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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Aluminium Kühlkörper mit Kupferboden


Autor: Manu (Gast)
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Hallo

Ich habe mehrere Mosfets die zu kühlen sind.

Der erforderliche Rth beträgt ca. 0,25 K/W.

Dazu steht 4x 1 k/W Kühlkörper zur Verfügung

Konstruktionsbedingt möchte alle Mosfets auf einem Kupferblech montieren 
und anschlliessend die 4 Kühlkörper an das Blech Schrauben (mit 
Wärmeleitpaste dazwischen).

Wird nunder gesamt Rth durch diese Konstruktion schlechter, bzw. ist die 
Kühlleistung schlechter ?

Autor: Bernd Wiebus (berndwiebus) Benutzerseite
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Hallo Manu.

> Der erforderliche Rth beträgt ca. 0,25 K/W.
> Dazu steht 4x 1 k/W Kühlkörper zur Verfügung

vier Kühlkörper gleichzeitig, und Du kommst minimalst auf 1/4, dh. 0,25 
K/W runter.
ABER das alein langt nicht. Weil normalerweise der Wärmewiderstand eines 
Kühlkörpers angegeben wird als Wärmewiderstand bei Einleitung über 
seiner ganzen Fläche.
Die Transistoren leiten ihre Abwärme aber nicht auf der ganzen Fläche 
des Kühlkörpers ein, sondern nur auf ihrer eigenen Fläche. Die Wärme 
muss sich also nicht nur durch den Kühlkörper bewegen, sondern auch 
verteilen, was sich wie ein Serienwiderstand zu Rth auswirkt.


> Konstruktionsbedingt möchte alle Mosfets auf einem Kupferblech montieren
> und anschlliessend die 4 Kühlkörper an das Blech Schrauben (mit
> Wärmeleitpaste dazwischen).

Auch wenn Kupfer eine deutlich bessere Wärmeleitung als Alu hat, die 
Wärme muss erst durch das Kupfer, und dann durch den Kühlkörper, was 
sich ebenfalls wie ein Serienwiderstand zu Rth auswirkt.


> Wird nunder gesamt Rth durch diese Konstruktion schlechter, bzw. ist die
> Kühlleistung schlechter ?

Er wird auf jeden Fall schlechter. Weil die Kupferplatte zwar die 
Wärmeverteilung in der Breite verbessert (wenn dick genug), aber trozdem 
als Serienwärmewiderstand auftritt.  D.h. zu Deinen Grenzwertigen 0,25 
k/W kommt IMMER immer etwas dazu, und bist damit auf jeden fall jenseits 
der geforderten 0,25 k/W. :-(

Mit freundlichem Gruß: Bernd Wiebus alias dl1eic

http://www.dl0dg.de

Autor: Stephan (Gast)
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Manu schrieb:
> Wird nunder gesamt Rth durch diese Konstruktion schlechter, bzw. ist die
> Kühlleistung schlechter ?

Mit Kupferblech ziemlich sicher.

Kupferplatte (so 5 mm oder mehr) kann von Vorteil sein wenn der 
Kühlkörper für mehrere kleine Wärmequellen gedacht ist, du aber nur mit 
einer draufgehst.

Autor: Manu (Gast)
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Ich meine auch eine Kupferplatte (10 mm). Also eher kein Blech mehr.

So wie ich das sehe habe ich jetzt hier zwei verschiedene Meinungen ? !

mal konkret als Zahlen:

4 Kühlkörper 1,0 K/W  100x100mm
1 Kupferplatte 200x200x10mm

10 Stück Mosfet geben zum gleichen Teil die Verlustleistung ab. Alle 10 
Stück gleichmässig auf dem Kupfer montiert.

Wirds jetzt dratisch schlecht ? Nur, etwas schlechter ? Oder doch besser 
?

Autor: Manu (Gast)
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Was mir noch eingefallen ist:

Viele gute CPU-Kühler sind ja aus Alu, haben aber eben noch eine 
Kupferplatte angeschraubt/klebt.

Warum machen die das wenn die Kühlleistung schelchter wird ?

Autor: Bernd Wiebus (berndwiebus) Benutzerseite
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Hallo Manu.

> Viele gute CPU-Kühler sind ja aus Alu, haben aber eben noch eine
> Kupferplatte angeschraubt/klebt.
> Warum machen die das wenn die Kühlleistung schelchter wird ?

Sie wird in dem Falle schon besser. Weil die Wärmeverteilung in die 
Breite in jedem Falle verbessert wird. Es ist aber die Frage, ob die 
Verbesserung, die sich durch die bessere Verteilung in der Breite 
ergibt, die anderen Verschlechterungen kompensiert.

Dummerweise hängt das am Deail, und kann nicht per Faustregel 
beantwortet werden.

Auf keinen Fall wirst Du es schaffen, vier Kühlkörper, von denen jeder 1 
k/W KATALOGWERT hat, durch Zusammenschalten auf unter 0,25 k/W zu 
bringen.
Weil egal welche Klimmzüge Du machst, es bleibt immer etwas übrig, was 
sich zum idealen Paralellschaltwert daraus von 0,25 k/W hinzuaddiert. 
:-(

Mit freundlichem Gruß: Bernd Wiebus alias dl1eic

http://www.dl0dg.de

Autor: Manu (Gast)
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Hallo Bernd

Danke erstmal für deine Überlegungen.

Kannst du vielleicht ungefähr abschätzen um wieviel das nun ca. 
schlechter wird ?

Ich tu mir immer noch schwer mit der Vorstellung von serienwiderstand.
Extremes Beispiel:
wenn ich nun nicht eine 10 mm dicke, sondern 100mm dicke Kupferplatte 
nehme, wäre es ja noch immer eine Serienschaltung.
Die Kühlleistung dieses Gesamten "Monsters" ist dann auch in jedem Fall 
größer als als 0,25 K/W ?

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

>10 Stück Mosfet geben zum gleichen Teil die Verlustleistung ab. Alle 10
>Stück gleichmässig auf dem Kupfer montiert.

Warum glaubst du, wurden Kühlkörper erfunden? Weil ein einfacher 
Klumpen Kufer genausogut ist?

>Wirds jetzt dratisch schlecht ?

JA!

MfG
Falk

P S Ach ja, und lies was über Netiquette!!! Zwei Threads zum 
gleichen Thema ist ein NO-GO!

Beitrag "Wärmewiderstand Kupfer berechnen"

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

>wenn ich nun nicht eine 10 mm dicke, sondern 100mm dicke Kupferplatte
>nehme, wäre es ja noch immer eine Serienschaltung.

Ja, aber das ist ein BLOCK!

>Die Kühlleistung dieses Gesamten "Monsters" ist dann auch in jedem Fall
>größer als als 0,25 K/W ?

Sie wäre DEUTLICH SCHLECHTER!!! Der Trick beim Kühlkörper ist, 
möglichst viel Fläche zur Wärmeangabe zu erhalten. Was glaubst du warum 
die Dinger so lustige Rippen, Fahnen, wasweissichwiemandienennt haben?

MFG
Falk

Autor: Manu (Gast)
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Der Ton macht die Musik.

Soweit ich weiss hat ein großer Quader mehr Fläche als ein kleiner

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

>Soweit ich weiss hat ein großer Quader mehr Fläche als ein kleiner

Ein Würfel der Kantenlänge a hat ein Volumen von a^3, aber eine 
Oberfläche von 6*a^2. Das Quotient aus Oberläche und Volumen wird mit 
größer werdendem a immer kleiner!

Und von der Masse mal ganz zu schweigen. -> Als Kühlkörper unbrauchbar.
Das grundlegende Prinzip sieht man an jedem Rippenkühlkörper. An der 
Stelle, wo das Kühlobjekt angeschraubt/gepresst ist, ist ein kleiner 
"Klumpen" Material, der erstmal die Wäre auf eine etwas größere Fläche 
verteilen soll. Bei CPU-Lüftern ist dort Kupfer, weil das noch besser 
als Aluminium Wärme leitet. Danach folgen viele, viele nach aussen 
dünner werdende Rippen. In der Mitte noch dick, dort muss die Wärme ja 
durch, aussen dünn, dort ist fast alle Wärme schon abgegeben.

MFG
Falk

P S Meist sind mehrere kleine Kühlkkörper deutlich kleiner und billiger 
als ein Großer. Ergibt sich aus der Formel oben.

Autor: Manu (Gast)
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Also ich fasse nochmal zusammen:

Es gibt keine sinnvolle Möglichkeit die 4x 1,0 K/W Kühlkörper über eine 
gemeinsame platte/blech zu verbinden um annähernd einen wärmewiderstand 
von 0,3 K/W zu erhalten.

Autor: Falk Brunner (falk)
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Nein.

Autor: Kai Klaas (Gast)
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>Es gibt keine sinnvolle Möglichkeit die 4x 1,0 K/W Kühlkörper über eine
>gemeinsame platte/blech zu verbinden um annähernd einen wärmewiderstand
>von 0,3 K/W zu erhalten.

Was sind denn das für Kühlkörper?

Die 1K/W pro Kühlkörper gelten für den Fall, daß jeder Kühlkörper frei 
steht und vollkommen ungehindert von frischer Umgebungsluft umströmt 
wird. Bringst du vier von denen dicht nebeneinander, ist das natürlich 
nicht mehr der Fall und der Wärmewiderstand pro Kühlkörper erhöht sich, 
je nach Modell und Behinderung eventuell drastisch.

Du müßtest die vier Kühlköprer so weit von einander entfernt anordnen, 
daß sie sich nicht gegenseitig in der Wärmeabfuhr behindern. Aber dann 
spielt der Wärmewiderstand in der Kupferplatte selbst eine Rolle, der 
die Wärme nicht mehr ungehindert zu den Kühlkörpern gelangen läßt.

Daß das Ganze nicht so einfach geht, siehst du schon daran, daß ein 
Kühlkörper mit 0,25K/W nicht einfach vier mal größer ist als einer mit 
1K/W, sondern deutlich größer.

Kai Klaas

Autor: Manu (Gast)
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sind 4 Kühlkörper mit langsamdrehenden lüfter drauf.

Autor: Kai Klaas (Gast)
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Was für Kühlkörper genau?

Autor: Manu (Gast)
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Dieser hier, nur eben noch ein Lüfter drauf

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

Autor: Stephan (Gast)
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Dein Link zeigt nur ne Übersichtsseite.

Ganz allgemein schätze ich wird die "Parallelschaltung" der 4 KK um 
0,45-0,5 K/W landen.

Bei im Übrigen relativ idealen Bedingungen. Was bedeutet:
- korrekte Orientierung der Rippen (eh klar)
- genug Freiraum
- Temperatur am Wärmeübergang Bauteil-KK ca. 80°C über Umgebung

In der Praxis wirst du mit dem einzelnen eher 1,5K/W und mit der 
Parallelschaltung 0,7K/W erreichen.

Autor: Bernd Wiebus (berndwiebus) Benutzerseite
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Hallo Stephan.

> In der Praxis wirst du mit dem einzelnen eher 1,5K/W und mit der
> Parallelschaltung 0,7K/W erreichen.

Wenn die Transistoren nicht alle paralellgeschaltet sind, und er sie 
nicht einfach direkt mit Wärmeleitpaste auf den Kühlkörper schrauben 
kann, sondern Glimmer oder Silikonisolatoren dazwischensetzten muss, 
noch nicht einmal das.....



Mit freundlichem Gruß: Bernd Wiebus alias dl1eic

http://www.dl0dg.de

Autor: arno nyhm (Gast)
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Wie Bernd eben schon erwähnte, wahrscheinlich gesellt sich auch noch der 
Wärmewiderstand eines Isoliermaterials hinzu!

Sind die von Dir angegebenen 1K/W der Wert des Kühlkörpers allein oder 
schon mit installiertem Lüfter?
...denn so ein Lüfter verändert die Sache drastisch! Der entsprechende 
Wärewiderstand des Kühlkörper sinkt sehr stark, schon bei recht kleinen 
Luftmengen, die eben mittels Lüfter forciert durch die 
Kühlkörperstruktur bewegt werden; also die Wärmeabgabe vom Kühlkörper 
zur Luft nicht allein durch Konvektion verbessert wird.

Sollten die 1K/W also für den alleinigen Kühlkörper stehen (ohne 
Lüfter!), werden sich die geforderten 0.25K/W für die Gesamtkonstruktion 
mit Lüftern ohne Probleme zu erzielen sein, in der Realität 
wahrscheinlich gar weit zu unterschreiten sein. Die Luftführung ist 
natürlich auch ein gewissenhaft zu bearbeitendes Problem, welches beim 
einsatz von Lüftern zu beachten ist.

Autor: Stephan (Gast)
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Bernd Wiebus schrieb:
> Wenn die Transistoren nicht alle paralellgeschaltet sind

4 solltens schon sein, um in den Bereich 0,7K/W zu kommen.

Die Angaben für Kühlkörper in der Klasse gehen auch von eher 
großflächigem Kontakt aus. TO-3 oder ähnliches.
Bei nem einzelnen TO-220 kommen alleine dadurch schnell 0,3K/W dazu (nur 
für den KK selbst, der Übergang Bauteil-KK kommt noch dazu).

Bernd Wiebus schrieb:
> und er sie
> nicht einfach direkt mit Wärmeleitpaste auf den Kühlkörper schrauben
> kann, sondern Glimmer oder Silikonisolatoren dazwischensetzten muss,
> noch nicht einmal das.....

Das kommt immer obendrauf. Die Angaben für den KK sind ja in der Regel 
an der Oberfläche des KK, direkt unter dem Bauteil ermittelt.

Autor: Arno H. (Gast)
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Autor: Arno H. (arno_h)
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Ein etwas älteres Dokument von Philips:
http://www.nxp.com/documents/application_note/APPCHP7.pdf
Die anderen Kapitel gibts auch noch bei NXP zum Download:
http://www.nxp.com/#/page/content=[f=/dynamic/appl...]


Arno

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