Kühlkörper

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. Meistens sind das 175°C, aber viele ICs vertragen nur 150°C. Auf der anderen Seite steht die Umgebungstemperatur. Wenn der Kühlkörper in ein Geräte-Gehäuse 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 abführen, wird durch seinen Wärmewiderstand R_tk beschrieben.

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

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

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

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

Kühlkörper für TO-220-Gehäuse

Viele Leistungs-Bauelemente werden in TO-220-Gehäusen 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.

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

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

• Große Kühlkörper wie der Fingerkühlkörper 1 oder der Strangkühlkörper 2 werden oft am Gehäuse der Geräte angebracht.

• Die meisten Kühlkörper werden flach auf die Leiterplatte montiert.

• Kühlkörper mit Lötfahnen wie der Fingerkühlkörper 5 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 einklemmen (8).

• Die Kühlfahne des TO-220-Gehäuses liegt meistens nicht auf Masse-Potential (0V).

• 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 0,5K/W.

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

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

• 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. Meistens 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:

• 5K/W für ein TO-220-Gehäuse.

• Die maximale Temperatur beträgt 150°C.

• Die Umgebungstemperatur beträgt 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 auf den tatsächlichen Daten der Bauelemente basieren. Aus diesem Grund werden für Strangkühlkörper keine Leistungen angegeben.