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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Kühlkörper für mehrere Bauteile berechnen


Autor: Volker (Gast)
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Hi und hallo zusammen,

ich habe ienmal eine Frage zur Dimensionierung von Kühlkörpern. Ich 
möchte 2 verschiedene Transistoren an einen Kühlkörper montieren. Für 
jeden einzelnen Transistor kann ich die Verlustleitung, Erwärmung usw. 
berechnen. Ich kann auch berechnen, wie warm ein Kühlkörper wird, wenn 
ich einen Transistor daran montiere. Leider weiß ich nicht, wie ich die 
Erwärmung des Kühlkörpers berechne, wenn ich zwei Transistoren mit 
verschiedenen Werten an den Kühlkörper hänge. Das wäre wichtig, um zu 
berechnen, wie war der Kühlkörper maximal wird. Wird er zu warm, sind ja 
die Transistoren hin.

hat da jemand Ahnung von und kann mir das einmal beschreiben? Würde mich 
freuen.

Grüße
Volker

Autor: Hannes J. (Firma: eHaJo.de) (joggl) Benutzerseite Flattr this
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Beim Berechnen hast du ja (hoffentlich) ein Ersatzschaldbild. Also 
Chip-Gehäuse, Gehäuse-Isolierscheibe, Isolierscheibe-Kühlkörper, usw. 
Vereinfacht also alle Wärmewiderstände in Serie.
Dadurch erhältst du am Ende ja den Temperaturunterschied den das Bauteil 
bei einer gewissen Leistung erzeugt, also zB dT von 60°, der 
Kühlkörper/das Bauteil würde also bei 20°C Umgebung 80°C warm. (ohne 
Kühlkörper viel wärmer!)
Wenn du nun zwei Bauteile auf den Kühlkörper knallst erzeugt ja jedes 
dieser Bauteile einen gewissen "Wärmestrom" in diesem Ersatzschaldbild.

---[R T1]---
           |---[R KK]----
---[R T2]---

Im Ersatzschaldbild sind also beide (zusammengfasste) Wärmewiderstände 
der Transistoren parallel und der Wärmestrom der in den Kühlkörper 
fließt addiert sich.

-> zwei Transistoren mit je 60° dT erzeugen eine Erwärmung von 120° auf 
dem Kühlkörper.
Die Kennlinie ist zwar (je mehr Bauteile auf einem Kühlkörper sind) 
nicht mehr ganz linear, das kann man aber getrost vernachlässigen.

Autor: Volker (Gast)
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Hallo,

vielen Dank erst einmal, aber der Groschen ist noch nicht so ganz 
gefallen.

Ich habe berechnet, auf welche Temperatur sich die beiden 
Bauteilegehäuse bei einer gegebnen Verlustleitung max. erwärmen. Das ist 
einmal ca. Delta T= 52K und einmal 26K. Der Kühlkörper, den ich 
verwenden möchte, hat einen Rth von 1,3 K/W. Damit kann ich dann für 
jeden einzelnen Transistor berechnen, wie warm der Kühlkörper bei einer 
bestimmten Umgebungstemperatur wird.
Das wäre dann z.B. 52K * 1,3K/W + 25°C= 92,6°C. Somit wäre die 
Kühlkörper Temperatur bei 25°C Umgebungstemperatur ca. 93°C für das eine 
Bauteil. Für das andere wäre sie 58,8°C.

So ganz verstehe ich noch nicht, wie ich dann auf den gemeinsamen Wert 
komme.
Kann ich nun einfach beide Delta T, also die Erwärmung der Bauteile bei 
einer gegebenen Verlustleistung der beiden Bauteile addieren und dann 
mit dem Rth des Kühlkörpers multiplizieren, um die Erwärmung des 
Kühlkörpers zu berechnen? Oder muss ich da weiter vorne anpacken?


Grüße
Volker

Autor: Peter (Gast)
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Hallo,

wesentlich einfacher ist es, wenn du nicht erst berechnest, wie warm ein 
einzelner Kühlkörper werden würde, sondern für jedes Bauteil nur die 
Verlustleistung (W) = abzuführende Energie berechnest.
Die Summe aller Verlustleistungen fließt nun in den Kühlkörper hinein, 
als wäre es nur ein einzelnes Bauteil, das die Wärme produziert.
Damit kommst du auf:

delta T = 1,3K/W * (P1 + P2)

Hoffe, das ist so verständlich,

Peter

Autor: Gast (Gast)
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@Volker

>Das wäre dann z.B. 52K * 1,3K/W + 25°C= 92,6°C.

Das geht so nicht, sieht man schon an den Einheiten K*K/W gibt K^2/W.

>delta T = 1,3K/W * (P1 + P2)

das ist richtig

Autor: Volker (Gast)
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Hallo,

vielen Dank. Also muss ich eben doch vorher ansetzten und nicht erst 
schon die Erwärmung usw. berechnen.

Ist auch teilweise quatsch, was ich oben geschrieben habe. Das hätte mir 
auch schon anhand der Einheiten auffallen müssen.

Wenn ich also einmal eine Verlustleistung von 21W habe und einmal von 
10W würde der Kühlkörper sich um die Termperatur

(21W+10W) * 1,3K/W= 40,3K erwärmen.

Bei einer Umgebungstemperatur von 25°C würde der Kühlkörper dann eine 
Temperatur von 65,3°C haben.

Muss zu den 1,3K/W nicht noch der Widerstand vom Bauteil zum Kühlkörper 
addiert werden? Der Wärmewiderstand vom Chip zum Gehäuse ist hier auch 
noch nicht berücksichtig...muss die nicht noch mit eingerechnet werden?

Autor: Hannes J. (Firma: eHaJo.de) (joggl) Benutzerseite Flattr this
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Genau, du musst noch die Widerstände der Bauteile berücksichtigen.
Im Datenblatt stehen meistens zwei Werte dazu.
Einmal Temperaturwiderstand gegenüber Luft (sehr hoch) und einmal der 
Temperaturwiderstand gegen irgend einen Kühlkörper (deutlich niedriger).

Dann hast du dann zusammengefasst:

(21W * TempR1 + 10W * TempR2) * 1,3K/W = ...

Autor: Volker (Gast)
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Im Datenblatt steht ja meistens RthJC, also Widerstand von Chip zum 
Gehäuse.
Diesen Wert würde dann in TempR1 bzw. TempR2 eingesetzt. Muss man zu 
TempR1 und TempR2 nicht noch den Wärmewiderstand vom Gehäuse zum 
Kühlkörper rechnen, also von wegen Glimmerscheibe, Leitpaste etc.

Also
(21W * [TempR1+RthGlimmer] + 10W * [TempR2+RthGlimmer]) * 1,3K/W = ...


Für RthGlimmer habe ich im Netz Werte zwischen 0,2k/W und 1K/W gefunden.

Autor: Hannes J. (Firma: eHaJo.de) (joggl) Benutzerseite Flattr this
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Volker wrote:
> (21W * [TempR1+RthGlimmer] + 10W * [TempR2+RthGlimmer]) * 1,3K/W = ...

ganz genau so!
Der Wärmewiderstand von Chip Gehäuse und der von der Glimmerscheibe sind 
ja in Serie, werden also einfach (wie man im Ersatzschaltbild gut 
erkennen kann) addiert.

> Für RthGlimmer habe ich im Netz Werte zwischen 0,2k/W und 1K/W gefunden.

Also mal den schlimmsten Fall (1K/W) annehmen.

Autor: Volker (Gast)
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Vielen Dank,

ich glaube dann habs ich es jetzt.

Vielen Dank.

Grüße
Volker

Autor: Steffen (Gast)
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> (21W * [TempR1+RthGlimmer] + 10W * [TempR2+RthGlimmer]) * 1,3K/W

Einheiten ?

Autor: Volker (Gast)
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Hallo,

ich auch nochmal. Das 1,3k/W vom Kühlkörper habe ich total übersehen 
dabei. Von den Einheiten kann das dann so nicht stimmen, denn
(21W * [TempR1+RthGlimmer] + 10W * [TempR2+RthGlimmer])
ergibt von der Einheit her K. Wenn man dann noch mit 1,3k/W 
multipliziert kann das ja nicht stimmen. Da ist doch noch irgendwo der 
Wurm drin.

Grüße
Volker

Autor: HildeK (Gast)
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>Wenn ich also einmal eine Verlustleistung von 21W habe und einmal von
>10W würde der Kühlkörper sich um die Termperatur

>(21W+10W) * 1,3K/W= 40,3K erwärmen.

>ABei einer Umgebungstemperatur von 25°C würde der Kühlkörper dann eine
>Temperatur von 65,3°C haben.

Völlig richtig! Du bringst auf den KK 31W und der muss sie loswerden. 
Siehe Peters Post weit oben.

>Muss zu den 1,3K/W nicht noch der Widerstand vom Bauteil zum Kühlkörper
>addiert werden? Der Wärmewiderstand vom Chip zum Gehäuse ist hier auch
>noch nicht berücksichtig...muss die nicht noch mit eingerechnet werden?

Nein. Du wirst jetzt in einem zweiten Schritt feststellen, wie heiß die 
beiden Sperrschichten der Transistoren werden, indem du von der 
Gehäusetemperatur (hier 65,3°C) ausgehst und dann über deren 
Wärmewiderstand und deren Verlustleistung weiterrechnest.
Z.B. Transistor 1 hat 10W Leistung und (Annahme, die Zahlen habe ich 
jetzt nicht gesehen) 3K/W RthJC (einschließlich Glimmerscheibe), dann 
wird seine Sperrschicht 30K höher liegen, also auf 95,3°C.
Bei Transistor 2 mit 21W und angenommenen 2K/W wird die 
Sperrschichttemperatur 107,3°C betragen. Die Rths der BE bestimmen nur 
noch deren innere Temperatur.

Wenn die BE das nicht aushalten, musst du die KK-Temperatur senken, 
indem du eine KK mit kleinerem Wärmewiderstand nimmst (oder die 
Schaltung in Alaska, Grönland etc. betreibst :-)).

Autor: Volker (Gast)
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Ahhh, ich glaube so langsam fällt der Groschen....

Zur Sicherheit versuche ich das Ganze noch einmal Schrit für Schritt an 
einem Beispiel....Hilft dann später vielleicht auch anderen weiter.

Also zwei Transistoren:
T1: Verlustleitung P1=10W, RthJC1= 1,5K/W
T2: Verlustleistung P2=21W, RthJC1= 2,5K/W
Glimmer Rthglim=1K/W
Kühlkörper RthKK=1,3K/W

Dann wäre die Chiptemperatur der transistoren
T1: Delta Tchip1= P1*(RthJC1 + Rthglim) + (P1+P2)*RthKK
    Delta Tchip1= 10W*(1,5K/W + 1K/W) + (10W+21W)*1,3K/W
    Delta Tchip1= 25K+40,3k = 65,3K

    Zu den 65,3K wird dann noch eine entsprechende Umgebungstemperatur
    z.B. 60°C hinzugefügt, so dass bei 60°C Umgebungstemperatur die
    Chiptemperatur bei 125,3°C liegt.

T2: Delta Tchip2= P1*(RthJC1 + Rthglim) + (P1+P2)*RthKK
    Delta Tchip2= 21W*(2,5K/W + 1K/W) + (10W+21W)*1,3K/W
    Delta Tchip2= 73,5K+40,3k = 113,8K

    Zu den 113,8K wird dann noch eine entsprechende Umgebungstemperatur
    z.B. 60°C hinzugefügt, so dass bei 60°C Umgebungstemperatur die
    Chiptemperatur bei 173,8°C liegt.

125,3°C und 173,8°C sind dann die Chiptemperaturen der Bauteile. Dabei 
muss dann geschaut werden, ob die diese auch vertragen.

Ich hoffe, dass ich dass nun richtig zusammengeschustert habe.

Autor: HildeK (Gast)
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IMHO hast du das jetzt verstanden ;-).

Trotzdem noch einige praktische Anmerkungen:
- der Transistor mit der höchsten Verlustleistung hat in deinem Beispiel 
auch den höchsten RthJC; eine unglückliche Wahl - aber ich kenne ja die 
Anwendung nicht.
- 173,8°C sind für den Transistor sehr viel (auch wenn 175°C im 
Datenblatt steht). Der sollte um rund 30-40K niedriger liegen. Und das 
ist etwa soviel, wie dein Kühlkörper an Delta hat. Er müsste dazu also 
(fast) keinen Wärmewiderstand haben. Geht nicht! Der Transistor sollte 
ein RthJC von ca. 1K/W haben. Oder ev. Glimmerscheibe weglassen bzw. 
durch was besseres ersetzen. Einer der beiden T könnte ja u.U. das 
Potential des KK haben.
- Ein Lüfter senkt den Wärmewiderstand des Kühlkörpers nochmals deutlich 
(natürlich nicht auf Null!).
- Bei hohen Temperaturen sinkt die Zuverlässigkeit drastisch.

Autor: Volker (Gast)
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Hallo,

ich habe mir auch schon Gedanken über eine andere Wahl des Transistores 
gemacht, wobei das ganze auch Beispeilwerte waren und nicht ganz 
stimmen.

Kann man das eigentlich auch berechnen, um wieviel die Temperatur des 
Kühlkörpers sinken würde, wenn man einen Lüfter verwendet? Das ist doch 
dann sicher abhängig von der Luftmenge, die man über den Kühlkörper 
schickt.

Autor: Volker (Gast)
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Vielleicht noch eine Frage... Den Transistor, den ich benöige ist ein NP 
mit einem Icmax von 2A und Icemax von 40-50. Hat vielleicht jemand 
gerade einen im Kopf mit einem RthJC kleiner als 2,5?

Autor: HildeK (Gast)
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>Kann man das eigentlich auch berechnen, um wieviel die Temperatur des
>Kühlkörpers sinken würde, wenn man einen Lüfter verwendet? Das ist doch
>dann sicher abhängig von der Luftmenge, die man über den Kühlkörper
>schickt.
Kann man bestimmt, man kann auch langfristige Klimaveränderungen 
berechnen - ich kann es nicht :-). Stichwort Thermosimulation.
In den Datenblättern von Kühlkörpern ist aber häufig eine Tabelle oder 
Kurve angegeben, wie der Wärmewiderstand bei unterschiedlichen 
Luftgeschwindigkeiten ist. Der ändert sich übrigens auch schon, wenn der 
KK stehend anstatt liegend eingebaut wird -> Konvektion.

>Hat vielleicht jemand gerade einen im Kopf mit einem RthJC kleiner als 2,5?
Manchmal wünscht man sich schon, ein wandelndes Lexikon zu sein :-).
Schau doch einfach mal auf den Webseiten der einschlägigen Hersteller 
oder anfangs mal hier: 
http://www.mikrocontroller.net/articles/Standardba...
Ein TO-220-Gehäuse hat 2,5K/W - es muss also schon was größeres sein.

Autor: Gast (Gast)
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@HildeK

>Ein TO-220-Gehäuse hat 2,5K/W - es muss also schon was größeres sein.

Das stimmmt so pauschal nicht. Spontan einen mit 1.66 K/W gefunden.

Autor: Gast (Gast)
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@Volker

>Vielleicht noch eine Frage... Den Transistor, den ich benöige ist ein NP
>mit einem Icmax von 2A und Icemax von 40-50. Hat vielleicht jemand
>gerade einen im Kopf mit einem RthJC kleiner als 2,5?

Die Angaben reichen nicht: Ptot, Vceo, etc.

TO-220 geht bis ca. 80W, den geringsten RhJC den ich kenne hat 1,56 K/W 
(ST), für 1 K/W mußt Du wahrscheinlich auf mindestens TO-218 ausweichen.

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