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Thermal

Kühlkörper-Rechner

Berechnen Sie den erforderlichen Wärmewiderstand des Kühlkörpers und die Sperrschichttemperatur für Leistungsgeräte

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Formel

θSA=(TJmax−TA)/PD−θJC−θCSθ_SA = (T_Jmax - T_A) / P_D - θ_JC - θ_CS

Referenz: JEDEC JESD51 thermal measurement standard

θ_SA— Wärmewiderstand vom Kühlkörper zur Umgebung (°C/W)
T_Jmax— Maximale Sperrschichttemperatur (°C)
T_A— Umgebungstemperatur (°C)
P_D— Verlustleistung (W)
θ_JC— Wärmewiderstand von der Verbindungsstelle zum Gehäuse (°C/W)
θ_CS— Wärmewiderstand von Gehäuse zu Kühlkörper (°C/W)

Wie es funktioniert

Der Wärmewiderstandsrechner für Kühlkörper berechnet die μSA-Anforderungen für einen sicheren Sperrschichttemperaturbetrieb — unverzichtbar für die Konstruktion von Stromversorgungen, Motorantrieben und das Wärmemanagement von Hochleistungsverstärkern. Wärmetechniker, Konstrukteure von Leistungselektronik und Techniker für Produktzuverlässigkeit verwenden diese Daten zur Dimensionierung von Kühlkörpern und zur Überprüfung der thermischen Margen. Gemäß JEDEC JESD51-12, Gesamtwärmewiderstand ωJA = JC + ΔCS + sA, wobei JC vom Halbleiterhersteller spezifiziert wird (TO-220:1—2°C/W, D²PAK: 0,5—1°C/W pro JEDEC), μCS hängt vom Schnittstellenmaterial ab (Wärmeleitpaste: 0,1°C/W, Trockenkontakt: 0,5°C/W, Wärmeleitpad: 0,2-0,5°C/W), und SA ist die Kühlkörperleistung. Kühlkörper mit natürlicher Konvektion erreichen, je nach Größe, μSA = 3-20°C/W; forcierte Luft bei 2 m/s verbessert die μSA um das 3-5fache gemäß den AAVID-Anwendungsdaten.

Bearbeitetes Beispiel

Wählen Sie den Kühlkörper für den LM7805-Regler, der 12 V in 5 V bei einer Last von 1 A umwandelt. Verlustleistung: Pd = (12 V - 5 V) × 1A = 7 W. Aus dem LM7805-Datenblatt: ΔJC = 4 °C/W (TO-220), Tj (max.) = 125 °C. Konstruktionsziel: Tj = 100 °C bei Ta = 50 °C (industrielle Umgebung). Erforderliche Gesamtmenge μJA: JA = (Tj — Ta) /Pd = (100 — 50) /7 = 7,14 °C/W. Mit Wärmeleitpaste Cs = 0,2 °C/W: SA (max.) = 7,14 — 4 — 0,2 = 2,94 °C/W. Wählen Sie Aavid 531202B02500G (SA = 2,5 °C/W, 50 mm × 50 mm × 25 mm). Überprüfen Sie: Tj = 50 + 7× (4 + 0,2 + 2,5) = 50 + 46,9 = 96,9 °C — innerhalb des Zielwerts von 100 °C mit einer Marge von 3 °C. Für Außenanwendungen (Ta = 70 °C) können Sie auf einen größeren Kühlkörper aufrüsten oder einen Lüfter hinzufügen.

Praktische Tipps

  • ✓Lassen Sie für natürliche Konvektion einen Mindestabstand von 10 mm um die Kühlkörperlamellen herum ein — ein blockierter Luftstrom erhöht den µSA um 50-100% gemäß den Richtlinien für das thermische Design
  • ✓Schwarz eloxierte Kühlkörper haben aufgrund der verbesserten Strahlung einen um 10-15% niedrigeren Sa-Wert als blankes Aluminium — signifikant nur bei ΔT > 40 °C über der Umgebungstemperatur
  • ✓Druckluft mit einer Geschwindigkeit von 2 m/s reduziert die μSA in der Regel um das 3- bis 5-fache; für spezielle Kühlkörper beachten Sie bitte die Herstellerkurven. Auswahl des Lüfters: 1 CFM pro 5 W für kleine Gehäuse gemäß dem Temperaturhandbuch von AAVID

Häufige Fehler

  • ✗Verwendung des Kühlkörpers μSA ohne Berücksichtigung der Montageausrichtung — vertikale Lamellen mit natürlicher Konvektion haben einen um 20-30% niedrigeren μSA als horizontale; die Herstellerangaben gehen von einer optimalen Ausrichtung aus
  • ✗Ignorieren des thermischen Grenzflächenwiderstands — das Weglassen von ΔCs = 0,5°C/W (Trockenkontakt) unterschätzt Tj bei typischen Leistungsstufen um 3-5°C; immer Wärmeleitpaste verwenden
  • ✗Unter der Annahme einer linearen Skalierung mit der Leistung — bei hoher Leistungsdichte (>1 W/cm²) wird die Kühlkörperoberfläche thermisch gesättigt; verwenden Sie eine CFD-Simulation oder reduzieren Sie den veröffentlichten μSA um 20-30%

Häufig gestellte Fragen

Der Wärmewiderstand θ (°C/W) entspricht dem elektrischen Widerstand: ΔT = θ × P (vergleiche V = R × I). Es quantifiziert, wie viel Temperaturanstieg pro Watt Verlustleistung auftritt. Ein niedrigerer θ bedeutet eine bessere Wärmeübertragung. Typische Werte: TO-220 μJC = 1—2°C/W, Wärmeleitpaste μCS = 0,1-0,2°C/W, kleiner aufsteckbarer Kühlkörper μSA = 10—20 °C/W, großer extrudierter Kühlkörper μSA = 1-3 °C/W.
Vom Gehäusedesign her ist das JC festgelegt und kann vom Anwender nicht verbessert werden — es stellt den grundlegenden thermischen Engpass dar. Stromversorgungspakete (D²PAK, TO-247) erreichen μJC < 1 °C/W; oberflächenmontierbare Gehäuse (SOIC, QFP) haben μJC = 20-100 °C/W. Für Hochleistungsanwendungen ist die Gehäuseauswahl entscheidend: Ein 10-W-Gerät in SOIC-8 (μJC = 40 °C/W) steigt um 400 °C an, bevor es das Gehäuse erreicht.
Die Umgebungstemperatur Ta legt die Basislinie fest — alle Temperaturerhöhungen addieren sich zu Ta. Industriedesigns verwenden Ta = 50-70 °C; Unterhaltungselektronik verwendet Ta = 35-45 °C. Um Ta von 25 °C auf 50 °C zu erhöhen, muss entweder die Verlustleistung um 25 °C/JA Watt reduziert werden oder die μJA proportional verbessert werden. Entwerfen Sie gemäß den IPC-9592B-Zuverlässigkeitsrichtlinien stets die ungünstigsten Umgebungsbedingungen.
μJC: je nach Paket behoben (wählen Sie ein Paket mit niedrigerem JC-Wert wie D²PAK statt TO-220). μCS: Verwenden Sie Wärmeleitpaste (0,1 °C/W) anstelle von trockenem Kontakt (0,5 °C/W) oder verwenden Sie Phasenwechselmaterial (0,05 °C/W). Das Gesamtsystem μJA kann von 50 °C/W (kein Kühlkörper) auf <2 °C/W (optimierte Flüssigkeitskühlung) reduziert werden.
Kurzfristig: erhöhte Rds (on) für MOSFETs (1,5-2× bei Tj (max)), reduzierter HFE-Wert für BJTs, mögliche thermische Abschaltung (Schutzfunktion in vielen ICs). Langfristig: beschleunigter Verschleiß pro Arrhenius-Modell — alle 10 °C über dem Designziel halbiert sich die erwartete Lebensdauer. Laut JEDEC JEP122H führt ein kontinuierlicher Betrieb bei Tj (max.) zu einer MTTF von 1000—10.000 Stunden; bei einem Betrieb bei Tj (max.) — 50 °C wird eine MTTF von über 100.000 Stunden erreicht.

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