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.
| 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.