Leiterbahnbreite nach IPC-2221 bestimmen
Wie breit muss eine Leiterbahn sein, damit sie den vorgesehenen Strom trägt, ohne sich unzulässig zu erwärmen? Strom, zulässige Erwärmung und Kupferdicke einstellen – die Mindestbreite erscheint sofort, getrennt für Außen- und Innenlagen.
Rechner
Innenlagen brauchen die größere Breite, weil das Kupfer dort vom Basismaterial umschlossen ist und die Wärme schlechter abführen kann.
So wird gerechnet
IPC-2221 beschreibt den Zusammenhang zwischen Strom, Erwärmung und Leiterquerschnitt als empirische Kurve:
I = k × ΔT0,44 × A0,725
Dabei ist I der Strom in Ampere, ΔT die zulässige Erwärmung über Umgebungstemperatur in Kelvin und A der Leiterquerschnitt in Quadrat-mil. Der Faktor k unterscheidet die Lagen: k = 0,048 für Außenlagen, k = 0,024 für Innenlagen. Nach dem Querschnitt aufgelöst ergibt sich A = (I / (k × ΔT0,44))1/0,725, und die Breite folgt aus Querschnitt geteilt durch Kupferdicke.
Der halbierte Faktor für Innenlagen ist keine Willkür: dort ist das Kupfer allseitig von Basismaterial umschlossen, das die Wärme deutlich schlechter abführt als die freie Oberfläche einer Außenlage. Bei sonst gleichen Bedingungen fällt eine Innenlagen-Bahn deshalb rund zweieinhalb Mal so breit aus.
Wo der Rechner endet. Die Kurven gelten für einzelne, frei liegende Leiterbahnen bei ruhender Luft. Sie berücksichtigen weder benachbarte stromführende Bahnen noch Lötstopplack, Vias, Kupferflächen in der Nähe oder erzwungene Kühlung. IPC-2221 gilt zudem als konservativ – die neuere IPC-2152 liefert für viele Fälle realitätsnähere und meist schmalere Werte, verlangt dafür aber mehr Angaben zum Aufbau. Für eine erste Auslegung und für Designregeln ist IPC-2221 nach wie vor der gebräuchliche Maßstab.
Zwei Faustregeln aus der Praxis: Rechnen Sie die Breite eher großzügig, denn der Spannungsabfall über eine lange schmale Bahn wird oft unterschätzt. Und prüfen Sie den Engpass nicht an der Bahn selbst, sondern an ihren Dünnstellen – Vias, Padanbindungen und Wärmefallen sind fast immer der kritische Punkt.
Weitere Rechner
Hintergrund zur Rechnung: Leiterbahnbreite & Stromtragfähigkeit nach IPC-2152 – warum dieser Rechner nach IPC-2221 arbeitet, wo die neuere Norm abweicht und welche Korrekturfaktoren im Multilayer zählen.
LM317 Spannungsrechner – Ausgangsspannung eines einstellbaren Linearreglers.
Sallen-Key Tiefpassfilter-Rechner – Bauteilwerte und Amplitudengang eines aktiven Filters zweiter Ordnung.
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