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如何构建定制PCB加热元件

助工
2018-09-30 11:23:42    评分

加热元件可用于许多应用,包括种子发芽和3D打印机加热床。但是在Google上搜索PCB加热器元件通常会返回一些可行的结果,因此在这个项目中我们将学习如何为我们选择的任何应用构建我们自己的加热器元件。

加热功能,图像copy.jpg


为什么要制作PCB加热器?


有些项目和产品需要某种加热,无论是为了防止电子产品过冷,有助于控制湿度,加热物质,甚至防止一种材料粘在另一种材料上。大多数加热器元件由高电阻材料组成,其上施加电压,由此产生的电流使材料升温。例如,在制造加热元件时通常使用镍铬丝(80%镍铬合金/ 20%铬)。它具有相对高的电阻(与铜和钢相比)并且在其首次使用后在外部形成氧化铬层,这防止元件在进一步使用后劣化。它还具有正温度系数,这意味着当它加热时,电阻增加,这有助于防止进一步加热(即,它是自我调节的)。但是一些应用可能不会受益于镍铬合金加热器元件,因为这样的元件通常产生从线圈辐射的强热。如果需要这样的元件来均匀地加热CNC床,那么它必须非常长,有许多转弯,并且覆盖了床的大部分区域。

因此,电线加热器元件非常适用于炊具,电路加热器和其他强烈的加热应用 - 但我们如何制造更容易制造且更易于处理的非强化加热元件?答案在于忠实的PCB跟踪。通过一些数学和对材料科学的理解,我们可以设计自己的加热器。

一点材料科学

任何加热器元件的基本原理是元件固有地不是100%有效,甚至最好的导体也具有某种形式的电阻。当在导体上施加电压时,电流I流动,其值等于:

I = VR,其中R =ρlA

对于具有小电阻率的导体(例如铜),所产生的电流将相当大(假设具有合理尺寸的导体,例如导线)。通过了解电流,我们可以计算出电线的功耗:

P = VI

因此,我们举一个直径为1mm的铜线的例子,其电阻率为1.678×10-8Ω.m,长度为10cm。产生的电阻为0.0021365Ω,如果我们在电线上施加1V的电压,流经电线的电流将为468A!因此,功耗为1V * 468A,即468W。这是一个大量的散热,您必须了解的是,当导线变热(这几乎是瞬间)时,电阻也会增加,这会减少电流。一个很好的例子是钨丝灯泡,完全供电时电阻约为132.25欧姆(230V时为40W灯泡)。

您可以看到计算电流和电阻可能相当棘手,但幸运的是,有些在线计算器可以帮助设计这些元素。一个计算器,特别是PCB走线宽度计算器,不仅有助于计算走线宽度,还允许我们输入温升。这是至关重要的,因为我们现在可以设计一个具有特定温升的元件。那么,让我们设计一个简单的种子萌发PCB加热元件!

这个加热器最重要的规格是温度上升,因为我们想要温暖幼苗而不是烤它们。因此,我们所需的温度将升高20摄氏度,我们将以1安培的电流运行此加热器(使用漂亮的圆形数字)。我们还需要指定迹线长度,这很重要,因为我们的迹线将是加热器本身。为了获得均匀的热量,我们在PCB上需要很多迹线,因此选择较大的值有助于此。在这种情况下,我将输入2米。计算器的半导体结果告诉我们,如果在其上施加10V的电压,7密耳的迹线宽度将产生所需的热量上升。但是,CNC上7密耳非常棘手,因此我将调整当前设置,直到迹线宽度至少为10密耳。将电流调整为1.2安培可产生10密耳的走线宽度,电压降为4.69伏。

跟踪布局

我们的走线长度为2米,走线宽度为10密耳(0.254毫米)。我们需要创建这条迹线并将其蜿蜒到PCB上。正是在这一点上,我们必须决定痕量分离和加热器尺寸。这两者是成反比的,这意味着如果加热器本身的尺寸增加,则痕迹分离将增加,这将降低加热均匀性。在我们的例子中,我们将制作一个5厘米宽,边长为1厘米的小型加热器。这意味着来回的每条迹线长度为5厘米。对于2米的迹线,这会产生40条迹线。如果我们选择2mm的痕迹分离,那么所得到的加热器将是8cm长。

加热器跟踪布局copy.jpg


如果我们在此设计中增加迹线的长度,那么产生相同温度升高所需的电压将增加。如果产生的加热器太小,请记住这一点。现在您可以使用科学,数学和在线计算器,您可以设计自己的PCB加热器!

各种设计

由于加热器的温升是其电阻和电压IC的函数,因此您无需始终从头开始设计加热器。只要您可以施加特定电压,您就可以使用任何加热器达到所需的温度。加热器的尺寸可能是最重要的特性,因此附加到该项目的是各种加热器元件(包括它们的设计文件)。

加热器 - 铜 - 板1.JPG





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