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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 θSA Anforderungen an einen sicheren Betrieb Sperrschichttemperatur— unverzichtbar für die Konstruktion der Stromversorgung, Motorantriebe 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 ist der Gesamtwärmewiderstand θJA = θJC + θCS + θSA, wobei θJC vom Halbleiterhersteller spezifiziert wird (TO-220:1—2°C/W, D²PAK: 0,5-1°C/W gemäß JEDEC), θCS vom Schnittstellenmaterial abhängt (Wärmeleitpaste: 0,1 °C/W, Trockenkontakt: 0,5 °C/W, Wärmeleitpad: 0,2-0,5 °C/W) und θSA ist die Kühlkörperleistung. Kühlkörper mit natürlicher Konvektion erreichen je nach Größe θSA = 3-20°C/W; Umluft bei 2 m/s verbessert sich θSA um das 3-5fache gemäß den AAVID-Anwendungsdaten.

Rechenbeispiel

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: θJC = 4°C/W (TO-220), Tj (max.) = 125 °C. Konstruktionsziel: Tj = 100 °C bei Ta = 50 °C (industrielle Umgebung). Erforderliche Summe: θJA: θJA = (Tj — Ta) /Pd = (100 — 50) /7 = 7,14°C/W. Mit Wärmeleitpaste: θCS = 0,2°C/W: θSA(max) = 7.14 - 4 - 0.2 = 2,94°C/W. Wählen Sie Aavid 531202B02500G (θSA = 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

  • ✓Um eine natürliche Konvektion zu erreichen, lassen Sie einen Mindestabstand von 10 mm um die Kühlkörperlamellen herum ein — blockierter Luftstrom erhöht sich θSA gemäß den Richtlinien für das thermische Design um 50-100%
  • ✓Schwarz eloxierte Kühlkörper haben aufgrund der verbesserten Strahlung einen um 10-15% niedrigeren θSA als blankes Aluminium — signifikant nur bei ΔT > 40°C über der Umgebungstemperatur
  • ✓Bei einer Druckluft von 2 m/s wird der θSA -Wert in der Regel um das 3-5-Fache reduziert. Beachten Sie die Herstellerkurven für spezielle Kühlkörper. Auswahl des Lüfters: 1 CFM pro 5 W für kleine Gehäuse gemäß dem Temperaturhandbuch von AAVID

Häufige Fehler

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

Häufig gestellte Fragen

Der Wärmewiderstand θ (°C/W) entspricht dem elektrischen Widerstand: ΔT = θ × P (vergleiche mit V = R × I). Er beziffert, wie stark der Temperaturanstieg pro Watt Verlustleistung auftritt. Niedrigerer θ bedeutet eine bessere Wärmeübertragung. Typische Werte: TO-220 θJC = 1-2°C/W, Wärmeleitpaste θCS = 0,1-0,2°C/W, kleiner aufsteckbarer Kühlkörper θSA = 10-20°C/W, großer extrudierter Kühlkörper θSA = 1-3°C/W.
θJC ist durch das Verpackungsdesign festgelegt und kann vom Benutzer nicht verbessert werden — er stellt den grundlegenden thermischen Engpass dar. Stromversorgungspakete ( (D²PAK, to-247) erreichen θJC < 1°C/W; oberflächenmontierbare Gehäuse (SOIC, QFP) haben θJC = 20-100°C/W. Für Hochleistungsanwendungen ist die Gehäuseauswahl entscheidend: Ein 10-W-Gerät in SOIC-8 (θJC = 40°C/W) steigt um 400 °C an, bevor das Gehäuse überhaupt erreicht wird.
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/θJA Watt reduziert oder θJA proportional verbessert werden. Entwerfen Sie gemäß den IPC-9592B-Zuverlässigkeitsrichtlinien stets die ungünstigsten Umgebungsbedingungen.
θJC: je nach Paket festgelegt (wählen Sie lower-θJC Paket wie D²PAK statt TO-220) . θCS: Verwenden Sie Wärmeleitpaste (0,1 °C/W) anstelle von trockenem Kontakt (0,5 °C/W) oder verwenden Sie Phasenwechselmaterial (0,05 °C/W) . θSA: größere Kühlkörperfläche, mehr Lamellen, Umluft (3-5-fache Verbesserung) oder Flüssigkeitskühlung (10-fache Verbesserung). Das Gesamtsystem θJA 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 laut 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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