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Forum: Platinen Platine als Kühlkörper


Autor: Christian Wimmer (chrisilein)
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Hallo zusammen,

ich bräuchte einen Kühlkörper mit einem Wärmewiderstand von ca.8 - 10 
W/K
Da ich mir diesen gerne sparen würde, möchte ich das TO220 Gehäuse 
direkt auf die Platine schrauben / löten.

Leider hab ich für die Berechnung nirgends Infos gefunden, daher meine 
Fragen:

- Gibt es eine Formel wie man die Fläche bei einer 35um Kupferplatine 
berechnet?

- Ist die Wärmeabstrahlung mit oder ohne Lötstopp besser?

- Ist es problematisch beide Seiten bei ausreichend Vias als Kühlkörper 
zu verwenden?

Danke schonmal für eure Hilfe/Antworten

LG Chris

Autor: Falk Brunner (falk)
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@  Christian Wimmer (chrisilein)


>- Gibt es eine Formel wie man die Fläche bei einer 35um Kupferplatine
>berechnet?

Muss man mal in diversen Datenblättern such, dort sind Kühlflächen real 
gemessen und tabelliert.

>- Ist die Wärmeabstrahlung mit oder ohne Lötstopp besser?

Mit.

>- Ist es problematisch beide Seiten bei ausreichend Vias als Kühlkörper
>zu verwenden?

Nein.

Aber du machst dir nur unnötig Probleme. Pack einen kleinen Kühlkörper 
dan und gut. Z.B. den hier

http://www.fischerelektronik.de/index.php?id=114

FK 242 SA 220 H

MfG
Falk

Autor: Gast (Gast)
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>- Ist die Wärmeabstrahlung mit oder ohne Lötstopp besser?

> Mit.

Das verstehe ich jetzt nicht.
Wenn die Kupferfläche mit Lötstoplack bedeckt ist, ist die 
Wärmeabstrahlung besser?

Autor: Christian L. (lorio)
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> ich bräuchte einen Kühlkörper mit einem Wärmewiderstand von ca.8 - 10 W/K

Was genau brauchst du jetzt? 8 - 10 W/K oder 8 - 10 K/W

ersteres wirst du wahrscheinlich nicht mit einer mit 35µm Kupfer 
kaschierten Platine erreichen.

Gruß
Christian

Autor: Falk Brunner (falk)
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@  Gast (Gast)

>Das verstehe ich jetzt nicht.
>Wenn die Kupferfläche mit Lötstoplack bedeckt ist, ist die
>Wärmeabstrahlung besser?

Ja, weil Metalle einen sehr niedrigen Emsissionskoeffizienten haben,
Dunkle Farben dagegen einen sehr hohen. Deshalb sind Kühkörper meist 
auch schwarz, die aus Alu halt eloxiert.

MFG
Falk

Autor: Falk Brunner (falk)
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Autor: Gast (Gast)
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> Deshalb sind Kühkörper meist auch schwarz, die aus Alu halt eloxiert.

Ok, das dunkle Farben einen besseren Emissionswert haben war mir klar,
aber die Farbschicht sollte dabei dann aber auch so dünn wie möglich 
sein, siehe auch dein Link:
> provided it is applied as thinly as possible.

Ob da die Dicke des Lötstoplackes nicht eher kontraproduktiv ist?
Ich würde die Kupferfläche eher mit einem schwarzen Edding bestreichen.

Autor: Falk Brunner (falk)
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@  Gast (Gast)

>> provided it is applied as thinly as possible.

Sicher.

>Ob da die Dicke des Lötstoplackes nicht eher kontraproduktiv ist?

Glaub ich nicht, man kann ja praktisch durchsehen.

>Ich würde die Kupferfläche eher mit einem schwarzen Edding bestreichen.

Das ist mal erst recht Bastlermurks.

Ausserdem sollte man die Abstrahlung nicht überschätzen. Das Meiste geht 
über Konvektion weg.

MfG
Falk

Autor: MeinerEiner (Gast)
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> das dunkle Farben einen besseren Emissionswert haben

nicht unbedingt.... weisse Heizkörperfarbe...

Autor: Daniel W. (danie)
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Heizkörper sind normalerweisse mit einer speziellen farbe bestrichen, 
die im IR-Bereich "schwarz" ist...

Autor: Christian Aurich (cau) Flattr this
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MeinerEiner schrieb:
>> das dunkle Farben einen besseren Emissionswert haben
>
> nicht unbedingt.... weisse Heizkörperfarbe...

du würdest dir wohl nen schwarzen Heizkörper in die Bude hängen? ;-)

Autor: Michael (Gast)
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Seit wann heizt denn ein Heizkörper über Wärmestrahlung??? Also bei mir, 
und alle Heizkörper die ich so im Haushalt kenne, heizen primär über 
Konvektion und dafür ist die Farbe ziemlich wurscht.

Autor: Michael (Gast)
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PS: Dass Heizkörperfarbe auf "Abstrahlung" optimiert ist halte ich auch 
für eine Geschichte aus dem Reich der Legenden, die Farbe ist nur 
wärmebeständig und weiß weil das meist auch die Wandfarbe ist. Dunkle 
Farben würden Räume kleiner erscheinen lassen, helle Farben lassen sie 
größer erscheinen.

Autor: MeinerEiner (Gast)
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http://energieberatung.ibs-hlk.de/grundl_wasys.htm

Strahlungsanteil bei Radiatoren bis 40%, bei Wandheizungen sogar 90%

Gegen nen schwarzen Heizkörper hätt ich auch nix; würd zum schwarzen 
Teppich passen.

Autor: Michael (Gast)
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LOL, ne Fußbodenheizung hat 95% Wärmestrahlung...nein, die funktioniert 
ja überhaupt nicht über Konvetion...ja ne, is klar.

Autor: Falk Brunner (falk)
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@  MeinerEiner (Gast)

>http://energieberatung.ibs-hlk.de/grundl_wasys.htm

>Strahlungsanteil bei Radiatoren bis 40%, bei Wandheizungen sogar 90%

Ziemlicher Blödsinn. Dann müsste die Wand oder der Fussboden glühen. 
Wärmestrahlung bedingt HOHE Temperaturdifferenzen! Herr Boltzmann lässt 
grüssen!

http://de.wikipedia.org/wiki/W%C3%A4rmestrahlung

>Gegen nen schwarzen Heizkörper hätt ich auch nix; würd zum schwarzen
>Teppich passen.

DeMo Fan oder Gufti? ;-)

MfG
Falk

Autor: Jawohl (Gast)
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Bei einigen Spannungsreglern steht die Berechnung genau beschrieben so 
z.B. bei Micrel "MIC39100/39101/39102".

Autor: Reinhard Kern (Gast)
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Hallo,

ohne das nachzurechnen (was extrem schwierig ist, meistens wird 
gemessen), behaupte ich mal ganz ketzerisch:

1. Es hat wenig Sinn, die Fläche viel grösser zu machen als die 
TO220-Fläche. Das Kupfer ist zu dünn, um wesentliche Energiemengen nach 
aussen zu transportieren, es sei denn, mann lässt sehr teure Platinen 
mit Dickkupfer oder Alu fertigen.

2. Daher geben Datenblätter entsprechende Empfehlungen meistens nur bis 
zu einer Fläche von 1 square inch (25 x 25 mm), eine Vergrösserung 
bringt nichts mehr.

3. Unter den Umständen ist ein stehender TO220 wegen der Konvektion 
besser als jeder liegende ohne KK.

4. Ob nun 8W/K oder 8K/W, das wird beides nichts. Klein-KK, die nicht 
viel grösser sind als TO220, liegen nach meiner Erinnerung um die 15 K/W 
(um die Uhrzeit habe ich keine Lust mehr Datenblätter zu wälzen).

Gruss Reinhard

Autor: Katzeklo (Gast)
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>Es hat wenig Sinn, die Fläche viel grösser zu machen als die
>TO220-Fläche.
doch

>- Ist es problematisch beide Seiten bei ausreichend Vias als Kühlkörper
>zu verwenden?
Nein, mach das auf jeden Fall

siehe:
TI : SLMA002d.pdf,
Vishay: AN821
Zetex: Thermal Resistance v PCB Area Comparison

Letztendlich sind die Angaben in den Diagrammen aber etwas zu 
optimistisch.

Autor: aha (Gast)
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Bei 1 Quadratzoll beidseitigen kupfer kann man bis 1Watt wegbringen. 
Allerdings sollte man da nicht aufhoeren zu denken. Wenn das watt mal 
auf der Leiterplatte ist, wie geht's weiter ? Ist die Leiterplatte in 
einem Kunststoffgeaheuse mit Isolation ? Dann erhoeht sich die 
Temperatur.

Autor: Christian Wimmer (chrisilein)
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Hi zusammen,

danke für die Infos.

Natürlich soll die Fläche einen Wert von 8 - 10 K/W haben (und nicht W/K 
macht ja auch nicht viel Sinn ;)

@Katzeklo danke für die Infos schade dass die Datenblätter keine 
allgemeinen Formeln enthalten.

Ich hab mich nochmals auf die Suche nach einen anderen Datenblatt für 
den LM2576 gemacht und bin bei ONsemi fündig geworden. Auf Seite 17f. 
wird für ein D2Package bei 70um Kupfer eine Fläche von 2-6 Quadratzoll 
vorgeschlagen.

Da die Rth_JC identisch sind müsste die Fläche auch für das TO-220 
Gehäuse passen.

Wie ändert sich die Fläche wenn ich eine Kupferstärke von 35um habe?

LG Chris

Autor: Michael (Gast)
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Wird wahrscheinlich größer werden, da die Wärmekapazität sinkt

Autor: Falk Brunner (falk)
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@  Michael (Gast)

>Wird wahrscheinlich größer werden, da die Wärmekapazität sinkt

Die Wärmekapazität interessiert hier gar nicht. Es geht um die 
Wärmeleitfähigkeit.

Aber ehe ich 6 Quadratzoll für ne Kühlfäche opfere, nehm ich lieber 
einen kleinen Aufsteckkühlkörper.

MFG
Falk

Autor: Katzeklo (Gast)
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>...wahrscheinlich...
Raterunde?
Die Wärmekapazität ist irrelevant bei kontinuierlichem Betrieb. Der 
Wärmewiderstand halbiert sich bei halbem Querschnitt, interessant ist 
aber wie die Kupferfläche Ihre Wärme los wird. Einbaulage (wegen 
Konvektion), Plastikabdeckungen (sehr beliebt bei 19 Zoll Einschüben und 
Netzspannung), andere Bauteile, zusätzliche Erwärmung durch hohe Ströme, 
das macht mehr aus. Bei einem DPAK 3 Watt mit 4x105µ Kupfer und 
Thermal-Vias  wegzubekommen kann u.U. nicht funktionieren.

Autor: Michael (Gast)
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>Raterunde?

Das ist es doch hier immer im Forum oder schonmal anders erlebt ^^.

Warum sinkt eigentlich der Wärmewiderstand (merklich) wenn man die Dicke 
halbiert? Das ist mir jetzt noch nicht so ganz klar, die Fläche, über 
die Wärme abgegeben wird, ändert sich dabei ja kaum (bei einem 
Quadratzoll, also 25.4mm*25.4mm, veringert sich die Oberfläche des 
Kupferquaders bei einer Veringerung der Dicke von 70µm auf 35µm um nicht 
mal 0,3%)? Eine Halbierung des Wärmewiderstandes scheint mir hier mehr 
als nur überzogen zu sein.

Autor: Katzeklo (Gast)
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Der Wärmewiderstand mit dem die Wärme vom IC weggeleitet wird halbiert 
sich. dann kommt der Wärmewiderstand, von Abstrahlen/Konvektion der 
Fläche an sich an die Umgebung. Du mußt die Wärme schnell genug vom IC 
weg auf eine Fläche bekommen, diese Fläche muß die Wärme schnell genug 
an die Umgebung abgeben können.

Autor: Michael (Gast)
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>Der Wärmewiderstand mit dem die Wärme vom IC weggeleitet wird halbiert
>sich

Warum soll sich denn nun der Wärmewiderstand Gehäuse-Kühlkörper ändern 
wenn man lediglich die Dicke des Kühlkörpers ändert? Das ist ja noch 
unlogischer als vorher.

Autor: Audio'no (Gast)
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Ich hoffe keiner von euch entwickelt sicherheitsrelevante Sachen.

http://www.elektronikpraxis.vogel.de/index.cfm?pid...
http://powerelectronics.com/mag/602PET22.pdf


Man kann durch die Leiterplatte entwärmen, aber nicht mit der 
Leiterplatte. Suche nach Thermal Vias. Bei diesen Temperaturen ist 
Wärmeabstrahlung nicht relevant, da 1. keine Abstrahlfläche vorhanden 
ist und 2. die Temperatur nicht hoch genug ist (Abstrahlung ~ T^4). 
Bleibt die Konvektion, welche wieder viel Oberfläche benötigt. Deshalb 
ist ein Kühlkörper je nach Verlustleistung nötig. Dieser bringt auch die 
NOTWENDIGE thermische Kapazität, da ein Temperaturveränderung über 
großen Bereich auf Dauer schädlicher ist(unterschiedliche 
Ausdehungskoeffizienten des Materials) als hohe Temperatur unterhalb der 
Spezifikation, die dafür aber auf gleichem Level bleibt.
Mit der Leiterplatte kühlen ist lediglich für's routing wichtig, da hier 
z.B. Engstellen 'gekühlt' werden können, in dem man vor und nach der 
Engstelle eine große Fläche bringt.

Autor: Audio'no (Gast)
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http://www.elektronikpraxis.vogel.de/index.cfm?pid...
http://powerelectronics.com/mag/602PET22.pdf


Man kann durch die Leiterplatte entwärmen, aber nicht mit der 
Leiterplatte. Suche nach Thermal Vias. Bei diesen Temperaturen ist 
Wärmeabstrahlung nicht relevant, da 1. keine Abstrahlfläche vorhanden 
ist und 2. die Temperatur nicht hoch genug ist (Abstrahlung ~ T^4). 
Bleibt die Konvektion, welche wieder viel Oberfläche benötigt. Deshalb 
ist ein Kühlkörper je nach Verlustleistung nötig. Dieser bringt auch die 
NOTWENDIGE thermische Kapazität, da ein Temperaturveränderung über 
großen Bereich auf Dauer schädlicher ist(unterschiedliche 
Ausdehungskoeffizienten des Materials) als hohe Temperatur unterhalb der 
Spezifikation, die dafür aber auf gleichem Level bleibt.
Mit der Leiterplatte kühlen ist lediglich für's routing wichtig, da hier 
z.B. Engstellen 'gekühlt' werden können, in dem man vor und nach der 
Engstelle eine große Fläche bringt.

Autor: Katzeklo (Gast)
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Dicke des Kupfers + Anzahl der Lagen - -> wie gut verteilt sich die 
Wärme auf der Platine
Größe der Fläche+ Einbaulage etc --> wie gut geht die Wärme in die 
Umgebung

Autor: Michael (Gast)
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>Ich hoffe keiner von euch entwickelt sicherheitsrelevante Sachen.

Wie sehr ich Killerphrasen liebe, aber meine Fragen wurden damit immer 
noch nicht beantwortet...naja, vielleicht stehts ja in den Links ob sich 
der Wärmewiderstand mit abnehmender Dicke veringert oder vergrößert und 
wie das ganze zusammen wirkt.

Autor: Ralf82k (Gast)
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Wieviel Watt sollen denn überhaupt abtransportiert werden?
Habe schon mehrere Messungen mit TO220 auf Leiterplattre gemacht. 
Allerdings 4-Lagig. Könnte dir dazu auch Messungen machen wenn du mir 
die Leistung verätst.

Autor: Reinhard Kern (Gast)
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Michael schrieb:
>>Ich hoffe keiner von euch entwickelt sicherheitsrelevante Sachen.
>
> Wie sehr ich Killerphrasen liebe, aber meine Fragen wurden damit immer
> noch nicht beantwortet...naja, vielleicht stehts ja in den Links ob sich
> der Wärmewiderstand mit abnehmender Dicke veringert oder vergrößert und
> wie das ganze zusammen wirkt.

Hallo Michael,

die Antworten sind halt nicht von dieser Welt: wenn sich der 
Wärmewiderstand bei Halbierung der Dicke verringert, tut er das 
natürlich auch bei einer weiteren Halbierung usw. Zwangsläufiger 
Schluss: gar kein Kupfer leitet am besten, wahrscheinlich sogar 
unendlich gut. Von ähnlicher Qualität ist die Aussage, ein dicker 
Lackauftrag wie eine Lötstoppmaske würde die Wärmeabgabe verbessern. 
Wahrscheinlich sind deshalb alle PC-CPU-KK mit Kunststoff überzogen? 
Derartige Gesetze können höchstens in einem Paralleluniversum gelten.

Ich habe selten einen Thread gelesen, in dem so hemmungslos auf der 
Physik herumgetrampelt wurde. Richte dich lieber nach deinem Gefühl, das 
kann nicht soo falsch sein.

Gruss Reinhard

Autor: Falk Brunner (falk)
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@  Reinhard Kern (Firma: RK elektronik GmbH) (rk-elektronik)

>unendlich gut. Von ähnlicher Qualität ist die Aussage, ein dicker
>Lackauftrag wie eine Lötstoppmaske würde die Wärmeabgabe verbessern.

Wer lesen kann ist klar im Vorteil. Aber man sollte vor allem verstehen.

Ein DÜNNE Lackierung wie z.B Lötstoplack verbessert die Wärmeabgabe duch 
WärmeSTRAHLUNG! Allerdings spielt die bei den üblichen Temperaturen eine 
untergeordnete Rolle, wenn gleich der Effekt messbar ist.

>Wahrscheinlich sind deshalb alle PC-CPU-KK mit Kunststoff überzogen?

Käskopp.

>Physik herumgetrampelt wurde. Richte dich lieber nach deinem Gefühl, das
>kann nicht soo falsch sein.

Also dann doch leiber Esotherik statt Physik. Dolle Show!

MfG
Falk

Autor: Audio'no (Gast)
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Wenn man lange genug darüber gerätselt hat, kommt man zum Schluss, dass 
man zum entwärmen Fläche benötigt. Die hat man nur auf der Platine 
nicht. Deshalb gibts z.B. auch Kühlkörper zum auflöten.

Eine gute Wärmeleitung bekommt man ganz einfach durch viel Küpfer. Eine 
gute Kühlung, in dem man eine Wärmesenke schafft.

Dickkupfer -> Copper Filled Vias -> usw. basieren auf weniger Verluste 
oder besserer Wärmeleitfähigkeit. Nie auf Kühlung. Kühlung muss extra 
betrachtet werden.

Man kann z.B. auch bei einem Leiterplatten Produzenten anrufen und sich 
erkundigen.

Zum Schluss bleiben aber nur Durchkontaktierungen übrig. Alles andere 
sind Sondertechnologien.

http://www.fed.de/downloads/FED-Strom-Entwaermung-Riesa.pdf

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