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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Junction Temeratur berechnen


Autor: Kathrin (Gast)
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Hallo

ich muss die Junction Temp. eines Bauelements bestimmen wie sind da die 
Formeln dafür.

Einige Daten laut Datenblatt:

Tj = 150°
Tu = ca. 40°
Rjc = 0,45
Rcs = 0,25
Rja = 40

Pv = 11 W

hoffe ihr könnt mir weiterhelfen!

: Verschoben durch Admin
Autor: magnetus (Gast)
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Kathrin schrieb:
> Rja = 40

Thermal resistance junction to ambient = 40°/W

Sprich: ohne Kühlkörper liegt deine Sperrschichttemperatur pro Watt um 
40°über der Umgebungstemperatur.

Gruß,
Magnetus

Autor: Kathrin (Gast)
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bedeutet soviel wie

Pv*Rja = 11W * 40°C = 440°C --> ohne Kühlkörper?


wie sieht die Rechnng denn mit Kühlkörper aus ?

Autor: magnetus (Gast)
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Kathrin schrieb:
> wie sieht die Rechnng denn mit Kühlkörper aus ?

Dann nimmst du Rjc ( junction to case [= 0,45]), addierst dazu den 
Wärmewiderstand deines Kühlkörpers und multiplizierst das dann mit 
deiner Verlustleistung.

Gruß,
Magnetus

Autor: magnetus (Gast)
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Und man sollte natürlich zu dem ganzen Gebilde noch die 
Umgebungstemperatur addieren.

Autor: Michael Leusink (hasimaus)
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@Kathrin
Du tust Dich viel leichter, wenn Du die korrekten Einheiten benutzt.
Also

Rjc = 0,45° K/W
Rcs = 0,25° K/W
Rja = 40° K/W

Und Umgebungstemperatur ist Ta ( Ambient Temperature )
Ta = ca. 40°

Gruß

Autor: Kathrin (Gast)
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das würde also so aussehn

((Rthjc+Rthck+RthK)*PV)+Tu = ((0,45+10+0,25)*11W)+40=157,7°C


das ist dann die Temp. Tj?

d.h er würde selbst mir Kühlkörper kaputt gehen da er nur 150° 
verträgt...

soweit richtig?

Autor: kathrin (Gast)
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ist das richtig?

Autor: Kai Klaas (Gast)
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>Du tust Dich viel leichter, wenn Du die korrekten Einheiten benutzt.
>Also
>
>Rjc = 0,45° K/W
>Rcs = 0,25° K/W
>Rja = 40° K/W

Dann aber bitte ohne °...

Kai Klaas

Autor: Fritz Buchner (Gast)
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Kathrin schrieb:
> das würde also so aussehn
>
> ((Rthjc+Rthck+RthK)*PV)+Tu = ((0,45+10+0,25)*11W)+40=157,7°C
>
>
> das ist dann die Temp. Tj?
>
> d.h er würde selbst mir Kühlkörper kaputt gehen da er nur 150°
> verträgt...
>
> soweit richtig?

Nicht ganz. ;)

1. Kommt ganz drauf an, mit wieviel Sicherheit die 150°C angegeben sind. 
Erfahrungsgemäß sind Halbleiter schon gegenüber den Datenblattwerten 
einiges robuster, die Frage ist dann noch, wie lange und wie oft. ;)

2. Aber wo hast du Rthck = 10K/W her - soll das der Übergangswiderstand 
Gehäuse -> Kühlkörper sein? Dann würde ich vorschlagen: Wenn du eine 
Temperaturdifferenz von 110K brauchst, um schlappe 11W vom Bauelement 
auf den Kühlkörper zu bringen, dann halt das Ding mal nicht nur dran, 
sondern schraub es fest, mit ein bisschen Wärmeleitpaste dazwischen. ;)

Autor: Kai Klaas (Gast)
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>2. Aber wo hast du Rthck = 10K/W her - soll das der Übergangswiderstand
>Gehäuse -> Kühlkörper sein?

Nein, natürlich der des Kühlkörpers. Die zwei letzten sind wohl 
vertauscht.

>1. Kommt ganz drauf an, mit wieviel Sicherheit die 150°C angegeben sind.

Nein, 157,7°C sind in jedem Fall zu viel, wenn das Teil ein paar Jahre 
halten soll. Auf jeden Fall unter 120°C bleiben, alleine schon wegen der 
Toleranzen.

Langlebige Schaltungen werden so dimensioniert, daß Sperrschichten nicht 
über rund 80°C warm werden. Nach Arrhenius steigt nämlich die 
Ausfallrate exponentiell mit der Kristall-Temperatur.

Kai Klaas

Autor: Fritz Buchner (Gast)
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Kai Klaas schrieb:

> Nein, 157,7°C sind in jedem Fall zu viel, wenn das Teil ein paar Jahre
> halten soll. Auf jeden Fall unter 120°C bleiben, alleine schon wegen der
> Toleranzen.
>
> Langlebige Schaltungen werden so dimensioniert, daß Sperrschichten nicht
> über rund 80°C warm werden. Nach Arrhenius steigt nämlich die
> Ausfallrate exponentiell mit der Kristall-Temperatur.

Nun ja, jetzt sollte es doch für Katrin kein Problem mehr sein, die 
Formel nach RthK umzustellen und die "richtige" Temperatur einzusetzen, 
damit sie sieht, was für einen Kühlkörper man da so braucht. Was soll 
denn das sein: 10K/W, das ist ja kaum größer als ein übliches 
Bauelement, das 11W verheizt. ;)

Autor: Kathrin (Gast)
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Ich habe mir diesen gekauft, darauf werde ich noch einen CPU - Lüfter 
schrauben.. das sollte reichen oder ?

http://www.reichelt.de/?ACTION=3;ARTICLE=22222;GRO...

Autor: magnetus (Gast)
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Hmmm... bisschen mager für 11W Heizleistung. Und hinter einem CPU-Lüfter 
sieht das Ding bestimmt erst recht winzig aus. Warum hast du nicht 
gleich einen größeren genommen?

Autor: HildeK (Gast)
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Bei Kühlkörperdimensionierungen staunt man immer wieder, wie groß die 
sein müssen, um ein paar Watt als Dauerlast abzuführen.
Außerdem muss ich anmerken, dass du Tu mit ~40°C angegeben hast - hier 
ist es notwendig, Tumax zu haben! Das kann schnell deutlich größer sein:
- die Sonne scheint mal drauf
- der Kühlkörper soll in einem Gehäuse verschwinden mit schlechter 
Durchlüftung

Also: Sicherheit einplanen.
Die Dimensionierung auf Tjmax von ca 120 ... 130°C ist für einen 
Transistor, eine Diode sicher problemlos - da geht meist auch mehr. Für 
ein IC würde ich das nur noch in Ausnahmefällen und kurzfristig 
akzeptieren - je nach Anwendung. Die genannten 150°C deuten jedoch auf 
einen IC hin und sind sicherlich die absoluten Grenzwerte!

Mit deinen Zahlen:
120°C-40°C = 80K bei 11W erfordert ein Rthges von rund 7.3K/W. Abzüglich 
der inneren Wärmewiderstände sollte der Kühlkörper also rund 6.5K/W 
haben.
10K/W gehen vermutlich auch, wenn du ihn mit einem Lüfter betreibst. Da 
gibt es Kurven im Datenblatt des KK, die bei verschiedenen 
Luftströmungen die Veränderung des Wärmewiderstandes angeben.
Er muss eben dann mit Luftstrom (stell dich schon mal auf die Umrechnung 
von lfm in m/s ein...) unter die 6.5K/W kommen.

Solltest du intermittierende thermische Belastung haben, darfst du 
natürlich das Puls-Pausen-Verhältnis mit einberechnen. Vorausgesetzt, 
diese Wechsel sind deutlich schneller als die Zeitkonstante des 
Kühlkörpers.

Autor: Kai Klaas (Gast)
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>Ich habe mir diesen gekauft, darauf werde ich noch einen CPU - Lüfter
>schrauben.. das sollte reichen oder ?

Nein, der ist viel zu klein für 11W. Da bringt auch ein Lüfter nicht 
viel, da dieser Kühlkörper nicht für Lüfterbetrieb optimiert ist.

Kai Klaas

Autor: Kai Klaas (Gast)
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>Abzüglich der inneren Wärmewiderstände sollte der Kühlkörper also rund
>6.5K/W haben.

Ja, genau, das klingt vernünftig.

Kai Klaas

Autor: Fritz Buchner (Gast)
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HildeK schrieb:
> Da gibt es Kurven im Datenblatt des KK, die bei verschiedenen
> Luftströmungen die Veränderung des Wärmewiderstandes angeben.

Hm, das ist nun so 'ne Sache. Hat Kathrin diese Daten? Von Kühlkörper 
und Lüfter?

> Abzüglichbder inneren Wärmewiderstände sollte der Kühlkörper also rund
> 6.5K/W haben. 10K/W gehen vermutlich auch, wenn du ihn mit einem Lüfter
> betreibst.

Also rein "aus dem Bauch 'raus" sag ich mal: Ich habe z.B. mit 2 CPU - 
Lüfterchen schon 50W Dauerleistung abgeführt, und mit so einem, wie er 
in PC - Netzteilen verbaut wird, schon 80W - mit Kühlkörpern, die 
bestimmt > 2K/W haben. Also Kathrin: Es KÖNNTE klappen. Du solltest aber 
den Lüfter auf jeden Fall so montieren, dass die Kühlrippen schön längs 
im Luftstrom liegen - außerdem senkrecht stehen, hab ich mir angewöhnt - 
also dass der Lüfter "nur die Konvektion verstärkt", also entweder sitzt 
er obendrauf und "saugt die Wärme ab" oder unten drunter und "pustet 
Kaltluft nach".

Autor: magnetus (Gast)
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Fritz Buchner schrieb:
> also entweder sitzt er obendrauf und "saugt die Wärme ab" oder
> unten drunter und "pustet Kaltluft nach".

Die "pustet Kaltluft nach"-Variante ist auf Dauer für den Lüfter besser 
(Stichwort: Lebensdauer).

Gruß,
Magnetus

Autor: Fritz Buchner (Gast)
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magnetus schrieb:
> Die "pustet Kaltluft nach"-Variante ist auf Dauer für den Lüfter besser
> (Stichwort: Lebensdauer).

Stimmt, kann mich im anderen Fall auch schon an komische Geräusche, 
trockene Lager und ausgelaufenes Fett erinnern (die Motorelektronik 
hat's noch locker weggesteckt ;) ).

Autor: HildeK (Gast)
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Fritz Buchner schrieb:
> HildeK schrieb:
>> Da gibt es Kurven im Datenblatt des KK, die bei verschiedenen
>> Luftströmungen die Veränderung des Wärmewiderstandes angeben.
>
> Hm, das ist nun so 'ne Sache. Hat Kathrin diese Daten? Von Kühlkörper
> und Lüfter?

Das mag bei denen im Hobbybedarfsladen verfügbaren schon stimmen. Aber: 
Die einschlägigen Hersteller von Kühlkörpern haben gelegentlich schon 
mal ganz brauchbare Daten auf ihrer Webseite. Meist kann man da auch die 
Profile wiederfinden. Und der von Kathrin ist von Alutronic und 
vermutlich dort auch zu finden.
z.B. bei http://www.alutronic.de/index.php?g=8&sg=3 gibt es ein paar 
nützliche Infos. Oder im Downloadkatalog von Fischer:
http://www.fischerelektronik.de

Kai Klaas schrieb:
> Nein, der ist viel zu klein für 11W. Da bringt auch ein Lüfter nicht
> viel, da dieser Kühlkörper nicht für Lüfterbetrieb optimiert ist.

Meine Erfahrung ist die, dass ein Zwangsluftstrom eine wesentliche 
Verbesserung bringt. Was meinst du mit "nicht für Lüfterbetrieb 
optimiert"? Natürlich muss das Profil auch soviel Querschnitt haben, 
dass eine ausreichende Ableitung der Wärme in die Rippen gegeben ist.
Im Katalog von Fischer sind die meisten Kühlkörper mit einer Kurve für 
Lüfterbetrieb aufgeführt. Grob kann man sagen, dass sich bei ca. 2m/s 
Luftstrom der Wärmewiderstand etwa halbiert. Das ist IMHO als deutlich 
zu bezeichenen!

Im obigen Link ist auch eine Kurve, die den Einfluss eines Lüfters 
zeigt:
http://www.alutronic.de/content/pics/KVKurve.gif

Autor: Kai Klaas (Gast)
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>Meine Erfahrung ist die, dass ein Zwangsluftstrom eine wesentliche
>Verbesserung bringt.

Meistens schon, da hast du natürlich Recht. Wenn das Ganze aber in einem 
Gehäuse angeordnet gibt, kann es die eine oder andere Überraschung 
geben: Einmal kann man Luftpolster schaffen, die einer günstigen 
Strömung entgegen wirken. Und dann muß man bedenken, daß man die Wärme 
irgendwie aus dem Gehäuse heraus bekommen muß, sonst schaufelt man nach 
einer halben Stunde nur noch heiße Luft auf den Kühlkörper. Ungünstig 
geformte Lüftungslöcher im Gehäuse können dabei den Wirkungsgrad ganz 
erheblich herabsetzen.

>Was meinst du mit "nicht für Lüfterbetrieb optimiert"?

Naja, durch die Konvektion haben diese Kühlkörper ja eine 
Vorzugsrichtung, die von einem willkürlich angeordneten Lüfter nicht 
unbedingt unterstützt wird. Kühlkörper mit Zwangslüftung setzen nicht 
auf Konvektion, sondern sind sdrömungstechnisch an den Lüfter angepaßt, 
um möglichst viel Wärme abzutransportieren. Da gibt es schon gewisse 
Unterschiede.

Ich würde lieber den Kühlkörper eine Nummer größer wählen und das Ganze 
dann, wenn es denn sein muß, zusätzlich mit einem Lüfter unterstützen.

Kai Klaas

Autor: HildeK (Gast)
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@ Kai Klaas
Ja, klar.
Dass die Gehäuse natürlich die warme Luft auch nach außen lassen müssen, 
hatte ich ja um 18:30 schon erwähnt. Und dass ein für Konvektion 
vorgesehener KK nicht quer dazu angeblasen wird, davon bin ich 
stillschweigend ausgegangen :-). Wenn Kathrin an den vorhandenen KK 
einen kleinen 40mm x 40mm-Lüfter richtig (!) anbringt, dann wird er 
höchstwahrscheinlich ihr Problem lösen. Einen Versuch wäre es wert.
Zustimmen kann ich auch deinem vorzugsweisen Verzicht auf den Lüfter:
- macht Krach
- ohne Redundanz und Überwachung ist die Verwendung zumindest mutig
- die Standzeiten der Lüfter sind i.A. bescheiden

Trotzdem haben sie auch ihre Berechtigung: Platzbedarf, 
Wirtschaftlichkeit und sicher noch ein paar Dinge.

Autor: Fritz Buchner (Gast)
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  • preview image for kk.jpg
    kk.jpg
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HildeK schrieb:

> Zustimmen kann ich auch deinem vorzugsweisen Verzicht auf den Lüfter:
> - macht Krach
> - ohne Redundanz und Überwachung ist die Verwendung zumindest mutig
> - die Standzeiten der Lüfter sind i.A. bescheiden

Sag mal, hast du noch nie einen PC besessen? ;) Ist da schonmal ein 
Lüfter ausgefallen oder sowas? Da würde es aber meinetwegen im Netzteil 
innerhalb von <1min anfangen zu kochen, schätze ich mal.

Und was die ganze "Strömungstechnik" betrifft - macht man bloß keine 
Wissenschaft draus (s. Anhang).

Was ist das? Erraten, mein CPU - Kühlkörper. Was von 
"strömungstechnischer Gestaltung" zu erkennen? Pruuuuuuuuuuuuuuust.

Dementsprechend war der "Original Intel" - Lüfter auch eine Heulboje, 
ungelogen. Hab also so ein Netzteil - Lüfterchen draufgesetzt, und das 
hält mir mit 7...8V (statt 12V) meinen lahmen Celeron (1,7GHz) 
zuverlässig auf < 60 Grad. (Bei 100% Auslastung - mit Absicht mal 'ne 
Endlosschleife in ein Programm eingebaut - immer noch < 80 Grad. Bei 90 
Grad fährt er zuverlässig das System 'runter und schaltet das Netzteil 
auf Standby, auch ausgetestet.;) )

Die CPU, die ich 'reinsetzen will (ein Prescott mit > ~ 3GHz) ist 
allerdings der kompromissloseste Stromfresser, den es für dieses Board 
gibt (so bis 110W, und damit soll man ihn nicht über 75 Grad kommen 
lassen, hab ich gehört). Da wird der Lüfter schon ein bisschen mehr zu 
tun kriegen, aber das wird seine Regelung schon noch schaffen - 
schaunmermal. 'Ne Temperaturanzeige hab ich ja auch schon drin. ;)

Autor: HildeK (Gast)
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Fritz Buchner schrieb:
> Sag mal, hast du noch nie einen PC besessen? ;)

Doch - ich sitze ja gerade an einem :-)

> Ist da schonmal ein Lüfter ausgefallen oder sowas?
Ja natürlich. Habe erst kürzlich einen an einer GraKa ersetzt.

Auch von den 'Guten' sind schon 10% nach 50T bis 70T Stunden ausgefallen 
(Datenblatt Pabst). Das sind 5-8 Jahre und ist bei Dauerlauf schon ein 
Thema. Zugegeben, beim PC eher nicht, denn so alt werden die Wenigsten.

Autor: Kai Klaas (Gast)
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>Trotzdem haben sie auch ihre Berechtigung: Platzbedarf,
>Wirtschaftlichkeit und sicher noch ein paar Dinge.

Ich verwende sie ja selber, um in einem luftdichten Gehäuse (IP68) die 
Luft so umzuwälzen, daß es keinen Hot-Spot gibt und es der Elektronik 
nicht zu warm wird. Ich weiß die Dinger sehr wohl zu schätzen und mußte 
schon öfter meinen Chef davon überzeugen, sie einzusetzen. Man hat mit 
ihnen einfach deutlich mehr Reserve.

Ich wollte ja auch nur erwähnen, daß man beim Einsatz eines Lüfters 
aufpassen muß und nicht zu euphorisch sein darf. Lieber den Kühlkörper 
von Anfang an ein bißchen größer wählen und dann mit dem Lüfter etwas 
nachhelfen, als sich allzusehr auf den Lüfter zu verlassen.

>Ist da schonmal ein Lüfter ausgefallen oder sowas?

Im rauhen industriellen Umfeld geschieht das schneller und öfter als dir 
lieb ist.

Kai Klaas

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