Kühlkörper

• Kühlung von SMD-Bauelementen über die Leiterplatte

Kühlkörper haben die Aufgabe, die in einem Leistungs-Bauelement (Transistor, MOSFET, Thyristor, Leistungs-IC) erzeugte Wärme abzuführen. Sie bewirken eine Temperaturabsenkung durch Wärmeabgabe an die Umgebung.

Die Temperatur eines Leistungs-Bauelements darf einen Maximalwert nicht überschreiten. Meist sind das 150 °C und nur selten 175 °C, aber viele ICs vertragen nur 125 °C. Auf der anderen Seite steht die Umgebungstemperatur. Wenn der Kühlkörper in ein Gerätegehäuse eingebaut ist, sollte die Umgebungstemperatur nicht unter 45 °C angenommen werden, besser sind 60 °C. 25 °C sind nur sinnvoll, wenn ein kleiner Kühlkörper völlig frei liegt.

Bei frei stehenden Komponenten mit relativ hoher Leistung können hohe Gehäusetemperaturen von bis zu 100 °C auftreten.

• Sie müssen dann gegen Berührung geschützt werden.

• Durch die von ihnen ausgehende Strahlung können sich Bauelemente in der Umgebung zu stark erwärmen. Empfindlich sind Kondensatoren und Elektrolytkondensatoren.

• Oft ist ein kleiner Kühlkörper besser.

Die Fähigkeit eines Kühlkörpers, Wärme abzuführen, wird durch seinen Wärmewiderstand R_tk beschrieben.

Der Wärmewiderstand wird in K/W (°C/W) ausgedrückt. Das Bauelement auf dem Kühlkörper erwärmt sich pro W Leistung um R_tk K (°C).

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

Der maximal zulässige Wärmewiderstand R_k bei einer Leistung P und einem Wärmewiderstand R_c des Bauelements beträgt für die Maximaltemperatur T_m und die Umgebungstemperatur T_u:

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

Wärmewiderstand

Unter dem Wärmewiderstand eines Bauelements oder Kühlkörpers versteht man seine Erwärmung, wenn eine Wärmeleistung über ihn abgeführt wird.

Die am Bauelement oder Kühlkörper abfallende Temperatur ΔT ist abhängig von:

• der abzuführenden Leistung P und

• dem Wärmewiderstand R_t.

• ΔT = P * R_t

Daraus folgt:

• Je höher die Leistung und je höher der Wärmewiderstand, desto größer die Erwärmung.

Meist wollen wir wissen, wie viel Leistung ein Bauelement aufnehmen kann. Das hängt ab von:

• der maximal zulässigen Temperatur des Bauelements,

• der maximal auftretenden Umgebungstemperatur und

• dem Wärmewiderstand zwischen dem Bauelement und der Umgebung.

Die folgenden Werte müssen in der Regel den Datenblättern entnommen werden:

• Die maximal zulässige Temperatur eines Transistors oder ICs liegt zwischen 125 °C und 175 °C.

• Als maximale Umgebungstemperatur müssen wir mindestens 45 °C, besser 60 °C annehmen,

• obwohl sich die meisten Datenblätter auf 25 °C beziehen.

Der Wärmewiderstand R_t eines Bauelements setzt sich aus mehreren Anteilen zusammen:

• dem Wärmewiderstand R_tJC zwischen dem Chip des Bauelements und dem Gehäuse,

• dieser wird oft als Wärmewiderstand zwischen Sperrschicht und Gehäuse bezeichnet.

• dem Wärmewiderstand R_tCA zwischen dem Gehäuse und der Umgebung, der sich manchmal in

• den Wärmewiderstand R_tCH zwischen Gehäuse und Kühlkörper und

• den Wärmewiderstand R_tHA zwischen Kühlkörper und Umgebung aufteilt.

Manchmal kommt noch hinzu:

• der Wärmewiderstand R_tCH zwischen Gehäuse und Kühlkörper und

• der Wärmewiderstand der Isolierung R_tI.

Daraus ergibt sich:

R_t = R_tJC + R_tI + R_tCH + R_tHA.

Alle Wärmewiderstände sind zu addieren.

Faustregeln

• Transistoren und MOSFETs haben in der Regel eine maximale Temperatur von 150 °C und

• Leistungs-ICs haben eine maximale Temperatur von 125 °C.

• Die maximale Umgebungstemperatur sollte mit 60 °C angenommen werden.

Kühlkörper für TO-220-Gehäuse

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

Montage der Kühlkörper

• Alle in Bild 1 gezeigten Kühlkörper können unmittelbar auf die Platine montiert werden.

• Bei Leiterplatten mit Leiterbahnen auf der Oberseite müssen diese isoliert werden.

• Bei durchkontaktierten Lochrasterplatinen sind die Lötinseln nicht isoliert. In diesem Fall muss der Kühlkörper mit einer Folie isoliert werden.

• Große Kühlkörper wie der Fingerkühlkörper 1 oder der Strangkühlkörper 2 werden häufig am Gerätegehäuse angebracht.

• Die meisten Kühlkörper werden flach auf die Leiterplatte montiert.

• Kühlkörper mit Lötfahnen wie der Fingerkühlkörper 5 und der Strangkühlkörper 8 werden senkrecht montiert.

• Meist wird ein TO-220-Gehäuse mit dem Kühlkörper verschraubt.

• Es gibt auch Kühlkörper, die das TO-220-Gehäuse einklemmen (8).

• Die Kühlfahne des TO-220-Gehäuses liegt meist nicht auf Massepotenzial (0 V).

• Das TO-220-Gehäuse sollte mit einem Isolierplättchen isoliert werden. Das Isolierplättchen ist entweder aus Glimmer oder aus wärmeleitendem Kunststoff.

• Durch das Isolierplättchen entsteht ein zusätzlicher Wärmewiderstand von 0,5 K/W.

• Das TO-220-Gehäuse kann durch Wärmeleitpaste einen besseren Kontakt zum Kühlkörper bekommen.

• Ohne Wärmeleitpaste entsteht ein zusätzlicher Wärmewiderstand von 1 K/W.

• Kühlkörper müssen so montiert werden, dass Luft zirkulieren kann.

• Fingerkühlkörper oder geschlitzte Kühlkörper haben eine bessere Kühlleistung als glatte Kühlkörper.

Isolierung

Die Bauelemente können durch Glimmerscheiben oder Wärmeleitfolien isoliert werden. Meist muss auch die verwendete Schraube durch eine Isolierbuchse isoliert werden. Die Isolierung erzeugt einen zusätzlichen Wärmewiderstand von 1 K/W, wenn sie mit Wärmeleitpaste verwendet wird.

Leistungsfähigkeit

Wir gehen von folgenden Annahmen aus:

• 5 K/W für ein TO-220-Gehäuse.

• Die maximale Temperatur beträgt 150 °C.

• Die Umgebungstemperatur beträgt 60 °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.

Kühlkörper für höhere Leistungen sollten auf den tatsächlichen Daten der Bauelemente basieren. Aus diesem Grund werden für Strangkühlkörper keine Leistungen angegeben.

Kühlung über die Leiterplatte

• Die Kühlung von Bauelementen in Durchstecktechnik (THT) über die Leiterplatte sollte möglichst vermieden werden, da relativ große Flächen benötigt werden und kleine Kühlkörper platzsparender und effizienter sind.

Bei kleinen Leistungen um 1 W kann auch die Leiterplatte zur Kühlung verwendet werden. Dies ist bei den SMD-Bauelementen der Fall. Bei der Angabe der Leistung von SMD-Bauelementen wird davon ausgegangen, dass diese auf eine Leiterplatte gelötet sind.

Die Leiterplatte muss groß genug sein, um die Leistung abzuführen.

Als Faustregel kann bei einer Fläche A = P * 16 cm²/W mit einer Temperaturerhöhung unter 40 °C gerechnet werden: