auf der GND-Fläche nicht 
"ausgeschnitten" werden, sondern nur die Pads bei Gate und Drain.

Ich habe mal zwei Bilder/Renderings angehängt - einmal mit der 
Ground-Fläche auf dem oberen Layer und einmal unten.

Teo D. schrieb:
> EAGLE?

Nein, ich habe das jetzt erstmal einfach in EasyEDA online erstellt, um 
mir das da auch überhaupt mal anschauen zu können.

[Teo D. (teoderix)]

Thomas Z. schrieb:
> Das Pad beim Source-Pin der MOSFETs würde den oberen
> Layer ja, wie ein Via auch, verbinden (mit dem Unterschied, dass man
> dort noch den MOSFET Source-Pin drauflöten kann), oder?

Den Source-Pin auf den Source-Pin löten?-}
Pin umklappen und Flächig anlöten? Elektrisch&Thermisch nich so 
wichtig, Mechanisch bringt das etwas mehr (Mit DUKO unnötig).
Also die unverbundenen Flächen machen natürlich keinen Sinn. :)

Müssen sich Ein u. Ausgang gegenüberliegen?

[Wolfgang (Gast)]

test schrieb:
> Du kannst die Leiterbahnen aber auch du eine manuelle Verzinnung
> (mit dem Lötkolben viel Lot drauf) verstärken.

Vergiss es. Dank der nur mäßigen Leitfähigkeit von Lötzinn ist das 
ziemlich ineffektiv. Besser ist es dann, zusätzlich einen anständigen 
Draht auf die Leiterbahnen zu löten.

Solange die Platine bis auf schmale Isolationsflächen nicht beiseitig 
von geschickt verteilem Kupfer bedeckt ist, kann man die Leiterbahnen 
deutlich breiter machen.

[Thomas Z. (thomasz85)]

Teo D. schrieb:
> Den Source-Pin auf den Source-Pin löten?
> Also die unverbundenen Flächen machen natürlich keinen Sinn

Merkwürdigerweise ist mir das jetzt erst aufgefallen... Vielleicht lag's 
daran, dass ich das gestern/heute mitten in Nacht gemacht hatte, aber so 
würde das natürlich wirklich keinen Sinn ergeben... ^^ Also mit dem 
GND-Polygon auf dem Bottom-Layer wäre es in der Version meiner letzten 
Antwort das einzige, was Sinn ergeben würde, da ja, soweit ich weiß, die 
Pads standardmäßig durchkontaktiert sind und der Source der MOSFETs dann 
auch Kontakt zum GND-Polygon auf dem Bottom-Layer hätte (genau wie die 
beiden Pads rechts für das GND vom Netzteil und Pi).

Teo D. schrieb:
> Pin umklappen und Flächig anlöten

Stimmt, das wäre natürlich auch gut. Danke für den Tipp :)

Teo D. schrieb:
> Müssen sich Ein u. Ausgang gegenüberliegen?

Nein, müssen sie nicht zwingend, aber es wäre gut bzw. eigentlich im 
Endeffekt nur einfacher, da meine aktuelle temporär gebastelte 
Lochrasterplatinen-Lösung so aufgebaut war und die Kabel, die ich schon 
verlegt hatte, derzeit auch relativ fest an diesen Positionen liegen. 
Aktuell hätte die Platine als Maße übrigens 137,16 x 43,18 mm.

[Teo D. (teoderix)]

Thomas Z. schrieb:
> Teo D. schrieb:
>> Müssen sich Ein u. Ausgang gegenüberliegen?
>
> Nein, müssen sie nicht zwingend, aber es wäre gut bzw. eigentlich im
> Endeffekt nur einfacher,
> ...
> Aktuell hätte die Platine als Maße übrigens 137,16 x 43,18 mm.

Da geht aber noch einiges! Überlege mal, Top u. Bottom frei fürs 
GND-Polygon -> ~25mm! Die Fets näher zusammen und kein extra Space 
zwischen den Kanälen...

Ob DUKOs Standard sind o. nicht, entscheidet der Fertiger. (Ich hab kA, 
Mach das selber.... NEEE Ohne DUKO, mit /Gefrickle/:)

Dem Rest, stimme ich mal schweigen zu.

[Thomas Z. (thomasz85)]

Teo D. schrieb:
> Fets näher zusammen und kein extra Space
> zwischen den Kanälen

Ich habe die Platine nochmal ein bisschen optimiert und u.a. nun auch 
die MOSFETs näher aneinander gepackt und die Abstände generell 
reduziert. Noch näher möchte ich es aber nicht, da mir die Größe so nun 
schon gut gefällt. Immerhin konnte ich die Größe jetzt um 40% reduzieren 
und die Kosten auch immerhin um 31%.

Teo D. schrieb:
> Ob DUKOs Standard sind o. nicht, entscheidet der Fertiger

Bei meinem Fertiger ist das anscheinend der Standard. Ich habe mir mal 
die einzelnen Ansichten in der Vorschau angeschaut (top view, bottom 
view, top copper layer, bottom copper layer und die top und bottom 
soldermasks) und das sieht soweit alles gut aus. Man kann sicher noch 
einiges kompakter machen oder optimieren, aber mir reicht das fürs 
erste. Vielen Dank auf jeden Fall nochmal für die ganzen Antworten :)