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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Wärmewiderstand von einem Kühlkörper ermitteln


Autor: Peter S* (sandmannnn)
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moin Leut's,
hab mal eine allgemeine Frage.
könnt Ihr mir bitte erklären, wie man den Wärmewiderstand von einem 
Kühlkörper ermittelt ??

Hintergrund:

ich benötige für einen X-beliebigen Halbleiter einen Kühlkörper mit 
einer bestimmten Wärmeableitung pro Watt.
zb. 0,1K/W

nun gibt es zb. jede Menge CPU Kühlkörper, die zu recht günstigen 
Preisen zb. auf E-Bay angeboten werden.
bzw. man kann von diesen KK jede menge aus dem Computer oder 
Elektronik-Schrot recyceln.
Da wird aber nur angegeben für welchen Prozessoren die Dinger geeignet 
sind,
bzw. man weiß auf welchem Prozessor die Dinger montier waren, aber nicht 
die Wärmeleistung.

Bei Pollin u. E-Bay werden auch passive KK angeboten, da werden aber 
auch nur max. die Abmessungen
bekannt gegeben, aber nicht die Wärmeleistung.

Ich habe auch schon Geräte gesehen, wo die Halbleiter auf einen massiven 
Alu oder Kupferblock montiert waren.
aber das Muss sich doch berechnen oder ermitteln lassen.

meine Frage ist nun WIE

die ganze Zeit bin ich nach dem Verfahren vorgegeangen ( lieber ein 
bissel größer als zu klein )
also Pi mal Daumen. Hat auch bis jetzt immer gepasst.
aber jetzt werden die abzuführenden Leistungen größer.

lg
Peter

Autor: Tcf Kat (tcfkat)
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1) Der übliche Weg ist, im Datenblatt nachzuschlagen. Im Fischer Katalog 
findet man jede Menge KK mit Wärmewiderstand, dabei kann man in etwa 
einen unbekannten vorhandenen strangextrudierten KK abschätzen. Schwarz 
eloxiert oder blank spielt auch eine Rolle.
2) Messen. Z.B. 10W per Halbleiter verbraten, und Temperaturdifferenz 
messen.
Btw. ein KK von 0,1K/W dürfte ein ordentlicher Trümmer sein.
3) Rechnen. Mittels Thermodynamik und Numerischer Mathematik sicherlich 
nicht unlösbar, dürfte aber die sportlichste Variante sein.

Autor: 1315 (Gast)
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Das ist alles Andere als Trivial. Ein passiver Kuehlkoerper muss 
vertikal montiert sein, mit unten-und obendran einem Fuss frei. So kann 
man dann die Leistung im Gleichgewicht bestimmen. Zwanngsbelueftete 
haben andere Daten.

Autor: Peter S* (sandmannnn)
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1315 wrote:
> Das ist alles Andere als Trivial. Ein passiver Kuehlkoerper muss
> vertikal montiert sein, mit unten-und obendran einem Fuss frei. So kann
> man dann die Leistung im Gleichgewicht bestimmen. Zwanngsbelueftete
> haben andere Daten.

da hast du absolut recht. ich sehe das genau so.

Es mus einen weg geben, wie man das ermitteln kann.
( ev. auch ohne das man eine gigantisch Leistung zum Testen verkräht )

ich kann mir zb. auch vorstellen zwei Handel übliches Kühlprofile 
gegeneinander zu montieren und dann mit einem Lüfter durchzupusten.

Ich glaube aber nicht, das sich so eine Konstruktion Linear zu irgend 
was verhält.

>Rechnen. Mittels Thermodynamik und Numerischer Mathematik sicherlich
>nicht unlösbar, dürfte aber die sportlichste Variante sein.

da bin ich als Hauptschüler der mittlerweile fast 50 Jahre auf dem 
Buckel hat
viel zu doof zu.

es muss eine recht einfache Möglichkeit geben. An deinen Ansatz:
>2) Messen. Z.B. 10W per Halbleiter verbraten, und Temperaturdifferenz
>messen.

hab ich auch schon gedacht.



lg
Peter

Autor: madler (Gast)
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Wers unbedingt rechnen will, nimmt:
Wobei Ts die Oberflächentemperatur des Kühlkörpers ist, Ta die der 
Umgebung, A die Oberfläche des Kühlkörpers (mit allen Rippen usw), und E 
ein Faktor für die Emissivität des Material, zB 0.9 für "schwarzes" Alu, 
und 0.05 für blankes Alu
Das wars ;)

[aus Mohan, Power Electronics]

Autor: yyyy (Gast)
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Wie groß ist denn die Verlustleistung am Halbleiter ?

Autor: Peter S* (sandmannnn)
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yyyy wrote:
> Wie groß ist denn die Verlustleistung am Halbleiter ?

da gibt es im moment noch keine.

bei dem einen Projekt, welches mir vorschwebt kommen da zwischen
10 bis 500 Watt zustande.

alles was noch größer wird, wird eh mit Wasser gekühlt.

jetzt bekomm keinen Schreck. das ist ne Elektronische Last. :-))
( ich weiß, da ist ein CPU KK bissel klein für ;-) )

mir ging es hauptsächlich um besagte CPU KK weil die Dinger teilweise 
spott billig zu haben sind. Nur weiß ich halt nicht, wieviel die 
abkönnen.

und nach dem Prinzip try and error zu verfahern hab ich keine lust.

lg
Peter

Autor: Peter S* (sandmannnn)
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nur mal so als ganz einfaches Bespiel ohne zu Rechnen.

ich habe ein Netzteil, welches mir aus einer Trafowicklung 15V 500mA
und 5V 1,5A bringen soll.

Aufbau. zb.

Trafo 16V/2A AC, Gleichrichter, Siebelko, 7815 u. LM317

wenn ich nun die zwei Spannungsregler auf einen SK-88-75 der nun 
wirklich
nicht zu klein ist, schraube braucht den nach drei Stunden keiner mehr
mit den Fingern anfassen. ( das gibt Blasen )

schraub ich die zwei Regler auf einen aktiven KK von einem 486'er
ist der noch nicht mal hand warm.

lg
Peter

Autor: yyyy (Gast)
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Autor: Falk Brunner (falk)
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@ Peter S* (sandmannnn)

>mir ging es hauptsächlich um besagte CPU KK weil die Dinger teilweise
>spott billig zu haben sind. Nur weiß ich halt nicht, wieviel die
>abkönnen.

Pi Mal Daumen 0,5K/W. Das ist die Spezifikation, die AMD und Intel mal 
vor Jahren für die CPUs rausgegeben haben. Wie der aktuelle Stand ist 
weiss ich nicht. Allerdings gehe ich davon aus, dass die thermische 
Verlustleistung der CPUas heute ähnlich ist, durch bessere Prozesse 
schaffen die CPUs mehr Takt bei gleicher oder weniger Verlustleistung.

>und nach dem Prinzip try and error zu verfahern hab ich keine lust.

Da wirst du nicht drum herum kommen. Der ofizielle Weg ist, ein 
IC-Gehäuse vom selben Typ zu nehmen, welches später verbaut werden soll 
(TO220, TO3). Dort drin muss sich ein Heizelement (Widerstand, Diode, 
whatever) und ein Temperaturfühler befinden. Diese müssen konstruktiv 
genauso angebunden sein wie der IC/Transistor. Nun wird der IC am 
Kühlkörper montiert. Das Heielement wird mit einer konstanten 
elektrischen Leistung beaufschlagt (Strom und Spannung können gemessen 
werden) die zu 100% in Wärme umgesetzt wird und die Temperatur im 
Inneren des ICs gemessen. Damit hat man den Gesamtwärmewiderstand von 
der Sperrschicht (Junction) zur Umgebung (Am_bient, SPAM-Filter mag das 
Wort nicht).

Du siehst der Knackpunkt ist ein Bauteil zu finden, welches im gleichen 
Gehäuse ein Heizelement und Temperatursensor hat.

MFG
Falk

Autor: Christoph Kessler (db1uq) (christoph_kessler)
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0,9 zu 0,05 heißt, ein schwarz eloxierter Kühlkörper kühlt doppelt so 
gut?
Ich hätte nicht gedacht, das das soviel ausmacht. (Wobei die Farbe im 
Infraroten wichtig ist, nicht das sichtbare Schwarz)

Autor: Christoph Kessler (db1uq) (christoph_kessler)
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Aha Falk hat auch mal den Spamfilter getestet, am und bient ist mir auch 
schon passiert

Autor: Falk Brunner (falk)
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@ Christoph Kessler (Firma db1uq) (christoph_kessler)

>Aha Falk hat auch mal den Spamfilter getestet, am und bient ist mir auch
>schon passiert

Was ist an dem Wort SPAM?

MFG
Falk

Autor: madler (Gast)
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0,9 zu 0,05 wäre 18 fach so gut.
Hat mich auch gewundert.
Naja, die genaue Formulierng war: "für blankes Alu kann der Faktor bis 
herunter zu 0,05 sein"
Wenn es wirklich so übel ist, wundert mich ehrlich gesagt, dass 
Hersteller überhaupt blankes Alu benutzen. Vielleicht sieht es bei 
aktiver Kühlung anders aus ? (die Formel ist nur für passive Kühlung)

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

>0,9 zu 0,05 wäre 18 fach so gut.
>Hat mich auch gewundert.
>Naja, die genaue Formulierng war: "für blankes Alu kann der Faktor bis
>herunter zu 0,05 sein"
>Wenn es wirklich so übel ist, wundert mich ehrlich gesagt, dass
>Hersteller überhaupt blankes Alu benutzen. Vielleicht sieht es bei

Das ist doch nur der Anteil der Wärmeabgabe durch STRAHLUNG. Bei den 
meisten Kühlkörpern ist dieser Anteil aber eher gering, das meiste wird 
über Wärmeleitung und Konvektion abgeführt.

MfG
Falk

Autor: madler (Gast)
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Stimmt, hab ich auch gerade gemerkt.
Siehe auch 
http://de.wikipedia.org/wiki/K%C3%BChlk%C3%B6rper#...

Autor: Tom (Gast)
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Wenn es theoretisch nicht zu ermitteln ist, dann vielleicht 
experimentell. Dafür brauchst Du ein geeignetes Thermometer.

Eine Wärmequelle, z.B. einen Transistor im TO-220 Gehäuse, an den 
Kühlkörper montieren, mit Wärmeleitpaste. Den Transistor mit ordentlich 
Leistung P betreiben. Die Temperatur Tk an der Kühlkörper-Kontaktfläche 
messen und auch die Umgebungstemperatur Tu.

Rth = (Tk - Tu) / P

Autor: Moritz G. (mbydq2)
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Theoretisch ist es nicht zu ermitteln. Da gibt es nur empirische 
Faust-Formeln. Es kommt nicht nur auf die Größe und Form an, sondern 
auch auf die Lage/Ausrichtung und die Umgebung.
Die Formel mit
ist offensichtlich die IR-Strahlung, das sieht man sofort an der 
charakteristischen 4. Potenz.
Wenn man einen Lüfter einsetzt, steigt die Wärmeabfuhr dramatisch.
Vielleicht ein 80W Lötkolben und so ein berührungsloser Temperaturmesser 
als Test. Bei << 1 K/W geht das aber nicht, da braucht man schon mehr 
Leistung.
Wenn es nur darum geht Leistung zu testzwecken zu verbraten, eignen sich 
Glühlampen/Halogenleuchten.

Autor: Reinhard Kern (Gast)
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Hallo,

auch die komplizierteste Formel für den Wäremübergang ist hier nicht 
anwendbar - einfach weil ein KK keineswegs überall die gleiche 
Oberflächentemperatur hat, schon garnicht, wenn er stark in einzelne 
Rippen zergliedert ist. Die sind z.B. an der Spitze deutlich kühler als 
an der Basis. Da hilft nur messen.

Die Angaben im Katalog beruhen auch auf Messungen.

Gruss Reinhard

PS dazu kommen noch so nette Effekte wie die Tatsache, dass sich 
benachbarte Rippen gegenseitig anstrahlen...

Autor: Peter R. (pnu)
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Die Formel mit T-hoch-4 bezieht sich nur auf die Wärmestrahlung, 
ebenfalls der Faktor 0,9 bis 0,05 für die Art der Oberfläche.

Bei Temperaturdifferenzen Kühlkörper -Umgebung unter 40 Grad spielt die 
Strahlung sowieso praktisch keine Rolle. Da wird die Wärme per 
Konvektion abgeführt.

Ein Pi mal Daumen-Zuschlag von 10% bis 30% für die Schwärzung gegenüber 
dem ungeschwärzten Kühlkörper für den Strahlungsbeitrag ist manchmal in 
Beschreibungen für Kühlsterne usw. findbar, der dürfte aber erst ab so 
50 Grad Übertemperatur zutreffen.

Der Wärmewiderstand ist praktisch nicht genau berechenbar, denn  er 
hängt von Strömungswegen der erwärmten Luft, Verschmutzungsgrad durch 
Staub und vielen anderen Einflüssen ab.

Beim Anblasen mit Lüfter wirds ganz unübersichtlich, denn da hängt die 
Kühlwirkung z.B. von der Turbulenz der Kühlluftströmung ab.

Es handelt sich also praktisch immer nur um einen gemessenen Wert, der 
bei Meterware mit einfachen Formeln extrapoliert wird.

Autor: spess53 (Gast)
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Hi

@Moritz G. (mbydq2)

Hast du jetzt eine göttliche Eingebung gehabt, um einen 4 Jahre alten 
Thread
endlich zu einem glücklichen Ende zu führen?

MfG Spess

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