Strombelastbarkeit von Leiterbahnen

Wer eigene Leiterplatten für ein Elektronik-Projekt entwirft, sorgt sich zunächst um eine geometrisch sinnvolle Anordnung der Bauelemente und Anschlüsse sowie um die geschickte Entflechtung der Bahnen.

Ein Augenmerk muss man allerdings auch auf die fließenden Ströme haben: Je höher der Strom, desto stärker kann er eine Leiterbahn gleichbleibender Dicke und Breite erwärmen. Soll die Temperaturerhöhung begrenzt werden, muss der Querschnitt der Leiterbahn erhöht werden. Um welches Maß dies geschehen muss, das zeigen unsere Tabellen.

Auf Platinen mit komplexen Schaltungen geht es eng zu. Gerade dann sollten die einzelnen Leiterbahnen möglichst passend für die zu erwartende Strombelastung dimensioniert, dabei aber nicht übermäßig breit angelegt werden.

In vielen Fällen wird man mit gängigen Platinen-Rohlingen arbeiten, die 35 µm dick mit Kupfer beschichtet sind, in manchen Fällen mit einer 70 µm dicken Beschichtung. Um bei vorgegebener Schichtdicke jeweils den Querschnitt einer Leiterbahn zu beeinflussen, lässt sich die Breite der Bahn variieren.

Da in vielen Fällen die maximale Platinengröße für ein bestimmtes Gerät vorgegeben ist – etwa durch das zu verwendende Gehäuse – und man auch ökonomisch mit dem Material umgehen sollte, ist es übrigens sinnvoll, sich über die Stromverhältnisse in einer Schaltung klar zu werden und nicht einfach alle Bahnen zu überdimensionieren – spätestens bei beengten Platzverhältnissen und kleinen Strukturen, wie zum Beispiel bei der Verwendung von SMD-Elementen, stößt man damit schnell an Grenzen.

Unsere beiden Tabellen helfen bei der Planung der Leiterbahnen. Die maximale Erwärmung ist jeweils in Kelvin (K) angegeben.

So nutzen Sie die Tabellen

Wählen Sie die Tabelle mit der von Ihnen verwendeten Kupfer-Schichtdicke aus. Dann gehen Sie in die Spalte mit der beim konkreten Projekt maximal tolerierbaren Erwärmung. Darin finden Sie jeweils die Belastbarkeit in Ampere für die zugehörigen Bahnbreiten in der ganz linken Spalte.

Ein Beispiel: Auf einer Platine mit 70 µm Kupferschicht muss eine mit 6,0 A belastete Leiterbahn mindestens 2,0 mm breit sein, wenn die Temperatur um maximal 10 K steigen darf.

Platinen mit Kupfer-Schichtdicke 35 µm

Leiterbahnbreite in mm Erwärmung um 10 K Erwärmung um 20 K Erwärmung um 30 K
0,20 0,4 A 0,5 A 0,8 A
0,25 0,5 A 0,8 A 1,0 A
0,50 1,0 A 1,6 A 2,0 A
1,00 2,2 A 3,0 A 3,6 A
1,50 3,0 A 3,8 A 4,0 A
2,00 3,8 A 5,0 A 6,5 A
3,00 4,5 A 6,5 A 8,0 A
4,00 6,5 A 8,5 A 10,0 A
5,00 7,0 A 10,0 A 12,0 A
6,00 7,5 A 11,0 A 14,0 A
8,00 9,0 A 14,0 A 17,0 A
10,00 10,0 A 16,0 A 20,0 A

Platinen mit Kupfer-Schichtdicke 70 µm

Leiterbahnbreite in mm Erwärmung um 10 K Erwärmung um 20 K Erwärmung um 30 K
0,20 0,8 A 0,8 A 1,6 A
0,25 1,0 A 1,6 A 2,0 A
0,50 2,0 A 2,8 A 3,5 A
1,00 3,5 A 4,7 A 5,8 A
1,50 4,5 A 6,2 A 7,5 A
2,00 6,0 A 8,5 A 10,0 A
3,00 7,5 A 11,0 A 14,0 A
4,00 9,0 A 13,5 A 17,0 A
5,00 10,0 A 15,0 A 19,0 A
6,00 11,0 A 18,0 A 22,0 A

Hintergrund

Nur einzelne Anschlüsse und Bauelemente mit höherer Strombelastung sind in diesem Beispiel mit breiten Bahnen angebunden.

Die stärkere Erwärmung von Leiterbahnen bei gleichbleibendem Strom und geringerem Querschnitt ist leicht zu erklären.

Die Leiterbahn stellt immer auch einen Widerstand dar. Er bewegt sich zwar im Milliohm-Bereich, ist aber vorhanden und lässt sich nach folgender Formel berechnen:

Widerstand R = (spezifischer Materialwiderstand ρ × Länge l) / Querschnitt A

Daraus folgt, auch ohne konkrete Werte zu kennen, dass der Widerstand R höher wird, je kleiner der Querschnitt A der Leiterbahn ist.

Eine höherer Widerstand führt aber nach der Formel Leistung P = Strom I² × Widerstand R bei gleichbleibendem Strom zu einer höheren als Wärme abgegebenen Leistung.

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Bildnachweis
  1. "Platine mit Leiterbahnen" (Originalbild): freeimages.com/Fran Gambín, Lizenz: FreeImages.com Lizenz für Inhalte

  2. "Platine mit zahlreichen Leiterbahnen" (Originalbild): freeimages.com/Brandon Blinkenberg, Lizenz: Freeimages.com Lizenz für Inhalte

  3. "Unterschiedlich breite Leiterbahnen auf einer Platine" (Originalbild): freeimages.com/Stephen Gibson, Lizenz: Freeimages.com Lizenz für Inhalte

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