Die Fläche eines Kühlkörpers berechnen

Technik Elektronik & Elektrotechnik
#1

Hallo zusammen,

ich brauche für eine Diode einen Kühlkörper, da das Ding verdammt heiß wird. Die Formel zur Berechnung des Rth habe ich gefunden und kam auf den Wert ~15K/W. Damit kann man sich ja nun jede Menge fertige Kühlkörper bestellen. Ich wollte mir aber vielleicht selber eins basteln und möchte nun genau wissen nach welcher Formel ich die benötigte Fläche für einen Standard schwarzen 1,5mm starken Aluminiumkühlkörper berechne.

Hab zwar einfach mal die Maße aus dem Datenblatt zusammengerechnet von so einem Kühlkörper und bin auch auf eine entsprechende Fläche gekommen, aber eine Formel zur Berechnung fänd ich ganz toll.

Wenn da jemand helfen kann wo ich sowas finde, oder direkt hier reinschreiben wär das super!

Viele Dank
Andreas

#2

Hi,

Ptot = (tj - tu) / (RthJG + RthGK + RthK)

wobei:

Ptot = Gesamtverlustleistung
tj = Sperrschichttemperatur
tu = Umgebungstemperatur
RthJG = Wärmewiderstand Sperrschicht/Gehäuse
RthGK = Wärmewiderstand Gehäuse/Kühlkörper (Isolierscheibe)
RthK = Wärmewiderstand Kühlkörper

nicki

#3

Hi,

danke für die Antwort. Diese Formel habe ich auch gefunden, ebnfalls in einem Tabellenbuch :wink:

Aber wie gesagt ich würde gerne die Fläche (A in mm²) berechnen und nich die Leistung u.s.w. Ich will wissen wie groß das Blech sein muss.

Andreas

#4

Praxis
Hallo,

danke für die Antwort. Diese Formel habe ich auch gefunden,
ebnfalls in einem Tabellenbuch :wink:
Aber wie gesagt ich würde gerne die Fläche (A in mm²)
berechnen und nich die Leistung u.s.w. Ich will wissen wie
groß das Blech sein muss.

Das geht doch aus der Formel mit hervor bzw. kann daraus
abgeleitet werden.

Ptot = (tj - tu) / (RthJG + RthGK + RthK)

-> RthK -> Wärmewiderstand Kühlkörper
Der setzt sich nun aus dem Wärmewiderstand im
Kühlkörper selbst und dem Übergangswiderstand
von effektiver Oberfläche und Umgebungsluft zusammen.

Für den spez. Wärmeübergangskoeff.
Oberfläche-Luft (Konvektion) gibt’s eine Faustformel:

-> Wp = (5,6 + 4v) W/(m²x grd) (mit v in m/s, bis ca. 5m/s)

Du siehst, die Strömungsgeschw. (Einbaubed.) spielt dabei
eine gewisse Rolle. Enge Kühlrippen behindern die Konvektion
sehr stark (-> effektive Oberfläche wird kleiner an
reale Oberfläche).

Überhaupt ist es so, daß der Übergang Oberfläche-Luft
sehr schlecht ist und meist den größten Widerstands-
wert darstellt (andere dann eher vernachlässigbar).

Um einfach zu machen:
Für die Praxis kann ich Dir aber sagen, daß für Si-BE
(Transistoren/Dioden) pro ca. 6…8W eine Kühlkörperfläche
von 1dm² zweckmäßig ist.
Gruß Uwi

#5

Um einfach zu machen:
Für die Praxis kann ich Dir aber sagen, daß für Si-BE
(Transistoren/Dioden) pro ca. 6…8W eine Kühlkörperfläche
von 1dm² zweckmäßig ist.
Gruß Uwi

Hallo Uwi,

vielen Dank auch für deine Antwort. An meiner Diode (MBR10100 Schottky Diode)werden so ca. 7Watt an Wärme produziert. Laut einer formel, komme ich dann auf ein Rth von 15K/W. Ist eine sehr einfache Formel. Nur die maximal zulässige Wärme (150°) der Diode minus Umgebungstemperatur (40° angenommen) durch die Verluste (7Watt). Wenn man jetzt nach einem Kühlblech in Katalogen sucht findet man welche die ein Rth=15K/W aufweisen. Nur haben die nie und nimmer eine Fläche von 1dm² sondern wesentlich kleiner.

Bin jetzt etwas verwirrt, da ich so einen großen Kühlkörper nicht in meinem Gehäuse unterkriegen kann.

Gruß
Andreas

#6

Hallo Andreas,

bist Du Dir sicher, dass Du die Gesamtoberfläche gerechnet hast? Ich habe auch einen gesehen für TO-220, der hat 15 K/W, rein von der gerechneten Oberfläche kommt man bei dem vielleicht auf 50 cm². Aber auf der sicheren Seite ist man damit sicher nicht, wenn man rein rechnerisch herunter auf notwendige 15 K/W kommt.

Gruß

Dieter

#7

Hallo Andreas,

bist Du Dir sicher, dass Du die Gesamtoberfläche gerechnet
hast? Ich habe auch einen gesehen für TO-220, der hat 15 K/W,
rein von der gerechneten Oberfläche kommt man bei dem
vielleicht auf 50 cm². Aber auf der sicheren Seite ist man
damit sicher nicht, wenn man rein rechnerisch herunter auf
notwendige 15 K/W kommt.

Hallo Dieter,

ja auf dieses Ergebnis bin ich auch gekommen. Nach meiner Rechnung etwas um die 42cm² für 15K/W. Aber das ist ja trotzdem weniger als die Hälfte von 1dm². Und das ist bei meinen Platzanforderungen der Unterschied zwischen machbar und eben nicht mehr machbar :wink:
Naja, ich glaub ich werde es einfach mal ausprobieren. Mal schaun was passiert.

Andreas

#8

Hallo Andreas,

rein von der gerechneten Oberfläche kommt man bei dem
vielleicht auf 50 cm². Aber auf der sicheren Seite ist man
damit sicher nicht, wenn man rein rechnerisch herunter auf
notwendige 15 K/W kommt.

ja auf dieses Ergebnis bin ich auch gekommen. Nach meiner
Rechnung etwas um die 42cm² für 15K/W. Aber das ist ja
trotzdem weniger als die Hälfte von 1dm². Und das ist bei
meinen Platzanforderungen der Unterschied zwischen machbar und
eben nicht mehr machbar :wink:

Ich weiß jetzt nicht, ob die Teilkomponenten der Wärmewiderstände in der Berechnung richtig angenommen hast. Was hat die Diode denn für ein Gehäuse? Man darf es nicht unterschätzen, 6 W ist ganz hübsch viel Holz. Ich würde für den ‚Normalbetrieb‘ auf keinen Fall bis zur Sperrschichtmaximaltemperatur gehen.

Wie sehen die Platzverhältnisse aus? Flach oder mehr räumlich?

Um was für eine Schaltung handelt es sich? Vielleicht lässt sich ja auch die anfallende Wärmeleistung reduzieren.

Gruß

Dieter

#9

Hi Dieter,

Also die Diode ist in einem TO-220 Gehäuse. Laut Datenblatt liegt die „Operating Junction Temperature“ bei 150°C.

Wie sehen die Platzverhältnisse aus? Flach oder mehr räumlich?

Also Platz ist in alle Richtungen nicht viel. Deshalb wollte ich ja die Fläche für ein benötigtes Kühlblech ausrechnen um mir das selbst zu bauen, da Standard-Kühlbleche in der Größenordnung da nicht passen.

Um was für eine Schaltung handelt es sich? Vielleicht lässt
sich ja auch die anfallende Wärmeleistung reduzieren.

Es handelt sich um ein Schaltnetzteil mit einem angegebenen Wirkungsgrad von mindestens 70%. Das Ding liefert 12V und 2A. 30% davon sind 7,2Watt. Laut Datenblatt wird jeweils an den Regler und an die Diode ein Kühlblech von der Größe (15K/W) angebracht. Habs mit einem Aufbau auch hinbekommen und es läuft einwandfrei. Nur paßt das eben so nicht in das vorgesehene Gehäuse.

Deshalb wollt ich ein passendes Kühlblech konstruieren. Und gerne die Berechnungsformel für die Fläche mit dazu geben. Sonst weiß ich in einem Jahr auch nicht mehr, wieso ich das so dimensioniert habe :wink:

Gruß
Andreas

#10

Hallo,

vielen Dank auch für deine Antwort. An meiner Diode (MBR10100
Schottky Diode)werden so ca. 7Watt an Wärme produziert. Laut
einer formel, komme ich dann auf ein Rth von 15K/W. Ist eine
sehr einfache Formel. Nur die maximal zulässige Wärme (150°)
der Diode minus Umgebungstemperatur (40° angenommen) durch

die

Verluste (7Watt). Wenn man jetzt nach einem Kühlblech in
Katalogen sucht findet man welche die ein Rth=15K/W aufweisen.
Nur haben die nie und nimmer eine Fläche von 1dm² sondern
wesentlich kleiner.

Die empfohlene Größe für den Kühlkörper entspricht
normalen Praxisbedingungen mit durchschnittlichen
Umgebungsverhältnissen und berücksichtigt einen gewissen
Sicherheitsfaktor für den 0815-Bastler. Da geht man nicht
bis an die max. mögl. Grenzen!

Folgendes hätte ich zu Deinen Angaben zu bemerken:

- Ein Bauelement permanent dicht an der max. 
 Temperaturgrenze zu betreiben ist IMHO nicht gerade 
 Vorteilhaft. Die Ausfallwahrscheinlichkeit steigt 
 exponentiell mit der Temp. an. 
 Ich würde eher max. 120° anstreben, um eine gewisse 
 Zuverlässigkeit und Reserve für unvorhergesehene 
 Fälle (z.B kurze Überlast) zu haben. Gerade Schottky-
 dioden sind da sensibler als normale Si-Dioden.

- Die mittlere Temp. ist nicht die Spitzentemp. Auch auf 
 dem Chip kann es zu Hotspots kommen (zugegeben, nicht 
 unbedingt bei Dioden, aber bei höher integrierten IC 
 schon -\> Schaltregler)

- Die Umgebungstemp. von 40°C ist oft zu knapp gerechnet.
 Die gilt nur, wenn der Kühlkörper völlig frei in der 
 Gegend hängt. Falls da ein Gehäuse drum rum ist, kommt
 man schnell auf 15....20gdr höherer Temp. 
 Bei max. 35°C in der Umgebung also innerhaöb des 
 Gehäuses auch auf 50°C und mehr (von Deiner Konstruktion
 anhängig).

- Die messbare Oberfläche ist nicht gleich der effektiven 
 Oberfläche. Falls da enge Strukturen sind, mit kleiner 
 5mm sind, wird durch den erhöhten Strömungswiderstand
 die Konvektion behindert. Auch bei der Montage des 
 Kühlkörpers ist es oft so, daß eine Seite mehr verbaut 
 ist als die andere. Das reduz. ebenfall die eff. Oberfläche.

- Auch die Blechstärke und Konstruktion hat einen Einfluß 
 auf den Gesamtwärmewiderstand. Große Fläche mit dünnem
 Blech ist was anderes als ein dicker kompakter Körper. 
 -\> geringe Querschnittsfläche führt zu größerem Gradienten
 innerhalb des Kühlkörpers.

Bin jetzt etwas verwirrt, da ich so einen großen Kühlkörper
nicht in meinem Gehäuse unterkriegen kann.

Ich denke, daß Du da auch ein wenig mit der Wärmebilanz
daneben liegst. Bei 12V/2A werden in der Schottkydiode keine
6W verheizt. Die Verlustleistung ensteht zum größeren
Teil in Schaltregler (Step-Down-Regler oder sowas?).
Ein wenig auch der Drossel. Für die Diode würde ich mal
so mit ca. 2W rechnen.

Auch ist ein Gesamtwirkungsgrad von ca. 80% gut erreichbar.

Man kann auch das Gehäuse selbst als Kühlköper verwenden,
wenn die Blechstärke nicht zu gering ist.

Falls Du tatsächlich mit recht kleinem Kühlkörper auskommen
willst und bis an die Grenze des verträglichen gehen willst,
dann empfehle ich eine Übertemp.-Sicherung.

Gruß Uwi

#11

Hallo Andreas,

Also die Diode ist in einem TO-220 Gehäuse. Laut Datenblatt
liegt die „Operating Junction Temperature“ bei 150°C.

Es handelt sich um ein Schaltnetzteil mit einem angegebenen
Wirkungsgrad von mindestens 70%. Das Ding liefert 12V und 2A.
30% davon sind 7,2Watt. Laut Datenblatt wird jeweils an den
Regler und an die Diode ein Kühlblech von der Größe (15K/W)

Für 7 W an der Diode müssten so etwas um 6…8 A (effektiv) fließen, kann das sein? Ich denke nicht, dass sich der Regler und die Diode die Verlustleistung paritätisch teilen. Den Löwenanteil wird der Regler bekommen. Aber selbst wenn es sich paritätisch aufteilt, dann bekommt die Diode doch nur 3,5 W ab? Oder habe ich jetzt da was nicht verstanden?

Gruß

Dieter