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Kühlkörper

Kühlkörper sollen die Wärme abführen, die durch die Leistung in einem Leistungs-Bauelement, (Transistor, MOSFET, Thyristor, Leistungs-IC) entstanden ist. Sie bewirken eine Senkung der Temperatur indem sie Wärme an die Umgebung abgeben.

Die Temperatur eines Leistungs-Bauelements darf einen Maximalwert nicht überschreiten. Meistens sind es 175°C, aber viele ICs vertragen nur 150°C. Auf der anderen Seite steht die Umgebungstemperatur. Wenn der Kühlkörper eingebaut ist, sollte die Umgebungstemperatur nicht unter 45°C angenommen werden. 25°C sind nur sinnvoll, wenn ein kleiner Kühlkörper völlig frei liegt.

Die Fähigkeit eines Kühlkörpers, Wärme abzuleiten, wird in K/W angegeben. Das Bauteil auf dem Kühlkörper erwärmt sich pro W Leistung um Rtk K (°C).

Neben dem Kühlkörper muss auch noch der Wärmewiderstand des Bauteils berücksichtigt werden. Dieser Wärmewiderstand wird zu dem des Kühlkörpers addiert.

Der maximal zulässige Wärmewiderstand Rk für eine Leistung P und einem Wärmewiderstand Rc des Bauteils ist für die Maximaltemperatur Tm und Umgebungstemperatur Tu

Rk <= (Tm - Tu) / P ) - Rc

Kühlkörper für TO-220-Gehäuse

Viele Leistungs-Bauelemente werden im TO-220-Gehäuse angeboten. Im Folgenden werden Kühlkörper für TO-220-Gehäuse vorgestellt.

Kuehlkoerper.png
Bild 1: Verschiedene Kühlkörper für TO-220-Gehäuse
Nr. Bezeichnung Typ L/mm B/mm H/mm Rth
1 Fingerkühlkörper FK 223 SA CB 42 42 17 6,8K/W
2 Strangkühlkörper V 4511 89 37,5 35 3,2K/W
2 Strangkühlkörper V 4511 89 50 35 2,9K/W
3 U-Profil-Kühlkörper FK 231 SA 220 19 13,5 9,5 24K/W
4 U-Profil-Kühlkörper Selbstbau 24 15,5 17 24K/W
5 U-Profil-Kühlkörper
mit Lötfahnen
FK 247 SA 220 24 17 8 24K/W
6 U-Profil-Kühlkörper ? 35 17 17 16K/W
6 U-Profil-Kühlkörper ? 25 18 20 16K/W
8 Fingerkühlkörper SK 525 15 ST 15 20 28 13,3K/W
8 Fingerkühlkörper SK 525 25 ST 25 20 28 9K/W
8 Fingerkühlkörper SK 525 30 ST 30 20 28 8K/W

Montage der Kühlkörper

  • Alle Kühlkörper in Bild 1 können unmittelbar auf die Platine montiert werden.
  • Große Kühlkörper wie der Fingerkühlkörper 1 oder der Strangkühlkörper 2 werden oft am Gehäuse der Geräte montiert.
  • Die meisten Kühlkörper werden flach auf die Platine montiert.
  • Kühlkörper mit Lötfahnen wie der Fingerkühlkörper 3 und der Strangkühlkörper 8 werden senkrecht montiert.
  • Meistens wird ein TO-220-Gehäuse mit dem Kühlkörper verschraubt.
  • Es gibt auch Kühlkörper, die das TO-220-Gehäuse klemmen (8).
  • Die Kühlfahne des TO-220-Gehäuses liegt meistens nicht auf Masse-Potential (0V).
  • Das TO-220-Gehäuse sollte durch ein Isolierplättchen isoliert werden. Das Isolierplättchen ist entweder aus Glimmer oder wärmeleitendem Kunststoff.
  • Durch das Isolierplättchen entsteht ein zusätzlicher Wärmewiderstand von 0,5K/W
  • Das TO-220-Gehäuse kann durch Wärmeleitpaste besseren Kontakt zum Kühlkörper bekommen
  • Fehlt die Wärmeleitpaste tritt ein zusätzlicher Wärmewiderstand von 1K/W auf.
  • Kühlkörper müssen so montiert sein, dass Luft zirkulieren kann.
  • Fingerkühlkörper oder geschlitzte Kühlkörper haben eine bessere Kühlfähigkeit als glatte.

Leistungsfähigkeit

Wir gehen von folgenden Annahmen aus:

  • 5K/W für ein TO-220-Gehäuse.
  • Die maximale Temperatur liegt bei 150°C.
  • Die Umgebungstemperatur liegt bei 50°C.
  • Wärmeleitpaste und Isolierplättchen werden nicht verwendet.

Für die kleinen Kühlkörper (3 - 8) und den Fingerkühlkörper 1 kann maximal die in der folgenden Tabelle angegebene Leistung abgeführt werden.

Nr. Bezeichnung Länge /
Höhe
Rth Leistung
maximal
3 U-Profil-Kühlkörper H=9,5mm 24K/W 3,3W
4 U-Profil-Kühlkörper L=24mm 24K/W 3,3W
5 U-Profil-Kühlkörper L=24mm 24K/W 3.3W
6 U-Profil-Kühlkörper L=24mm 16K/W 4,5W
6 U-Profil-Kühlkörper L=35mm 16K/W 4,5W
8 Fingerkühlkörper L=15mm 13,3K/W 5,1W
8 Fingerkühlkörper L=25mm 9K/W 6,6W
8 Fingerkühlkörper L=30mm 8K/W 7,1W
1 Fingerkühlkörper H=17mm 6,8K/W 7.8W

Kühlkörper für höhere Leistungen sollten von den tatsächlichen Daten der Bauelemente ausgehen.

Regeln

  • Kühlkörper führen die durch die Leistung in Leistungs-Bauelementen entstandene Wärme an die Umgebung ab.
  • Die Kühlfähigkeit Rth eines Kühlkörpers wird in K/W (°C/W) gemessen.
  • Je kleiner Rth ist, umso besser kann ein Kühlkörper kühlen.
  • Bei der Bestimmung eines Kühlkörper muss berücksichtigt werden:
  • Die maximal zulässige Temperatur des Leistungs-Bauelements.
  • Mit 150°C liegt man auf der guten Seite.
  • Die maximal auftretende Umgebungstemperatur.
  • Mit 50°C liegen wir auf der guten Seite.
  • Der Wärmewiderstand des Leistungs-Bauelements.
  • Mit 5W/W liegen wir auf der guten Seite.
  • Der Wärmewiderstand eines Isolierplättchens.
  • wird bei kleinen Leistungen und kleinen Spannungen meistens nicht verwendet.
  • Der Wärme-Übergangswiderstand zwischen Leistungs-Bauelement und Kühlkörper.
  • Mit 1K/W für kleine Kühlkörper ohne Wärmeleitpaste liegen wir auf der guten Seite.
  • Bei Leistungen über 5W lohnt es sich, genauer zu rechnen.