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 durch seinen Wärmewiderstand Rtk beschrieben.
Der Wärmewiderstand wird in K/W (^C/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.
- Bei Platinen mit Leitern auf der Oberseite müssen die Leiter allerdings isoliert sein.
- Bei durchkontaktierten Lochrasterplatinen sind die Lötinseln nicht isoliert. Dann muss der Kühlkörper durch eine Folie isoliert 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 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 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.
Isolierung
Die Bauelemente können durch Glimmerscheiben oder Wärmeleitfolien erfolgen. Meistens muss auch die verwendete Schraube durch eine Isolierbuchse isoliert werden.
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. Deshalb sind für den Strangkühlkörper keine Leistungen angegeben.
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 5K/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.