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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Kühlkörperberechnung


Autor: Michael Schuler (michi2504)
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Hallo!

Kann mir bitte jemand bei der Berechnung eines Kühlkörper helfen.
Und zwar habe ich einen Transistor 2N3055 bei dem 50W verbraten werden 
sollen.
und einen 1 Ohm Widerstand ( 
http://at.rs-online.com/web/search/searchBrowseAct... 
) bei dem 64W verbraten werden sollen.
Wie kann ich den Kühlkörper berechnen und kann ich beide Bauteile auf 
den gleichen Kühlkörper befestigen. Sie sind in der Schaltun ja in 
Serie.

Danke im Voraus

Michi

Autor: MaWin (Gast)
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> Wie kann ich den Kühlkörper berechnen und

Wozu berechnen? Steht beim Widerstand doch dabei, 1.1K/W.

> kann ich beide Bauteile auf den gleichen Kühlkörper befestigen

Nein, der KK für den Widerstand wird viel zu heiss, als dass der 
Transistor das überlebt.

> 2N3055 bei dem 50W verbraten werden

Bei 50W darf dein Gehäuse maximal 115 GradC heiss werden,
also 75 Grad wärmer als die Umgebung, also muss der KK weniger als 
1.5K/W haben, deutlich weniger wenn du den Transistor nicht direkt mit 
ein wenig Wärmeleitpaste draufschrauben kannst sondern eine 
Glimmerscheibe dadrunter brauchst.

Ebenfalls 1.1K/W ist nicht verkehrt.

Reichelt hat gar keine mehr für TO3, vielleicht solltest du doch den 
2N3055 gegen was 40 Jahre moderneres ersetzen ?

Autor: Falk Brunner (falk)
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Siehe Kühlkörper

Autor: Michael Schuler (michi2504)
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achso danke =)
und wie meinst du das mit der glimmerscheibe und der wärmeleitpaste.
weil eine glimmerscheibe brauche ich schon.
und kannst du mir vlt. auch noch die berechnungen zeigen.

und was wäre ein neuerer Transistor, der die Last aushält???

Autor: Michael (Gast)
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Was ist denn die "Last"? Bisher wissen wir ja nur, dass der Transistor 
50W verbraten soll/muss und der Widerstand 64W. Für einen geeigneten 
Transistor benötigt man aber Spannung und Strom um eine passende Aussage 
treffen zu können. 50W können zum Beispiel 5V und 10A sein oder aber 10V 
und 5A. Für diese zwei einfachen Beispiele können zwei unterschiedliche 
Transistoren zum Einsatz kommen. Zum Beispiel kann es einen Transistor 
geben, der 5V und 10A schalten kann aber bei 10V und 5A versagt dieser.

Autor: Michael (Gast)
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Achja, nochwas. Was ist das für ein "Widerstand"? Ist das ein rein 
ohmischer Widerstand der auch nichts anderes zum Zweck hat als 
Widerstand zu sein? Wenn ja...also bei 8A Strom an einem Widerstand 64W 
(da es hier ein Ohm als Widerstand ist sinds "nur" acht Volt 
Spannungsabfall) zu verbraten finde ich als extrem übertrieben => noch 
mal über die Schaltung nachdenken. ;)

Autor: MaWin (Gast)
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> kannst du mir vlt. auch noch die berechnungen zeigen.

Durch die Isolierscheibe verlierst du ca. 0.3 K/W, um so viel muss der 
KK also besser sein (mit 1.1 statt 1.5 ist er das auch).

> und was wäre ein neuerer Transistor, der die Last aushält???

MJL21194 ?

Autor: Michael Schuler (michi2504)
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ok danke....

also ich habe eine Batterie die ich belasten muss. die batterie hat 
12V-14V. und als belastung will ich genau 8 Ampere ziehen und dies 
stelle ich mit dem Transistor ein.
also der Strom fließt von der Batterie, über den Transistor und den 
Widerstand. =)

Autor: Michael Schuler (michi2504)
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und ach ja.....
der Transistor den du mir vorgeschlagen hast. der müsste auch gehen.
Ist dort der KK der gleiche.
Und die  Berechnung die rechnest du so oder:
Rth=75/50=1.5    1.5-0.3=1.2K/W
Aber was ist dann mit dem thermischen Widerstand Rth_junction_to_case 
der im Datenblatt auch immer angegeben ist????

Autor: Falk Brunner (falk)
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Lies den Artikel Kühlkörper!!!

Autor: Ralph Berres (rberres)
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Der 2N3055 hat einen Wärmewiderstand zwischen Halbleiter und Gehäuse von 
1,5°/Watt und hält maximal 150° Temperatur aus. Ein Glimmerblatt hat ca 
0,5°/Watt. Sind also zusammen 2°/Watt Wärmewiderstand zwischen 
Halbleiterchip und Kühlkörper.
Bei 50 Watt Verlustleistung ist der Halbleiter 50° * (1,5°+0,5° )= 
2°/Watt also 100° wärmer als der Kühlkörper. Setzt man eine 
Zimmertemperatur von 25° Voraus, darf der Kühlkörper also 150° - 100° - 
25° = 25° wärmer werden.

25° / 50Watt Verlustleistung muss der Kühlkörper demnach 0,5°/Watt 
Wärmewiderstand haben. Dann ist der Transistor an seiner maximal 
zulässigen Temperatur von 150° angelangt. ( Wohlgemerkt bei 25° 
Zimmertemperatur ).

Nicht gerade sonderlich dienlich für die Lebensdauer des Transistors.

Abhilfe kann erfolgen entweder viele Transistoren paralell schalten.
( dann kann man sagen die 2°/Watt durch die Anzahl der Transistoren ist 
der Wärmewiderstand zwischen Halbleiter und Kühlkörper, oder den 
Kühlkörper zwangsbelüften und damit sorgen das der Kühlkörper deutlich 
weniger als 0,5°/ Watt Wärmewiderstand hat.
Übrigens  an diesem Thema kranken praktisch alle Low Cost 
Labornetzteile. Selbst von namhaften Hersteller.

Ich hoffe das ich was zum Verständnis beitragen konnte.

Ralph Berres

Autor: MaWin (Gast)
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> Der 2N3055 hat einen Wärmewiderstand zwischen Halbleiter und Gehäuse von
> 1,5°/Watt und hält maximal 150° Temperatur aus. Ein Glimmerblatt hat ca
> 0,5°/Watt.

Das hast du dir jetzt aber aus dem Finger gesogen ohne auch nur EIN MAL 
im Datenblatt nachzugucken, gelle ?

http://www.onsemi.com/pub_link/Collateral/2N3055-D.PDF

Es sind 200 GradC

http://www.onsemi.com/pub_link/Collateral/AN1040-D.PDF

und 0.36 K/W (bzw. 0.1 ohne Glimmer).

Autor: Anja (Gast)
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Hallo,
bei solchen Lasten würde ich auf jeden Fall
2 getrennte Kühlkörper mit Lüfter verwenden.
High-End CPU-Kühlkörper sind für solche Lasten ausgelegt.

Autor: Michael (Gast)
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>ok danke....
>
>also ich habe eine Batterie die ich belasten muss. die batterie hat
>12V-14V. und als belastung will ich genau 8 Ampere ziehen und dies
>stelle ich mit dem Transistor ein.
>also der Strom fließt von der Batterie, über den Transistor und den
>Widerstand. =)

Du willst also eine Batterie mit konstanten 8A entladen....und misst den 
Strom über einen Widerstand an dem du 64W wegen der Messung verbrätst? 
Tipp von mir: Verbrate die Energie lediglich in ein/zwei Mosfets (wie 
kommst du eigentlich auf 50W so? 8A und 6V (64W am R sind 8V 
Spannungsfall->14V-8V=6V;)) sind bei mir irgendwie grad mal 42W aber 
egal,, wahrscheinlich Reserve).

Also am besten über drei/vier parallelen Mosfets die Leistung 
(14V*8A=112W) verbraten, Sourcewiderstände zur Symetrierung vorsehen. 
Die Widerstände so auslegen, dass die nicht mehr als 5W verbraten. 
Nehmen wir mal an, du nimmst 4 Mosfets dann brauchst du auch 4 
Widerstände und der Strom teilt sich dann auch auf. Also durch einen 
Widerstand müssen dann 2A, bei 5W muss der Widerstand dann 1.25 Ohm groß 
sein.  Man könnte auch einen ein Watt Widerstand einsetzen, dann sinds 
"nur" ein viertel Ohm. Die sind aber sicherlich preiswerter und auch 
ökonomischer als ein 64W Widerstand ;)

Autor: Ralph Berres (rberres)
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Mawin
Hier ein Datenblatt von Siemens über den 2N3055.
Und bitte genau lesen . Da steht =< 1,5°/Watt. Man muss in diesem Falle 
immer den ungünstigeren Fall also = annehmen. 0,3°/W kenne ich nur 
Halbleiter in der Verlusleistungsklasse 1KW und höher.
Ob das Glimmerblatt jetzt 0,5°/W oder 0,3°/W hat spielt meine ich keine 
so große Rolle mehr.Einzig und alleine wo ich mich in der Tat geirrt 
habe ist die maximal zulässige Temperatur die sind beim 2N3055 in der 
Tat 200°. Aber ich würde diese niemals ausnützen. Nicht umsonst sind 
modernere Halbleiter oft nur bis 150° spezifiziert.

Ralph

Autor: Magnus Müller (Gast)
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@Ralph Berres:

>> Einzig und alleine wo ich mich in der Tat geirrt habe ist
>> die maximal zulässige Temperatur die sind beim 2N3055 in der
>> Tat 200°.

Und jetzt sieh dir noch mal den Graphen auf Seite 3 rechts oben an 
(Total perm. power dissipation versus temperature).

Autor: Ralph Berres (rberres)
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Hallo Magnus
Ich habe das Datenblatt auch gelesen und es reingestellt weil behauptet 
wurde das der 2N3055 ein Wärmewiderstand zwischen Chip und 
Halbleitergehäuse von 0,1°/W haben soll.
Wenn man tatsächlich die 200° Chiptemperatur ausnützen will entschärft 
sich die Forderung an den Kühlkörper wie folgt.
Bei Zimmertemperatur gilt
200° - 100° Temperaturgefälle zwischen Chip und Kühlkörper - 25° 
Zimmertemperatur  sind 75°

Der Kühlkörper muss einen Wärmewiderstand von 75° / 50W = 1,5°/Watt 
haben.
Dabei wird der Kühlkörper demnach 75°+25° Zimmertemperatur = 100° heiss.
Das deckt sich zwangsläufig auch mit der Deratingkurve auf Seite 3.

Ich möchte nicht wissen wie groß die tatsächliche Lebendauer des 
Halbleiters bei 200° Chiptemperatur ist. Ich bleibe dabei sowas ist 
Angstbetrieb, und kein verantwortungsbewuster Konstrukteur wird ein 
Halbleiter unter solchen KO-Bedingungen betreiben.

Ralph Berres

Autor: Michael (Gast)
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>Ich möchte nicht wissen wie groß die tatsächliche Lebendauer des
>Halbleiters bei 200° Chiptemperatur ist. Ich bleibe dabei sowas ist
>Angstbetrieb, und kein verantwortungsbewuster Konstrukteur wird ein
>Halbleiter unter solchen KO-Bedingungen betreiben.

Sehe ich ähnlich. Klar kann man ein Bauteil an seinen maximalen Grenzen 
betreiben, sicherer ist es aber, das Bauteil deutlich unter seinen 
Grenzen zu betreiben. Meiner einer hat aus diesem Grund so gut wie 
keinen Mosfet, der nur einen einstelligen Strombereich leiten kann, in 
der Kiste auch wenn ich selten einen zweistelligen Strom über einen 
Mosfet leiten muss

Autor: Andrew Taylor (marsufant)
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Ralph Berres schrieb:
> Hallo Magnus
> Ich habe das Datenblatt auch gelesen und es reingestellt weil behauptet
> wurde das der 2N3055 ein Wärmewiderstand zwischen Chip und
> Halbleitergehäuse von 0,1°/W haben soll.

Nun, es wurde behauptet das es 0.36 k/W für Wärmewiderstand zwischen 
Chip und  Halbleitergehäuse

Und das ist auch korrekt.

> 0,3°/W kenne ich nur
> Halbleiter in der Verlusleistungsklasse 1KW und höher.

Tja, dann hast Du mal wieder wenig Ahnung von der Materie.

0.3 bis 0.4 k/W für Rthj-c  sind seit mehr als 30 Jahren üblicher 
anzutreffender Wert bei TO3 für Transistoren mit einer 
Nenn-Verlustleistung von 100 bis 200 W.

Autor: Ralph Berres (rberres)
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Hier mal ein Datenblatt von einen jüngeren Transistor BD249C Der hat 
125Watt Verlustleistung und 1°/W. Im übrigen diskutieren wir über den 
2N3055 und da kannst du es drehen und wenden wie du willst und noch 
soviel behaupten Transistoren dieser Leistungsklasse hätten 0,3-0,4° 
/Watt.Im Datenblatt steht nun mal 1,5°/Watt.
Maßgebend ist für mich was im Datenblatt steht und nicht das was 
irgendwelchen  allgemein gehaltenen Wunschapplikationen über 
verschiedene Gehäuseformen steht.

Im übrigen leitet sich die Verlustleistung eines Transistors immer aus 
dem
Wärmewiderstand und der maximal zulässigen Temperatur ab.
Sprich die angegebene Verlustleistung gilt nur für den Fall das die 
Gehäusetemperatur auf 25° gehalten kann, was in der Praxis kaum möglich 
ist. Die Deratingkurve gibt das schon her. Auch diese Tatsache kannst du 
jetzt glauben oder auch sein lassen. Das ist mir letztendlich egal. In 
diesem Sinne.

Autor: Michael (Gast)
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>0.3 bis 0.4 k/W für Rthj-c  sind seit mehr als 30 Jahren üblicher
>anzutreffender Wert bei TO3 für Transistoren mit einer
>Nenn-Verlustleistung von 100 bis 200 W.

Wieder eine typische Aussage von Andrew Taylor. Er behauptet er dass man 
keine Ahnung hätte und dann protzt er selbst mit Unwissenheit. Hier 
gehts ja um den 2N3055 und nicht um irgendeinen Transistor im 
TO3-Gehäuse. Und selbst wenn, 0.3-0.4 K/W...ach, auf Andrew darf man 
halt nicht immer hören...:/

Autor: Andrew Taylor (marsufant)
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Ralph Berres schrieb:
> Hier mal ein Datenblatt von einen jüngeren Transistor BD249C

..der schon mal ein anderes Gehäuse hat. Aber klar, warum nicht mal was 
anderes als TO-3

 Noch irgendwelche verzweifelten Versuche Deinerseits Deine Theorien zu 
retten?

Geh mal lieber wieder Deine Hamegs kalibrieren oder Netzteil 
fabrizieren.

Autor: MaWin (Gast)
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> Und bitte genau lesen . Da steht =< 1,5°/Watt.

Ja Ralph, schreib's dir hinter die Ohren GENAU LESEN !
Z.B. meine Beiträge.

Ich habe nie etwas gegen die ca. 1.5K/W Rthj gesagt,
sondern deine falsche Annahme, der Transistor hielte
nur 150 GradC aus korrigiert, und auch in deinem
Datenblatt steht gross und deutlich "200 GradC",

und den von dir angenommenen Wärmeübergang der
Glimmerscheibe von 0.5K/W leicht auf 0.36K/W korrigiert
(und 0.1 wenn man nicht isoliert) und ich habe Quellen
angegebe. Lies sie einfach mal!

Ist zwar nett dass Andrew Taylor mir zur Seite springt,
leider liegt er wie immer falsch.

BD249 ist natürlich auch eine Alternative für michi2504
bei der er mit den Reichelt-KK auskommen würde und
keinen alten SK01 für TO3 kaufen muss.

Autor: Ralph Berres (rberres)
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Mawin Sorry da habe ich dich offensichtlich missverstanden.
Das mit den 200° habe ich in einen späteren Beitrag korrigiert und auch 
die Berechnung dazu.

Das du mit den 0,1° nur den Übergang zwischen Halbleitergehäuse und 
Kühlkörper gemeint hattest, habe ich übersehen.

Aber nebenbei der BD249C ist tatsächlich nur bis 150° spezifiziert, ( 
und ich glaube die meisten modernen Transistoren auch, müßte ich aber 
mal nachschauen ). Aber 200° Sperrschichttemperatur ist schon heftig und 
nicht gerade förderlich für die Lebensdauer.

Nichts für Ungut

Und Andrew

Wie ich meine Arbeitszeit verbringe , welche Arbeitszeiten ich habe und 
was für Tätigkeiten ich zu machen habe lasse ich mir ganz bestimmt nicht 
hier im Forum vorschreiben. Ich glaube auch nicht das irgendeiner hier 
im Internet wirklich beurteilen kann wie ich mein Geld verdiene.Ich 
verkneife mir weitere Aussagen zu deiner Person, weil ich grundsätzlich 
niemanden in diesem Forum persöhnlich angreifen will, sondern wenn es 
geht auf sachlicher Ebene bleiben will.

Ralph

Autor: Michael (Gast)
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>Aber 200° Sperrschichttemperatur ist schon heftig und
>nicht gerade förderlich für die Lebensdauer.

Inwieweit das der Lebensdauer zuträglich ist hängt vom Gehäuse ab, dem 
Halbleiter sind 200°C relativ egal, von der Lebensdauer her gesehen. Bei 
so ca. 200°C stellt sich ein anderes Problem ein: die Eigenleitung des 
ein und anderen Halbleitermaterials tritt hierbei schon stark in den 
Vordergrund wodurch es durchaus denkbar ist, dass die eigentliche 
Transistorfunktion zum "Erliegen" kommt. ;)

Autor: Michael Schuler (michi2504)
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FET's parallel:
ok, aber wie kopple ich dann die Spannung zurück, um mit meiner 
Stromquelle den Strom auf 8Ampere einzustellen. oder wie sieht di 
schlatung dazu aus??

und ja die 8W habe ich als Reserve angenommen.

mfg
michi

Autor: mhh (Gast)
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Als Anhaltspunkt kannst Du hier schauen:
http://www.elv.de/Elektronische-Last/x.aspx/cid_74...
PDF von EL2010
Du brauchst den Teil, der den Mosfet ansteuert, und eine stabile 
Referenzspannung am Poti.

Autor: Michael (Gast)
Datum:
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Also im Prinzip so wie im Anhang nur so als Anhalt ;)

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