https://rn-wissen.de/wiki/api.php?action=feedcontributions&user=BMS&feedformat=atomRN-Wissen.de - Benutzerbeiträge [de]2024-03-29T11:07:47ZBenutzerbeiträgeMediaWiki 1.25.1https://rn-wissen.de/wiki/index.php?title=K%C3%BChlk%C3%B6rper&diff=27919Kühlkörper2016-09-13T08:26:18Z<p>BMS: SO-8 nochmal</p>
<hr />
<div>{{Baustelle|BMS}}<br />
<br />
Dieser Artikel behandelt die Grundlagen zu Kühlkörpern.<br />
<br />
[[Bild:kuehlkörper-uebersicht.jpg|thumb|Verschiedene Kühlkörper, links ein TO220-Gehäuse zum Größenvergleich]]<br />
<br />
=Einleitung=<br />
<br />
'''Wieso sind überhaupt Kühlkörper in technischen Geräten erforderlich?'''<br />
<br />
Kein Gerät kann einen 100-prozentigen Wirkungsgrad erzielen und somit tritt Verlustleistung auf. Diese Verlustleistung führt zur Erwärmung der Bauteile. Kühlkörper sollen die Entwärmung verbessern, indem die entstehende Wärme auf eine große Fläche verteilt wird und durch Konvektion an der Luft auskühlen kann. Die Temperatur an den heißen Bauteilen ist mit Kühlkörper geringer als ohne Kühlkörper.<br />
<br />
'''Wieso sind hohe Bauteiltemperaturen ungünstig?'''<br />
<br />
Die Lebensdauer aller elektronischen Bauteile ist stark von der Temperatur abhängig. Als Faustregel gilt: Eine Temperaturerhöhung um 10 Grad führt zur Halbierung der Lebensdauer. Außerdem gibt es Grenztemperaturen, die nicht überschritten werden dürfen. Beispielsweise dürfen Halbleiter keine Temperatur über 150°C erreichen. Platinenmaterial FR4 sollte 125°C (sog. Erweichungspunkt) nicht überschreiten. Extrembeispiele sind die Schmelztemperatur von Isolierungen, Lötzinn etc... sowie Brandgefahr durch hohe Temperaturen. Viele Bauteile können ohne vernünftige Kühlung nicht ihren vollen Funktionsumfang erreichen, liefern dann z.B. geringere Maximalströme oder es greift die Temperaturabschaltung. Anders formuliert: Die maximale Leistung eines Bauteils oder Geräts wird durch seine Entwärmung bestimmt! Zur eigenen Sicherheit bietet es sich zudem an, die Temperaturen niedrig zu halten, sodass man sich am Gerät nicht die Finger verbrennen kann ;)<br />
<br />
=Wärmeübertragung=<br />
Prinzipiell kann Wärmeübertragung über Wärmeleitung, Konvektion und Wärmestrahlung geschehen. In vielen Anwendungen treten mehrere Mechanismen gleichzeitig auf. Welcher Mechanismus hauptsächlich auftritt, ist von der mechanischen Anordnung, den Materialien und der Temperatur abhängig. Wärmeleitung und Konvektion sind die wichtigsten Arten der Wärmeübertragung, die in der Praxis auftreten. Nun zu den einzelnen Effekten:<br />
<br />
*'''Wärmeleitung'''<br />
*: Bei der Wärmeleitung wird die Wärme über einen direkten mechanischen Kontakt (Bsp. IC <math>\rightarrow</math>Kühlkörper) übertragen. Den beteiligten Materialien wird jeweils eine spezifische Wärmeleitfähigkeit <math>\lambda</math> zugeordnet, dazu später mehr.<br />
<br />
*'''Konvektion'''<br />
*: Mit Konvektion wird die Strömungsbewegung in Flüssigkeiten und Gasen bezeichnet. Praxisbeispiele sind die Wärmeabgabe eines Kühlkörpers an die Umgebungsluft oder auch eine Wasserkühlung. Von erzwungener Konvektion spricht man, wenn die Strömung durch z.B. einen Ventilator/Lüfter oder eine Wasserpumpe hervorgerufen wird. Im Vakuum kann keine Konvektion auftreten.<br />
<br />
*'''Wärmestrahlung'''<br />
*: Wärmestrahlung ist elektromagnetische Strahlung (hauptsächlich Infrarot und sichtbares Licht), die vom heißen Festkörper abgestrahlt wird. Sie wird erst bei höheren Temperaturen relevant und ist bei den üblichen Kühlkörpertemperaturen meist zu vernachlässigen. Erwähnt werden soll zudem, dass Wärmestrahlung der einzige Mechanismus der Wärmeleitung ist, welcher im Vakuum auftreten kann. (Für Details zu Wärmestrahlung siehe auch: Plancksches Strahlungsgesetz und Schwarzer Strahler).<br />
<br />
=Materialien=<br />
Jedes Material besitzt eine spezifische Wärmeleitfähigkeit, welche angibt, wie gut dieses Material Wärme weiter transportieren kann. Die spezifische Wärmeleitfähigkeit ist unabhängig von der Geometrie des Materials, wird mit der Größe <math>\lambda</math> (Lambda) ausgedrückt und erhält die Einheit <math>\frac{W}{m \cdot K}</math>.<br />
<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
|-<br />
| '''Material''' || '''<math>\lambda</math> in <math>\left[ \frac{W}{m \cdot K} \right]</math>'''<br />
|-<br />
| Silber || 430<br />
|-<br />
| Kupfer || 400<br />
|-<br />
| Aluminium || 230<br />
|-<br />
| Silizium || 140 <br />
|-<br />
| Wärmeleitpaste || 5 ... 10<br />
|-<br />
| Glas || 0,7<br />
|-<br />
| Wasser || 0,5<br />
|-<br />
| Platinenmaterial FR4 || 0,2 ... 0,5<br />
|-<br />
| Luft || 0,02<br />
|}<br />
<br />
Die meisten Kühlkörper werden aus Aluminiumlegierungen hergestellt. Für Aluminium spricht seine relativ hohe Wärmeleitfähigkeit, die hohe Verfügbarkeit und geringe Dichte. Im Vergleich zu Kupfer und Silber ist Aluminium deutlich kostengünstiger. Darüber hinaus lässt sich Aluminium mechanisch gut verarbeiten. Kupfer wird mit seiner höheren Wärmeleitfähigkeit z.B. bei Heatpipes eingesetzt.<br />
<br />
todo<br />
<br />
Wärmewiderstand <math>R_{th}=\frac{d}{\lambda \cdot A}</math><br />
<br />
d: Materialdicke, welche für die Wärmeleitung relevant ist<br />
<br />
<math>\lambda</math>spezifische Wärmeleitfähigkeit des Materials<br />
<br />
A: Querschnitts-/Kontaktfläche<br />
<br />
=Definitionen=<br />
Um vorauszusagen, wie sich die Temperaturen in einer Schaltung verhalten, bedient sich der Ingenieur - wie auch bei vielen anderen Anwendungen - eines Ersatzschaltbildes (ESB). Zur Erstellung eines thermischen Ersatzschaltbildes muss man sich aber zunächst mit den thermischen Größen vertraut machen.<br />
<br />
Die Temperaturen werden mit dem griechischen Buchstaben Theta <math>\theta</math> gekennzeichnet. Temperaturen werden in Grad Celsius (°C), Temperaturdifferenzen in Kelvin (K) angegeben. (Am Rande: Es existiert auch eine Kelvinskala mit dem absoluten Nullpunkt 0 K=-273,15°C). Die Temperaturen werden außerdem noch mit einem Index gekennzeichnet, abhängig von der mechanischen Stelle, an der sie auftreten:<br />
<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
|-<br />
| Symbol || Index || Bedeutung<br />
|-<br />
| <math>\vartheta_{J}</math> || J=Junction || Sperrschichttemperatur des Halbleiters<br />
|-<br />
| <math>\vartheta_{C}</math> || C=Case || Gehäusetemperatur des Bauteils<br />
|-<br />
| <math>\vartheta_{H}</math> || H=Heat Sink || Temperatur des Kühlkörpers<br />
|-<br />
| <math>\vartheta_{A}</math> || A=Ambient || Umgebungstemperatur<br />
|}<br />
<br />
Die Verlustleistung eines Bauteils beschreibt die Größe <math>P_{V}</math> und wird, wie allgemein bekannt, in Watt angegeben.<br />
<br />
Als neue Größe wird nun der thermische Widerstand eingeführt, dieser wird mit <math>R_{th}</math> beschrieben und bekommt die Einheit <math>\frac{K}{W}</math>. <br />
<br />
Für die thermischen Größen gibt es, ähnlich dem Ohmschen Gesetz, einen linearen Zusammenhang. Dieser lautet<br />
<br />
<math>R_{th}=\frac{\vartheta_{ü}}{P_{V}}</math><br />
<br />
todo<br />
<br />
'''Vergleich elektrischer und thermischer Größen'''<br />
<br />
Insgesamt können wir nun eine Analogie zwischen bekannten elektrischen Größen und den thermischen Größen angeben. Die schon gelernten Prinzipien zur Lösung linearer Netzwerke lässt sich auch bei den thermischen Ersatzschaltbildern anwenden.<br />
<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
|-<br />
| elektrisch || thermisch<br />
|-<br />
| Spannung U || Temperatur <math>\vartheta</math><br />
|-<br />
| Strom I || Verlustleistung <math>P_{V}</math><br />
|-<br />
| Widerstand R || thermischer Widerstand <math>R_{th}</math><br />
|}<br />
<br />
=Statisches Ersatzschaltbild=<br />
Mit den thermischen Zusammenhängen haben wir uns inzwischen vertraut gemacht. Nun können wir damit beginnen, thermische Ersatzschaltbilder von einfachen Anordnungen zu erstellen. Mit solchen Modellen können Temperaturen, wie z.B. die Chiptemperatur, vorab berechnet werden. Für die Berechnung müssen Wärmewiderstände, Umgebungstemperatur und Verlustleistung bekannt sein, da sie in die Berechnung einfließen.<br />
<br />
Bei den thermischen Ersatzschaltbildern kann man ein statisches oder ein dynamisches Ersatzschaltbild erstellen. Bei den statischen Ersatzschaltbilder wird davon ausgegangen, dass alle Größen zeitlich konstant sind, bzw. sofort ihre Solltemperatur entsprechend dem Modell annehmen. In der Realität dauert es natürlich eine gewisse Zeit, bis sich alle beteiligten Materialien aufgeheizt haben. Die Temperaturen des statischen Modells werden dabei erst nach einer bestimmten Zeit erreicht. <br />
<br />
Für die meisten Anwendungen genügt es jedoch, das statische thermische Ersatzschaltbild zu erstellen und den Kühlkörper dem entsprechend zu dimensionieren. Die Kühlung wird z.B. auf die maximale oder die mittlere auftretende Verlustleistung dimensioniert. Es wurde bereits erwähnt, dass sich die Bauteiltemperatur auf dessen Lebensdauer auswirkt. Dabei gilt: je niedriger die Bauteiltemperatur, desto länger die zu erwartende Lebensdauer. Je nach Anwendung und Rahmenbedingungen muss eventuell ein Kompromiss zwischen Kühlkörpergröße/kosten und Gerätelebensdauer gewählt werden. Beispielsweise kann der verfügbare Platz, ein Gesamtgewicht oder eine Kostenvorgabe begrenzender Faktor sein. Für einen dauerhaften sicheren Betrieb muss der Kühlkörper und weitere beteiligte Materialien für den worst case ausgelegt oder sogar überdimensioniert werden.<br />
<br />
==Bauteil ohne Kühlkörper==<br />
Um den Umgang mit den thermischen Ersatzschaltbildern zu lernen, soll zunächst mit einem einfachen Beispiel begonnen werden. In diesem Fall wird der Wärmeübergang von einem einzelnen Bauteil zu Luft betrachet, es kommt zunächst also noch kein Kühlkörper zum Einsatz. Das Ersatzschaltbild sieht in diesem Fall folgendermaßen aus:<br />
<br />
[[Bild:Therm-esb1.png|450px]]<br />
<br />
Die am Bauteil entstehende Verlustleistung ist Ursache der Abwärme und wird im thermischen Ersatzschaltbild als ideale Stromquelle modelliert.<br />
<br />
Die Abwärme gelangt nun über den Weg Sperrschicht (Junction) <math>\rightarrow</math> Bauteilgehäuse (Case) <math>\rightarrow</math> Umgebung (Ambient) nach außen. Im Ersatzschaltbild ist jeder Übergang als thermischer Widerstand modelliert. Die genauen Zahlenwerte der Wärmewiderstände lassen sich in der Regel dem Datenblatt des Bauteils entnehmen. Benötigt werden die Werte für <math>R_{th(jc)}</math> und <math>R_{th(ca)}</math>. In manchen Datenblättern findet man die Angabe <math>R_{th(ja)}</math>, was der Reihenschaltung aus den beiden vorher genannten Werten entspricht, also <math>R_{th(ja)}=R_{th(jc)}+R_{th(ca)}</math>.<br />
<br />
Die Umgebungstemperatur wird als ideale Spannungsquelle modelliert. Sämtliche Spannungen im Ersatzschaltbild entsprechen den auftretenden Temperaturen.<br />
<br />
Da es sich nun um ein lineares Netzwerk handelt, gelten hier ebenfalls die Kirchhoff'schen Gleichungen. Relativ leicht lässt sich nun die Temperatur am Bauteilgehäuse (Case) und der Sperrschicht (Junction) berechnen:<br />
<br />
<math>\vartheta_{c}=\vartheta_{a}+R_{th(ca)} \cdot P_{V}</math><br />
<br />
<math>\vartheta_{j}=\vartheta_{a}+R_{th(jc)} \cdot P_{V}+R_{th(ca)} \cdot P_{V}=\vartheta_{a}+(R_{th(jc)}+R_{th(ca)}) \cdot P_{V}=\vartheta_{a}+R_{th(ja)} \cdot P_{V}</math><br />
<br />
Da die thermischen Widerstände bei der Reihenschaltung auch zusammengefasst werden dürfen, beschreibt folgendes thermisches Ersatzschaltbild den gleichen Zusammenhang. Nachteil ist hier allerdings, dass die Temperatur am Gehäuse nicht modelliert wird.<br />
<br />
[[Bild:Therm-esb0.png|300px]]<br />
<br />
===Derating===<br />
<br />
Die Überlegungen zur Sperrschichttemperatur kann auch anders interpretiert werden. Gibt man die Sperrschichttemperatur vor, kann man die maximal erlaubte Verlustleistung des Bauteils in Abhängigkeit der Umgebungstemperatur bestimmen. Die folgende Formel erhält man aus Umformung der oberen Gleichung:<br />
<br />
<math>P_{V} \leq \frac{\vartheta_{j}-\vartheta_{a}}{R_{th(ja)}}</math><br />
<br />
Bei Halbleitern darf idR. die Sperrschichttemperatur nicht 150°C überschreiten. Der thermische Widerstand wird hauptsächlich durch das Gehäuse vorgegeben. Aus der Formel sieht man nun folgendes: Je höher die Umgebungstemperatur, desto geringer fällt die maximal erlaubte Verlustleistung aus. Diesen Zusammenhang bezeichnet man auch als '''Derating'''. Der typische Verlauf sieht meist so aus:<br />
<br />
[[Bild:Derating.png|300px]]<br />
<br />
Die Derating-Formel gilt im Bereich <math>\vartheta_{1} ... \vartheta_{max}</math>. Für Temperaturen unter <math>\vartheta_{1}</math> darf die Maximalleistung <math>P_{max}</math>des Bauteilgehäuses nicht überschritten werden. <math>\vartheta_{1}</math> liegt bei meist 25°C. Den genauen Verlauf kann man dem Datenblatt des betreffenden Bauteils entnehmen.<br />
<br />
===Beispielrechnung===<br />
<br />
Ein Spannungsregler vom Typ 7805 im TO220-Gehäuse soll ohne Kühlkörper betrieben werden. Wie hoch ist die maximal erlaubte Verlustleistung, wenn die Sperrschichttemperatur 120°C nicht überschreiten soll und die Umgebungstemperatur 25°C beträgt?<br />
<br />
Zunächst werfen wir einen Blick ins Datenblatt des Spannungsreglers und entnehmen die Angaben für die thermischen Widerstände. Dann halten wir alle gegebenen Größen fest:<br />
<br />
*'''Gegeben'''<br />
*:* <math>R_{th(jc)}=5 \frac{K}{W}</math> (aus dem Datenblatt)<br />
*:* <math>R_{th(ja)}=62 \frac{K}{W}</math> (aus dem Datenblatt)<br />
*:* <math>\vartheta_{j}=125°C</math><br />
*:* <math>\vartheta_{a}=25°C</math><br />
*'''Gesucht'''<br />
*:* <math>P_{v,max}</math><br />
*'''Rechnung'''<br />
*:Wir verwenden die Formel von oben und erhalten als Ergebnis<br />
*:<math>P_{V,max} = \frac{\vartheta_{j}-\vartheta_{a}}{R_{th(ja)}} = \frac{120°C-25°C}{62\frac{K}{W}} = \frac{95K}{62\frac{K}{W}} \approx 1,5 Watt</math><br />
*:Die maximal erlaubte Verlustleistung des Spannungsreglers ohne Kühlkörper darf demnach 1,5 Watt nicht überschreiten.<br />
*'''Zusatz'''<br />
*:Mit unserem Ersatzschaltbild können wir außerdem die Temperatur des Gehäuses (Case) des Spannungsreglers angeben. Dafür benötigen wir noch die Angabe <math>R_{th(ca)}</math>, welche allerdings im Datenblatt nicht angegeben ist.<br />
*:Da wir aber wissen, dass <math>R_{th(ja)}=R_{th(jc)}+R_{th(ca)}</math> gilt, können wir die fehlende Größe ausrechnen. Diese ist<br />
*:<math>R_{th(ca)}=R_{th(ja)}-R_{th(jc)}=62\frac{K}{W}-5\frac{K}{W}=57\frac{K}{W}</math>.<br />
*:Nun lässt sich die Gehäusetemperatur berechnen:<br />
*:<math>\vartheta_{c}=\vartheta_{a}+R_{th(ca)} \cdot P_{V}=25°C+57\frac{K}{W} \cdot 1,5 W \approx 111 °C</math><br />
*'''Bemerkung'''<br />
*:In der Praxis wird einem TO220-Gehäuse ungekühlt eine maximale Verlustleistung von 1 Watt zugerechnet. Die Temperaturen sind niedriger, die Lebensdauer des Bauteils höher.<br />
<br />
==Bauteil mit Kühlkörper und T.I.M.==<br />
<br />
Der Betrieb eines ICs ohne Kühlkörper, wie im vorigen Abschnitt beschrieben, funktioniert nur bei kleinen Leistungen und führt meist auch zu einer verringerten Lebensdauer des Bauteils. Viele Bauteile können ihre angegebenen Maximalwerte nur bei vernünftiger Kühlung erreichen. In diesem Abschnitt wird nun ein typisches Szenario mit Kühlkörperberechnung vorgestellt.<br />
<br />
Befassen wir uns zunächst mit der typischen mechanischen Anordnung. Das zu kühlende IC wird thermisch an einen Kühlkörper gekoppelt. In der Praxis wird man das IC aber nicht direkt auf dem Kühlkörper befestigen, sondern über ein sogenanntes ''thermisches Interface-Material'' (T.I.M.), um Unebenheiten und mechanische Abstände auszugleichen oder um für Insolierung zu sorgen. Details zum T.I.M. folgen im Unterabschnitt. Die typische Anordnung zeigt die folgende Abbildung.<br />
<br />
[[Bild:kuehlkoerper-anordnung.png|300px]]<br />
<br />
Folgende thermischen Widerstände treten hier in Kraft:<br />
*<math>R_{th(jc)}</math> für den Übergang Chip zu Bauteilgehäuse<br />
*<math>R_{th(ch)}</math> für den Übergang Bauteilgehäuse zu Kühlkörper (also über das T.I.M.)<br />
*<math>R_{th(ha)}</math> für den Übergang Kühlkörper zur Umgebung<br />
<br />
Aus diesen thermischen Widerständen wird ein thermisches Ersatzschaltbild angefertigt. Dieses zeigt die nächste Abbildung.<br />
<br />
[[Bild:Therm-esb2.png|700px]]<br />
<br />
Zunächst soll die Formel zur Berechnung der Chiptemperatur aufgestellt werden, die Formel erhält man wieder durch die Anwendung der Kirchhoffschen Gleichungen im Ersatzschaltbild.<br />
<br />
<math>\vartheta_{j}=\vartheta_{a}+(R_{th(jc)}+R_{th(ch)}+R_{th(ha)}) \cdot P_{V}</math><br />
<br />
Die Formel wird in der Praxis jedoch in einer anderen Form benötigt. Meist steht man als Entwickler vor der Aufgabe, den erforderlichen thermischen Widerstand <math>R_{th(ha)}</math> des Kühlkörpers zu bestimmen, sofern die Größen Umgebungstemperatur, Sperrschichttemperatur, Verlustleistung sowie die verbleibenden thermischen Widerstände gegeben sind. Anhand des berechneten Wärmewiderstands des Kühlkörpers können dann aus Produktkatalogen geeignete Kühlkörper bestimmt werden.<br />
<br />
Wir müssen dafür also die Gleichung nach <math>R_{th(ha)}</math> auflösen. Wir erhalten die praxisübliche Berechnungsformel:<br />
<br />
<math>R_{th(ha)}=\frac{\vartheta_{j}-\vartheta_{a}}{P_{V}}-R_{th(jc)}-R_{th(ch)}</math><br />
<br />
In manchen Quellen enthält diese Formel außerdem Korrekturfaktoren, die z.B. die Einbaulage o.ä. berücksichtigen können.<br />
<br />
===Beispielrechnung===<br />
<br />
Für einen Spannungsregler vom Typ 7805 im TO220-Gehäuse soll ein Kühlkörper dimensioniert werden. Die Eingangsspannung des Reglers beträgt 12V, die Ausgangsspannung von 5V wird mit 500mA belastet. Die Umgebungstemperatur sei 30°C. Der Spannungsregler wird mit Wärmeleitpaste auf dem Kühlkörper montiert, für diesen Wärmewiderstand wird 0,5 K/W angenommen. Welchen Wärmewiderstand darf der Kühlkörper höchstens haben, wenn als maximale Sperrschichttemperatur 110°C angenommen wird?<br />
<br />
Diese Aufgabe kann so durchaus in der Praxis auftreten. Von den vielen Angaben darf man sich zunächst nicht verunsichern lassen. Wir verwenden das gezeigte thermische Ersatzschaltbild. Für die Rechnung benötigen wir außerdem noch den thermischen Widerstand <math>R_{th(jc)}</math> aus dem Datenblatt.<br />
<br />
*'''Gegeben'''<br />
*:<math>R_{th(jc)}=5 \frac{K}{W}</math> (aus dem Datenblatt)<br />
*:<math>R_{th(ch)}=0,5 \frac{K}{W}</math><br />
*:<math>\vartheta_{j}=110°C</math><br />
*:<math>\vartheta_{a}=30°C</math><br />
*:<math>U_{ein}=12V</math><br />
*:<math>U_{aus}=5V</math><br />
*:<math>I=0,5A</math><br />
*'''Gesucht'''<br />
*:<math>R_{th(ha)}</math><br />
*'''Rechnung'''<br />
*:Zunächst muss die Verlustleistung am Regler berechnet werden. Diese beträgt<br />
*:<math>P_V=P_{Ein}-P_{Aus}=12V \cdot 0,5A~-~5V \cdot 0,5A=3,5 W</math>.<br />
*:Nun sind eigentlich auch schon alle Angaben vorhanden, sodass wir die Formel verwenden können.<br />
*:<math>R_{th(ha)}=\frac{\vartheta_{j}-\vartheta_{a}}{P_{V}}-R_{th(jc)}-R_{th(ch)}</math><br />
*:Einsetzen:<br />
*:<math>R_{th(ha)}=\frac{110°C-30°C}{3,5W}-5\frac{K}{W}-0,5\frac{K}{W} \approx 17,4\frac{K}{W}</math><br />
*'''Ergebnis'''<br />
*:Der Wärmewiderstand des Kühlkörpers darf maximal <math>17,4\frac{K}{W}</math> betragen.<br />
*'''Zusatz'''<br />
*:Aus dem Katalog wird ein Kühlkörper mit einem Wärmewiderstand von <math>10\frac{K}{W}</math> gewählt. Welche Temperatur erreicht der Kühlkörper, wenn er bei den gegebenen Bedingungen eingesetzt wird?<br />
*:<math>\vartheta_h=\vartheta_a+P_{V} \cdot R_{th(ha)}=30°C+3,5W \cdot 10 \frac{K}{W} \approx 65°C</math><br />
<br />
==Mehrere Bauteile auf einem gemeinsamen Kühlkörper==<br />
<br />
[[Bild:Therm-esb3.png|700px]]<br />
<br />
Thermisches Ersatzschaltbild: zwei Wärmequellen, gemeinsamer Kühlkörper<br />
<br />
Wird noch ausgebaut ...<br />
<br />
=Thermische Interface-Materialien (T.I.M.) und Montage=<br />
Wie bereits erwähnt, werden ICs in der Praxis nicht direkt auf einen Kühlkörper befestigt. Der Grund dafür ist folgender: Durch Unebenheiten und die rauhe Oberfläche von Kühlkörper und IC berühren sich die betreffenden Flächen unter dem Mikroskop gesehen nur minimal. Durch Lufteinschlüsse und die Tatsache, dass Luft ein schlechter Wärmeleiter ist, fällt in diesem Fall die thermische Anbindung des ICs an den Kühlkörper relativ schlecht aus.<br />
<br />
Zum Ausgleich der Unebenheiten eignet sich Wärmeleitpaste, welche dünn auf die Kontaktfläche aufgetragen wird. Es genügt eine sehr geringe Menge der Wärmeleitpaste, die Schichtdicke liegt in der Größenordnung 0,1mm. Die Aufgabe der Wärmeleitpaste ist, die Unebenheiten der Kontaktflächen auszugleichen. Zu viel Wärmeleitpaste erhöht wiederum den thermischen Übergangswiderstand. <br />
<br />
Ist zusätzlich eine elektrische Isolation zwischen IC und Kühlkörper erforderlich, können Glimmerscheiben (engl. mica) eingesetzt werden. Elektrische Isolation ist erforderlich, falls zum Beispiel mehrere Transistoren auf einen Kühlkörper montiert werden sollen und eine elektrische Verbindung der Kühlfahnen über den Kühlkörper zu Kurzschlüssen führen würde. Werden Glimmerscheiben verwendet, müssen diese beidseitig mit Wärmeleitpaste bestrichen werden, um sämtliche Unebenheiten auszugleichen. Die Glimmerscheiben werden zwischen IC und Kühlkörper eingebaut. Werden die ICs an den Kühlkörper geschraubt, muss auch die Schraube elektrisch isoliert werden. Hierfür sind entsprechende Hülsen aus Kunststoff erhältlich.<br />
<br />
Wärmeleitfolien aus Silikon /Gap-Filler<br />
<br />
BAUSTELLE<br />
<br />
Zur Montage der ICs auf dem Kühlkörper gibt es mehrere Möglichkeiten. Üblich sind Schraubmontage oder die Verwendung von Metallclips aus Federstahl. Der Anpressdruck durch die Montage kann die thermische Kopplung des ICs zum Kühlkörper beeinflussen. Die Metallclips haben den Vorteil, dass der Anpressdruck mit der Zeit nicht nachlässt.<br />
<br />
BAUSTELLE<br />
<br />
=Dynamisches Ersatzschaltbild=<br />
<br />
Bisher haben wir uns mit statischen Ersatzschaltbildern beschäftigt. Diese beinhalten die Wärmequellen, die Umgebungstemperatur sowie alle thermischen Widerstände. Nicht berücksichtigt wurden bislang Wärmekapazitäten. Erfahrungsgemäß dauert es eine gewissen Zeit, bis alle Gegenstände auf die berechnete Temperatur aufgeheizt sind. Um die zeitlichen Temperaturverläufe bestimmen zu können, müssen die thermischen Ersatzschaltbilder noch mit Wärmekapazitäten ergänzt werden. Wärmewiderstände und Wärmekapazitäten ergeben ein Tiefpassfilter mit einer definierten Zeitkonstante. Bei geeigneter Modellierung kommt das Modell kommt dem realen Temperaturverlauf schon sehr nahe. Nun können wir also zeitveränderliche Vorgänge modellieren. Dies ist insbesondere notwendig wenn sich stark ändernde Verlustleistungen (z.B. Impulsbelastung) an den Bauteilen auftreten und die Temperaturen vorab berechnet werden sollen. Im Hobbybereich ist diese Berechnung jedoch häufig nicht erforderlich, in der Regel genügt das statische Ersatzschaltbild.<br />
<br />
Ergänzen wir das bisherige thermische Ersatzschaltbild um Wärmekapazitäten, ergibt sich das folgende thermische Ersatzschaltbild. Dieses Modell wird als Cauer-Typ bezeichnet. Wärmewiderstände und Wärmekapazitäten lassen sich physikalisch bestimmen und eindeutig im Ersatzschaltbild zuordnen. Berechnete Temperaturen entsprechen realen Temperaturen.<br />
<br />
[[Bild:Therm-esb-dyn-cauer.PNG|600px]]<br />
<br />
Den gleichen Sachverhalt kann man auch mit dem sogenannten Foster-Modell darstellen. Dieses Modell scheint weit verbreitet zu sein, ist allerdings nicht mehr besonders anschaulich. Die gezeigten Ersatzschaltbilder lassen sich auch ineinander überführen, allerdings unterscheiden sich die eingetragenen Wärmekapazitäten und Wärmewiderstände.<br />
<br />
[[Bild:Therm-esb-dyn-foster.PNG|600px]]<br />
<br />
Die schwierige Aufgabe besteht nun darin, alle Zahlenwerte der Wärmewiderstände und Wärmekapazitäten zu bestimmen. Erst dann können die Temperaturverläufe in einer Simulation (z.B. mit SPICE) bestimmt werden. Im Hobbybereich ist diese Berechnung jedoch häufig nicht erforderlich.<br />
<br />
=Kühlkörperbauformen=<br />
* Board-Level-Kühlkörper (aufsteckbare/aufklebbare Kühlkörper, auch für SMD, meist 1 Kühlkörper pro IC)<br />
* Strang-/Profilkühlkörper (meist für hohe Leistungen)<br />
* Kühlaggregate (Kanal + Lüfter)<br />
<br />
Wozu eloxierte Oberflächen?<br />
* geringfügig höhere Wärmestrahlung (bei den niedrigen Temperaturen kaum ein Beitrag)<br />
* elektrische Isolation<br />
* Oberflächenschutz<br />
Nachteile:<br />
* erhöhte Wärmeaufnahme aus der unmittelbaren Umgebung!<br />
<br />
Stiftkühlkörper<br />
* hohe Oberfläche<br />
* bei dickem "Rücken"/"Boden" des Kühlkörpers gute Wärmespreizung<br />
* mit erzwungener Konvektion hohe Wärmeübertragung (quer zu den Stiften effektiver als in Stiftrichtung)<br />
* leichter und kompakter als Strangkühlkörper<br />
<br />
todo<br />
<br />
=Lüfter=<br />
Lüfter werden vor allem dann eingesetzt, wenn der Kühlkörper bei rein passiver Kühlung zur groß, zu schwer oder zu teuer wird. Beim Einsatz des Lüfters führt die erzwungene Luftströmung zur besseren Wärmeabgabe an die Luft. Bei gleicher Temperatur kann der Kühlkörper dann kleiner gewählt werden. Bei hohen Leistungen sind der kleinere Kühlkörper mit Lüfter preisgünstiger und kompakter als ein großer, rein passiver Kühlkörper. Um welchen Faktor die Wärmeableitung mit Lüfter verbessert wird, hängt von vielen Parametern ab und kann nicht pauschal angegeben werden.<br />
<br />
Vorteile<br />
* bessere Wärmeabgabe<br />
* Kühlkörper kann bei gleicher Temperatur kleiner, leichter und kostengünstiger werden<br />
* In kleinem Maßstab günstiger als Wasserkühlung o.ä.<br />
<br />
Nachteile<br />
* zusätzlicher Stromverbrauch<br />
* Geräuschentwicklung und Vibrationen<br />
* zusätzliche Kosten für Lüfter und dessen Montage<br />
* Im Falle eines unbemerkten Ausfalls kann die Schaltung überhitzen (Abhilfe: Thermostat, Temperaturfühler oder Tachosignal auswerten)<br />
<br />
Anordnungen:<br />
* Push-Prinzip: Der Lüfter bläst die Luft in den Kühlkörper/-kanal<br />
* Pull-Prinzip: Der Lüfter saugt die Luft aus dem Kühlkörper/-kanal heraus<br />
<br />
Kenngrößen:<br />
* Luftdurchsatz in <math>\frac{m^{3}}{h}</math><br />
* Nennspannung, Nennstrom, Nennleistung<br />
* Typ Axial/Radial<br />
* Größe<br />
* Geräuschpegel<br />
* Art der Lagerung (Kugellager, Sinterbronze-Lager etc.)<br />
* Temperaturbereich<br />
* Lebensdauer, MTBF<br />
<br />
=Entwärmung auf einer Platine=<br />
[[Bild:kuehlkoerper-board.jpg|thumb|Kühlkörper auf einem alten Mainboard]]<br />
<br />
Beim Leiterplattenentwurf muss bereits in der Designphase abgeschätzt werden, welche Verlustleistungen auftreten und wie die entstehende Wärme abgeführt werden kann. Die Anordnung der Bauteile und die Gestaltung der Leiterbahnen hat Auswirkungen auf das thermische Verhalten. Die Einbaulage der Platine kann die Entwärmung zudem beeinflussen. Erwärmte Umgebungsluft steigt bekanntlich nach oben und kann andere Komponenten oder Platinen aufheizen. Wird die Platine in ein Gehäuse eingebaut, müssen gegebenenfalls Lüftungsschlitze eingebracht werden oder die zu kühlenden Bauteile an der Gehäusewand platziert werden. Bei geschlossenen Gehäusen muss bei der Kühlkörperdimensionierung mit höheren Umgebungstemperaturen gerechnet werden (z.B. 50°C, 60°C), da sich die Wärme zunächst im Gehäuse staut und nur allmählich durch die Gehäusewand abgegeben wird.<br />
<br />
==Bedrahtete Bauteile==<br />
Für bedrahtete Bauteilgehäuse wie z.B. TO-220 sind zahlreiche Kühlkörpervarianten erhältlich. Für Printmontage eignen sich Kühlkörper, die mit Lötstiften oder Schrauben an der Platine befestigt werden. Das Bauteil selbst wird mit einem Federclip oder einer Schraube am Kühlkörper montiert. Die Größe, Bauform und Befestigung des Kühlkörpers muss bereits beim Leiterplattenentwurf berücksichtigt werden. Leistungsdioden und Leistungswiderstände sind in den meisten Fällen für Konvektionskühlung ausgelegt, d.h. durch Luftströmung. Diese werden meist mit etwas Abstand von der Platinenoberfläche montiert, um die gesamte Bauteiloberfläche zur Kühlung nutzen zu können und um die Platine nicht unnötig aufzuheizen.<br />
<br />
Zur Verbesserung der Wärmeableitung kann, abgesehen vom Kühlkörper, auch die Platine bei der Wärmeverteilung helfen:<br />
* Breite Leiterbahnen können Wärme abführen und auf eine große Fläche verteilen<br />
* Eine dickere Kupferkaschierung kann die Wärmeableitung unterstützen (Standard sind 35µm, erhältlich sind auch 70µm und mehr), dies reduziert zudem die elektrischen Leiterbahnwiderstände<br />
* Mit einer großen Zahl von Durchkontaktierungen (vias) kann die Wärme auf andere Kupferlagen verteilt werden (der Platinenkern FR4 allein hat eine schlechte Wärmeleitfähigkeit)<br />
* Einsatz spezieller Platinenmaterialien (Alukern) z.B. bei Platinen für High-Power-LEDs<br />
* Für kleinere ICs mit Wärmeentwicklung eignen sich aufklebbare Kühlkörper<br />
<br />
Beim Entwurf der Platine muss den Bauteilen in der Nähe der Wärmequelle besondere Aufmerksamkeit geschenkt werden. Vor allem sind '''Elektrolytkondensatoren (Elkos)''' betroffen, da diese durch benachbarte Wärmequellen allmählich austrocknen und zum Ausfall der Schaltung führen können! Elkos sollten möglichst so platziert werden, dass sie eine geringe Temperatur und somit eine hohe Lebensdauer erreichen. Jedoch ist dies bei manchen Anwendungen nur eingeschränkt möglich. Beispielsweise sind bei Schaltreglern kurze Leiterschleifen erwünscht, um die elektromagnetische Verträglichkeit zu verbessern (Leiterschleifen wirken als Antenne) und um parasitäre Induktivitäten und Widerstände zu reduzieren. Der Einsatz hochwertiger Elkos mit geringem ESR, hoher Maximaltemperatur und Lebensdauer ist empfehlenswert. Zudem ist auf ausreichende Spannungsfestigkeit und geringe Rippleströme im Betrieb zu achten. Im Laufe der Betriebszeit sinkt die Kapazität des Elkos und die Verluste steigen. Die Lebensdauer der Elkos kann abgeschätzt werden. Die Hersteller geben idR. die Lebensdauer bei der spezifizierten Maximaltemperatur an, z.B. 5000h bei 105°C. Zur Abschätzung der Lebensdauer gilt hier auch die 10°C-Regel (laut Panasonic im Bereich 40°C bis 100°C), d.h. pro 10°C niedrigerer Betriebstemperatur verdoppelt sich die Lebensdauer des Elkos. Die erwartete Lebensdauer kann mit der folgenden Formel (Panasonic) abgeschätzt werden:<br />
<br />
<math>\Large L=L_{Tmax} \cdot 2^{\left( \frac{T_{max} - T}{10} \right)}</math><br />
<br />
'''Beispiel'''<br />
<br />
Ein Elko ist mit 5000h bei 105°C spezifiziert. Welche Lebensdauer wird bei einer Temperatur von 55°C erwartet?<br />
* Gegeben: <math>\large L_{Tmax}=5000h</math> , <math>\large T_{max}=105°C</math> , <math>\large T=55°C</math><br />
* Rechnung: <math>\large L=L_{Tmax} \cdot 2^{\left( \frac{T_{max} - T}{10} \right)}=5000h \cdot 2^{\left( \frac{105°C - 55°C}{10} \right)}=5000h \cdot 2^5=5000h \cdot 32=160000h</math><br />
* Ergebnis: Die Lebensdauer des Elkos beträgt unter diesen Bedingungen etwa 160000h, also über 18 Jahre Dauerbetrieb!<br />
* Bemerkung: Würde man z.B. einen billigen 2000h/85°C-Elko verwenden, würde dieser unter den gleichen Bedingungen keine 2 Jahre durchhalten!<br />
<br />
Liegt das Datenblatt des verwendeten Elkos vor, sollte man sich an die dort genannten Berechnungen und Zahlenwerte halten. Die gezeigte Berechnung ist nur eine Näherungsformel. Für weitere Verwendungshinweise sei auf die ''Application Guidelines'' für ''Radial Lead Type Aluminum Electrolytic Capacitors'' von ''Panasonic'' verwiesen (siehe Quellenangaben und Verweise am Seitenende).<br />
<br />
==SMD-Bauteile==<br />
SMD-Bauteile können meist über die Platine gut entwärmt werden. Dies ist normalerweise nur bei geringen Verlustleistungen möglich. Die Abwärme der Bauteile muss auf eine möglichst große Fläche verteilt werden, durch große Kupferflächen auf der Platine kann dies erreicht werden. Da die Wärmeleitfähigkeit der Kupferauflage deutlich höher ist als die Wärmeleitfähigkeit des Platinenmaterials FR4, wird sich die Wärme hauptsächlich in der Fläche verteilen, jedoch weniger ''durch'' die Platine hindurch. Um die Wärmeleitung durch die Platine (z.B. von Ober- zu Unterseite) zu erhöhen, müssen Durchkontaktierungen gesetzt werden. Sogenannte "Thermal Vias" werden in einer großen Anzahl an das zu entwärmende Bauteil gesetzt und können damit die Wärme zu anderen Kupferlagen der Platine weiterleiten. Die Wärmeleitung durch die Platine hindurch wird verbessert, liegt aber dennoch deutlich unter der Wärmeleitfähigkeit von reinem Kupfer. Thermische Vias können aufgrund ihrer kleinen Masse kaum einen Beitrag zur gesamten "Kühlmasse" beitragen. Ob schließlich eine Entwärmung durch die Platine ausreicht, muss durch Simulation oder Messung gezeigt werden.<br />
<br />
Welche Temperatur das Bauteil auf der Platine erreicht, kann nach dem Aufbau natürlich gemessen werden. Besser wäre es jedoch, die Temperaturen bereits beim Entwurf der Platine zu kennen, um einschätzen zu können, ob die Entwärmung ausreichend ist. Allgemeine Angaben hierfür sind schwer zu finden, jedoch gibt es vereinzelt Angaben in Datenblättern von Halbleitern zur Entwärmung. An den folgenden Zahlenwerten kann man sich orientieren, wenn man ähnliche Bauteile entwärmen möchte. Damit man für die genannten Flächen eine grobe Vorstellung hat, sei noch erwähnt: ein Cent hat eine Fläche von grob <math>200mm^2</math>, ein Euro hat grob <math>400mm^2</math>.<br />
<br />
Für SMD-Bauteile exisitieren Kühlkörper, die sich direkt auf die Platine löten lassen, diese sind auch maschinenbestückbar.<br />
<br />
'''TO263 (=D2PAK)'''<br />
<br />
Im Datenblatt des Schaltreglers LM2576 von ''National Semiconductor'' findet man für das TO263-Gehäuse einige Angaben. Das TO263-Gehäuse gleicht übrigens dem TO220 bis auf die Tatsache, dass die Kühlfahne kürzer ist und das Gehäuse für SMD-Montage vorgesehen ist. Das Datenblatt gibt thermische Widerstände für den Übergang Junction-Ambient an. Die Angabe ist abhängig von der Kupferfläche auf der Platine, die unmittelbar für das Bauteil aus Kühlkörper wirkt. Die Zahlenwerte aus dem Datenblatt wurden in Quadratmillimeter umgerechnet, gerundet und stehen nun in der Tabelle bereit. Keine Angaben macht der Hersteller zu den Rahmenbedingungen, unter denen die thermischen Widerstände ermittelt wurden (Platinendicke, Durchkontaktierungen, Form der Kupferfläche und Dicke der Kupferkaschierung). Dennoch können die Werte zur groben Orientierung dienen.<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
| Kupferfläche || therm. Widerstand<br />
|-<br />
| <math>325 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 50\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>645 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 37\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>1030 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 32\frac{K}{W} </math><br />
|}<br />
<br />
'''TO252 (=DPAK), SOT223'''<br />
<br />
Im Datenblatt des Low-Drop-Spannungsreglers LM1117 von ''National Semiconductor'' sind Angaben zur Entwärmung über die Platine von SOT223 und TO252-Gehäusen vorhanden. Der Hersteller gibt an, für das SOT223-Gehäuse eine 35µm dicke, und für das TO252-Gehäuse eine 70µm dicke Kupferkaschierung der Platine verwendet zu haben. Leider finden sich in diesem Datenblatt keine Informationen zu Durchkontaktierungen, Platinendicke, und ob das IC auf der Ober- oder Unterseite der Platine montiert wurde (Vermutung: oben montiert, da angegebene thermische Widerstände geringer sind). Der Hersteller hat drei Fälle untersucht: Kupferfläche oben, Kupferfläche unten, Kupferfläche beidseitig. Für das thermische Platinendesign kann man diese Zahlenwerte zumindest als Richtwerte verwenden. Das Datenblatt enthält zudem Zeichnungen der Kühlflächen. Die Zahlenwerte wurden wieder in Quadratmillimeter umgerechnet und gerundet und in die folgenden Tabelle eingetragen:<br />
<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
| Kupferfläche top || Kupferfläche bottom || therm. Widerstand SOT223 || therm. Widerstand TO252<br />
|-<br />
| <math> 200mm^2</math> || - || <math>R_{th(ja)}\approx 84\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 60\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math> 350mm^2</math> || - || <math>R_{th(ja)}\approx 75\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 54\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math> 650mm^2</math> || - || <math>R_{th(ja)}\approx 66\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 47\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| - || <math> 250mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 98\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 70\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| - || <math> 400mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 89\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 63\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| - || <math> 650mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 79\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 57\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math> 200mm^2</math> || <math> 200mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 83\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 61\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math> 250mm^2</math> || <math> 250mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 75\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 55\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math> 350mm^2</math> || <math> 350mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 70\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 53\frac{K}{W} </math><br />
|}<br />
<br />
'''SO8'''<br />
<br />
Für das SO8-Gehäuse finden sich unterschiedliche Angaben. Im Datenblatt des Spannungsreglers 78L05 von ''TI'' werden 180 K/W genannt. Das Datenblatt des OPA2277 gibt z.B. 107 K/W an. Sicherlich findet man in anderen Datenblättern davon verschiedene Angaben.<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
| Kupferfläche || therm. Widerstand<br />
|-<br />
| <math>600 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 107-180\frac{K}{W} </math><br />
|}<br />
<br />
'''SO20'''<br />
<br />
Aus dem Datenblatt des L293DD sind Angaben zum SO20-Gehäuse enthalten. In diesem Falle sind 8 zentrale Pins an die Kühlfläche angebunden, die Kupferkaschierung ist vermutlich einseitig 35µm. Die groben Richtwerte sind:<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
| Kupferfläche || therm. Widerstand<br />
|-<br />
| <math>200 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 60\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>400 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 53\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>600 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 51\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>800 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 50\frac{K}{W} </math><br />
|}<br />
<br />
'''PowerDIP20'''<br />
<br />
Für das DIP20-Gehäuse wird man im Datenblatt des Motortreibers L6202 von ''ST'' fündig. Bei 35µm Kupferkaschierung der Platine ergeben sich die folgenden thermischen Widerstände.<br />
<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
| Kupferfläche || therm. Widerstand<br />
|-<br />
| <math>0 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 58\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>200 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 45\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>400 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 39\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>600 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 38\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>800 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 37\frac{K}{W} </math><br />
|}<br />
<br />
Für die Form der empfohlenen Kühlfläche sei auf das Datenblatt verwiesen. Wird das IC in einem Sockel verwendet, muss man sicherlich von höheren thermischen Widerständen ausgehen.<br />
<br />
'''AN-994'''<br />
<br />
In der ''Application Note AN-994 - Maximizing the Effectiveness of your SMD Assemblies'' von ''International Rectifier (IRF)'' sind weitere Daten vorhanden. Die dort genannten Daten sind jedoch teils drastisch niedriger als die hier genannten. Eine mögliche Erklärung sind z.B. die höhere Kupferauflage (70µm) oder evtl. optimierte Wärmewiderstände innerhalb der Gehäuse.<br />
<br />
'''Große Kupferflächen'''<br />
<br />
Im ''Application Hint 17 - Designing P.C. Board Heat Sinks - by Bob Wolbert (Micrel)'' werden Angaben zu thermischen Widerständen der Platine für vergleichsweise große Flächen gemacht. Die thermischen Widerstände beschreiben den Übergang <math>R_{th(ha)}</math> unter den Bedingungen: Quadratische Kupferfläche, einseitig, horizontal montiert, Lötstopplack, keine Belüftung. Die Dicke der Kupferkaschierung ist nicht angegeben. Hier einige Werte, abgelesen aus dem Diagramm der genannten Application Note:<br />
<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
| Kupferfläche || therm. Widerstand<br />
|-<br />
| <math>500 mm^2</math> || <math>R_{th(ha)}\approx 60\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>1000 mm^2</math> || <math>R_{th(ha)}\approx 45\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>1500 mm^2</math> || <math>R_{th(ha)}\approx 38\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>2000 mm^2</math> || <math>R_{th(ha)}\approx 33\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>2500 mm^2</math> || <math>R_{th(ha)}\approx 30\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>3000 mm^2</math> || <math>R_{th(ha)}\approx 28\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>4000 mm^2</math> || <math>R_{th(ha)}\approx 24\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>5000 mm^2</math> || <math>R_{th(ha)}\approx 22\frac{K}{W} </math><br />
|}<br />
<br />
<br />
'''Abschlusskommentar'''<br />
<br />
An den gezeigten, thermischen Widerständen sieht man leicht: je größer die Kühlfläche, desto geringer der thermische Widerstand. Dieses Verhalten würde man so auch erwarten.<br />
<br />
Ab einer bestimmten Fläche wird die Platine als Kühlkörper jedoch unhandlich, und man wird die Fläche nicht weiter vergrößern. Die mit den Kupferflächen erreichten thermischen Widerstände sind für viele Anwendungen noch deutlich zu hoch. Bei Verlustleistungen von wenigen Watt werden dadurch bereits kritische Chiptemperaturen erreicht. Wie bereits oben erwähnt, funktioniert die Entwärmung von SMD-Komponenten über die Platine also nur für kleine Verlustleistungen. Bei größeren Verlustleistungen müssen zusätzliche Entwärmungsmaßnahmen getroffen werden (z.B. aufklebbarer Kühlkörper, etc.). Zielführend ist auch, die Ursache der Erwärmung, nämlich die Verlustleistung zu verringern. Wird beispielsweise ein Linearregler durch einen effizienteren Schaltregler ersetzt, kann die Entwärmung aufgrund der kleineren Verlustleistung deutlich einfacher gestaltet werden. Ob die Verringerung der Verlustleistung möglich ist, hängt natürlich von der Anwendung ab.<br />
<br />
=Spezielle Kühlkörper=<br />
<br />
todo<br />
<br />
=Autoren=<br />
* BMS<br />
<br />
[[Kategorie:Elektronik]]<br />
[[Kategorie:Mechanik]] <br />
[[Kategorie:Praxis]] <br />
[[Kategorie:Grundlagen]]<br />
<br />
=Quellen und Verweise=<br />
<br />
Printmedien:<br />
<br />
* Best, Siegfried W.: ''Elektronikkühlung und Wärmemanagement von A bis Z''. In: Elektronikpraxis - Sonderheft Elektromechanik, April 2013. S. 20ff.<br />
* Best, Tobias: ''Thermisches Via, die kleine Schwester der Heatpipe''. In: Elektronikpraxis, April 2013. S. 12ff.<br />
* Erdmann, Marc: ''Beste Effizienz auch beim Thermal Management''. In: Elektronikpraxis - Sonderheft Leistungelektronik und Stromversorgung. März 2015. S. 38ff.<br />
* Kerstin, Nils; Schulz, Martin: ''Thermische Widerstände genau messen - eine Herausforderung''. In: Elektronikpraxis, Nr. 17, September 2014. S. 48ff.<br />
* K.R. (Alutronic): ''Stiftkühlkörper für die Leistungselektronik''. In: Elektronikpraxis Nr.9, Mai 2014. S. 50ff.<br />
* Harpain, Jürgen: ''Wärmeleitmaterial kompensiert Lufteinschlüsse''. In: Elektronikpraxis Nr.1, Januar 2014. S. 36ff.<br />
* Harpain, Jürgen: ''Entwärmungskonzepte für Einzelhalbleiter und ICs''. In: Elektronikpraxis - Sonderheft Elektromechanik, April 2014. S. 14ff.<br />
* Schulz, Martin: ''Fünf Fettnäpfchen beim Bestimmen thermischer Größen''. In: Elektronikpraxis, November 2013. S. 36ff.<br />
* Schulz, Martin: ''Mythen und Legenden über Wärmeleitmaterialien''. In: Elektronikpraxis Nr.2., Januar 2014. S. 42ff.<br />
* Specovius, J.: Grundkurs Leistungselektronik: Bauelemente, Schaltungen und Systeme. Wiesbaden 2014. 6. Auflage. S.95-104<br />
----<br />
<br />
Datenblätter, aus denen thermische Widerstände entnommen wurden:<br />
<br />
* [http://pdf.datasheetcatalog.com/datasheet/nationalsemiconductor/DS011476.PDF Datenblatt LM2576 von National Semiconductor]<br />
* [http://pdf.datasheetcatalog.com/datasheet/nationalsemiconductor/LM1117.pdf Datenblatt LM1117 von National Semiconductor]<br />
* [http://pdf.datasheetcatalog.com/datasheets/150/9358_DS.pdf Datenblatt L78Lxx von ST]<br />
* [http://pdf.datasheetcatalog.com/datasheet/stmicroelectronics/1330.pdf Datenblatt L293DD von ST]<br />
* [http://pdf.datasheetcatalog.com/datasheet/stmicroelectronics/1373.pdf Datenblatt L6202 von ST]<br />
* [http://www.irf.com/technical-info/appnotes/an-994.pdf ''Application Note AN994 - Maximizing the Effectiveness of your SMD Assemblies'' - International Rectifier (IRF)]<br />
* [http://www.micrel.com/_PDF/App-Hints/ah-17.pdf ''Application Hint 17 - Designing P.C. Board Heat Sinks - by Bob Wolbert (Micrel)'']<br />
<br />
----<br />
<br />
Weblinks:<br />
<br />
* [http://stegem.de/Elektronik/Kuehlkoerper/ Online-Tool zur Kühlkörperberechnung von Gemmel, S.]<br />
* [http://ludens.cl/Electron/Thermal.html Thermal Design - von Mornhinweg, M.]<br />
* [http://sound.westhost.com/heatsinks.htm The Design of Heatsinks - von Elliot, R.]<br />
* [http://www.giangrandi.ch/electronics/thcalc/thcalc.shtml Calculating Heat sinks - von Giangrandi, I.]<br />
* [http://www.irf.com/technical-info/appnotes/an-1057.pdf Application Note AN-1057: Heatsink Characteristics von International Rectifier (IRF)]<br />
* [http://ww1.microchip.com/downloads/en/AppNotes/00792a.pdf Application Note AN792: A method to determine how much power a sot23 can dissipate in an application (Microchip Technology Inc. 2001)]<br />
* [http://www.fairchildsemi.com/application-notes/AN/AN-1028.pdf Application Note AN1028: Maximum Power Enhancement Techniques for SOT-223 Power MOSFETs (Fairchild Semiconductor 1996)]<br />
* [http://www.industrial.panasonic.com/www-data/pdf/ABA0000/ABA0000PE26.pdf Aluminium Electrolytic Capacitors - Application Guidelines (Panasonic 2015)]<br />
* [http://www.vishay.com/docs/52027/thermmgt.pdf Thermal Management on SMD Thick Film Resistors (Vishay 2015)]</div>BMShttps://rn-wissen.de/wiki/index.php?title=K%C3%BChlk%C3%B6rper&diff=27918Kühlkörper2016-09-13T08:06:47Z<p>BMS: SO-8 falscher Rth(ja). Habe es erst kürzlich bei einer Berechnung benötigt und deshalb den gravierenden Fehler entdeckt.</p>
<hr />
<div>{{Baustelle|BMS}}<br />
<br />
Dieser Artikel behandelt die Grundlagen zu Kühlkörpern.<br />
<br />
[[Bild:kuehlkörper-uebersicht.jpg|thumb|Verschiedene Kühlkörper, links ein TO220-Gehäuse zum Größenvergleich]]<br />
<br />
=Einleitung=<br />
<br />
'''Wieso sind überhaupt Kühlkörper in technischen Geräten erforderlich?'''<br />
<br />
Kein Gerät kann einen 100-prozentigen Wirkungsgrad erzielen und somit tritt Verlustleistung auf. Diese Verlustleistung führt zur Erwärmung der Bauteile. Kühlkörper sollen die Entwärmung verbessern, indem die entstehende Wärme auf eine große Fläche verteilt wird und durch Konvektion an der Luft auskühlen kann. Die Temperatur an den heißen Bauteilen ist mit Kühlkörper geringer als ohne Kühlkörper.<br />
<br />
'''Wieso sind hohe Bauteiltemperaturen ungünstig?'''<br />
<br />
Die Lebensdauer aller elektronischen Bauteile ist stark von der Temperatur abhängig. Als Faustregel gilt: Eine Temperaturerhöhung um 10 Grad führt zur Halbierung der Lebensdauer. Außerdem gibt es Grenztemperaturen, die nicht überschritten werden dürfen. Beispielsweise dürfen Halbleiter keine Temperatur über 150°C erreichen. Platinenmaterial FR4 sollte 125°C (sog. Erweichungspunkt) nicht überschreiten. Extrembeispiele sind die Schmelztemperatur von Isolierungen, Lötzinn etc... sowie Brandgefahr durch hohe Temperaturen. Viele Bauteile können ohne vernünftige Kühlung nicht ihren vollen Funktionsumfang erreichen, liefern dann z.B. geringere Maximalströme oder es greift die Temperaturabschaltung. Anders formuliert: Die maximale Leistung eines Bauteils oder Geräts wird durch seine Entwärmung bestimmt! Zur eigenen Sicherheit bietet es sich zudem an, die Temperaturen niedrig zu halten, sodass man sich am Gerät nicht die Finger verbrennen kann ;)<br />
<br />
=Wärmeübertragung=<br />
Prinzipiell kann Wärmeübertragung über Wärmeleitung, Konvektion und Wärmestrahlung geschehen. In vielen Anwendungen treten mehrere Mechanismen gleichzeitig auf. Welcher Mechanismus hauptsächlich auftritt, ist von der mechanischen Anordnung, den Materialien und der Temperatur abhängig. Wärmeleitung und Konvektion sind die wichtigsten Arten der Wärmeübertragung, die in der Praxis auftreten. Nun zu den einzelnen Effekten:<br />
<br />
*'''Wärmeleitung'''<br />
*: Bei der Wärmeleitung wird die Wärme über einen direkten mechanischen Kontakt (Bsp. IC <math>\rightarrow</math>Kühlkörper) übertragen. Den beteiligten Materialien wird jeweils eine spezifische Wärmeleitfähigkeit <math>\lambda</math> zugeordnet, dazu später mehr.<br />
<br />
*'''Konvektion'''<br />
*: Mit Konvektion wird die Strömungsbewegung in Flüssigkeiten und Gasen bezeichnet. Praxisbeispiele sind die Wärmeabgabe eines Kühlkörpers an die Umgebungsluft oder auch eine Wasserkühlung. Von erzwungener Konvektion spricht man, wenn die Strömung durch z.B. einen Ventilator/Lüfter oder eine Wasserpumpe hervorgerufen wird. Im Vakuum kann keine Konvektion auftreten.<br />
<br />
*'''Wärmestrahlung'''<br />
*: Wärmestrahlung ist elektromagnetische Strahlung (hauptsächlich Infrarot und sichtbares Licht), die vom heißen Festkörper abgestrahlt wird. Sie wird erst bei höheren Temperaturen relevant und ist bei den üblichen Kühlkörpertemperaturen meist zu vernachlässigen. Erwähnt werden soll zudem, dass Wärmestrahlung der einzige Mechanismus der Wärmeleitung ist, welcher im Vakuum auftreten kann. (Für Details zu Wärmestrahlung siehe auch: Plancksches Strahlungsgesetz und Schwarzer Strahler).<br />
<br />
=Materialien=<br />
Jedes Material besitzt eine spezifische Wärmeleitfähigkeit, welche angibt, wie gut dieses Material Wärme weiter transportieren kann. Die spezifische Wärmeleitfähigkeit ist unabhängig von der Geometrie des Materials, wird mit der Größe <math>\lambda</math> (Lambda) ausgedrückt und erhält die Einheit <math>\frac{W}{m \cdot K}</math>.<br />
<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
|-<br />
| '''Material''' || '''<math>\lambda</math> in <math>\left[ \frac{W}{m \cdot K} \right]</math>'''<br />
|-<br />
| Silber || 430<br />
|-<br />
| Kupfer || 400<br />
|-<br />
| Aluminium || 230<br />
|-<br />
| Silizium || 140 <br />
|-<br />
| Wärmeleitpaste || 5 ... 10<br />
|-<br />
| Glas || 0,7<br />
|-<br />
| Wasser || 0,5<br />
|-<br />
| Platinenmaterial FR4 || 0,2 ... 0,5<br />
|-<br />
| Luft || 0,02<br />
|}<br />
<br />
Die meisten Kühlkörper werden aus Aluminiumlegierungen hergestellt. Für Aluminium spricht seine relativ hohe Wärmeleitfähigkeit, die hohe Verfügbarkeit und geringe Dichte. Im Vergleich zu Kupfer und Silber ist Aluminium deutlich kostengünstiger. Darüber hinaus lässt sich Aluminium mechanisch gut verarbeiten. Kupfer wird mit seiner höheren Wärmeleitfähigkeit z.B. bei Heatpipes eingesetzt.<br />
<br />
todo<br />
<br />
Wärmewiderstand <math>R_{th}=\frac{d}{\lambda \cdot A}</math><br />
<br />
d: Materialdicke, welche für die Wärmeleitung relevant ist<br />
<br />
<math>\lambda</math>spezifische Wärmeleitfähigkeit des Materials<br />
<br />
A: Querschnitts-/Kontaktfläche<br />
<br />
=Definitionen=<br />
Um vorauszusagen, wie sich die Temperaturen in einer Schaltung verhalten, bedient sich der Ingenieur - wie auch bei vielen anderen Anwendungen - eines Ersatzschaltbildes (ESB). Zur Erstellung eines thermischen Ersatzschaltbildes muss man sich aber zunächst mit den thermischen Größen vertraut machen.<br />
<br />
Die Temperaturen werden mit dem griechischen Buchstaben Theta <math>\theta</math> gekennzeichnet. Temperaturen werden in Grad Celsius (°C), Temperaturdifferenzen in Kelvin (K) angegeben. (Am Rande: Es existiert auch eine Kelvinskala mit dem absoluten Nullpunkt 0 K=-273,15°C). Die Temperaturen werden außerdem noch mit einem Index gekennzeichnet, abhängig von der mechanischen Stelle, an der sie auftreten:<br />
<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
|-<br />
| Symbol || Index || Bedeutung<br />
|-<br />
| <math>\vartheta_{J}</math> || J=Junction || Sperrschichttemperatur des Halbleiters<br />
|-<br />
| <math>\vartheta_{C}</math> || C=Case || Gehäusetemperatur des Bauteils<br />
|-<br />
| <math>\vartheta_{H}</math> || H=Heat Sink || Temperatur des Kühlkörpers<br />
|-<br />
| <math>\vartheta_{A}</math> || A=Ambient || Umgebungstemperatur<br />
|}<br />
<br />
Die Verlustleistung eines Bauteils beschreibt die Größe <math>P_{V}</math> und wird, wie allgemein bekannt, in Watt angegeben.<br />
<br />
Als neue Größe wird nun der thermische Widerstand eingeführt, dieser wird mit <math>R_{th}</math> beschrieben und bekommt die Einheit <math>\frac{K}{W}</math>. <br />
<br />
Für die thermischen Größen gibt es, ähnlich dem Ohmschen Gesetz, einen linearen Zusammenhang. Dieser lautet<br />
<br />
<math>R_{th}=\frac{\vartheta_{ü}}{P_{V}}</math><br />
<br />
todo<br />
<br />
'''Vergleich elektrischer und thermischer Größen'''<br />
<br />
Insgesamt können wir nun eine Analogie zwischen bekannten elektrischen Größen und den thermischen Größen angeben. Die schon gelernten Prinzipien zur Lösung linearer Netzwerke lässt sich auch bei den thermischen Ersatzschaltbildern anwenden.<br />
<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
|-<br />
| elektrisch || thermisch<br />
|-<br />
| Spannung U || Temperatur <math>\vartheta</math><br />
|-<br />
| Strom I || Verlustleistung <math>P_{V}</math><br />
|-<br />
| Widerstand R || thermischer Widerstand <math>R_{th}</math><br />
|}<br />
<br />
=Statisches Ersatzschaltbild=<br />
Mit den thermischen Zusammenhängen haben wir uns inzwischen vertraut gemacht. Nun können wir damit beginnen, thermische Ersatzschaltbilder von einfachen Anordnungen zu erstellen. Mit solchen Modellen können Temperaturen, wie z.B. die Chiptemperatur, vorab berechnet werden. Für die Berechnung müssen Wärmewiderstände, Umgebungstemperatur und Verlustleistung bekannt sein, da sie in die Berechnung einfließen.<br />
<br />
Bei den thermischen Ersatzschaltbildern kann man ein statisches oder ein dynamisches Ersatzschaltbild erstellen. Bei den statischen Ersatzschaltbilder wird davon ausgegangen, dass alle Größen zeitlich konstant sind, bzw. sofort ihre Solltemperatur entsprechend dem Modell annehmen. In der Realität dauert es natürlich eine gewisse Zeit, bis sich alle beteiligten Materialien aufgeheizt haben. Die Temperaturen des statischen Modells werden dabei erst nach einer bestimmten Zeit erreicht. <br />
<br />
Für die meisten Anwendungen genügt es jedoch, das statische thermische Ersatzschaltbild zu erstellen und den Kühlkörper dem entsprechend zu dimensionieren. Die Kühlung wird z.B. auf die maximale oder die mittlere auftretende Verlustleistung dimensioniert. Es wurde bereits erwähnt, dass sich die Bauteiltemperatur auf dessen Lebensdauer auswirkt. Dabei gilt: je niedriger die Bauteiltemperatur, desto länger die zu erwartende Lebensdauer. Je nach Anwendung und Rahmenbedingungen muss eventuell ein Kompromiss zwischen Kühlkörpergröße/kosten und Gerätelebensdauer gewählt werden. Beispielsweise kann der verfügbare Platz, ein Gesamtgewicht oder eine Kostenvorgabe begrenzender Faktor sein. Für einen dauerhaften sicheren Betrieb muss der Kühlkörper und weitere beteiligte Materialien für den worst case ausgelegt oder sogar überdimensioniert werden.<br />
<br />
==Bauteil ohne Kühlkörper==<br />
Um den Umgang mit den thermischen Ersatzschaltbildern zu lernen, soll zunächst mit einem einfachen Beispiel begonnen werden. In diesem Fall wird der Wärmeübergang von einem einzelnen Bauteil zu Luft betrachet, es kommt zunächst also noch kein Kühlkörper zum Einsatz. Das Ersatzschaltbild sieht in diesem Fall folgendermaßen aus:<br />
<br />
[[Bild:Therm-esb1.png|450px]]<br />
<br />
Die am Bauteil entstehende Verlustleistung ist Ursache der Abwärme und wird im thermischen Ersatzschaltbild als ideale Stromquelle modelliert.<br />
<br />
Die Abwärme gelangt nun über den Weg Sperrschicht (Junction) <math>\rightarrow</math> Bauteilgehäuse (Case) <math>\rightarrow</math> Umgebung (Ambient) nach außen. Im Ersatzschaltbild ist jeder Übergang als thermischer Widerstand modelliert. Die genauen Zahlenwerte der Wärmewiderstände lassen sich in der Regel dem Datenblatt des Bauteils entnehmen. Benötigt werden die Werte für <math>R_{th(jc)}</math> und <math>R_{th(ca)}</math>. In manchen Datenblättern findet man die Angabe <math>R_{th(ja)}</math>, was der Reihenschaltung aus den beiden vorher genannten Werten entspricht, also <math>R_{th(ja)}=R_{th(jc)}+R_{th(ca)}</math>.<br />
<br />
Die Umgebungstemperatur wird als ideale Spannungsquelle modelliert. Sämtliche Spannungen im Ersatzschaltbild entsprechen den auftretenden Temperaturen.<br />
<br />
Da es sich nun um ein lineares Netzwerk handelt, gelten hier ebenfalls die Kirchhoff'schen Gleichungen. Relativ leicht lässt sich nun die Temperatur am Bauteilgehäuse (Case) und der Sperrschicht (Junction) berechnen:<br />
<br />
<math>\vartheta_{c}=\vartheta_{a}+R_{th(ca)} \cdot P_{V}</math><br />
<br />
<math>\vartheta_{j}=\vartheta_{a}+R_{th(jc)} \cdot P_{V}+R_{th(ca)} \cdot P_{V}=\vartheta_{a}+(R_{th(jc)}+R_{th(ca)}) \cdot P_{V}=\vartheta_{a}+R_{th(ja)} \cdot P_{V}</math><br />
<br />
Da die thermischen Widerstände bei der Reihenschaltung auch zusammengefasst werden dürfen, beschreibt folgendes thermisches Ersatzschaltbild den gleichen Zusammenhang. Nachteil ist hier allerdings, dass die Temperatur am Gehäuse nicht modelliert wird.<br />
<br />
[[Bild:Therm-esb0.png|300px]]<br />
<br />
===Derating===<br />
<br />
Die Überlegungen zur Sperrschichttemperatur kann auch anders interpretiert werden. Gibt man die Sperrschichttemperatur vor, kann man die maximal erlaubte Verlustleistung des Bauteils in Abhängigkeit der Umgebungstemperatur bestimmen. Die folgende Formel erhält man aus Umformung der oberen Gleichung:<br />
<br />
<math>P_{V} \leq \frac{\vartheta_{j}-\vartheta_{a}}{R_{th(ja)}}</math><br />
<br />
Bei Halbleitern darf idR. die Sperrschichttemperatur nicht 150°C überschreiten. Der thermische Widerstand wird hauptsächlich durch das Gehäuse vorgegeben. Aus der Formel sieht man nun folgendes: Je höher die Umgebungstemperatur, desto geringer fällt die maximal erlaubte Verlustleistung aus. Diesen Zusammenhang bezeichnet man auch als '''Derating'''. Der typische Verlauf sieht meist so aus:<br />
<br />
[[Bild:Derating.png|300px]]<br />
<br />
Die Derating-Formel gilt im Bereich <math>\vartheta_{1} ... \vartheta_{max}</math>. Für Temperaturen unter <math>\vartheta_{1}</math> darf die Maximalleistung <math>P_{max}</math>des Bauteilgehäuses nicht überschritten werden. <math>\vartheta_{1}</math> liegt bei meist 25°C. Den genauen Verlauf kann man dem Datenblatt des betreffenden Bauteils entnehmen.<br />
<br />
===Beispielrechnung===<br />
<br />
Ein Spannungsregler vom Typ 7805 im TO220-Gehäuse soll ohne Kühlkörper betrieben werden. Wie hoch ist die maximal erlaubte Verlustleistung, wenn die Sperrschichttemperatur 120°C nicht überschreiten soll und die Umgebungstemperatur 25°C beträgt?<br />
<br />
Zunächst werfen wir einen Blick ins Datenblatt des Spannungsreglers und entnehmen die Angaben für die thermischen Widerstände. Dann halten wir alle gegebenen Größen fest:<br />
<br />
*'''Gegeben'''<br />
*:* <math>R_{th(jc)}=5 \frac{K}{W}</math> (aus dem Datenblatt)<br />
*:* <math>R_{th(ja)}=62 \frac{K}{W}</math> (aus dem Datenblatt)<br />
*:* <math>\vartheta_{j}=125°C</math><br />
*:* <math>\vartheta_{a}=25°C</math><br />
*'''Gesucht'''<br />
*:* <math>P_{v,max}</math><br />
*'''Rechnung'''<br />
*:Wir verwenden die Formel von oben und erhalten als Ergebnis<br />
*:<math>P_{V,max} = \frac{\vartheta_{j}-\vartheta_{a}}{R_{th(ja)}} = \frac{120°C-25°C}{62\frac{K}{W}} = \frac{95K}{62\frac{K}{W}} \approx 1,5 Watt</math><br />
*:Die maximal erlaubte Verlustleistung des Spannungsreglers ohne Kühlkörper darf demnach 1,5 Watt nicht überschreiten.<br />
*'''Zusatz'''<br />
*:Mit unserem Ersatzschaltbild können wir außerdem die Temperatur des Gehäuses (Case) des Spannungsreglers angeben. Dafür benötigen wir noch die Angabe <math>R_{th(ca)}</math>, welche allerdings im Datenblatt nicht angegeben ist.<br />
*:Da wir aber wissen, dass <math>R_{th(ja)}=R_{th(jc)}+R_{th(ca)}</math> gilt, können wir die fehlende Größe ausrechnen. Diese ist<br />
*:<math>R_{th(ca)}=R_{th(ja)}-R_{th(jc)}=62\frac{K}{W}-5\frac{K}{W}=57\frac{K}{W}</math>.<br />
*:Nun lässt sich die Gehäusetemperatur berechnen:<br />
*:<math>\vartheta_{c}=\vartheta_{a}+R_{th(ca)} \cdot P_{V}=25°C+57\frac{K}{W} \cdot 1,5 W \approx 111 °C</math><br />
*'''Bemerkung'''<br />
*:In der Praxis wird einem TO220-Gehäuse ungekühlt eine maximale Verlustleistung von 1 Watt zugerechnet. Die Temperaturen sind niedriger, die Lebensdauer des Bauteils höher.<br />
<br />
==Bauteil mit Kühlkörper und T.I.M.==<br />
<br />
Der Betrieb eines ICs ohne Kühlkörper, wie im vorigen Abschnitt beschrieben, funktioniert nur bei kleinen Leistungen und führt meist auch zu einer verringerten Lebensdauer des Bauteils. Viele Bauteile können ihre angegebenen Maximalwerte nur bei vernünftiger Kühlung erreichen. In diesem Abschnitt wird nun ein typisches Szenario mit Kühlkörperberechnung vorgestellt.<br />
<br />
Befassen wir uns zunächst mit der typischen mechanischen Anordnung. Das zu kühlende IC wird thermisch an einen Kühlkörper gekoppelt. In der Praxis wird man das IC aber nicht direkt auf dem Kühlkörper befestigen, sondern über ein sogenanntes ''thermisches Interface-Material'' (T.I.M.), um Unebenheiten und mechanische Abstände auszugleichen oder um für Insolierung zu sorgen. Details zum T.I.M. folgen im Unterabschnitt. Die typische Anordnung zeigt die folgende Abbildung.<br />
<br />
[[Bild:kuehlkoerper-anordnung.png|300px]]<br />
<br />
Folgende thermischen Widerstände treten hier in Kraft:<br />
*<math>R_{th(jc)}</math> für den Übergang Chip zu Bauteilgehäuse<br />
*<math>R_{th(ch)}</math> für den Übergang Bauteilgehäuse zu Kühlkörper (also über das T.I.M.)<br />
*<math>R_{th(ha)}</math> für den Übergang Kühlkörper zur Umgebung<br />
<br />
Aus diesen thermischen Widerständen wird ein thermisches Ersatzschaltbild angefertigt. Dieses zeigt die nächste Abbildung.<br />
<br />
[[Bild:Therm-esb2.png|700px]]<br />
<br />
Zunächst soll die Formel zur Berechnung der Chiptemperatur aufgestellt werden, die Formel erhält man wieder durch die Anwendung der Kirchhoffschen Gleichungen im Ersatzschaltbild.<br />
<br />
<math>\vartheta_{j}=\vartheta_{a}+(R_{th(jc)}+R_{th(ch)}+R_{th(ha)}) \cdot P_{V}</math><br />
<br />
Die Formel wird in der Praxis jedoch in einer anderen Form benötigt. Meist steht man als Entwickler vor der Aufgabe, den erforderlichen thermischen Widerstand <math>R_{th(ha)}</math> des Kühlkörpers zu bestimmen, sofern die Größen Umgebungstemperatur, Sperrschichttemperatur, Verlustleistung sowie die verbleibenden thermischen Widerstände gegeben sind. Anhand des berechneten Wärmewiderstands des Kühlkörpers können dann aus Produktkatalogen geeignete Kühlkörper bestimmt werden.<br />
<br />
Wir müssen dafür also die Gleichung nach <math>R_{th(ha)}</math> auflösen. Wir erhalten die praxisübliche Berechnungsformel:<br />
<br />
<math>R_{th(ha)}=\frac{\vartheta_{j}-\vartheta_{a}}{P_{V}}-R_{th(jc)}-R_{th(ch)}</math><br />
<br />
In manchen Quellen enthält diese Formel außerdem Korrekturfaktoren, die z.B. die Einbaulage o.ä. berücksichtigen können.<br />
<br />
===Beispielrechnung===<br />
<br />
Für einen Spannungsregler vom Typ 7805 im TO220-Gehäuse soll ein Kühlkörper dimensioniert werden. Die Eingangsspannung des Reglers beträgt 12V, die Ausgangsspannung von 5V wird mit 500mA belastet. Die Umgebungstemperatur sei 30°C. Der Spannungsregler wird mit Wärmeleitpaste auf dem Kühlkörper montiert, für diesen Wärmewiderstand wird 0,5 K/W angenommen. Welchen Wärmewiderstand darf der Kühlkörper höchstens haben, wenn als maximale Sperrschichttemperatur 110°C angenommen wird?<br />
<br />
Diese Aufgabe kann so durchaus in der Praxis auftreten. Von den vielen Angaben darf man sich zunächst nicht verunsichern lassen. Wir verwenden das gezeigte thermische Ersatzschaltbild. Für die Rechnung benötigen wir außerdem noch den thermischen Widerstand <math>R_{th(jc)}</math> aus dem Datenblatt.<br />
<br />
*'''Gegeben'''<br />
*:<math>R_{th(jc)}=5 \frac{K}{W}</math> (aus dem Datenblatt)<br />
*:<math>R_{th(ch)}=0,5 \frac{K}{W}</math><br />
*:<math>\vartheta_{j}=110°C</math><br />
*:<math>\vartheta_{a}=30°C</math><br />
*:<math>U_{ein}=12V</math><br />
*:<math>U_{aus}=5V</math><br />
*:<math>I=0,5A</math><br />
*'''Gesucht'''<br />
*:<math>R_{th(ha)}</math><br />
*'''Rechnung'''<br />
*:Zunächst muss die Verlustleistung am Regler berechnet werden. Diese beträgt<br />
*:<math>P_V=P_{Ein}-P_{Aus}=12V \cdot 0,5A~-~5V \cdot 0,5A=3,5 W</math>.<br />
*:Nun sind eigentlich auch schon alle Angaben vorhanden, sodass wir die Formel verwenden können.<br />
*:<math>R_{th(ha)}=\frac{\vartheta_{j}-\vartheta_{a}}{P_{V}}-R_{th(jc)}-R_{th(ch)}</math><br />
*:Einsetzen:<br />
*:<math>R_{th(ha)}=\frac{110°C-30°C}{3,5W}-5\frac{K}{W}-0,5\frac{K}{W} \approx 17,4\frac{K}{W}</math><br />
*'''Ergebnis'''<br />
*:Der Wärmewiderstand des Kühlkörpers darf maximal <math>17,4\frac{K}{W}</math> betragen.<br />
*'''Zusatz'''<br />
*:Aus dem Katalog wird ein Kühlkörper mit einem Wärmewiderstand von <math>10\frac{K}{W}</math> gewählt. Welche Temperatur erreicht der Kühlkörper, wenn er bei den gegebenen Bedingungen eingesetzt wird?<br />
*:<math>\vartheta_h=\vartheta_a+P_{V} \cdot R_{th(ha)}=30°C+3,5W \cdot 10 \frac{K}{W} \approx 65°C</math><br />
<br />
==Mehrere Bauteile auf einem gemeinsamen Kühlkörper==<br />
<br />
[[Bild:Therm-esb3.png|700px]]<br />
<br />
Thermisches Ersatzschaltbild: zwei Wärmequellen, gemeinsamer Kühlkörper<br />
<br />
Wird noch ausgebaut ...<br />
<br />
=Thermische Interface-Materialien (T.I.M.) und Montage=<br />
Wie bereits erwähnt, werden ICs in der Praxis nicht direkt auf einen Kühlkörper befestigt. Der Grund dafür ist folgender: Durch Unebenheiten und die rauhe Oberfläche von Kühlkörper und IC berühren sich die betreffenden Flächen unter dem Mikroskop gesehen nur minimal. Durch Lufteinschlüsse und die Tatsache, dass Luft ein schlechter Wärmeleiter ist, fällt in diesem Fall die thermische Anbindung des ICs an den Kühlkörper relativ schlecht aus.<br />
<br />
Zum Ausgleich der Unebenheiten eignet sich Wärmeleitpaste, welche dünn auf die Kontaktfläche aufgetragen wird. Es genügt eine sehr geringe Menge der Wärmeleitpaste, die Schichtdicke liegt in der Größenordnung 0,1mm. Die Aufgabe der Wärmeleitpaste ist, die Unebenheiten der Kontaktflächen auszugleichen. Zu viel Wärmeleitpaste erhöht wiederum den thermischen Übergangswiderstand. <br />
<br />
Ist zusätzlich eine elektrische Isolation zwischen IC und Kühlkörper erforderlich, können Glimmerscheiben (engl. mica) eingesetzt werden. Elektrische Isolation ist erforderlich, falls zum Beispiel mehrere Transistoren auf einen Kühlkörper montiert werden sollen und eine elektrische Verbindung der Kühlfahnen über den Kühlkörper zu Kurzschlüssen führen würde. Werden Glimmerscheiben verwendet, müssen diese beidseitig mit Wärmeleitpaste bestrichen werden, um sämtliche Unebenheiten auszugleichen. Die Glimmerscheiben werden zwischen IC und Kühlkörper eingebaut. Werden die ICs an den Kühlkörper geschraubt, muss auch die Schraube elektrisch isoliert werden. Hierfür sind entsprechende Hülsen aus Kunststoff erhältlich.<br />
<br />
Wärmeleitfolien aus Silikon /Gap-Filler<br />
<br />
BAUSTELLE<br />
<br />
Zur Montage der ICs auf dem Kühlkörper gibt es mehrere Möglichkeiten. Üblich sind Schraubmontage oder die Verwendung von Metallclips aus Federstahl. Der Anpressdruck durch die Montage kann die thermische Kopplung des ICs zum Kühlkörper beeinflussen. Die Metallclips haben den Vorteil, dass der Anpressdruck mit der Zeit nicht nachlässt.<br />
<br />
BAUSTELLE<br />
<br />
=Dynamisches Ersatzschaltbild=<br />
<br />
Bisher haben wir uns mit statischen Ersatzschaltbildern beschäftigt. Diese beinhalten die Wärmequellen, die Umgebungstemperatur sowie alle thermischen Widerstände. Nicht berücksichtigt wurden bislang Wärmekapazitäten. Erfahrungsgemäß dauert es eine gewissen Zeit, bis alle Gegenstände auf die berechnete Temperatur aufgeheizt sind. Um die zeitlichen Temperaturverläufe bestimmen zu können, müssen die thermischen Ersatzschaltbilder noch mit Wärmekapazitäten ergänzt werden. Wärmewiderstände und Wärmekapazitäten ergeben ein Tiefpassfilter mit einer definierten Zeitkonstante. Bei geeigneter Modellierung kommt das Modell kommt dem realen Temperaturverlauf schon sehr nahe. Nun können wir also zeitveränderliche Vorgänge modellieren. Dies ist insbesondere notwendig wenn sich stark ändernde Verlustleistungen (z.B. Impulsbelastung) an den Bauteilen auftreten und die Temperaturen vorab berechnet werden sollen. Im Hobbybereich ist diese Berechnung jedoch häufig nicht erforderlich, in der Regel genügt das statische Ersatzschaltbild.<br />
<br />
Ergänzen wir das bisherige thermische Ersatzschaltbild um Wärmekapazitäten, ergibt sich das folgende thermische Ersatzschaltbild. Dieses Modell wird als Cauer-Typ bezeichnet. Wärmewiderstände und Wärmekapazitäten lassen sich physikalisch bestimmen und eindeutig im Ersatzschaltbild zuordnen. Berechnete Temperaturen entsprechen realen Temperaturen.<br />
<br />
[[Bild:Therm-esb-dyn-cauer.PNG|600px]]<br />
<br />
Den gleichen Sachverhalt kann man auch mit dem sogenannten Foster-Modell darstellen. Dieses Modell scheint weit verbreitet zu sein, ist allerdings nicht mehr besonders anschaulich. Die gezeigten Ersatzschaltbilder lassen sich auch ineinander überführen, allerdings unterscheiden sich die eingetragenen Wärmekapazitäten und Wärmewiderstände.<br />
<br />
[[Bild:Therm-esb-dyn-foster.PNG|600px]]<br />
<br />
Die schwierige Aufgabe besteht nun darin, alle Zahlenwerte der Wärmewiderstände und Wärmekapazitäten zu bestimmen. Erst dann können die Temperaturverläufe in einer Simulation (z.B. mit SPICE) bestimmt werden. Im Hobbybereich ist diese Berechnung jedoch häufig nicht erforderlich.<br />
<br />
=Kühlkörperbauformen=<br />
* Board-Level-Kühlkörper (aufsteckbare/aufklebbare Kühlkörper, auch für SMD, meist 1 Kühlkörper pro IC)<br />
* Strang-/Profilkühlkörper (meist für hohe Leistungen)<br />
* Kühlaggregate (Kanal + Lüfter)<br />
<br />
Wozu eloxierte Oberflächen?<br />
* geringfügig höhere Wärmestrahlung (bei den niedrigen Temperaturen kaum ein Beitrag)<br />
* elektrische Isolation<br />
* Oberflächenschutz<br />
Nachteile:<br />
* erhöhte Wärmeaufnahme aus der unmittelbaren Umgebung!<br />
<br />
Stiftkühlkörper<br />
* hohe Oberfläche<br />
* bei dickem "Rücken"/"Boden" des Kühlkörpers gute Wärmespreizung<br />
* mit erzwungener Konvektion hohe Wärmeübertragung (quer zu den Stiften effektiver als in Stiftrichtung)<br />
* leichter und kompakter als Strangkühlkörper<br />
<br />
todo<br />
<br />
=Lüfter=<br />
Lüfter werden vor allem dann eingesetzt, wenn der Kühlkörper bei rein passiver Kühlung zur groß, zu schwer oder zu teuer wird. Beim Einsatz des Lüfters führt die erzwungene Luftströmung zur besseren Wärmeabgabe an die Luft. Bei gleicher Temperatur kann der Kühlkörper dann kleiner gewählt werden. Bei hohen Leistungen sind der kleinere Kühlkörper mit Lüfter preisgünstiger und kompakter als ein großer, rein passiver Kühlkörper. Um welchen Faktor die Wärmeableitung mit Lüfter verbessert wird, hängt von vielen Parametern ab und kann nicht pauschal angegeben werden.<br />
<br />
Vorteile<br />
* bessere Wärmeabgabe<br />
* Kühlkörper kann bei gleicher Temperatur kleiner, leichter und kostengünstiger werden<br />
* In kleinem Maßstab günstiger als Wasserkühlung o.ä.<br />
<br />
Nachteile<br />
* zusätzlicher Stromverbrauch<br />
* Geräuschentwicklung und Vibrationen<br />
* zusätzliche Kosten für Lüfter und dessen Montage<br />
* Im Falle eines unbemerkten Ausfalls kann die Schaltung überhitzen (Abhilfe: Thermostat, Temperaturfühler oder Tachosignal auswerten)<br />
<br />
Anordnungen:<br />
* Push-Prinzip: Der Lüfter bläst die Luft in den Kühlkörper/-kanal<br />
* Pull-Prinzip: Der Lüfter saugt die Luft aus dem Kühlkörper/-kanal heraus<br />
<br />
Kenngrößen:<br />
* Luftdurchsatz in <math>\frac{m^{3}}{h}</math><br />
* Nennspannung, Nennstrom, Nennleistung<br />
* Typ Axial/Radial<br />
* Größe<br />
* Geräuschpegel<br />
* Art der Lagerung (Kugellager, Sinterbronze-Lager etc.)<br />
* Temperaturbereich<br />
* Lebensdauer, MTBF<br />
<br />
=Entwärmung auf einer Platine=<br />
[[Bild:kuehlkoerper-board.jpg|thumb|Kühlkörper auf einem alten Mainboard]]<br />
<br />
Beim Leiterplattenentwurf muss bereits in der Designphase abgeschätzt werden, welche Verlustleistungen auftreten und wie die entstehende Wärme abgeführt werden kann. Die Anordnung der Bauteile und die Gestaltung der Leiterbahnen hat Auswirkungen auf das thermische Verhalten. Die Einbaulage der Platine kann die Entwärmung zudem beeinflussen. Erwärmte Umgebungsluft steigt bekanntlich nach oben und kann andere Komponenten oder Platinen aufheizen. Wird die Platine in ein Gehäuse eingebaut, müssen gegebenenfalls Lüftungsschlitze eingebracht werden oder die zu kühlenden Bauteile an der Gehäusewand platziert werden. Bei geschlossenen Gehäusen muss bei der Kühlkörperdimensionierung mit höheren Umgebungstemperaturen gerechnet werden (z.B. 50°C, 60°C), da sich die Wärme zunächst im Gehäuse staut und nur allmählich durch die Gehäusewand abgegeben wird.<br />
<br />
==Bedrahtete Bauteile==<br />
Für bedrahtete Bauteilgehäuse wie z.B. TO-220 sind zahlreiche Kühlkörpervarianten erhältlich. Für Printmontage eignen sich Kühlkörper, die mit Lötstiften oder Schrauben an der Platine befestigt werden. Das Bauteil selbst wird mit einem Federclip oder einer Schraube am Kühlkörper montiert. Die Größe, Bauform und Befestigung des Kühlkörpers muss bereits beim Leiterplattenentwurf berücksichtigt werden. Leistungsdioden und Leistungswiderstände sind in den meisten Fällen für Konvektionskühlung ausgelegt, d.h. durch Luftströmung. Diese werden meist mit etwas Abstand von der Platinenoberfläche montiert, um die gesamte Bauteiloberfläche zur Kühlung nutzen zu können und um die Platine nicht unnötig aufzuheizen.<br />
<br />
Zur Verbesserung der Wärmeableitung kann, abgesehen vom Kühlkörper, auch die Platine bei der Wärmeverteilung helfen:<br />
* Breite Leiterbahnen können Wärme abführen und auf eine große Fläche verteilen<br />
* Eine dickere Kupferkaschierung kann die Wärmeableitung unterstützen (Standard sind 35µm, erhältlich sind auch 70µm und mehr), dies reduziert zudem die elektrischen Leiterbahnwiderstände<br />
* Mit einer großen Zahl von Durchkontaktierungen (vias) kann die Wärme auf andere Kupferlagen verteilt werden (der Platinenkern FR4 allein hat eine schlechte Wärmeleitfähigkeit)<br />
* Einsatz spezieller Platinenmaterialien (Alukern) z.B. bei Platinen für High-Power-LEDs<br />
* Für kleinere ICs mit Wärmeentwicklung eignen sich aufklebbare Kühlkörper<br />
<br />
Beim Entwurf der Platine muss den Bauteilen in der Nähe der Wärmequelle besondere Aufmerksamkeit geschenkt werden. Vor allem sind '''Elektrolytkondensatoren (Elkos)''' betroffen, da diese durch benachbarte Wärmequellen allmählich austrocknen und zum Ausfall der Schaltung führen können! Elkos sollten möglichst so platziert werden, dass sie eine geringe Temperatur und somit eine hohe Lebensdauer erreichen. Jedoch ist dies bei manchen Anwendungen nur eingeschränkt möglich. Beispielsweise sind bei Schaltreglern kurze Leiterschleifen erwünscht, um die elektromagnetische Verträglichkeit zu verbessern (Leiterschleifen wirken als Antenne) und um parasitäre Induktivitäten und Widerstände zu reduzieren. Der Einsatz hochwertiger Elkos mit geringem ESR, hoher Maximaltemperatur und Lebensdauer ist empfehlenswert. Zudem ist auf ausreichende Spannungsfestigkeit und geringe Rippleströme im Betrieb zu achten. Im Laufe der Betriebszeit sinkt die Kapazität des Elkos und die Verluste steigen. Die Lebensdauer der Elkos kann abgeschätzt werden. Die Hersteller geben idR. die Lebensdauer bei der spezifizierten Maximaltemperatur an, z.B. 5000h bei 105°C. Zur Abschätzung der Lebensdauer gilt hier auch die 10°C-Regel (laut Panasonic im Bereich 40°C bis 100°C), d.h. pro 10°C niedrigerer Betriebstemperatur verdoppelt sich die Lebensdauer des Elkos. Die erwartete Lebensdauer kann mit der folgenden Formel (Panasonic) abgeschätzt werden:<br />
<br />
<math>\Large L=L_{Tmax} \cdot 2^{\left( \frac{T_{max} - T}{10} \right)}</math><br />
<br />
'''Beispiel'''<br />
<br />
Ein Elko ist mit 5000h bei 105°C spezifiziert. Welche Lebensdauer wird bei einer Temperatur von 55°C erwartet?<br />
* Gegeben: <math>\large L_{Tmax}=5000h</math> , <math>\large T_{max}=105°C</math> , <math>\large T=55°C</math><br />
* Rechnung: <math>\large L=L_{Tmax} \cdot 2^{\left( \frac{T_{max} - T}{10} \right)}=5000h \cdot 2^{\left( \frac{105°C - 55°C}{10} \right)}=5000h \cdot 2^5=5000h \cdot 32=160000h</math><br />
* Ergebnis: Die Lebensdauer des Elkos beträgt unter diesen Bedingungen etwa 160000h, also über 18 Jahre Dauerbetrieb!<br />
* Bemerkung: Würde man z.B. einen billigen 2000h/85°C-Elko verwenden, würde dieser unter den gleichen Bedingungen keine 2 Jahre durchhalten!<br />
<br />
Liegt das Datenblatt des verwendeten Elkos vor, sollte man sich an die dort genannten Berechnungen und Zahlenwerte halten. Die gezeigte Berechnung ist nur eine Näherungsformel. Für weitere Verwendungshinweise sei auf die ''Application Guidelines'' für ''Radial Lead Type Aluminum Electrolytic Capacitors'' von ''Panasonic'' verwiesen (siehe Quellenangaben und Verweise am Seitenende).<br />
<br />
==SMD-Bauteile==<br />
SMD-Bauteile können meist über die Platine gut entwärmt werden. Dies ist normalerweise nur bei geringen Verlustleistungen möglich. Die Abwärme der Bauteile muss auf eine möglichst große Fläche verteilt werden, durch große Kupferflächen auf der Platine kann dies erreicht werden. Da die Wärmeleitfähigkeit der Kupferauflage deutlich höher ist als die Wärmeleitfähigkeit des Platinenmaterials FR4, wird sich die Wärme hauptsächlich in der Fläche verteilen, jedoch weniger ''durch'' die Platine hindurch. Um die Wärmeleitung durch die Platine (z.B. von Ober- zu Unterseite) zu erhöhen, müssen Durchkontaktierungen gesetzt werden. Sogenannte "Thermal Vias" werden in einer großen Anzahl an das zu entwärmende Bauteil gesetzt und können damit die Wärme zu anderen Kupferlagen der Platine weiterleiten. Die Wärmeleitung durch die Platine hindurch wird verbessert, liegt aber dennoch deutlich unter der Wärmeleitfähigkeit von reinem Kupfer. Thermische Vias können aufgrund ihrer kleinen Masse kaum einen Beitrag zur gesamten "Kühlmasse" beitragen. Ob schließlich eine Entwärmung durch die Platine ausreicht, muss durch Simulation oder Messung gezeigt werden.<br />
<br />
Welche Temperatur das Bauteil auf der Platine erreicht, kann nach dem Aufbau natürlich gemessen werden. Besser wäre es jedoch, die Temperaturen bereits beim Entwurf der Platine zu kennen, um einschätzen zu können, ob die Entwärmung ausreichend ist. Allgemeine Angaben hierfür sind schwer zu finden, jedoch gibt es vereinzelt Angaben in Datenblättern von Halbleitern zur Entwärmung. An den folgenden Zahlenwerten kann man sich orientieren, wenn man ähnliche Bauteile entwärmen möchte. Damit man für die genannten Flächen eine grobe Vorstellung hat, sei noch erwähnt: ein Cent hat eine Fläche von grob <math>200mm^2</math>, ein Euro hat grob <math>400mm^2</math>.<br />
<br />
Für SMD-Bauteile exisitieren Kühlkörper, die sich direkt auf die Platine löten lassen, diese sind auch maschinenbestückbar.<br />
<br />
'''TO263 (=D2PAK)'''<br />
<br />
Im Datenblatt des Schaltreglers LM2576 von ''National Semiconductor'' findet man für das TO263-Gehäuse einige Angaben. Das TO263-Gehäuse gleicht übrigens dem TO220 bis auf die Tatsache, dass die Kühlfahne kürzer ist und das Gehäuse für SMD-Montage vorgesehen ist. Das Datenblatt gibt thermische Widerstände für den Übergang Junction-Ambient an. Die Angabe ist abhängig von der Kupferfläche auf der Platine, die unmittelbar für das Bauteil aus Kühlkörper wirkt. Die Zahlenwerte aus dem Datenblatt wurden in Quadratmillimeter umgerechnet, gerundet und stehen nun in der Tabelle bereit. Keine Angaben macht der Hersteller zu den Rahmenbedingungen, unter denen die thermischen Widerstände ermittelt wurden (Platinendicke, Durchkontaktierungen, Form der Kupferfläche und Dicke der Kupferkaschierung). Dennoch können die Werte zur groben Orientierung dienen.<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
| Kupferfläche || therm. Widerstand<br />
|-<br />
| <math>325 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 50\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>645 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 37\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>1030 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 32\frac{K}{W} </math><br />
|}<br />
<br />
'''TO252 (=DPAK), SOT223'''<br />
<br />
Im Datenblatt des Low-Drop-Spannungsreglers LM1117 von ''National Semiconductor'' sind Angaben zur Entwärmung über die Platine von SOT223 und TO252-Gehäusen vorhanden. Der Hersteller gibt an, für das SOT223-Gehäuse eine 35µm dicke, und für das TO252-Gehäuse eine 70µm dicke Kupferkaschierung der Platine verwendet zu haben. Leider finden sich in diesem Datenblatt keine Informationen zu Durchkontaktierungen, Platinendicke, und ob das IC auf der Ober- oder Unterseite der Platine montiert wurde (Vermutung: oben montiert, da angegebene thermische Widerstände geringer sind). Der Hersteller hat drei Fälle untersucht: Kupferfläche oben, Kupferfläche unten, Kupferfläche beidseitig. Für das thermische Platinendesign kann man diese Zahlenwerte zumindest als Richtwerte verwenden. Das Datenblatt enthält zudem Zeichnungen der Kühlflächen. Die Zahlenwerte wurden wieder in Quadratmillimeter umgerechnet und gerundet und in die folgenden Tabelle eingetragen:<br />
<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
| Kupferfläche top || Kupferfläche bottom || therm. Widerstand SOT223 || therm. Widerstand TO252<br />
|-<br />
| <math> 200mm^2</math> || - || <math>R_{th(ja)}\approx 84\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 60\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math> 350mm^2</math> || - || <math>R_{th(ja)}\approx 75\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 54\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math> 650mm^2</math> || - || <math>R_{th(ja)}\approx 66\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 47\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| - || <math> 250mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 98\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 70\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| - || <math> 400mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 89\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 63\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| - || <math> 650mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 79\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 57\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math> 200mm^2</math> || <math> 200mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 83\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 61\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math> 250mm^2</math> || <math> 250mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 75\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 55\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math> 350mm^2</math> || <math> 350mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 70\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 53\frac{K}{W} </math><br />
|}<br />
<br />
'''SO8'''<br />
<br />
Für das SO8-Gehäuse findet man eine Angabe im Datenblatt des Spannungsreglers 78L05 von ''TI'':<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
| Kupferfläche || therm. Widerstand<br />
|-<br />
| <math>600 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 180\frac{K}{W} </math><br />
|}<br />
<br />
'''SO20'''<br />
<br />
Aus dem Datenblatt des L293DD sind Angaben zum SO20-Gehäuse enthalten. In diesem Falle sind 8 zentrale Pins an die Kühlfläche angebunden, die Kupferkaschierung ist vermutlich einseitig 35µm. Die groben Richtwerte sind:<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
| Kupferfläche || therm. Widerstand<br />
|-<br />
| <math>200 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 60\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>400 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 53\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>600 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 51\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>800 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 50\frac{K}{W} </math><br />
|}<br />
<br />
'''PowerDIP20'''<br />
<br />
Für das DIP20-Gehäuse wird man im Datenblatt des Motortreibers L6202 von ''ST'' fündig. Bei 35µm Kupferkaschierung der Platine ergeben sich die folgenden thermischen Widerstände.<br />
<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
| Kupferfläche || therm. Widerstand<br />
|-<br />
| <math>0 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 58\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>200 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 45\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>400 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 39\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>600 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 38\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>800 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 37\frac{K}{W} </math><br />
|}<br />
<br />
Für die Form der empfohlenen Kühlfläche sei auf das Datenblatt verwiesen. Wird das IC in einem Sockel verwendet, muss man sicherlich von höheren thermischen Widerständen ausgehen.<br />
<br />
'''AN-994'''<br />
<br />
In der ''Application Note AN-994 - Maximizing the Effectiveness of your SMD Assemblies'' von ''International Rectifier (IRF)'' sind weitere Daten vorhanden. Die dort genannten Daten sind jedoch teils drastisch niedriger als die hier genannten. Eine mögliche Erklärung sind z.B. die höhere Kupferauflage (70µm) oder evtl. optimierte Wärmewiderstände innerhalb der Gehäuse.<br />
<br />
'''Große Kupferflächen'''<br />
<br />
Im ''Application Hint 17 - Designing P.C. Board Heat Sinks - by Bob Wolbert (Micrel)'' werden Angaben zu thermischen Widerständen der Platine für vergleichsweise große Flächen gemacht. Die thermischen Widerstände beschreiben den Übergang <math>R_{th(ha)}</math> unter den Bedingungen: Quadratische Kupferfläche, einseitig, horizontal montiert, Lötstopplack, keine Belüftung. Die Dicke der Kupferkaschierung ist nicht angegeben. Hier einige Werte, abgelesen aus dem Diagramm der genannten Application Note:<br />
<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
| Kupferfläche || therm. Widerstand<br />
|-<br />
| <math>500 mm^2</math> || <math>R_{th(ha)}\approx 60\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>1000 mm^2</math> || <math>R_{th(ha)}\approx 45\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>1500 mm^2</math> || <math>R_{th(ha)}\approx 38\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>2000 mm^2</math> || <math>R_{th(ha)}\approx 33\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>2500 mm^2</math> || <math>R_{th(ha)}\approx 30\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>3000 mm^2</math> || <math>R_{th(ha)}\approx 28\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>4000 mm^2</math> || <math>R_{th(ha)}\approx 24\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>5000 mm^2</math> || <math>R_{th(ha)}\approx 22\frac{K}{W} </math><br />
|}<br />
<br />
<br />
'''Abschlusskommentar'''<br />
<br />
An den gezeigten, thermischen Widerständen sieht man leicht: je größer die Kühlfläche, desto geringer der thermische Widerstand. Dieses Verhalten würde man so auch erwarten.<br />
<br />
Ab einer bestimmten Fläche wird die Platine als Kühlkörper jedoch unhandlich, und man wird die Fläche nicht weiter vergrößern. Die mit den Kupferflächen erreichten thermischen Widerstände sind für viele Anwendungen noch deutlich zu hoch. Bei Verlustleistungen von wenigen Watt werden dadurch bereits kritische Chiptemperaturen erreicht. Wie bereits oben erwähnt, funktioniert die Entwärmung von SMD-Komponenten über die Platine also nur für kleine Verlustleistungen. Bei größeren Verlustleistungen müssen zusätzliche Entwärmungsmaßnahmen getroffen werden (z.B. aufklebbarer Kühlkörper, etc.). Zielführend ist auch, die Ursache der Erwärmung, nämlich die Verlustleistung zu verringern. Wird beispielsweise ein Linearregler durch einen effizienteren Schaltregler ersetzt, kann die Entwärmung aufgrund der kleineren Verlustleistung deutlich einfacher gestaltet werden. Ob die Verringerung der Verlustleistung möglich ist, hängt natürlich von der Anwendung ab.<br />
<br />
=Spezielle Kühlkörper=<br />
<br />
todo<br />
<br />
=Autoren=<br />
* BMS<br />
<br />
[[Kategorie:Elektronik]]<br />
[[Kategorie:Mechanik]] <br />
[[Kategorie:Praxis]] <br />
[[Kategorie:Grundlagen]]<br />
<br />
=Quellen und Verweise=<br />
<br />
Printmedien:<br />
<br />
* Best, Siegfried W.: ''Elektronikkühlung und Wärmemanagement von A bis Z''. In: Elektronikpraxis - Sonderheft Elektromechanik, April 2013. S. 20ff.<br />
* Best, Tobias: ''Thermisches Via, die kleine Schwester der Heatpipe''. In: Elektronikpraxis, April 2013. S. 12ff.<br />
* Erdmann, Marc: ''Beste Effizienz auch beim Thermal Management''. In: Elektronikpraxis - Sonderheft Leistungelektronik und Stromversorgung. März 2015. S. 38ff.<br />
* Kerstin, Nils; Schulz, Martin: ''Thermische Widerstände genau messen - eine Herausforderung''. In: Elektronikpraxis, Nr. 17, September 2014. S. 48ff.<br />
* K.R. (Alutronic): ''Stiftkühlkörper für die Leistungselektronik''. In: Elektronikpraxis Nr.9, Mai 2014. S. 50ff.<br />
* Harpain, Jürgen: ''Wärmeleitmaterial kompensiert Lufteinschlüsse''. In: Elektronikpraxis Nr.1, Januar 2014. S. 36ff.<br />
* Harpain, Jürgen: ''Entwärmungskonzepte für Einzelhalbleiter und ICs''. In: Elektronikpraxis - Sonderheft Elektromechanik, April 2014. S. 14ff.<br />
* Schulz, Martin: ''Fünf Fettnäpfchen beim Bestimmen thermischer Größen''. In: Elektronikpraxis, November 2013. S. 36ff.<br />
* Schulz, Martin: ''Mythen und Legenden über Wärmeleitmaterialien''. In: Elektronikpraxis Nr.2., Januar 2014. S. 42ff.<br />
* Specovius, J.: Grundkurs Leistungselektronik: Bauelemente, Schaltungen und Systeme. Wiesbaden 2014. 6. Auflage. S.95-104<br />
----<br />
<br />
Datenblätter, aus denen thermische Widerstände entnommen wurden:<br />
<br />
* [http://pdf.datasheetcatalog.com/datasheet/nationalsemiconductor/DS011476.PDF Datenblatt LM2576 von National Semiconductor]<br />
* [http://pdf.datasheetcatalog.com/datasheet/nationalsemiconductor/LM1117.pdf Datenblatt LM1117 von National Semiconductor]<br />
* [http://pdf.datasheetcatalog.com/datasheets/150/9358_DS.pdf Datenblatt L78Lxx von ST]<br />
* [http://pdf.datasheetcatalog.com/datasheet/stmicroelectronics/1330.pdf Datenblatt L293DD von ST]<br />
* [http://pdf.datasheetcatalog.com/datasheet/stmicroelectronics/1373.pdf Datenblatt L6202 von ST]<br />
* [http://www.irf.com/technical-info/appnotes/an-994.pdf ''Application Note AN994 - Maximizing the Effectiveness of your SMD Assemblies'' - International Rectifier (IRF)]<br />
* [http://www.micrel.com/_PDF/App-Hints/ah-17.pdf ''Application Hint 17 - Designing P.C. Board Heat Sinks - by Bob Wolbert (Micrel)'']<br />
<br />
----<br />
<br />
Weblinks:<br />
<br />
* [http://stegem.de/Elektronik/Kuehlkoerper/ Online-Tool zur Kühlkörperberechnung von Gemmel, S.]<br />
* [http://ludens.cl/Electron/Thermal.html Thermal Design - von Mornhinweg, M.]<br />
* [http://sound.westhost.com/heatsinks.htm The Design of Heatsinks - von Elliot, R.]<br />
* [http://www.giangrandi.ch/electronics/thcalc/thcalc.shtml Calculating Heat sinks - von Giangrandi, I.]<br />
* [http://www.irf.com/technical-info/appnotes/an-1057.pdf Application Note AN-1057: Heatsink Characteristics von International Rectifier (IRF)]<br />
* [http://ww1.microchip.com/downloads/en/AppNotes/00792a.pdf Application Note AN792: A method to determine how much power a sot23 can dissipate in an application (Microchip Technology Inc. 2001)]<br />
* [http://www.fairchildsemi.com/application-notes/AN/AN-1028.pdf Application Note AN1028: Maximum Power Enhancement Techniques for SOT-223 Power MOSFETs (Fairchild Semiconductor 1996)]<br />
* [http://www.industrial.panasonic.com/www-data/pdf/ABA0000/ABA0000PE26.pdf Aluminium Electrolytic Capacitors - Application Guidelines (Panasonic 2015)]<br />
* [http://www.vishay.com/docs/52027/thermmgt.pdf Thermal Management on SMD Thick Film Resistors (Vishay 2015)]</div>BMShttps://rn-wissen.de/wiki/index.php?title=Getriebemotoren_Ansteuerung&diff=27295Getriebemotoren Ansteuerung2015-12-14T17:46:30Z<p>BMS: /* Ansteuerung mit Treiber IC L293 D */</p>
<hr />
<div>Ist der Entschluss gefasst, für seinen Roboter oder andere Konstruktion einen Getriebemotor zu verwenden, so müssen sich Gedanken gemacht werden, wie er ansteuert werden kann. Gewöhnlich sollen die Motoren ja sowohl in Bezug auf Drehrichtung und Geschwindigkeit über eine Programmiersprache angesteuert werden. Daher wird in der Regel erst mal ein Controllerboard benötigt. Leider kann man an die wenigsten Controllerboards einen Getriebemotor direkt anschließen, eine der wenigen Ausnahmen ist das [[RN-Control]]-Board und das RNBFRA-Board. Bei beiden Boards ist es einfach, dort müssen die Getriebemotoren einfach nur an die Schraubklemmen angeschlossen werden, danach kann man sofort mit der Programmierung loslegen.<br />
<br />
Ich möchte hier aber aufzeigen, wie man Motoren auch bei anderen Boards anschließen kann. Die gleiche Technik lässt sich natürlich auch nutzen, um z.B. mehr als zwei Motoren an [[RN-Control]] anzuschließen.<br />
<br />
==Ansteuerung mit Relais==<br />
<br />
Die einfachste Methode, um Motoren per [[Microcontroller|Controller]] anzusteuern, erreicht man durch die Verwendung von Relais. Mit einem Relais, das zwei Umschaltkontakte besitzt, lässt sich über einen einzelnen Controllerport bequem die Drehrichtung wechseln.<br />
<br />
[[Bild:hbrueckerelais.gif|center]]<br />
<br />
Da auch Relais wegen des Strombedarfes nicht direkt vom Controller geschaltet werden können, wurde in dem oberen Beispiel ein Transistor vorangestellt. Die Diode dient dazu, die Spannungen abzuleiten, die beim Ausschalten des Relais induziert werden. Ohne Diode könnte der Transistor oder sogar der Controller durch die induzierte Spannung beschädigt werden. <br />
Die Schaltung ist also in der Lage, die Drehrichtung umzuschalten, jedoch nicht in der Lage, den Motor zu stoppen. Um den Motor ganz auszuschalten, könnte man man 2 getrennte Relais für die beiden Umschaltkontakte nutzen. Ein Schaltbild können wir uns ersparen, da das Ganze recht ähnlich aussieht. <br />
Der große Nachteil von Relaisschaltungen ist, dass die Geschwindigkeit des Motors nicht geregelt werden kann, zudem haben Relais bei vielen Schaltvorgängen einen gewissen Verschleiß.<br />
Das Auschalten einer induktiven Last ist dabei für die Relaiskontakte besonders schädlich.<br />
Vorteil der Schaltung ist jedoch, das man auch große Lasten/Motoren schalten kann.<br />
<br />
==Ansteuerung mit Relais und MOS-FET==<br />
Die Schaltung ist sehr ähnlich wie die vorherige Relaisschaltung. Es wird aber in die Masseleitung hinter dem Relais ein [[Feldeffekttransistor#MOSFETS|MOSFET]] und eine Freilaufdiode eingesetzt. Dadurch werden die meisten Nachteile der einfachen Relaisschaltung behoben. Durch den MOSFET läßt sich der Motor in der Geschwindigkeit regeln und ggf. abschalten.<br />
<br />
[[Bild:RelaisundFet.png|center]]<br />
<br />
Es sind prinzipiell alle N-Kanal MOS-FETs geeignet. Für die hier gezeigte direkte Steuerung vom µC sollte es ein Logik-Level-Typen sein. Der FET IRLZ34 sollte ohne Kühlung bis etwa 5 A genügen. Die Freilaufdiode D1 muß für den Motorstrom ausgelegt sein, und bei PWM Steuerung genügend schnell sein(z.B. Shottky SB540). Die Induktivität L1 (ca. 1...100 µH) und der Kondensator C1 dienen zur Funkentstörung und können bei kurzem Kabel zum Motor auch weggelassen werden. Um die Umschaltverluste und Funkstörungen gering zu halten, sollte die [[PWM]]-Frequenz nicht unnötig hoch liegen. Eine einfache Motorbremse ist möglich mit einem P-MOSFET (oder PNP Transistor) parallel zur Freilaufdiode. Ein Programmfehler kann damit allerdings zu einem Kurzschluss führen. <br />
<br />
Da das Relais nur Strom verbraucht, wenn es angezogen wird, sollte man den Motor so anschließen, dass in der bevorzugten Drehrichtung (beim Roboter Vorwärtsfahren) das Relais nicht angezogen ist. <br />
Die Schaltung (ohne Motorbremse) ist sicher gegen Querströme und es können durch Fehler im Programm des µC kaum Schäden entstehen. Das Relais sollte erst umgeschaltet werden, wenn der Motor steht, dann gibt es keine Funken an den Relaiskontakten.<br />
<br />
Der Verdrahtungsaufwand insgesamt ist minimal und sogar kleiner als bei Motortreiber-ICs, wie dem [[Getriebemotoren_Ansteuerung#Ansteuerung_mit_dem_Schaltkreis_L298|L298]], da keine zusätzlichen Bauteile benötigt werden. Daher ist die Schaltung insbesondere für Anfänger geeignet.<br />
<br />
Vorteile sind:<br />
*tolerant gegen Fehler im µC Programm<br />
*hohe Strombelastbarkeit<br />
*sehr geringer Spannungsabfall (< 1 V)<br />
*niedrige Kosten, auch bei hoher Leistung<br />
*das Relais kann stromlos geschaltet werden (wenig Verschleiß an Kontakten)<br />
<br />
Nachteile sind:<br />
*hörbares "Klacken" beim Laufrichtungswechsel<br />
*zusätzlicher Stromverbrauch, wenn das Relais geschaltet ist<br />
<br />
==Ansteuerung mit MOS-FET==<br />
===Neufassung===<br />
{{Ausbauwunsch|Die Neufassung kann im momentanen Stand nur als Anregung verstanden werden.<br />
<br />
Insbesondere fehlen noch angepasste Schaltpläne.<br />
<br />
Einige der Anmerkungen aus dem Abschnitt "Kritik an der Schaltung" sind in der Neufassung noch nicht enthalten, die Beschreibung von Verzögerungsgliedern müsste auch eine Erklärung enthalten, welche Verzögerung mit welchen Werten erreicht wird.<br />
<br />
Wenn die Neufassung komplett fertig ist, sollten die alten Texte weg.<br />
}}<br />
===Grundprinzip===<br />
Wenn man die Steuerung rein mit Halbleitern realisieren will, bietet sich die H Brückenschaltung (Vollbrücke) an. An jeden Motoranschluß kommt einen Halbbrücke, die den Anschluß mit GND oder der Versorgungsspannung verbinden kann. Die fertigen [[Getriebemotoren_Ansteuerung#Ansteuerung_mit_Treiber_IC_L293_D|Motorteiber ICs]] sind auch entsprechend aufgebaut.<br />
Der Aufbau aus Einzelteilen wird vor allem gebraucht, wenn man kein passendes IC findet, z.B. bei hoher Leistung.<br />
<br />
Bei den üblichen Batteriespannungen sind als Schaltelemete [[Feldeffekttransistor#MOSFETS|MOS-FET]]s die beste Wahl. Also (unipolaren) Transistoren, die quasi leistungslos nur durch Spannungen geschaltet werden. Zu diesem Thema findet man unzählige Beiträge im Roboternetz, denn die Schaltung ist nicht ganz einfach.<br />
<br />
Die Grundschaltung besteht aus 2 N-Kanal-MOS-FET und zwei P-Kanal-MOS-FET, mit denen die Motoranschlüsse nach GND bzw. UB geschaltet werden. <br />
Auf die extra Freilaufdioden kann bei einer Vollbrücke mit modernen MOSFETs meistens verzichtet werden, da die MOSFETs bereits hinreichend gute Dioden enthalten. Teilweise werden trotzdem zusätzliche [[Im RN-Wiki verwendete Elektronikbauteile|Schottky-Dioden]] benutzt, um die Verluste etwas weiter zu reduzieren. Die Dioden werden in Sperrichtung von den beiden Motoranschlüssen nach GND bzw. UB geschaltet.<br />
Die Transistortypen werden entsprechend der benötigten Ströme und Spannungen gewählt. Zu große Transistoren haben den Nachteil einer großen Gatekapazität und benötigen daher aufwendigere Treiber.<br />
<br />
Grundsätzlich muss die Beschaltung der Gate-Eingänge so erfolgen, dass zum Starten des Motors die Transistoren einer Diagonale auf "leitend" und die der anderen auf "sperrend" geschaltet werden. Zum Anhalten des Motors werden z.B. die unteren auf leitend und die oberen auf sperrend geschaltet (Der Motor wird aufgrund des nicht unerheblichen Bremsstroms von Transistor und Freilaufdiode stark gebremst).<br />
Alternativ kann man auch alle Transistoren auf sperrend schalten, der Motor läuft dann im Leerlauf aus.<br />
<br />
Die Transistoren einer Seite dürfen nicht gleichzeitig auf "leitend" geschaltet werden, da dies einen Kurzschluss verursacht.<br />
<br />
===Elektrische Ansteuerung der Gates===<br />
Beim Umschalten der Transistoren entstehen Verluste - der Widerstand wechselt von sperrend (sehr großer Widerstand) nach leitend (sehr kleiner Widerstand) und umgekehrt.<br />
Zwischen beiden Enden des Schaltvorgangs befindet sich der Transistor in der "Widerstandsphase" (weder ganz leitend, noch ganz sperrend), die eine erhebliche Verlustleistung und damit Erwärmung mit sich bringt.<br />
<br />
Deshalb sollte der Schaltvorgang schnell erfolgen, insbesondere wenn für eine [[PWM]]-Regelung sehr oft geschaltet wird. Da zum Umschalten die durch den Aufbau des MOSFETs bedingte Gatekapazität umgeladen werden muss, ist hierzu (sehr kurzzeitig) ein hoher Stromfluss nötig. Zu schnell (<100 ns) sollte man wegen der Funkstörungen aber auch nicht schalten.<br />
<br />
Für die P-Mosfets wird eine Spannung von 0 V bzw. etwa -10 V realtiv zur postiven Versorgung gebraucht. Für die N-Mosfets reicht eine Spannung von 0 V bzw. ca. 10 V, bei logic level Mosfets reichen 5 V.<br />
<br />
====Schaltung direkt am Port====<br />
Eine Ansteuerung unmittelbar über den Ausgang eines Mikrocontrollers (oder eines TTL-IC) ist schon wegen der benötigten Spannungen oft nur für die N-MOSFETs möglich, und das auch nur bei Logic Level Fets. Bei den P-[[MOSFET]] bemisst sich die Schaltspannung gegen UB und nur für ein UB von etwa 5-6 V könnte die Spannung passen.<br />
<br />
Dass ein Portpin nur einen geringen Stromfluss (ca. 20 mA) zulässt, ist ein weiteres Problem und verhindert einen schnellen Schaltvorgang. <br />
Diese Schaltungsversion ist für eher kleine Logic Level MOSFETs (bis etwa 2 nF Gate Kapazität), bevorzugt ohne PWM, möglich.<br />
<br />
====Schaltung mit einem Transistor====<br />
Eine einfache Steuerschaltung besteht aus einem Transistor-Schalter (Emitter nach GND)und einem Pull-Up-Widerstand. <br />
<br />
Der Vorteil liegt in der Einfachheit, der Nachteil liegt darin, dass die Schaltung nicht sonderlich schnell vonstatten geht: Für die Schaltung des FET muss die Gate-Kapazität transferiert werden, was insbesondere beim Wechsel von 0 V nach U<sub>B</sub> einen Moment dauert, da die Ladung durch den Widerstand hindurch muss. Ein kleinerer Widerstand könnte hier helfen, verursacht allerdings einen nicht unerheblichen Stromfluss im geschalteten Zustand.<br />
<br />
Sinnvoll ist diese Version damit nur für die P-MOSFETs, wenn diese nicht mit dem PWM Signal versorgt werden. Für die N Kanal Fets ist es in der Regel besser direkt den Logicpegel und Logic Level Fets zu nehmen.<br />
<br />
====Schaltung mit zwei Transistoren====<br />
Eine bessere Ansteuerung sollte sich ergeben, wenn man zwei Transistoren zur Gate-Ansteuerung verwendet: Einer schaltet gegen 0 V, der andere gegen UC. So kann man erreichen, dass in beide Richtungen rasch umgeschaltet werden kann.<br />
<br />
====Integrierte Gate-Treiber====<br />
Statt der Beschaltung mit zwei Transistoren kann man auch einen integrierten [[MOSFET]]-Treiber verwenden. Derartige ICs (z.B. ICL7667) sind darauf ausgelegt, kurzfristig den für eine Umschaltung benötigten hohen Stromfluss zu ermöglichen.<br />
<br />
Es gibt auch Treiber-ICs (z.B. IR2111), die zur Ansteuerung der oberen Transistoren eine Spannung oberhalb von UB erzeugen. Mit solchen Highside-Treibern kann die H-Brücke auch aus 4 N-Kanal-Transistoren gebaut werden, was den Vorteil hat, dass N-Kanal-FETs mit geringerem Schaltwiderstand zu bekommen sind. Bei den Treibern für highside N-Kanal-Fets hat man aber oft eine Begrenzung des Tastverhältnisses.<br />
<br />
===Logische Ansteuerung der Gates===<br />
Nach der elektrischen Ansteuerung ist die logische Ansteuerung durch den Mikrocontroller zu überlegen. In der H-Brücke sind zwei problematische Zustände zu berücksichtigen:<br />
<br />
1. Das offensichtliche Problem ist ein Kurzschluss: Wenn beide Transistoren einer Seite auf leitend geschaltet werden ist das ein Kurzschluss. Falls vorhanden brennt die Sicherung durch oder es wird sogar etwas beschädigt.<br />
<br />
2. Ein nicht so offensichtliches Problem rührt daher, dass der Schaltvorgang nur mit endlicher Geschwindigkeit abläuft und der Transistor auch schon vor Erreichen des Zielwertes der Gate-Spannung erheblichen Strom leitet. Hierdurch kommt es zu einem Kurzschluss durch den nicht mehr richtig gesperrten und den noch nicht richtig gesperrten Transistor. Es reicht also nicht die beiden Transistoren gleichzeitig zu schalten, sondern es wird eine kleine Verzögerung benötigt.<br />
<br />
Die Stromspitze selbst liegt oft noch im Rahmen der Spezifikationen der Transistoren. <br />
Allerdings hat die Stromspitze drei Auswirkungen: <br />
# Die Transistoren erwärmen sich<br />
# Es kann an einem Messwiderstand zu einer Spannungsspitze kommen<br />
# Die Versorgungsspannung bricht kurzzeitig zusammen<br />
<br />
Die Störung der Versorgungsspannung lässt sich ohne Oszilloskop kaum messen. Insbesondere in umfangreicheren Schaltungen können Störungen an ganz anderen Stellen (z.B. bei Sensoren) auftreten, die man dann nicht gleich mit der Motorsteuerung in Verbindung bringt.<br />
<br />
====softwaremäßige Ansteuerung====<br />
Die einfachste Art der Ansteuerung besteht darin, die 4 Gates mit 4 Ausgängen des Controllers zu steuern.<br />
<br />
Die korrekte Ansteuerung muss dann durch die Software garantiert werden. <br />
Eine Fehlschaltung der Software z.B. bei einem Absturz kann allerdings zur Zerstörung der Schaltung führen, die Schaltung sollte also in jedem Fall eine Sicherung haben.<br />
<br />
====Einfache, gemeinsame Ansteuerung ====<br />
Bei passender Spannung, können die Gates einer Seite jeweils gemeinsam geschaltet werden. Bei einer Gate-Spannung von 0V sperrt der N-[[MOSFET]] (U<sub>GS</sub>=0V), der P-[[MOSFET]] leitet bei dieser Gate-Spannung, da hier U<sub>GS</sub>=-UB ist. <br />
<br />
Bei einer Gate-Spannung von UB verhält es sich genau umgekehrt: Der N-[[MOSFET]] leitet (U<sub>GS</sub>=UB) und der P-[[MOSFET]] sperrt (U<sub>GS</sub>=0V)<br />
<br />
Diese einfache Ansteuerung benötigt nur 2 Port-Pins, hat jedoch den Nachteil, dass während des Umschaltens die oben beschriebenen temporären Querströme auftreten können und deshalb eher schnell geschaltet werden sollte. Die Ansteuerung mit nur einem Transistor ist hier also nicht angebracht. Je höher die Spannung, desto schlimmer wird das Problem beim Umschalten. Ohne extra Verzögerungen sind damit nur Spannungen bis ca. 8 V möglich. <br />
<br />
Mit einer Parallelschaltung aus einem Widerstand und einer Diode vor den Gates, kann man erreichen, dass die Transistoren schneller auf sperrend als auf leitend schalten. Beim N-FET zeigt die Anode zum FET, beim P-FET die Kathode.<br />
Damit sind dann auch etwas höhere Spannungen möglich, aber spätestens bei ca. 20 V wird die maximale Gatespannung erreicht.<br />
<br />
Eine mögliche Ausführung für etwa 8-15 V, ist es ein Gate Treiber IC (z.B. ICL7667) zu nehmen, und durch Dioden und Widerstände zu den Gates für eine Verzögerung beim Einschalten zu sorgen.<br />
<br />
====Ansteuerung mit logischer Verknüpfung====<br />
Der Zustand eines dauerhaften Querstroms sollte besser Hardwaremäßig vermieden werden. Zusätzlich kann die Logic die Zahl der IO Pins auf 2 oder 3 reduziert werden. Sinnvollerweise sollte dabei nur eine Leitung die PWM Steuerung übernehmen.<br />
Mittels Logik-Bausteinen werden zwei Ausgänge des Controllers so umgesetzt, dass die folgenden Zustände geschaltet werden können:<br />
# Motor-Stop: untere Transistoren leitend, obere sperrend (oder umgekehrt)<br />
# Motor-Vorlauf: 1. Diagonale leitend<br />
# Motor-Rücklauf: 2. Diagonale leitend<br />
# Motor-Leerlauf: Alle Transistoren sperrend<br />
Der Motor Stop Zustand ist dabei nicht unbedingt nötig. Wie die Logic genau aussieht hängt davon ab ob die Gate Treiber die Signale noch mal invertieren. <br />
In der wohl einfachsten Form, kann man die P MOSFETs über einfache Transistortreiber langsam steuern. Die PWM Steurung geht dann nur mit den N-FETs. Hier kann man Logic Level Typen nehmen, die man direkt von Logic Gattern (z.B. 74HC...) ansteuern kann, oder bei größeren FETs mit Gate Treibern.<br />
<br />
Die Querstrom-Problematik beim Schalten kann hierbei softwaremäßig gelöst werden, indem beim Umschalten jeweils kurz der Leerlauf geschaltet wird, damit alle Transistoren sperren. Damit auch Temporäre Querströme sicher vermieden werden können auch hier Verzögerungselemente sinnvoll sein.<br />
<br />
=====Heidingscher Encoder (Beispiel für Logic) =====<br />
Aufgrund der Kritik an der alten Schaltung(siehe '''Alte Schaltungsbeschreibung''') entschied ich mich einen neuen, einfachen sowie preisgünstigen Encoder zu entwickeln, den man mit der 74series aufbauen kann. Die [[Im RN-Wiki verwendete ICs|74series]] sind mit 20 mA Treiberstrom natürlich kaum zum direkten Treiben geeignet. Die Verzögerung müßte hier in die Treiber integriert sein.<br />
Die Logikanzeigen in den Grafiken sollen je einen Transistor bzw. Mosfet darstellen. <br />
<br />
=====PR Encoder=====<br />
[[Bild:Prtreiber.png]]<br />
<br />
Der PR Encoder(PWM-Richtung Encoder) ist mit zwei NOR Gates sowie eines Inverters aufgebaut, d.h. man kann ihn mit nur einem [[Im RN-Wiki verwendete ICs|IC(74HC(T)02)]] aufbauen. Will mein 2 Encoder verwenden, empfiehlt sich den Inverter auszulagern [[Im RN-Wiki verwendete ICs|(74HC(T)04]] oder [[Im RN-Wiki verwendete ICs|74HC(T)14]]. Sollte man keinen Schmitt-Trigger benötigen empfiehlt sich aus Schnelligkeitsgründen die [[Im RN-Wiki verwendete ICs|74HC(T)04]] Variante). <br />
Alternativ ist es noch möglich sich den Inverter zu sparen, und die Ansteuerung für den P(WM) Kanal invertiert laufen zu lassen.<br />
<br />
=====PRK Encoder=====<br />
[[Bild:Prktreiber.png]]<br />
<br />
Der Prk-Encoder([[PWM]]-Richtung-Kurzschluss-Encoder) ist eine Erweiterung des PR-Encoders. Er erlaubt es zusätzlich, die Motoren durch einen Kurzschluss zu stoppen.<br />
Aufgebaut werden kann dieser aus 1 NOR und 1 NAND Gate. Dabei werden 3 NAND-Gates als Inverter beschaltet (d.h. eine Leitung, die übrigen bleiben auf VCC).<br />
<br />
====Support====<br />
Fragen einfach in das Forum posten, oder mich anschreiben (User s.o.)<br />
<br />
===Alte Schaltungsbeschreibung===<br />
{{FarbigerRahmen|<br />
Achtung! Die Schaltung ist so nicht zu verwenden! Siehe unter '''Kritik an der Schaltung'''<br />
}}<br />
Wesentlich günstiger und auch beliebter ist die Ansteuerung von Motoren mit MOS-FETs. Also Transistoren, die quasi leistungslos nur durch Spannungen geschaltet werden und extrem hohe Ströme verkraften. Zu diesem Thema findet man unzählige Beiträge im Roboternetz. Eine der interessantesten Schaltungen, die im Roboternetz vorgestellt wurde, dürfte diese sein:<br />
<br />
<br />
[[Bild:hbrueckemosfet.gif|center]]<br />
<br />
<br />
Anmerkung: Den 74HC26N gibts wohl nicht , nur die TTL-Version [[Im RN-Wiki verwendete ICs|74LS26]], die HC-Mos-Version lautet [[Im RN-Wiki verwendete ICs|74HC03]].<br />
<br />
Eine sogenannte H-Brücke, die nur aus zwei MOSFETSs und einem Logik-IC besteht. Mit zwei Controllerports kann diese Schaltung sowohl Geschwindigkeit als auch Drehrichtung regeln. Für die Geschwindigkeit ist ein sogenannter [[PWM]]-Port notwendig. Also ein Port, der durch ein gepulstes Signal den Motor etlichemal innerhalb einer Sekunde ein- und ausschaltet und somit quasi die Leistung regelt (siehe [[PWM]]).<br />
Die Schaltung ist so konstruiert, dass immer nur zwei Transistoren durchschalten. Auf diese Weise fließt einmal der Strom von links oben nach rechts unten und einmal von rechts oben nach links unten, der Motor wird also ähnlich wie bei der Relaisschaltung umgepolt. <br />
Bei niedriger [[PWM]]_Frequenz sollte die Schaltung durchaus für einige Ampere geeignet sein, wobei ca. 8 bis 13 V ideal sein sollten.<br />
<br />
Das Logic-IC wurde durch 3x [[Im RN-Wiki verwendete Transistoren|BC547]] Transitoren ersetzt.<br />
<br />
<br />
<br />
[[Bild:Hbrueckenmosfet_BD547.PNG]]<br />
<br />
====Kritik an der Schaltung====<br />
<br />
Diese Schaltung wird [http://www.roboternetz.de/phpBB2/viewtopic.php?t=33067&sid=892e80c6cd2d003292e607bcd7a7123aim hier Forum von mehreren Leuten, u.A. Ratber, shaun, massiv kritisiert].<br />
<br />
Ich habe leider nicht das Wissen eine bessere Lösung zu liefern. Das Problem sind die Querströme: Im Umschaltmoment sind highside und lowside switch für kurze Zeit beide leitend. Das entspricht einem Kurzschluss der Versorgungsleitung bei jedem Umschalten mit allen damit verbundenen Problemen (Erwärmung, Schwingung, Sicherungen, Reset). Aus diesem Grund sind NAND-Gatter nicht geeignet!<br />
<br />
Zum Umschalten muss man<br />
*den bisher leitenden [[MOSFET]] ausschalten,<br />
*dann etwas warten,<br />
*und dann den nächsten [[MOSFET]] schließen.<br />
<br />
Dies kann man erreichen, indem man den Einschaltmoment <br />
*durch RC-Glieder verzögert und <br />
*den Ausschaltmoment durch Dioden beschleunigt.<br />
Die entstehenden Schaltungen sind komplex, benötigen viele Bauteile und sind fehleranfällig.<br />
<br />
<br />
Am sinnvollsten sind integrierte [[MOSFET]]-Treiber. Diese haben oft eine einstellbare Tot-Zeit (''Dead-Time''), können hohe Leistungen zum Umladen der Gatekapazität liefern und beachten andere Effekte wie ''Propagation-Time'', Veränderung des Source Potentials beim Highside-switch, etc.<br />
<br />
'''Erklärung von shaun:'''<br />
<br />
Die gezeigte Schaltung taugt auch nur als Prinzipschaltung bedingt, da man einen variierenden Aufwand in eine sichere Verriegelung investieren müsste. Bei fixer und nicht zu hoher Betriebsspannung könnte man mit RD-Kombinationen in den Gateleitungen das Ausschalten beschleunigen und das Einschalten verzögern, so dass die Querleitung wegfällt. Allerdings bewirkt diese simple R-Cg-Verzögerung größere Schaltverluste. <br />
<br />
Setzt man die Verzögerung vor dedizierte Treiber, müssen diese wiederum leistungsfähig genug zum Umladen der Gates sein und bis an die Versorgung heranreichen, weshalb man an diesem Punkt überlegen sollte, ob 95% duty cycle nicht auch reichen würden ''(Anmerkung: Bezug auf bootstrapping?)'' und man integrierte Treiber für reine N-Kanal-Bestückung einsetzen sollte - spart dann wieder etwas Verluste am Highside-Switch, weil N-Kanäler gleicher Generation und Leistungsklasse einen niedrigeren Rds(on) als ihre P-Pendants haben.<br />
<br />
{{Ausbauwunsch|Eine vernünftige diskrete Ansteuerung für eine H-Brücke.<br />
Korrektur auf Rechtschreibfehler, Zeichensetzung, Schreibstil, Fachausdrücke. Gibt's denn keinen, der etwas verbessern möchte?}}<br />
<br />
==Ansteuerung mit einem LeistungsOPV==<br />
Die wohl preislich und platztechnisch günstigste Alternative zur Ansteuerung von Motoren in H-Brücken ist die Verwendung von (Leistungs-)Operationsverstärkern oder Audioverstärker ICs. <br />
<br />
===Heidingscher Motortreiber=== <br />
Bei dem Heidingschen Motortreiber wird jeder Anschluss des Motors mit einem Ausgang des Operationsverstärker verbunden, die Eingänge des OPVs selbst als Komparator. Diese Methode ist für kleine und mittlere Motoren(=< 1A) und mäßige PWM-Frequenzen(<10kHz) gut geeignet. Ein RB35 von Conrad kann damit problemlos angesteuert werden. Bei zu hohen [[PWM]]-Frequenzen ist die SlewRate von vielen OPVs zu gering und die entsprechenden OPVs sind dann viel zu teuer und man sollte eine Ansteuerung per [[MOSFET]] (s.o.) bevorzugen. Momentan hat sich der [[Im RN-Wiki verwendete ICs|TCA 0372 DP1]] (0,57€ bei Reichelt) Verwendung gefunden. <br />
Weitere Informationen sind in [http://www.roboternetz.de/phpBB2/viewtopic.php?t=38412 diesem Forumsbeitrag] zu finden.<br />
<br />
===Gleichstromansteuerung===<br />
Eine weitere Möglichkeit ist es, dem Operationsverstärker eine Gleichspannung vorzugeben, mit denen der OPV die Motoren ansteuert. Diese Methode eignet sich sehr gut für analoge Schaltkreise. Der Wirkungsgrad ist allerdings nicht der beste, da die restliche Spannung in Wärme umgesetzt wird. Zudem werden viele weitere Komponenten benötigt, was den Aufbau teurer und fehleranfälliger macht.<br />
Der entsprechende Schaltkreis ist im Datenblatt des TCA 0372 DP1 zu finden.<br />
<br />
==Ansteuerung mit Treiber ICs ==<br />
===Ansteuerung mit Treiber IC L293 D===<br />
Ein häufig eingesetztes Motortreiber-IC '''für kleine Roboter''' ist der L293D. Da dieses IC zwei H-Brücken enthält, können so pro IC zwei Motoren angesteuert werden. Der im Datenblatt angegebene Maximalstrom beträgt pro Kanal 600 mA. Die Beschaltung des Treibers gestaltet sich recht einfach. Da bereits Freilaufdioden und die nötige Logik im Treiber enthalten sind, werden lediglich Elkos und Kondensatoren an der Versorgungsspannung benötigt.<br />
<br />
Die Verluste des Treibers dürfen aber nicht außer Acht gelassen werden: Einerseits liegt der Ruhestrom in der Größenordnung 40 mA, andererseits muss durch die Verluste an den Treibertransistoren mit '''über 3 Watt Abwärme (bei 600 mA auf beiden Brücken)''' gerechnet werden! Bei geringen Ausgangsströmen sind die Verluste entsprechend kleiner. Deshalb ist dieser Treiber '''nur für kleine Motoren mit geringen Strömen empfohlen'''. In dieser Treiber-Übersicht ist der L293D der schwächste Kandidat. Den Treiberbaustein gibt es auch in SMD und heißt dann L293DD.<br />
<br />
<br />
[[Bild:L293Pinout.JPG|center]]<br />
<br />
<br />
[[Bild:hbrueckel293d.gif|center]]<br />
<br />
Hinweise zum Schaltplan:<br />
<br />
Zur Stabilisierung der Versorgungsspannung sollten noch '''Elkos''' (z.B. 100µF) eingebaut werden, dies ist im Schaltplan nicht eingezeichnet! (Vergleiche z.B. mit Schaltplan vom L293B, weiter unten). Außerdem müssen unbedingt alle vier GND-Anschlüsse mit Masse verbunden werden!<br />
<br />
Wie aus dem Schaltbild zu ersehen ist, werden für die Ansteuerung jedes Motors 3 Ports benötigt. Die Enable-Leitung führt man oft auf einen [[PWM]]-Port welcher, wie bei der [[MOS-FET]] Schaltung oben, die Geschwindigkeit regelt. Die beiden anderen Ports geben die Drehrichtung an. Immer wenn die Ports unterschiedliche Polarität haben dreht der Motor in eine bestimmte Richtung, je nachdem wo Low und High anliegt. Das Besondere ist, dass wenn an beiden Ports der gleiche Pegel anliegt, also zweimal Low oder High, dann wird nämlich der Motor kurzgeschlossen, das dann als Bremse fungiert. Das Bremsen kann bei Robotern durchaus nützlich sein. Zudem ist bei schnellen Richtungswechseln immer zu empfehlen zuerst kurz zu bremsen, um nicht den Motor oder Motortreiber zu stark zu belasten.<br />
<br />
Wahrheitstabelle (hier exemplarisch für 1 und 2; bei 3 und 4 entsprechend):<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
|-<br />
| Eingang "1A" || Eingang "2A" || "1,2EN" || Ausgang "1Y" || Ausgang "2Y" || entspricht<br />
|-<br />
| 0V || 0V || 5V || - || - || Motor kurzschließen (Bremsen)<br />
|-<br />
| 0V || 5V || 5V || - || + || Motor dreht vorwärts<br />
|-<br />
| 5V || 0V || 5V || + || - || Motor dreht rückwärts<br />
|-<br />
| 5V || 5V || 5V || + || + || Motor kurzschließen (Bremsen)<br />
|-<br />
| egal || egal || 0V || hochohmig || hochohmig || Motor aus (Verbindung trennen, nicht kurzschließen)<br />
|}<br />
<br />
<br />
Bei Belastung des Ausgangs steht nicht mehr die volle Betriebsspannung am Ausgang zur Verfügung.<br />
<br />
Der angegebene Maximalstrom von 600mA pro H-Brücke ist mit Vorsicht zu genießen, da oft die Verlustleistung des Treibers außer Acht gelassen wird. Bei der Entnahme des Nennstroms (600mA) entwickelt das IC eine Verlustleistung von etwa 3,3 Watt ! (Woher kommt der Zahlenwert? Verluste an Transistoren: 1,2V lowside + 1,4V highside = 2,6V total drop bei 0,6A ergeben 1,56 W Verlust an einer Brücke, also 3,12 W an beiden Brücken. Dazu kommt mindestens ein Ruhestrom von 40mA an 5V, also 0,2W, macht 3,32 W). Das IC kann sich dabei so stark erwärmen, dass es zerstört wird.<br />
<br />
Um die Abwärme besser abzuführen, können mit Kühlkörper aufgeklebt werden und ein Platinenlayout mit großer Massefläche verwendet werden. Durch PWM-Betrieb kann die durchschnittliche Stromaufnahme verrigert werden, dann sinkt aber auch die Motorleistung. Selten erfolgt auch eine Huckepack-Montage von mehreren identischen ICs zur Verteilung der Abwärme. Auch auf kurzes Abbremsen des Motors vor einem Richtungswechsel soll noch einmal hingewiesen werden. Besser ist es jedoch, einen leistungsfähigeren Treiber einzusetzen.<br />
<br />
===Ansteuerung mit Treiber IC L293 B===<br />
Der L293B ist dem L293D sehr ähnlich, da er die selbe Pinbelegung besitzt und auch von der Ansteuerung genau identisch ist. Im Gegensatz zum L293D kann er aber 67% mehr Strom (d.h. 1A) am Ausgang liefern, benötigt aber zusätzlich noch 4 Freilaufdioden pro Motor. Der Preisunterschied zum L293D ist minimal, sodass man sich den Einbau des etwas stärkeren L293B überlegen kann.<br />
[[Bild:L293B_Pins.png|center]]<br />
<br />
Es soll noch eine typische Anwendungsschaltung für den L293B gezeigt werden (Auf das Bild klicken für höhere Auflösung):<br />
<br />
[[Bild:L293B_Schaltplan.png|550px|center]]<br />
<br />
Als Dioden schlägt das Datenblatt die Verwendung von 1N4001 vor. (Dioden in oben gezeigter Anordnung kommen so auch in Brückengleichrichtern vor.) Bei einem PWM Signal, wo der Strom nicht auf Null zurück geht, sind langsame Dioden aber problematisch, besser geeignet sind schnelle oder Schottkydioden (z.B. BYV27, 1N5819).<br />
<br />
Die Verlustleistung des ICs bei einem Ausgangsstrom von 1A (Nennstrom) beträgt ca. 3 Watt! Hierfür ist schon eine Kühlung erforderlich (Kühlkörper, Platinenlayout mit Kühlflächen, ggf. Lüfter).<br />
<br />
Wahrheitstabelle: siehe L293D<br />
<br />
Ein ähnliches IC ist das SN754410, welches allerdings schwer erhältlich ist.<br />
<br />
===Ansteuerung mit dem Schaltkreis L298===<br />
<br />
Der Schaltkreis [[Im RN-Wiki verwendete ICs|L298]] ist quasi der große Bruder des [[Im RN-Wiki verwendete ICs|L293D]]. Er beinhaltet auch zwei komplette H-Brücken, kann also auch zwei Motoren ansteuern. Die Pinbelegung ist ebenfalls dem [[Im RN-Wiki verwendete ICs|L293D]] sehr ähnlich, jedoch verfügt er über eine andere Bauform ("MULTIWATT-15"):<br />
<br />
<br />
[[Bild:L298Pinout.JPG|center]]<br />
Hinweis: Der L298 ist auch in einer SMD-Ausführung erhältlich.<br />
<br />
Der wichtigste Unterschied besteht jedoch darin, dass jede H-Brücke bei [[Im RN-Wiki verwendete ICs|L298]] bis zu 2 A belastet werden kann. Damit lassen sich also schon wesentlich größere Motoren ansteuern. Ein weiterer Vorzug sind die sogenannten SENSE-Ausgänge, über die der komplette Strom fließt. Oft wird hier ein Hochlastwiderstand angeschlossen, um aus der abfallenden Spannung den Strom berechnen zu können. Dies machen sich Steuerungen wie [http://www.roboternetz.de/phpBB2/viewtopic.php?t=2741 RN-Motor] oder aber andere Schrittmotoransteuerungen zunutze, um den Strom zu regeln. Benötigt man keine Strommessung, so müssen die Sense-Ausgänge direkt mit GND verbunden werden. Anders als beim [[Im RN-Wiki verwendete ICs|L293D]] werden hier externe Freilaufdioden gebraucht.<br />
<br />
Bei der angegebenden Stromstärke von 2A ist allerdings auf eine ausreichende Wärmeabfuhr durch Kühlkörper zu achten. Laut Datenblatt kann bei einem Strom von 2A in einer Brücke eine Spannung von bis zu 4,9V abfallen. Die Verlustleistung beträgt dann 9,8W ''pro Brücke''.<br />
Geringere Verluste haben im Allgemeinen Motortreiber, welche aus MOSFETs aufgebaut sind, da sie niederohmiger sind.<br />
Leider lässt sich dieser Motortreiber bei Defekt aufgrund seiner Bauform nur schwer auswechseln.<br />
<br />
<br />
[[Bild:hbrueckel298.gif|center]]<br />
<br />
<br />
Hinweis: Im Schaltplan fehlen Kondensatoren und Elkos. Es sollte noch ein Keramikkondensator 100nF zwischen +5V und GND, sowie noch ein 100nF Keramikkondensator und parallel dazu ein Elko mit ausreichender Kapazität zwischen Betriebsspannung und GND eingebaut werden.<br />
<br />
Ein weiteres Schaltbild gibt es hier [http://www.roboternetz.de/bilder/schaltung298getriebe.gif]<br />
<br />
===Ansteuerung mit L620x===<br />
Der Schaltkreis [[Im RN-Wiki verwendete ICs|L620x]] stellt eine etwas modernere Alternative zur L298-Ansteuerung dar. Die Ansteuerung ist praktisch identisch, der Schaltungsaufbau in etwa gleich. Beim L620x sind keine externen Freilaufdioden mehr notwendig, dafür ist ein Kondensator und zwei Dioden für die interne Spannungserzeugung notwendig.<br />
Ein großer Vorteil ist auch, dass kein extra Kühlkörper mehr notwendig ist. Durch die Verwendung von niederohmigen FETs im L620x fällt am Motortreiber weniger Spannung ab und die Verlustleistung des Motortreiber-ICs wird dadurch deutlich geringer. Durch die erhältliche DIP-Bauform lassen sich diese Motortreiber bei Defekt auch schnell und einfach auswechseln. Viele integrierte Schutzfunktionen im L620x sorgen dafür, dass der Chip nicht so einfach zerstört werden kann.<br />
<br />
In der Praxis sind die angegeben 2,8 A (für den L6205) jedoch mit Vorsicht zu genießen. Bei Testlayouts erwärmten sich die ICs bereits bei 2 A Dauerstrom (PWM) oft so stark, dass die automatische Temperaturabschaltung reagierte, somit wird man vermutlich ohne Kühlung oder großes Kühllayout auf der Platine auch nicht mehr als beim [[Im RN-Wiki verwendete ICs|L298]] erreichen.<br />
<br />
====L6202 für 1 Motor====<br />
<br />
Pinbelegung des Motortreibers:<br />
<br />
[[Bild:L6202Pinbelegung.png]]<br />
<br />
Den L6202 gibt es auch noch in anderen Gehäusebauformen: L6201 ist die SMD-Ausführung (SO20 / PowerSO20), L6203 hat ein "Multiwatt-11"-Gehäuse.<br />
<br />
Schaltungsbeispiel:<br />
<br />
[[Bild:L6202Anwendung.png|800px]]<br />
<br />
Kurze Erläuterung:<br />
<br />
R1 schaltet die H-Brücke bei fehlendem PWM-Signal ab und ist entbehrlich. Anmerkung: dieser Widerstand sollte scheinbar doch etwas hochohmiger gewählt werden, in der Größenordnung 50kOhm, um das PWM-Signal nicht zu stark zu belasten. (Details folgen u.U. noch)<br />
<br />
C1 stabilisiert eine interne Spannungsreferenz.<br />
<br />
C4 und C5 sind so genannte boostrap-Kondensatoren, die unbedingt notwendig sind, damit der Motortreiber seine oberen FETs treiben kann (nähere Details im Datenblatt). Die Kapazität von C4/C5 soll für einen sicheren Betrieb jeweils mindestens 10nF betragen.<br />
<br />
R2 und C6 bilden ein sog. Snubber-Netzwerk, welches zur Entstörung dient.<br />
<br />
====L6205 für 2 Motoren====<br />
[[Bild:l6205ic.gif]] [[Bild:l6205pinbelegung.gif]]<br />
<br />
[[Bild:l6205.gif|center]]<br />
<br />
=== TLE4202B / B57928 ===<br />
Der TLE4202B ist ein kompakter Motortreiber von Siemens im TO-220-Gehäuse und kann einen Motor mit maximal 2A treiben. Er kann von 3,5V-17V Betriebsspannung arbeiten (absoutes Maximum: 40V). Intern ist der TLE4202B analog aufgebaut, er besteht aus Komparatoren mit einer Leistungsendstufe. Die notwendigen Freilaufdioden sind bereits integriert. Der Treiber ist kurzschlussfest gegen Masse und schaltet bei Überhitzung ab.<br />
Leider lässt sich aufgrund des internen Aufbaus der Motorausgang nicht hochohmig schalten, es mangelt auch - im Vergleich<br />
zu anderen Motortreiberbausteinen - an einem separaten PWM-Eingang. Der Betrieb mit PWM ist trotzdem möglich '''TODO!'''.<br />
Zur Verlustleistung und Abwärme des Treibers je nach Laststrom wurde eine Messreihe durchgeführt (siehe unten).<br />
Bezugsquelle für den TLE4202B ist vorzugsweise Pollin aufgrund des attraktiven Preises (50 Cent).<br />
<br />
Pinbelegung des Motortreibers TLE4202B (TO-220-Gehäuse):<br />
<br />
[[Bild:TLE4202_Pins.png]]<br />
<br />
Anwendungsschaltung laut Datenblatt (nachgezeichnet in Target):<br />
<br />
[[Bild:TLE4202_Schematic.png]]<br />
<br />
Die Kondensatoren (C2,C3) und Widerstände(R1,R2), die zwischen den Motoranschlüssen und Masse liegen, sind wichtig zur Schwingneigungsunterdrückung. Diese sog. Snubber-Netzwerke sind durchaus üblich, beispielsweise bei Audioverstärkern. Sie tragen hier zur Stabilität des Treibers bei. Ein Weglassen dieser Komponenten könnte zu wilden Schwingungen am Ausgang führen.<br />
<br />
Die 1,7V-Referenz wird intern erzeugt und ist mit den invertierenden Eingängen der Komparatoren verbunden (über 50kOhm intern). Die Komparatoren vergleichen die Eingangssignale an IN1/IN2 mit dieser Spannungsreferenz und steuern dann den Ausgang auf High (wenn Eingangsspannung über Referenzspannung) oder auf Low (wenn Eingangsspannung unter der Referenzspannung).<br />
Im gezeigten Schaltplan wird die interne Referenz verwendet. Pin 2 wird dann nur mit einem Kondensator gegen Masse verbunden. Die Referenzspannung wird somit etwas stabilisiert.<br />
<br />
Da die Referenz über 50kOhm intern an die invertierenden Eingänge geschaltet ist, könnte auch von außen an Pin 2 eine andere beliebige (niederohmige) Referenzspannungsquelle eingespeist werden.<br />
<br />
Wahrheitstabelle der Ansteuerung:<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
|-<br />
| IN1 || IN2 || OUT1 || OUT2 || entspricht <br />
|-<br />
| L || L || - || - || Stop (Motor kurzschließen)<br />
|-<br />
| L || H || - || + || Motor dreht vorwärts<br />
|-<br />
| H || L || + || - || Motor dreht rückwärts<br />
|-<br />
| H || H || + || + || Stop (Motor kurzschließen)<br />
|}<br />
Wie man hier noch einmal sieht, kann bei dieser Brücke die Verbindung zum Motor nicht getrennt werden, Motor ausschalten bedeutet hier den Motor kurzschließen, sodass er dann relativ abrupt stehen bleibt.<br />
<br />
Es existiert auch ein TLE4203, welcher bis zu 4 Ampere treiben kann.<br />
<br />
==== Messreihe ====<br />
<br />
Zur Bestimmung der Verlustleistung und der am Treiber TLE4202B abfallenden Spannung wurde vom RN-User BMS eine Messreihe durchgeführt. Die Beschaltung des Treibers erfolgte nach Datenblatt, als Betriebsspannung wurde 12V gewählt. Eingang 1 des Treibers wurde auf GND gelegt und Eingang 2 mit +12V verbunden. Als Last diente eine einstellbare elektronische Last. Die Messreihe wurde bei Raumtemperatur durchgeführt. Der Treiber wurde zunächst ohne Kühlkörper betrieben, um zu ermitteln, bis zu welchem Strom bzw. welcher Verlustleistung ein gefahrloser Betrieb noch ohne Kühlkörper möglich ist.<br />
<br />
Bei verschiedenen Lastströmen im Bereich 0...2,5 A erfolgte die Messung der Ausgangsspannung des Treibers sowie dessen Temperatur. Für Lastströme größer 1 A wurde ein Kühlkörper verwendet, um den Treiber durch zu hohe Abwärme nicht zu gefährden. Die automatische Abschaltung bei Übertemperatur wurde dabei nicht herausgefordert. Da Temperaturwerte für die Fälle mit und ohne Kühlkörper nicht direkt vergleichbar sind, wurden für die höheren Ströme keine Temperaturen mehr gemessen, zumindest aber die abfallende Spannung am Treiber.<br />
<br />
Die Ruhestromaufnahme des Treibers wurde mit 16mA gemessen, an 12V ergibt das eine Leistungsaufnahme von knapp 0,2 Watt. Möchte man die gesamte Verlustleistung des Treibers berechnen, müssen diese 0,2 Watt zu den Werten aus der Tabelle addiert werden.<br />
<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
|-<br />
| Laststrom || Ausgangsspannung || Spannungsabfall am Treiber [*1] || Verlustleistung aufgrund Laststrom [*1] || Temperatur<br />
|-<br />
| 0,0 A || 11,3 V || 0,7 V || || <br />
|-<br />
| 0,1 A || 11,0 V || 1,0 V || 0,10 W || 34 °C<br />
|-<br />
| 0,2 A || 10,9 V || 1,1 V || 0,22 W || 41 °C<br />
|-<br />
| 0,3 A || 10,8 V || 1,2 V || 0,36 W || 50 °C<br />
|-<br />
| 0,4 A || 10,7 V || 1,3 V || 0,52 W || 58 °C<br />
|-<br />
| 0,5 A || 10,6 V || 1,4 V || 0,70 W || 66 °C<br />
|-<br />
| 0,6 A || 10,4 V || 1,6 V || 0,96 W || 75 °C<br />
|-<br />
| 0,7 A || 10,3 V || 1,7 V || 1,19 W || 87 °C<br />
|-<br />
| 0,8 A || 10,2 V || 1,8 V || 1,44 W || 97 °C<br />
|-<br />
| 1,0 A || 10,1 V || 1,9 V || 1,90 W ||<br />
|-<br />
| 1,5 A || 9,5 V || 2,5 V || 3,75 W ||<br />
|-<br />
| 2,0 A || 8,9 V || 3,1 V || 6,20 W ||<br />
|-<br />
| 2,5 A [*2] || 8,0 V || 4,0 V || 10,00 W ||<br />
|-<br />
|}<br />
<br />
[*1] : Diese Werte wurden berechnet.<br />
<br />
[*2] : Der Treiber ist nur bis 2 A spezifiziert, konnte aber kurzzeitig auch 2,5 A liefern.<br />
<br />
Kommentar:<br />
<br />
* Allgemein gilt: Mit steigendem Laststrom steigt der Spannungsabfall am Treiber sowie auch dessen Verlustleistung.<br />
* Wie bei anderen Treibern auch ist der laut Datenblatt versprochene maximale Ausgangsstrom des Treibers (hier 2A) nur mit vernünftiger Kühlung erreichbar.<br />
* Nimmt man als ''gefahrlose'' Betriebstemperatur etwa 60 °C an ( um sich nicht die Finger daran zu verbrennen ;) ), kann man an den Messwerten ablesen, dass dann nur knapp ein halbes Ampere ''Dauerstrom'' möglich sind.<br />
* Für größere Ströme sollte unbedingt ein geeigneter Kühlkörper verwendet werden.<br />
<br />
Warnung: Wird der Treiber bei höheren Dauerströmen dennoch ohne Kühlkörper und damit bei hohen Temperaturen betrieben, muss damit gerechnet werden, dass die Lebensdauer und Zuverlässigkeit des Treibers drastisch sinkt!<br />
<br />
=== TLE5205 ===<br />
Der TLE5205 ist ein starker Motortreiber im TO-220-Gehäuse, welcher einen Motor bis 5A treiben kann. Freilaufdioden sind hier bereits integriert. Der Motortreiber kann falsche Verbindungen am Ausgang erkennen und zeigt dies durch ein Signal am Errorflag (EF) an. Kurzschlüsse der Ausgänge mit der Versorgung (V+ und GND) und eine zu hohe Stromaufnahme der Last können erkannt werden, der Ausgang wird dann innerhalb 50µS abgeschaltet und das EF gesetzt (open-drain-Ausgang!). Ein offener Ausgang wird ebenfalls detektiert. Bei Überhitzung (150°C) schaltet das IC ab. Achtung! Bei Unterspannung ("Under Voltage Lockout" im Datenblatt) schaltet sich die Brücke ebenfalls ab (bei etwa 5V). Die Betriebsspannung des ICs kann maximal 40V betragen, die Testschaltungen im Datenblatt werden im Bereich von 6-18V betrieben. Die Ruhestromaufnahme des ICs beträgt typisch 5mA (maximal 10mA).<br />
<br />
[[Bild:TLE5205_Pins.png]]<br />
<br />
Der TLE5205 ist nicht pinkompatibel zum TLE4202(B) !<br />
<br />
Wie man sieht, kommt dieser Motortreiber mit sehr wenig Außenbeschaltung aus:<br />
<br />
[[Bild:TLE5205_Schaltplan.png]]<br />
<br />
Als Elko kann auch gerne ein Typ mit größerer Kapazität verwendet werden (im Datenblatt 4700µF in der Testschaltung). Es können auch mehrere Elkos mit kleiner Kapazität parallel geschaltet werden (günstiger ESR).<br />
<br />
Im Fehlerfall (Kurzschluss, Überhitzung, Leerlauf) wird "ERROR" auf GND gelegt. Durch Ändern der Pegel an den Eingängen wird das EF wieder zurückgesetzt (liefert dann High, +5V). Der Pull-up-Widerstand ist notwendig, da der EF-Pin nur gegen GND schalten kann (open-drain-Ausgang).<br />
<br />
Die Brücke verhält sich im Vergleich zu den anderen gezeigten Motortreibern etwas anders an ihren Eingängen:<br />
<br />
Wahrheitstabelle (laut Datenblatt):<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
|-<br />
| IN1 || IN2 || OUT1 || OUT2 || entspricht <br />
|-<br />
| L || L || + || - || Motor dreht vorwärts<br />
|-<br />
| L || H || - || + || Motor dreht rückwärts<br />
|-<br />
| H || L || - || - || Motor stop (kurzschließen, OUT1+2 auf GND)<br />
|-<br />
| H || H || Z || Z || Motor ausschalten (Verbindung trennen)<br />
|}<br />
<br />
Wahrheitstabelle (nach Fehlersuche mit zwei Bauteilen herausgefunden):<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
|-<br />
| IN1 || IN2 || OUT1 || OUT2 || entspricht <br />
|-<br />
| L || L || - || - || Motor stop (kurzschließen, OUT1+2 auf GND)<br />
|-<br />
| L || H || - || + || Motor dreht rückwärts<br />
|-<br />
| H || L || + || - || Motor dreht vorwärts<br />
|-<br />
| H || H || Z || Z || Motor ausschalten (Verbindung trennen)<br />
|}<br />
<br />
Leider mangelt es bei dieser Brücke an einem separaten Eingang für PWM. Man könnte zunächst auf die Idee kommen, den Eingang IN1 mit PWM zu verbinden und IN2 als Richtungssignal zu nehmen. Das das allerdings nicht ganz wie erhofft klappt soll hier erklärt werden (ist nicht ganz einfach): Der Motor würde beim Vorwärtsfahren abwechselnd drehen und gebremst (kurzgeschlossen) werden, beim Rückwärtsfahren allerdings abwechselnd drehen und ausgeschaltet werden (nicht kurzgeschlossen). Das Verhalten des Motors je nach Richtung wäre dann unterschiedlich. <br />
<br />
Abhilfe verschafft diese kleine Schaltung an den Eingängen des Motortreibers:<br />
<br />
[[Bild:TLE5205_PWM.png]]<br />
<br />
Ist PWM auf 5V, dann wird der Motor ausgeschaltet (Verbindung wird getrennt).<br />
<br />
Ist PWM auf 0V, so gelten die angelegten Pegel zur Richtungsinformation.<br />
<br />
Vorsicht! Bei den zuvor vorgestellten Motortreibern ist dieses Verhalten genau anders herum.<br />
<br />
=== Weitere Treiber-ICs ===<br />
Es gibt noch mehr ähnliche Treiber ICs, die hier nur kurz aufgezählt werden sollten. Für Details sollte man ohnehin ins Datenblatt schauen.<br />
*L293E ähnlich dem L293B, mit Strommessung<br />
*BTS7741G max. 7A , nur eine Brücke, SMD<br />
*MC33887 max. 5A, nur eine Brücke, SMD<br />
*BA6209 1,6A pk (max. continuous output current nicht angegeben), max.18V, nur eine Brücke, SIP10-Gehäuse<br />
*TA7267 1A (3A pk), 6-18V, eine Brücke, HSIP7-Gehäuse<br />
*TB6568KQ 1,5A (3A pk), 10-45V, eine Brücke, HSIP7-Gehäuse<br />
<br />
== Grundsätzliche Hinweise zum Aufbau ==<br />
* Die '''Spannungsversorgung''' der Motortreiber sollte ausreichend '''gepuffert''' werden, um Spannungseinbrüche durch z.B. hohe Anlaufströme der Motoren zu vermeiden. Ein '''Elko''' mit einer Kapazität von 100µF...2200µF (je nach Stromaufnahme des Motors) sollte in der Versorgungsleitung vorgesehen werden. Typen mit geringem ESR sind von Vorteil; es können auch mehrere "normale" Elkos parallel geschaltet werden. Ein zusätzlicher 100nF Keramikkondensator filtert hochfrequente Störungen auf der Versorgungsleitung.<br />
* Die '''Verkabelung''' von der Versorgungsleitung zum Motortreiber und von dort bis hin zu den Motoren muss einen ausreichenden Querschnitt aufweisen; ein Verdrillen der Kabel verbessert dabei die EMV (elektromagnetische Verträglichkeit). Die Kabel der Motoren sollten nach Möglichkeit Abstand zu Sensorleitungen halten und möglichst nicht zu ihnen parallel liegen, um eine Verfälschung der Sensormesswerte durch Induktion zu unterbinden. Dies ist vor allem bei einer Steuerung der Motoren mit PWM und bei hochohmigen Sensorimpedanzen enorm wichtig. Die Motoren sollten grundsätzlich immer entstört werden (siehe unten). Ein Kondensator zwischen den Anschlüssen ist das Minimum.<br />
* Wird der Motortreiber mit PWM betrieben, sollte die '''Frequenz der PWM''' möglichst niedrig eingestellt werden. Dadurch werden Verluste beim Umschalten in der H-Brücke reduziert (v.a. bei MOSFETs).<br />
* '''Freilaufdioden''' müssen für die auftretenden Ströme ausgelegt und auch "schnell genug" sein. Sind in den Motortreiberbausteinen bereits Freilaufdioden ("free wheeling diodes") integriert, so müssen in der Regel keine zusätzlichen Dioden in die Schaltung eingebaut werden. Zusätzliche Freilaufdioden schaden allerdings auch nicht.<br />
* Ein Motortreiber kann seinen angegebenen '''Nennstrom''' in Realität meist nicht ohne '''Kühlung''' erreichen (kurzzeitig durchaus möglich, langfristig aber nicht). Der Motortreiber sollte lieber etwas überdimensioniert werden (in Bezug auf maximal lieferbaren Strom), um einerseits die Verluste zu reduzieren, andererseits aber auch die Möglichkeit zum zukünftigen Umbau und Betrieb des Roboters mit leistungsfähigeren Motoren zu gewährleisten.<br />
* Am Motor steht aufgrund der '''internen Verluste''' (z.B. RDS-ON-Widerstand bei MOSFETs) meist nicht mehr die volle Betriebsspannung zur Verfügung. Insbesondere bei niedrigen Versorgungsspannungen macht sich dies bemerkbar.<br />
* Vor allem wenn größere Ströme von den Motoren benötigt werden, sollte man auf ein möglichst '''sternförmiges Massekonzept''' (Verdrahtung) der Schaltung achten, notfalls muss Steuerung und Leistungsteil aus getrennten Spannungsquellen versorgt werden.<br />
* Die Motortreiber sollten '''auswechselbar''' sein, z.B. durch Verwendung einer IC-Fassung. Bei Defekt oder Überlastung kann der Motortreiber zügig und einfach ausgetauscht werden (besonders auf Roboter-Wettbewerben sinnvoll!). Nicht für alle Gehäusebauformen der Motortreiber sind Sockel verfügbar.<br />
* Bei einem Platinenlayout für Motortreiber sind '''breite Leiterbahnen und Kühlflächen''' (häufig große Masseflächen) sowie '''kurze Verbindungen''' vorteilhaft, um Spannungsabfälle auf den Leitungen zu reduzieren und Wärme abzuführen.<br />
<br />
==Noch mehr Power gewünscht?==<br />
Obwohl der L298 schon einiges abdeckt, so kommt er spätestens bei den Scheibenwischermotoren langsam an seine Grenzen. Bei starker Belastung können solche Motoren kurzzeitig bis ca. 10 A und mehr ziehen. Für solch starke Motoren gibt es jetzt einen ganz interessanten Motorchip aus dem Kfz-Bereich: VNH3SP (Datenblatt u.a. im Roboternetz Download-Bereich). <br />
Mit ihm lassen sich sogar recht große Motoren ansteuern; vorausgesetzt, man kühlt ihn entsprechend, so verträgt der Chip bis zu 30 A. Aber selbst ohne Kühlung bietet er bedeutet mehr Leistung als der L298. Das Schöne: die Ansteuerung ist kaum anders als beim L298 und L293D.<br />
<br />
Kleiner Nachteil: Da es ein SMD-Chip mit 1mm Kontaktabstand ist, muss man schon eine geeignete Platine (spezielles Layout mit Kühlflächen) und etwas Löterfahrung besitzen. Inzwischen gibt es aber schon verschiedene RN-Projekte mit dem Chip (RN-Power, RN-Mini H-Bridge), Platinen und Chip können über den [http://www.shop.robotikhardware.de/shop/catalog/index.php Robotikhardware.de-Platinenservice] bezogen werden. <br />
<br />
<br />
[[Bild:minihbridge_ansteuerung.gif|center]]<br />
<br />
<br />
Alternativ zum [[SMD]]-Chip VNH'''3'''SP30 gibt es noch die Alternative VNH'''2'''SP30.<br />
Dieser Chip erlaubt zwar nur Motorspannungen zwischen 6 und 16 Volt (Achtung: schaltet über 16V ab aufgrund Overvoltage Protection!), jedoch hat er einen wesentlich geringeren Innenwiderstand und wird deshalb nur etwa halb so warm wie der VNH3SP30.<br />
Aus diesem Grund eignet er sich auch ideal für kleine Doppelmotorsteuerungen.<br />
Natürlich gibt's auch hierfür ein Projekt und eine Bauanleitung, siehe [[RN-VNH2Dualmotor]]<br />
<br />
Das Schöne ist, dass es dieses RN-Projekt jetzt auch als Fertigmodul gibt!<br />
<br />
<br />
[[Bild:rndualmotoransteuerung.jpeg|center]]<br />
<br />
==Vergleich der gezeigten Motortreiber(-bausteine)==<br />
<br />
Bitte kontrollieren, korregieren und/oder ergänzen :)<br />
<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
|-<br />
| Bezeichnung || Bauformen || Mot. || UB || Ausg.strom || Freilaufd. || Curr.Sens. || ca. Preis || REI || CON || CSD || POL || RHW<br />
|-<br />
| L293B || DIL-16 || 2 || 4.5V-36V || 1A || keine || nein || 1-2 € || X || . || . || . || .<br />
|-<br />
| L293D || DIL-16 || 2 ||4.5V-36V || 600mA || integriert || nein || 1-2 € || X || X || X || . || X<br />
|-<br />
| L293DD || SO-16 (SMD) || 2 ||4.5V-36V || 600mA || integriert || nein || 2-3 € || X || X || . || . || .<br />
|-<br />
| L293E || DIL-20 || 2 || 4.5V-36V || 1A || keine || ja || 2-3 € || X || X || X || . || .<br />
|-<br />
| L298 || Multiwatt-15, Pow.SO20 || 2 || 4,5V-50V || 2A || keine || ja || 2-4 € || X || X || X || X || X<br />
|-<br />
| L6201/PS || SO20/PowerSO20 || 1 || 12V-48V || 1A / 4A(!?) || integriert || ja || 5 € || X || . || . || . || .<br />
|-<br />
| L6202 || DIL-18 || 1 || 12V-48V || 1,5-2 A || integriert || ja || 3-4 € || X || . || X || . || .<br />
|-<br />
| L6203 || Multiwatt-11 || 1 || 12V-48V || 2A / (4A!?) || integriert || ja || 4 € || X || . || X || . || .<br />
|-<br />
| L6205 || DIL-20,(Power)SO-20 || 2 || 8V-52V || 2,8A || integriert || ja || 7 € || X || . || . || . || X<br />
|-<br />
| TLE4202 || TO220 || 1 || 3,5-17V|| 2A || integriert || nein || 0,50 € || . || . || . || X || .<br />
|-<br />
| TLE5205 || TO220, P-DSO-20 || 1 || 6V-40V || 5A || integriert || nein || (5 €) || . || . || . || . || .<br />
|-<br />
| BTS7741G || P-DSO-28-14 || 1 || 4,8V-42V || 7A || integriert || nein || 2 € || . || . || . || X || .<br />
|-<br />
| VNH2SP30 || MultiPowerSO-30 || 1 || 5,5V-16V [*1]|| 30A || integriert || ja || 10 € || . || . || . || . || X<br />
|-<br />
| VNH3SP30 || MultiPowerSO-30 || 1 || 5,5V-36V [*2]|| 30A || integriert || nein || 6-9 € || X || . || . || . || X<br />
|-<br />
| Bezeichnung || Bauformen || Mot. || UB || Ausg.strom || Freilaufd. || Curr.Sens. || ca. Preis || REI || CON || CSD || POL || RHW<br />
|}<br />
<br />
Abkürzungen:<br />
<br />
* Mot. = Wie viele Motoren können gesteuert werden<br />
* UB = Betriebsspannungsbereich<br />
* Ausg.strom = Ausgangsstrom<br />
* Freilaufd. = Freilaufdioden<br />
* Curr.Sens. = Current Sensing = Messung des Motorstroms<br />
<br />
Verfügbarkeit bei Händlern:<br />
<br />
* REI = reichelt.de<br />
* CON = conrad.de<br />
* CSD = csd-electronics.de<br />
* POL = pollin.de<br />
* RHW = robotikhardware.de<br />
<br />
X bedeutet verfügbar, . bedeutet nicht verfügbar<br />
<br />
Anmerkungen zu Motortreibern vom Typ VNH2SP30 und VNH3SP30:<br />
<br />
* [*1]: schaltet bei typ. 19V (16V-22V) ab aufgrund Overvoltage Protection<br />
* [*2]: schaltet bei typ. 43V (>36V) ab aufgrund Overvoltage Protection<br />
<br />
(keine Garantie auf Vollständigkeit und Richtigkeit der Angaben)<br />
<br />
Stand: März 2012<br />
<br />
==Endstufen mit I2C-Bus / RS232==<br />
[[Bild:motctrl.png|thumb|Motoransteuerung über RS232, I2C, RC]]Verwendet man eine der oben vorgestellten H-Bridges, so wird immer vorausgesetzt, dass ein PWM-Signal und mehrere Ports zur Ansteuerung bereitstehen. Ist dies nicht der Fall, weil diese vielleicht schon belegt sind, so lassen sich Endstufen durch einen zusätzlichen Microcontroller auch um beliebige Schnittstellen erweitern. Insbesondere über I2C lassen sich dadurch mehrere Motorboards über einen einzigen Bus ansteuern. Ein Beispiel ist der programmierte Controller MOTCTRL, der speziell für diese Aufgabe gedacht ist. Die Grundschaltung sieht man in der rechten Skizze.<br />
<br />
==Varianten der Ansteuerung==<br />
===Verwendung von Logikgattern===<br />
Pro Motor, der angesteuert werden soll, werden normalerweise je drei Pins benötigt: 1xPWM und 2xRichtung. Sollen viele Motoren gleichzeitig angesteuert werden, so werden auch viele Pins des Mikrocontrollers benötigt. Durch die Verwendung von NAND oder NOT-Gattern können Pins für die Richtungsinformation gespart werden:<br />
<br />
[[Bild:Motortreiber_NAND_NOT.png|800px]]<br />
<br />
Aufgabe der Gatter ist es, das Richtungsbit zu invertieren. So liegt an IN1 der gleiche Pegel wie an Richtung an, an IN2 der invertierte Pegel.<br />
Somit ist es möglich, mit nur einem Richtungsbit auszukommen. Es wird die Verwendung von 74HC00 (enthält 4x NAND) oder 74HC04 (enthält 6x NOT) - Logikgattern empfohlen. Selbstverständlich müssen die Logikgatter für den Betrieb auch mit der Versorgungsspannung (meist +5V) verbunden werden, üblicherweise wird die Versorgung auch mit einem 100nF Keramikkondensator in der Nähe des Gatters abgeblockt. (Nicht im Plan eingezeichnet!)<br />
<br />
Vorteile dieser Variante:<br />
* 50% der Mikrocontrollerpins für die Richtungsinformation werden eingespart und können für andere Zwecke verwendet werden<br />
* Programmierung wird einfacher, da weniger Pins gesteuert werden müssen<br />
<br />
Nachteile:<br />
* Es wird ein zusätzliches IC benötigt<br />
* kurze Laufzeitunterschiede der Signale an IN1 und IN2 (in der Regel vernachlässigbar)<br />
* Motor kann nicht kurzgeschlossen (also gebremst) werden, da hierzu gleiche Pegel an IN1 und IN2 notwendig wären; Ausschalten geschieht weiterhin über PWM<br />
<br />
Inverter können auch aus Transistoren und Widerständen gebaut werden:<br />
<br />
[[Bild:Inverter_npn_pnp.png|800px]]<br />
<br />
===Verwendung von Portexpandern===<br />
Mit einem I2C-Portexpander wie z.B. PCF8574 oder mit einem Seriell-Parallel-Schieberegister 74HC595 könnten die Richtungsinformationen IN1, IN2 usw. geschaltet werden.<br />
<br />
Vorteile:<br />
* Einsparung der Mikrocontrollerpins für die Richtungsinformation<br />
* Bremsen ist weiterhin möglich (im Gegensatz zur Variante mit den Logikgattern)<br />
<br />
Nachteile:<br />
* Es wird ein zusätzliches IC benötigt<br />
* leicht erhöhter Softwareaufwand für den Mikrocontroller (I2C-Bus oder Ansteuerung des Schieberegisters)<br />
* Verzögerungen durch die Ansteuerung<br />
<br />
<br />
== Messung der Stromaufnahme des gesteuerten Motors ==<br />
Es kann manchmal interessant sein, zu wissen, wie viel Strom die Motoren eines Roboters verbrauchen. Man könnte so einen Anhaltspunkt zur Belastung der Motoren erhalten. Ein hoher Motorstrom würde z.B. bedeuten, dass der Roboter gegen eine Wand fährt o.ä. Außerdem könnte eine Regelung der Motoren realisiert werden.<br />
<br />
Die meisten Motortreiber-ICs haben dafür SENSE-Anschlüsse. Wer keine Messung des Motorstroms benötigt, verbindet die SENSE-Anschlüsse mit GND (vgl. Schaltplan des L298). Ansonsten ist vorgesehen, einen Widerstand zwischen SENSE und GND einzubauen. Durch diesen Widerstand, der auch "Shunt" genannt wird, fließt auch genau der Strom, der durch den Motor fließt. Nach dem Ohmschen Gesetz U = R * I fällt dann an diesem Shunt eine Spannung ab, die proportional zum Motorstrom ist. Die Spannung lässt sich dann relativ einfach mit einem Mikrocontroller messen, indem man diese Spannung an einen Analogeingang anlegt.<br />
<br />
Beispiel: Es soll ein Shunt mit 0,1 Ohm verwendet werden, der Motor benötigt 2A. Dann fallen am Shunt U = R * I = 0,1Ohm * 2A = 0,2V ab.<br />
<br />
Ein Mikrocontroller könnte diese Spannung direkt mit dem ADC messen. Da ein Mikrocontroller allerdings einen Messbereich bis meistens 5V aufweist, würde sich nur eine geringe Auflösung des gemessenen Motorstroms ergeben. Man könnte nun den Shunt größer machen (z.B. 1 Ohm), um größere Spannungen zum Messen zu erhalten. Allerdings fehlt die Spannung, die am Shunt abfällt, dann natürlich am Motor, sodass dieser langsamer dreht. Außerdem wird im Shunt elektrische Energie in Wärme umgesetzt, sodass diese für die entsprechende Leistung ausgelegt werden müssten. Die elektrische Leistung berechnet sich aus P = I² * R. Würde man beim angegebenen Beispiel einen 1-Ohm Widerstand einsetzen, müsste dieser schon P = (2A)² * 1Ohm = 4W verheizen!<br />
<br />
Eine bessere Lösung ist die Verwendung eines niederohmigen Shunts (z.B. 0,1 Ohm) sowie eines Operationsverstärkers, welcher die am Shunt gemessene Spannung quasi ''multipliziert'' und somit für den Mikrocontroller besser messbar macht.<br />
<br />
[[Bild:Strommessung_shunt_tiefpass_opamp.png|600px]]<br />
<br />
Gezeigt wird in der Abbildung der Shunt (links), dahinter ein RC-Tiefpassfilter, welches den Strom ''mittelt'', indem kurze Stromspitzen reduziert werden und den Messwert glätten/stabilisieren soll, sowie ein Operationsverstärker als nichtinvertierender Verstärker. Der Kondensator C2 dient nur zur Entstörung der Versorgungsspannung des Operationsverstärkers.<br />
<br />
Als Operationsverstärker kann z.B. der LM358 (zwei in einem Gehäuse) oder der LM324 (vier in einem Gehäuse) verwendet werden. Dieser kommt mit asymmetrischer Betriebsspannung - also +5V und GND - aus. Der Operationsverstärker wird in der Grundschaltung des nichtinvertierenden Verstärkers betrieben. Der Verstärkungsfaktor berechnet sich aus 1+(R3/R4); hier also 1+(10k/1k)=11. Aus einer Eingangsspannung von z.B. 0,2V würden dann 0,2V * 11 = 2,2V am Ausgang werden. Diese Spannung ließe sich schon viel besser mit einem Mikrocontroller messen. Es können auch andere Widerstandswerte für R3 und R4 verwendet werden, um den Verstärkungsfaktor anzupassen.<br />
<br />
Die genauen Werte des Tiefpassfilters sind unkritisch, es können auch andere Werte als in der Abbildung verwendet werden. Man könnte das Filter auch weglassen.<br />
<br />
Anmerkung: Der LM358 bzw. LM324 kann bei 5V Betriebsspannung am Ausgang nur bis etwa 3,5V aussteuern. Sollen noch höhere Spannungen am Ausgang erreicht werden, muss entweder die Betriebsspannung des OpAmps erhöht oder ein sog. Rail-To-Rail Operationsverstärker (z.B. LMC6484) eingesetzt werden, der bis knapp an die Versorgungsspannung aussteuern kann.<br />
<br />
Bei ungeschickter Masseführung kann es zu Fehlmessungen kommen. Nicht nur in diesem Fall, sondern grundsätzlich ist es besser, einen Subtrahierer mit OpAmp anstatt der oben gezeigten Schaltung aufzubauen. Eine solche Schaltung ist nicht viel umfangreicher, es sind nur zwei zusätzliche Widerstände notwendig.<br />
Sind präzise Messungen erforderlich, sollte der Widerstandswert des Shunts nachgemessen werden, außerdem wird die Verwendung von Metallfilmwiderständen mit einer Toleranz von 1% in der weiteren OpAmp-Schaltung empfohlen.<br />
<br />
== Motor ausschalten - Varianten ==<br />
Muss man über einen so banalen Zusammenhang noch Worte verlieren? JA! Es gibt hier zwei Varianten, die durchaus wichtig sind, und in manchen Anwendungsgebieten auch einen großen Unterschied machen.<br />
Naheliegend ist, die Verbindung zum Motor einfach zu trennen, sodass dieser noch ausrollen kann. Die andere Möglichkeit ist, die beiden Anschlüsse des Motors miteinander zu verbinden. Damit wird der Motor abgebremst. Den Effekt kann jeder einmal praktisch ausprobieren: Verbinde die beiden Anschlüsse des Motors und versuche dann, an der Achse zu drehen. Vor allem bei Getriebemotoren ist dann diese Bremse spürbar.<br />
<br />
[[Bild:Motor_aus.png]]<br />
<br />
Für eine Geschwindigkeitsregelung mittels PWM sollte das "normale Ausschalten" gewählt werden, da sich der Roboter sonst wohl kaum vom Fleck bewegt.<br />
Soll der Roboter schnell anhalten oder für einen relativ kleinen Winkel drehen, so sollten die Motoren gebremst werden.<br />
<br />
Andererseits sollte die Hardware falls erwünscht auch beide Betriebsarten unterstützen können. Jedoch sind dazu nicht alle Motortreiber in der Lage. Probleme kann das Bremsen machen, da der Motor dann über den Motortreiber kurzgeschlossen wird (z.B. beide Anschlüsse mit GND verbunden). Dann fließt im Moment des Bremsens ein Strom durch den Treiber, welcher dann Leistung in Form von Wärme abgeben muss.<br />
<br />
Motortreiber aus Operationsverstärkern können z.B. ihren Ausgang nicht hochohmig schalten, es liegt immer eine belastbare Spannung am Ausgang an, somit können diese nur bremsen und nicht "normal" ausschalten.<br />
<br />
Hier eine Tabelle die zeigt, welche Motortreiber welche Variante beherrschen können:<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
|-<br />
| Treiber || L293B/D/DD/E || L298 || L620x || OpAmp || TLE4202B || TLE5202 || BTS7741 || VNH2SP30 || Variante mit Logikgattern<br />
|-<br />
| Ausschalten || ja || ja || ja || nein || nein || ja || nein || ja || ja<br />
|-<br />
| Bremsen || ja || ja || ja || ja || ja || ja || ja || ja || nein<br />
|}<br />
<br />
==Und nie vergessen Motoren zu entstören==<br />
<br />
Das Entstören dient dazu, eine Ausbreitung von Funkstörungen durch das sogenannte "Bürstenfeuer" zu verhindern. Und so wird's gemacht:<br />
<br />
<br />
[[Bild:entstoerung.gif|center]]<br />
<br />
Bei Steuerung des Motors per PWM sind die Induktivitäten hilfreich. Sie verhindern das bei den steilen Flanken des PWM Signals große Ströme duch die Kondensatoren fließen. Alternativ zu den 2 Kondensatoren (C2,C3) gegen das Gehäuse kann das Gehäuse auch direkt an Masse angeschlosssen werden. Bei einer PWM Steuerung ist das die bessere Lösung.<br />
<br />
==Siehe auch==<br />
* [[Getriebemotoren]]<br />
* [[RN-VNH2Dualmotor]]<br />
* [[Motorkraft berechnen]]<br />
<br />
==Weblinks==<br />
* [http://www.roboternetz.de/phpBB2/motordrehmoment.php Drehmoment Berechnung]<br />
* [http://www.roboternetz.de/motoruebersicht.html Motoren Übersicht]<br />
* [http://www.shop.robotikhardware.de/shop/catalog/index.php?cPath=65 Bauteilesets]<br />
* [http://www.roboternetz.de/robotertutorial.html Roboter-Tutorial]<br />
* [http://www.roboternetz.de Roboternetz Forum]<br />
<br />
[[Category:Robotikeinstieg]]<br />
[[Category:Praxis]]<br />
[[Category:Grundlagen]]<br />
[[Category:Motoren]]<br />
[[Category:Elektronik]]</div>BMShttps://rn-wissen.de/wiki/index.php?title=Getriebemotoren_Ansteuerung&diff=27294Getriebemotoren Ansteuerung2015-12-14T17:39:53Z<p>BMS: /* Ansteuerung mit Treiber IC L293 D */</p>
<hr />
<div>Ist der Entschluss gefasst, für seinen Roboter oder andere Konstruktion einen Getriebemotor zu verwenden, so müssen sich Gedanken gemacht werden, wie er ansteuert werden kann. Gewöhnlich sollen die Motoren ja sowohl in Bezug auf Drehrichtung und Geschwindigkeit über eine Programmiersprache angesteuert werden. Daher wird in der Regel erst mal ein Controllerboard benötigt. Leider kann man an die wenigsten Controllerboards einen Getriebemotor direkt anschließen, eine der wenigen Ausnahmen ist das [[RN-Control]]-Board und das RNBFRA-Board. Bei beiden Boards ist es einfach, dort müssen die Getriebemotoren einfach nur an die Schraubklemmen angeschlossen werden, danach kann man sofort mit der Programmierung loslegen.<br />
<br />
Ich möchte hier aber aufzeigen, wie man Motoren auch bei anderen Boards anschließen kann. Die gleiche Technik lässt sich natürlich auch nutzen, um z.B. mehr als zwei Motoren an [[RN-Control]] anzuschließen.<br />
<br />
==Ansteuerung mit Relais==<br />
<br />
Die einfachste Methode, um Motoren per [[Microcontroller|Controller]] anzusteuern, erreicht man durch die Verwendung von Relais. Mit einem Relais, das zwei Umschaltkontakte besitzt, lässt sich über einen einzelnen Controllerport bequem die Drehrichtung wechseln.<br />
<br />
[[Bild:hbrueckerelais.gif|center]]<br />
<br />
Da auch Relais wegen des Strombedarfes nicht direkt vom Controller geschaltet werden können, wurde in dem oberen Beispiel ein Transistor vorangestellt. Die Diode dient dazu, die Spannungen abzuleiten, die beim Ausschalten des Relais induziert werden. Ohne Diode könnte der Transistor oder sogar der Controller durch die induzierte Spannung beschädigt werden. <br />
Die Schaltung ist also in der Lage, die Drehrichtung umzuschalten, jedoch nicht in der Lage, den Motor zu stoppen. Um den Motor ganz auszuschalten, könnte man man 2 getrennte Relais für die beiden Umschaltkontakte nutzen. Ein Schaltbild können wir uns ersparen, da das Ganze recht ähnlich aussieht. <br />
Der große Nachteil von Relaisschaltungen ist, dass die Geschwindigkeit des Motors nicht geregelt werden kann, zudem haben Relais bei vielen Schaltvorgängen einen gewissen Verschleiß.<br />
Das Auschalten einer induktiven Last ist dabei für die Relaiskontakte besonders schädlich.<br />
Vorteil der Schaltung ist jedoch, das man auch große Lasten/Motoren schalten kann.<br />
<br />
==Ansteuerung mit Relais und MOS-FET==<br />
Die Schaltung ist sehr ähnlich wie die vorherige Relaisschaltung. Es wird aber in die Masseleitung hinter dem Relais ein [[Feldeffekttransistor#MOSFETS|MOSFET]] und eine Freilaufdiode eingesetzt. Dadurch werden die meisten Nachteile der einfachen Relaisschaltung behoben. Durch den MOSFET läßt sich der Motor in der Geschwindigkeit regeln und ggf. abschalten.<br />
<br />
[[Bild:RelaisundFet.png|center]]<br />
<br />
Es sind prinzipiell alle N-Kanal MOS-FETs geeignet. Für die hier gezeigte direkte Steuerung vom µC sollte es ein Logik-Level-Typen sein. Der FET IRLZ34 sollte ohne Kühlung bis etwa 5 A genügen. Die Freilaufdiode D1 muß für den Motorstrom ausgelegt sein, und bei PWM Steuerung genügend schnell sein(z.B. Shottky SB540). Die Induktivität L1 (ca. 1...100 µH) und der Kondensator C1 dienen zur Funkentstörung und können bei kurzem Kabel zum Motor auch weggelassen werden. Um die Umschaltverluste und Funkstörungen gering zu halten, sollte die [[PWM]]-Frequenz nicht unnötig hoch liegen. Eine einfache Motorbremse ist möglich mit einem P-MOSFET (oder PNP Transistor) parallel zur Freilaufdiode. Ein Programmfehler kann damit allerdings zu einem Kurzschluss führen. <br />
<br />
Da das Relais nur Strom verbraucht, wenn es angezogen wird, sollte man den Motor so anschließen, dass in der bevorzugten Drehrichtung (beim Roboter Vorwärtsfahren) das Relais nicht angezogen ist. <br />
Die Schaltung (ohne Motorbremse) ist sicher gegen Querströme und es können durch Fehler im Programm des µC kaum Schäden entstehen. Das Relais sollte erst umgeschaltet werden, wenn der Motor steht, dann gibt es keine Funken an den Relaiskontakten.<br />
<br />
Der Verdrahtungsaufwand insgesamt ist minimal und sogar kleiner als bei Motortreiber-ICs, wie dem [[Getriebemotoren_Ansteuerung#Ansteuerung_mit_dem_Schaltkreis_L298|L298]], da keine zusätzlichen Bauteile benötigt werden. Daher ist die Schaltung insbesondere für Anfänger geeignet.<br />
<br />
Vorteile sind:<br />
*tolerant gegen Fehler im µC Programm<br />
*hohe Strombelastbarkeit<br />
*sehr geringer Spannungsabfall (< 1 V)<br />
*niedrige Kosten, auch bei hoher Leistung<br />
*das Relais kann stromlos geschaltet werden (wenig Verschleiß an Kontakten)<br />
<br />
Nachteile sind:<br />
*hörbares "Klacken" beim Laufrichtungswechsel<br />
*zusätzlicher Stromverbrauch, wenn das Relais geschaltet ist<br />
<br />
==Ansteuerung mit MOS-FET==<br />
===Neufassung===<br />
{{Ausbauwunsch|Die Neufassung kann im momentanen Stand nur als Anregung verstanden werden.<br />
<br />
Insbesondere fehlen noch angepasste Schaltpläne.<br />
<br />
Einige der Anmerkungen aus dem Abschnitt "Kritik an der Schaltung" sind in der Neufassung noch nicht enthalten, die Beschreibung von Verzögerungsgliedern müsste auch eine Erklärung enthalten, welche Verzögerung mit welchen Werten erreicht wird.<br />
<br />
Wenn die Neufassung komplett fertig ist, sollten die alten Texte weg.<br />
}}<br />
===Grundprinzip===<br />
Wenn man die Steuerung rein mit Halbleitern realisieren will, bietet sich die H Brückenschaltung (Vollbrücke) an. An jeden Motoranschluß kommt einen Halbbrücke, die den Anschluß mit GND oder der Versorgungsspannung verbinden kann. Die fertigen [[Getriebemotoren_Ansteuerung#Ansteuerung_mit_Treiber_IC_L293_D|Motorteiber ICs]] sind auch entsprechend aufgebaut.<br />
Der Aufbau aus Einzelteilen wird vor allem gebraucht, wenn man kein passendes IC findet, z.B. bei hoher Leistung.<br />
<br />
Bei den üblichen Batteriespannungen sind als Schaltelemete [[Feldeffekttransistor#MOSFETS|MOS-FET]]s die beste Wahl. Also (unipolaren) Transistoren, die quasi leistungslos nur durch Spannungen geschaltet werden. Zu diesem Thema findet man unzählige Beiträge im Roboternetz, denn die Schaltung ist nicht ganz einfach.<br />
<br />
Die Grundschaltung besteht aus 2 N-Kanal-MOS-FET und zwei P-Kanal-MOS-FET, mit denen die Motoranschlüsse nach GND bzw. UB geschaltet werden. <br />
Auf die extra Freilaufdioden kann bei einer Vollbrücke mit modernen MOSFETs meistens verzichtet werden, da die MOSFETs bereits hinreichend gute Dioden enthalten. Teilweise werden trotzdem zusätzliche [[Im RN-Wiki verwendete Elektronikbauteile|Schottky-Dioden]] benutzt, um die Verluste etwas weiter zu reduzieren. Die Dioden werden in Sperrichtung von den beiden Motoranschlüssen nach GND bzw. UB geschaltet.<br />
Die Transistortypen werden entsprechend der benötigten Ströme und Spannungen gewählt. Zu große Transistoren haben den Nachteil einer großen Gatekapazität und benötigen daher aufwendigere Treiber.<br />
<br />
Grundsätzlich muss die Beschaltung der Gate-Eingänge so erfolgen, dass zum Starten des Motors die Transistoren einer Diagonale auf "leitend" und die der anderen auf "sperrend" geschaltet werden. Zum Anhalten des Motors werden z.B. die unteren auf leitend und die oberen auf sperrend geschaltet (Der Motor wird aufgrund des nicht unerheblichen Bremsstroms von Transistor und Freilaufdiode stark gebremst).<br />
Alternativ kann man auch alle Transistoren auf sperrend schalten, der Motor läuft dann im Leerlauf aus.<br />
<br />
Die Transistoren einer Seite dürfen nicht gleichzeitig auf "leitend" geschaltet werden, da dies einen Kurzschluss verursacht.<br />
<br />
===Elektrische Ansteuerung der Gates===<br />
Beim Umschalten der Transistoren entstehen Verluste - der Widerstand wechselt von sperrend (sehr großer Widerstand) nach leitend (sehr kleiner Widerstand) und umgekehrt.<br />
Zwischen beiden Enden des Schaltvorgangs befindet sich der Transistor in der "Widerstandsphase" (weder ganz leitend, noch ganz sperrend), die eine erhebliche Verlustleistung und damit Erwärmung mit sich bringt.<br />
<br />
Deshalb sollte der Schaltvorgang schnell erfolgen, insbesondere wenn für eine [[PWM]]-Regelung sehr oft geschaltet wird. Da zum Umschalten die durch den Aufbau des MOSFETs bedingte Gatekapazität umgeladen werden muss, ist hierzu (sehr kurzzeitig) ein hoher Stromfluss nötig. Zu schnell (<100 ns) sollte man wegen der Funkstörungen aber auch nicht schalten.<br />
<br />
Für die P-Mosfets wird eine Spannung von 0 V bzw. etwa -10 V realtiv zur postiven Versorgung gebraucht. Für die N-Mosfets reicht eine Spannung von 0 V bzw. ca. 10 V, bei logic level Mosfets reichen 5 V.<br />
<br />
====Schaltung direkt am Port====<br />
Eine Ansteuerung unmittelbar über den Ausgang eines Mikrocontrollers (oder eines TTL-IC) ist schon wegen der benötigten Spannungen oft nur für die N-MOSFETs möglich, und das auch nur bei Logic Level Fets. Bei den P-[[MOSFET]] bemisst sich die Schaltspannung gegen UB und nur für ein UB von etwa 5-6 V könnte die Spannung passen.<br />
<br />
Dass ein Portpin nur einen geringen Stromfluss (ca. 20 mA) zulässt, ist ein weiteres Problem und verhindert einen schnellen Schaltvorgang. <br />
Diese Schaltungsversion ist für eher kleine Logic Level MOSFETs (bis etwa 2 nF Gate Kapazität), bevorzugt ohne PWM, möglich.<br />
<br />
====Schaltung mit einem Transistor====<br />
Eine einfache Steuerschaltung besteht aus einem Transistor-Schalter (Emitter nach GND)und einem Pull-Up-Widerstand. <br />
<br />
Der Vorteil liegt in der Einfachheit, der Nachteil liegt darin, dass die Schaltung nicht sonderlich schnell vonstatten geht: Für die Schaltung des FET muss die Gate-Kapazität transferiert werden, was insbesondere beim Wechsel von 0 V nach U<sub>B</sub> einen Moment dauert, da die Ladung durch den Widerstand hindurch muss. Ein kleinerer Widerstand könnte hier helfen, verursacht allerdings einen nicht unerheblichen Stromfluss im geschalteten Zustand.<br />
<br />
Sinnvoll ist diese Version damit nur für die P-MOSFETs, wenn diese nicht mit dem PWM Signal versorgt werden. Für die N Kanal Fets ist es in der Regel besser direkt den Logicpegel und Logic Level Fets zu nehmen.<br />
<br />
====Schaltung mit zwei Transistoren====<br />
Eine bessere Ansteuerung sollte sich ergeben, wenn man zwei Transistoren zur Gate-Ansteuerung verwendet: Einer schaltet gegen 0 V, der andere gegen UC. So kann man erreichen, dass in beide Richtungen rasch umgeschaltet werden kann.<br />
<br />
====Integrierte Gate-Treiber====<br />
Statt der Beschaltung mit zwei Transistoren kann man auch einen integrierten [[MOSFET]]-Treiber verwenden. Derartige ICs (z.B. ICL7667) sind darauf ausgelegt, kurzfristig den für eine Umschaltung benötigten hohen Stromfluss zu ermöglichen.<br />
<br />
Es gibt auch Treiber-ICs (z.B. IR2111), die zur Ansteuerung der oberen Transistoren eine Spannung oberhalb von UB erzeugen. Mit solchen Highside-Treibern kann die H-Brücke auch aus 4 N-Kanal-Transistoren gebaut werden, was den Vorteil hat, dass N-Kanal-FETs mit geringerem Schaltwiderstand zu bekommen sind. Bei den Treibern für highside N-Kanal-Fets hat man aber oft eine Begrenzung des Tastverhältnisses.<br />
<br />
===Logische Ansteuerung der Gates===<br />
Nach der elektrischen Ansteuerung ist die logische Ansteuerung durch den Mikrocontroller zu überlegen. In der H-Brücke sind zwei problematische Zustände zu berücksichtigen:<br />
<br />
1. Das offensichtliche Problem ist ein Kurzschluss: Wenn beide Transistoren einer Seite auf leitend geschaltet werden ist das ein Kurzschluss. Falls vorhanden brennt die Sicherung durch oder es wird sogar etwas beschädigt.<br />
<br />
2. Ein nicht so offensichtliches Problem rührt daher, dass der Schaltvorgang nur mit endlicher Geschwindigkeit abläuft und der Transistor auch schon vor Erreichen des Zielwertes der Gate-Spannung erheblichen Strom leitet. Hierdurch kommt es zu einem Kurzschluss durch den nicht mehr richtig gesperrten und den noch nicht richtig gesperrten Transistor. Es reicht also nicht die beiden Transistoren gleichzeitig zu schalten, sondern es wird eine kleine Verzögerung benötigt.<br />
<br />
Die Stromspitze selbst liegt oft noch im Rahmen der Spezifikationen der Transistoren. <br />
Allerdings hat die Stromspitze drei Auswirkungen: <br />
# Die Transistoren erwärmen sich<br />
# Es kann an einem Messwiderstand zu einer Spannungsspitze kommen<br />
# Die Versorgungsspannung bricht kurzzeitig zusammen<br />
<br />
Die Störung der Versorgungsspannung lässt sich ohne Oszilloskop kaum messen. Insbesondere in umfangreicheren Schaltungen können Störungen an ganz anderen Stellen (z.B. bei Sensoren) auftreten, die man dann nicht gleich mit der Motorsteuerung in Verbindung bringt.<br />
<br />
====softwaremäßige Ansteuerung====<br />
Die einfachste Art der Ansteuerung besteht darin, die 4 Gates mit 4 Ausgängen des Controllers zu steuern.<br />
<br />
Die korrekte Ansteuerung muss dann durch die Software garantiert werden. <br />
Eine Fehlschaltung der Software z.B. bei einem Absturz kann allerdings zur Zerstörung der Schaltung führen, die Schaltung sollte also in jedem Fall eine Sicherung haben.<br />
<br />
====Einfache, gemeinsame Ansteuerung ====<br />
Bei passender Spannung, können die Gates einer Seite jeweils gemeinsam geschaltet werden. Bei einer Gate-Spannung von 0V sperrt der N-[[MOSFET]] (U<sub>GS</sub>=0V), der P-[[MOSFET]] leitet bei dieser Gate-Spannung, da hier U<sub>GS</sub>=-UB ist. <br />
<br />
Bei einer Gate-Spannung von UB verhält es sich genau umgekehrt: Der N-[[MOSFET]] leitet (U<sub>GS</sub>=UB) und der P-[[MOSFET]] sperrt (U<sub>GS</sub>=0V)<br />
<br />
Diese einfache Ansteuerung benötigt nur 2 Port-Pins, hat jedoch den Nachteil, dass während des Umschaltens die oben beschriebenen temporären Querströme auftreten können und deshalb eher schnell geschaltet werden sollte. Die Ansteuerung mit nur einem Transistor ist hier also nicht angebracht. Je höher die Spannung, desto schlimmer wird das Problem beim Umschalten. Ohne extra Verzögerungen sind damit nur Spannungen bis ca. 8 V möglich. <br />
<br />
Mit einer Parallelschaltung aus einem Widerstand und einer Diode vor den Gates, kann man erreichen, dass die Transistoren schneller auf sperrend als auf leitend schalten. Beim N-FET zeigt die Anode zum FET, beim P-FET die Kathode.<br />
Damit sind dann auch etwas höhere Spannungen möglich, aber spätestens bei ca. 20 V wird die maximale Gatespannung erreicht.<br />
<br />
Eine mögliche Ausführung für etwa 8-15 V, ist es ein Gate Treiber IC (z.B. ICL7667) zu nehmen, und durch Dioden und Widerstände zu den Gates für eine Verzögerung beim Einschalten zu sorgen.<br />
<br />
====Ansteuerung mit logischer Verknüpfung====<br />
Der Zustand eines dauerhaften Querstroms sollte besser Hardwaremäßig vermieden werden. Zusätzlich kann die Logic die Zahl der IO Pins auf 2 oder 3 reduziert werden. Sinnvollerweise sollte dabei nur eine Leitung die PWM Steuerung übernehmen.<br />
Mittels Logik-Bausteinen werden zwei Ausgänge des Controllers so umgesetzt, dass die folgenden Zustände geschaltet werden können:<br />
# Motor-Stop: untere Transistoren leitend, obere sperrend (oder umgekehrt)<br />
# Motor-Vorlauf: 1. Diagonale leitend<br />
# Motor-Rücklauf: 2. Diagonale leitend<br />
# Motor-Leerlauf: Alle Transistoren sperrend<br />
Der Motor Stop Zustand ist dabei nicht unbedingt nötig. Wie die Logic genau aussieht hängt davon ab ob die Gate Treiber die Signale noch mal invertieren. <br />
In der wohl einfachsten Form, kann man die P MOSFETs über einfache Transistortreiber langsam steuern. Die PWM Steurung geht dann nur mit den N-FETs. Hier kann man Logic Level Typen nehmen, die man direkt von Logic Gattern (z.B. 74HC...) ansteuern kann, oder bei größeren FETs mit Gate Treibern.<br />
<br />
Die Querstrom-Problematik beim Schalten kann hierbei softwaremäßig gelöst werden, indem beim Umschalten jeweils kurz der Leerlauf geschaltet wird, damit alle Transistoren sperren. Damit auch Temporäre Querströme sicher vermieden werden können auch hier Verzögerungselemente sinnvoll sein.<br />
<br />
=====Heidingscher Encoder (Beispiel für Logic) =====<br />
Aufgrund der Kritik an der alten Schaltung(siehe '''Alte Schaltungsbeschreibung''') entschied ich mich einen neuen, einfachen sowie preisgünstigen Encoder zu entwickeln, den man mit der 74series aufbauen kann. Die [[Im RN-Wiki verwendete ICs|74series]] sind mit 20 mA Treiberstrom natürlich kaum zum direkten Treiben geeignet. Die Verzögerung müßte hier in die Treiber integriert sein.<br />
Die Logikanzeigen in den Grafiken sollen je einen Transistor bzw. Mosfet darstellen. <br />
<br />
=====PR Encoder=====<br />
[[Bild:Prtreiber.png]]<br />
<br />
Der PR Encoder(PWM-Richtung Encoder) ist mit zwei NOR Gates sowie eines Inverters aufgebaut, d.h. man kann ihn mit nur einem [[Im RN-Wiki verwendete ICs|IC(74HC(T)02)]] aufbauen. Will mein 2 Encoder verwenden, empfiehlt sich den Inverter auszulagern [[Im RN-Wiki verwendete ICs|(74HC(T)04]] oder [[Im RN-Wiki verwendete ICs|74HC(T)14]]. Sollte man keinen Schmitt-Trigger benötigen empfiehlt sich aus Schnelligkeitsgründen die [[Im RN-Wiki verwendete ICs|74HC(T)04]] Variante). <br />
Alternativ ist es noch möglich sich den Inverter zu sparen, und die Ansteuerung für den P(WM) Kanal invertiert laufen zu lassen.<br />
<br />
=====PRK Encoder=====<br />
[[Bild:Prktreiber.png]]<br />
<br />
Der Prk-Encoder([[PWM]]-Richtung-Kurzschluss-Encoder) ist eine Erweiterung des PR-Encoders. Er erlaubt es zusätzlich, die Motoren durch einen Kurzschluss zu stoppen.<br />
Aufgebaut werden kann dieser aus 1 NOR und 1 NAND Gate. Dabei werden 3 NAND-Gates als Inverter beschaltet (d.h. eine Leitung, die übrigen bleiben auf VCC).<br />
<br />
====Support====<br />
Fragen einfach in das Forum posten, oder mich anschreiben (User s.o.)<br />
<br />
===Alte Schaltungsbeschreibung===<br />
{{FarbigerRahmen|<br />
Achtung! Die Schaltung ist so nicht zu verwenden! Siehe unter '''Kritik an der Schaltung'''<br />
}}<br />
Wesentlich günstiger und auch beliebter ist die Ansteuerung von Motoren mit MOS-FETs. Also Transistoren, die quasi leistungslos nur durch Spannungen geschaltet werden und extrem hohe Ströme verkraften. Zu diesem Thema findet man unzählige Beiträge im Roboternetz. Eine der interessantesten Schaltungen, die im Roboternetz vorgestellt wurde, dürfte diese sein:<br />
<br />
<br />
[[Bild:hbrueckemosfet.gif|center]]<br />
<br />
<br />
Anmerkung: Den 74HC26N gibts wohl nicht , nur die TTL-Version [[Im RN-Wiki verwendete ICs|74LS26]], die HC-Mos-Version lautet [[Im RN-Wiki verwendete ICs|74HC03]].<br />
<br />
Eine sogenannte H-Brücke, die nur aus zwei MOSFETSs und einem Logik-IC besteht. Mit zwei Controllerports kann diese Schaltung sowohl Geschwindigkeit als auch Drehrichtung regeln. Für die Geschwindigkeit ist ein sogenannter [[PWM]]-Port notwendig. Also ein Port, der durch ein gepulstes Signal den Motor etlichemal innerhalb einer Sekunde ein- und ausschaltet und somit quasi die Leistung regelt (siehe [[PWM]]).<br />
Die Schaltung ist so konstruiert, dass immer nur zwei Transistoren durchschalten. Auf diese Weise fließt einmal der Strom von links oben nach rechts unten und einmal von rechts oben nach links unten, der Motor wird also ähnlich wie bei der Relaisschaltung umgepolt. <br />
Bei niedriger [[PWM]]_Frequenz sollte die Schaltung durchaus für einige Ampere geeignet sein, wobei ca. 8 bis 13 V ideal sein sollten.<br />
<br />
Das Logic-IC wurde durch 3x [[Im RN-Wiki verwendete Transistoren|BC547]] Transitoren ersetzt.<br />
<br />
<br />
<br />
[[Bild:Hbrueckenmosfet_BD547.PNG]]<br />
<br />
====Kritik an der Schaltung====<br />
<br />
Diese Schaltung wird [http://www.roboternetz.de/phpBB2/viewtopic.php?t=33067&sid=892e80c6cd2d003292e607bcd7a7123aim hier Forum von mehreren Leuten, u.A. Ratber, shaun, massiv kritisiert].<br />
<br />
Ich habe leider nicht das Wissen eine bessere Lösung zu liefern. Das Problem sind die Querströme: Im Umschaltmoment sind highside und lowside switch für kurze Zeit beide leitend. Das entspricht einem Kurzschluss der Versorgungsleitung bei jedem Umschalten mit allen damit verbundenen Problemen (Erwärmung, Schwingung, Sicherungen, Reset). Aus diesem Grund sind NAND-Gatter nicht geeignet!<br />
<br />
Zum Umschalten muss man<br />
*den bisher leitenden [[MOSFET]] ausschalten,<br />
*dann etwas warten,<br />
*und dann den nächsten [[MOSFET]] schließen.<br />
<br />
Dies kann man erreichen, indem man den Einschaltmoment <br />
*durch RC-Glieder verzögert und <br />
*den Ausschaltmoment durch Dioden beschleunigt.<br />
Die entstehenden Schaltungen sind komplex, benötigen viele Bauteile und sind fehleranfällig.<br />
<br />
<br />
Am sinnvollsten sind integrierte [[MOSFET]]-Treiber. Diese haben oft eine einstellbare Tot-Zeit (''Dead-Time''), können hohe Leistungen zum Umladen der Gatekapazität liefern und beachten andere Effekte wie ''Propagation-Time'', Veränderung des Source Potentials beim Highside-switch, etc.<br />
<br />
'''Erklärung von shaun:'''<br />
<br />
Die gezeigte Schaltung taugt auch nur als Prinzipschaltung bedingt, da man einen variierenden Aufwand in eine sichere Verriegelung investieren müsste. Bei fixer und nicht zu hoher Betriebsspannung könnte man mit RD-Kombinationen in den Gateleitungen das Ausschalten beschleunigen und das Einschalten verzögern, so dass die Querleitung wegfällt. Allerdings bewirkt diese simple R-Cg-Verzögerung größere Schaltverluste. <br />
<br />
Setzt man die Verzögerung vor dedizierte Treiber, müssen diese wiederum leistungsfähig genug zum Umladen der Gates sein und bis an die Versorgung heranreichen, weshalb man an diesem Punkt überlegen sollte, ob 95% duty cycle nicht auch reichen würden ''(Anmerkung: Bezug auf bootstrapping?)'' und man integrierte Treiber für reine N-Kanal-Bestückung einsetzen sollte - spart dann wieder etwas Verluste am Highside-Switch, weil N-Kanäler gleicher Generation und Leistungsklasse einen niedrigeren Rds(on) als ihre P-Pendants haben.<br />
<br />
{{Ausbauwunsch|Eine vernünftige diskrete Ansteuerung für eine H-Brücke.<br />
Korrektur auf Rechtschreibfehler, Zeichensetzung, Schreibstil, Fachausdrücke. Gibt's denn keinen, der etwas verbessern möchte?}}<br />
<br />
==Ansteuerung mit einem LeistungsOPV==<br />
Die wohl preislich und platztechnisch günstigste Alternative zur Ansteuerung von Motoren in H-Brücken ist die Verwendung von (Leistungs-)Operationsverstärkern oder Audioverstärker ICs. <br />
<br />
===Heidingscher Motortreiber=== <br />
Bei dem Heidingschen Motortreiber wird jeder Anschluss des Motors mit einem Ausgang des Operationsverstärker verbunden, die Eingänge des OPVs selbst als Komparator. Diese Methode ist für kleine und mittlere Motoren(=< 1A) und mäßige PWM-Frequenzen(<10kHz) gut geeignet. Ein RB35 von Conrad kann damit problemlos angesteuert werden. Bei zu hohen [[PWM]]-Frequenzen ist die SlewRate von vielen OPVs zu gering und die entsprechenden OPVs sind dann viel zu teuer und man sollte eine Ansteuerung per [[MOSFET]] (s.o.) bevorzugen. Momentan hat sich der [[Im RN-Wiki verwendete ICs|TCA 0372 DP1]] (0,57€ bei Reichelt) Verwendung gefunden. <br />
Weitere Informationen sind in [http://www.roboternetz.de/phpBB2/viewtopic.php?t=38412 diesem Forumsbeitrag] zu finden.<br />
<br />
===Gleichstromansteuerung===<br />
Eine weitere Möglichkeit ist es, dem Operationsverstärker eine Gleichspannung vorzugeben, mit denen der OPV die Motoren ansteuert. Diese Methode eignet sich sehr gut für analoge Schaltkreise. Der Wirkungsgrad ist allerdings nicht der beste, da die restliche Spannung in Wärme umgesetzt wird. Zudem werden viele weitere Komponenten benötigt, was den Aufbau teurer und fehleranfälliger macht.<br />
Der entsprechende Schaltkreis ist im Datenblatt des TCA 0372 DP1 zu finden.<br />
<br />
==Ansteuerung mit Treiber ICs ==<br />
===Ansteuerung mit Treiber IC L293 D===<br />
Ein häufig eingesetztes Motortreiber-IC '''für kleine Roboter''' ist der L293D. Da dieses IC zwei H-Brücken enthält, können so pro IC zwei Motoren angesteuert werden. Der im Datenblatt angegebene Maximalstrom beträgt pro Kanal 600 mA. Die Beschaltung des Treibers gestaltet sich recht einfach. Da bereits Freilaufdioden und die nötige Logik im Treiber enthalten sind, werden lediglich Elkos und Kondensatoren an der Versorgungsspannung benötigt.<br />
<br />
Die Verluste des Treibers dürfen aber nicht außer Acht gelassen werden: Einerseits liegt der Ruhestrom in der Größenordnung 40 mA, andererseits muss durch die Verluste an den Treibertransistoren mit '''über 3 Watt Abwärme (bei 600 mA auf beiden Brücken)''' gerechnet werden! Bei geringen Ausgangsströmen sind die Verluste entsprechend kleiner. Deshalb ist dieser Treiber '''nur für kleine Motoren mit geringen Strömen empfohlen'''. In dieser Treiber-Übersicht ist der L293D der schwächste Kandidat.<br />
<br />
<br />
[[Bild:L293Pinout.JPG|center]]<br />
<br />
<br />
[[Bild:hbrueckel293d.gif|center]]<br />
<br />
Hinweise zum Schaltplan:<br />
<br />
Zur Stabilisierung der Versorgungsspannung sollten noch '''Elkos''' (z.B. 100µF) eingebaut werden, dies ist im Schaltplan nicht eingezeichnet! (Vergleiche z.B. mit Schaltplan vom L293B, weiter unten). Außerdem müssen unbedingt alle vier GND-Anschlüsse mit Masse verbunden werden!<br />
<br />
Wie aus dem Schaltbild zu ersehen ist, werden für die Ansteuerung jedes Motors 3 Ports benötigt. Die Enable-Leitung führt man oft auf einen [[PWM]]-Port welcher, wie bei der [[MOS-FET]] Schaltung oben, die Geschwindigkeit regelt. Die beiden anderen Ports geben die Drehrichtung an. Immer wenn die Ports unterschiedliche Polarität haben dreht der Motor in eine bestimmte Richtung, je nachdem wo Low und High anliegt. Das Besondere ist, dass wenn an beiden Ports der gleiche Pegel anliegt, also zweimal Low oder High, dann wird nämlich der Motor kurzgeschlossen, das dann als Bremse fungiert. Das Bremsen kann bei Robotern durchaus nützlich sein. Zudem ist bei schnellen Richtungswechseln immer zu empfehlen zuerst kurz zu bremsen, um nicht den Motor oder Motortreiber zu stark zu belasten.<br />
<br />
Wahrheitstabelle (hier exemplarisch für 1 und 2; bei 3 und 4 entsprechend):<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
|-<br />
| Eingang "1A" || Eingang "2A" || "1,2EN" || Ausgang "1Y" || Ausgang "2Y" || entspricht<br />
|-<br />
| 0V || 0V || 5V || - || - || Motor kurzschließen (Bremsen)<br />
|-<br />
| 0V || 5V || 5V || - || + || Motor dreht vorwärts<br />
|-<br />
| 5V || 0V || 5V || + || - || Motor dreht rückwärts<br />
|-<br />
| 5V || 5V || 5V || + || + || Motor kurzschließen (Bremsen)<br />
|-<br />
| egal || egal || 0V || hochohmig || hochohmig || Motor aus (Verbindung trennen, nicht kurzschließen)<br />
|}<br />
<br />
<br />
Bei Belastung des Ausgangs steht nicht mehr die volle Betriebsspannung am Ausgang zur Verfügung.<br />
<br />
Der angegebene Maximalstrom von 600mA pro H-Brücke ist mit Vorsicht zu genießen, da oft die Verlustleistung des Treibers außer Acht gelassen wird. Bei der Entnahme des Nennstroms (600mA) entwickelt das IC eine Verlustleistung von etwa 3,3 Watt ! (Woher kommt der Zahlenwert? Verluste an Transistoren: 1,2V lowside + 1,4V highside = 2,6V total drop bei 0,6A ergeben 1,56 W Verlust an einer Brücke, also 3,12 W an beiden Brücken. Dazu kommt mindestens ein Ruhestrom von 40mA an 5V, also 0,2W, macht 3,32 W). Das IC kann sich dabei so stark erwärmen, dass es zerstört wird.<br />
<br />
Um dieses Problem zu lösen, kann man einerseits versuchen, mit Kühlkörpern und/oder einem Platinenlayout mit großer Massefläche, die Wärme abzuführen; andererseits könnte der Motor mit PWM betrieben werden, um die durchschnittliche Stromaufnahme zu verringern; die Motorleistung wird damit aber auch niedriger. Als Kühlkörper gibt es auch spezielle Formen, die direkt auf das IC geklebt werden können ([http://de.farnell.com/productimages/farnell/standard/42348245.jpg Beispiel]), ob diese dafür jedoch ausreichen sei dahin gestellt. Selten erfolgt auch eine Huckepack-Montage von mehreren identischen ICs zur Verteilung der Abwärme. Auch auf kurzes Abbremsen des Motors vor einem Richtungswechsel soll noch einmal hingewiesen werden.<br />
<br />
Falls diese Maßnahmen nicht zielführend sein sollten und der Motortreiber trotzdem überhitzt oder zerstört wird, sollte man sich nach einem anderen Motortreiber umsehen. <br />
<br />
Den Treiberbaustein gibt es auch in SMD und heißt dann L293DD.<br />
<br />
===Ansteuerung mit Treiber IC L293 B===<br />
Der L293B ist dem L293D sehr ähnlich, da er die selbe Pinbelegung besitzt und auch von der Ansteuerung genau identisch ist. Im Gegensatz zum L293D kann er aber 67% mehr Strom (d.h. 1A) am Ausgang liefern, benötigt aber zusätzlich noch 4 Freilaufdioden pro Motor. Der Preisunterschied zum L293D ist minimal, sodass man sich den Einbau des etwas stärkeren L293B überlegen kann.<br />
[[Bild:L293B_Pins.png|center]]<br />
<br />
Es soll noch eine typische Anwendungsschaltung für den L293B gezeigt werden (Auf das Bild klicken für höhere Auflösung):<br />
<br />
[[Bild:L293B_Schaltplan.png|550px|center]]<br />
<br />
Als Dioden schlägt das Datenblatt die Verwendung von 1N4001 vor. (Dioden in oben gezeigter Anordnung kommen so auch in Brückengleichrichtern vor.) Bei einem PWM Signal, wo der Strom nicht auf Null zurück geht, sind langsame Dioden aber problematisch, besser geeignet sind schnelle oder Schottkydioden (z.B. BYV27, 1N5819).<br />
<br />
Die Verlustleistung des ICs bei einem Ausgangsstrom von 1A (Nennstrom) beträgt ca. 3 Watt! Hierfür ist schon eine Kühlung erforderlich (Kühlkörper, Platinenlayout mit Kühlflächen, ggf. Lüfter).<br />
<br />
Wahrheitstabelle: siehe L293D<br />
<br />
Ein ähnliches IC ist das SN754410, welches allerdings schwer erhältlich ist.<br />
<br />
===Ansteuerung mit dem Schaltkreis L298===<br />
<br />
Der Schaltkreis [[Im RN-Wiki verwendete ICs|L298]] ist quasi der große Bruder des [[Im RN-Wiki verwendete ICs|L293D]]. Er beinhaltet auch zwei komplette H-Brücken, kann also auch zwei Motoren ansteuern. Die Pinbelegung ist ebenfalls dem [[Im RN-Wiki verwendete ICs|L293D]] sehr ähnlich, jedoch verfügt er über eine andere Bauform ("MULTIWATT-15"):<br />
<br />
<br />
[[Bild:L298Pinout.JPG|center]]<br />
Hinweis: Der L298 ist auch in einer SMD-Ausführung erhältlich.<br />
<br />
Der wichtigste Unterschied besteht jedoch darin, dass jede H-Brücke bei [[Im RN-Wiki verwendete ICs|L298]] bis zu 2 A belastet werden kann. Damit lassen sich also schon wesentlich größere Motoren ansteuern. Ein weiterer Vorzug sind die sogenannten SENSE-Ausgänge, über die der komplette Strom fließt. Oft wird hier ein Hochlastwiderstand angeschlossen, um aus der abfallenden Spannung den Strom berechnen zu können. Dies machen sich Steuerungen wie [http://www.roboternetz.de/phpBB2/viewtopic.php?t=2741 RN-Motor] oder aber andere Schrittmotoransteuerungen zunutze, um den Strom zu regeln. Benötigt man keine Strommessung, so müssen die Sense-Ausgänge direkt mit GND verbunden werden. Anders als beim [[Im RN-Wiki verwendete ICs|L293D]] werden hier externe Freilaufdioden gebraucht.<br />
<br />
Bei der angegebenden Stromstärke von 2A ist allerdings auf eine ausreichende Wärmeabfuhr durch Kühlkörper zu achten. Laut Datenblatt kann bei einem Strom von 2A in einer Brücke eine Spannung von bis zu 4,9V abfallen. Die Verlustleistung beträgt dann 9,8W ''pro Brücke''.<br />
Geringere Verluste haben im Allgemeinen Motortreiber, welche aus MOSFETs aufgebaut sind, da sie niederohmiger sind.<br />
Leider lässt sich dieser Motortreiber bei Defekt aufgrund seiner Bauform nur schwer auswechseln.<br />
<br />
<br />
[[Bild:hbrueckel298.gif|center]]<br />
<br />
<br />
Hinweis: Im Schaltplan fehlen Kondensatoren und Elkos. Es sollte noch ein Keramikkondensator 100nF zwischen +5V und GND, sowie noch ein 100nF Keramikkondensator und parallel dazu ein Elko mit ausreichender Kapazität zwischen Betriebsspannung und GND eingebaut werden.<br />
<br />
Ein weiteres Schaltbild gibt es hier [http://www.roboternetz.de/bilder/schaltung298getriebe.gif]<br />
<br />
===Ansteuerung mit L620x===<br />
Der Schaltkreis [[Im RN-Wiki verwendete ICs|L620x]] stellt eine etwas modernere Alternative zur L298-Ansteuerung dar. Die Ansteuerung ist praktisch identisch, der Schaltungsaufbau in etwa gleich. Beim L620x sind keine externen Freilaufdioden mehr notwendig, dafür ist ein Kondensator und zwei Dioden für die interne Spannungserzeugung notwendig.<br />
Ein großer Vorteil ist auch, dass kein extra Kühlkörper mehr notwendig ist. Durch die Verwendung von niederohmigen FETs im L620x fällt am Motortreiber weniger Spannung ab und die Verlustleistung des Motortreiber-ICs wird dadurch deutlich geringer. Durch die erhältliche DIP-Bauform lassen sich diese Motortreiber bei Defekt auch schnell und einfach auswechseln. Viele integrierte Schutzfunktionen im L620x sorgen dafür, dass der Chip nicht so einfach zerstört werden kann.<br />
<br />
In der Praxis sind die angegeben 2,8 A (für den L6205) jedoch mit Vorsicht zu genießen. Bei Testlayouts erwärmten sich die ICs bereits bei 2 A Dauerstrom (PWM) oft so stark, dass die automatische Temperaturabschaltung reagierte, somit wird man vermutlich ohne Kühlung oder großes Kühllayout auf der Platine auch nicht mehr als beim [[Im RN-Wiki verwendete ICs|L298]] erreichen.<br />
<br />
====L6202 für 1 Motor====<br />
<br />
Pinbelegung des Motortreibers:<br />
<br />
[[Bild:L6202Pinbelegung.png]]<br />
<br />
Den L6202 gibt es auch noch in anderen Gehäusebauformen: L6201 ist die SMD-Ausführung (SO20 / PowerSO20), L6203 hat ein "Multiwatt-11"-Gehäuse.<br />
<br />
Schaltungsbeispiel:<br />
<br />
[[Bild:L6202Anwendung.png|800px]]<br />
<br />
Kurze Erläuterung:<br />
<br />
R1 schaltet die H-Brücke bei fehlendem PWM-Signal ab und ist entbehrlich. Anmerkung: dieser Widerstand sollte scheinbar doch etwas hochohmiger gewählt werden, in der Größenordnung 50kOhm, um das PWM-Signal nicht zu stark zu belasten. (Details folgen u.U. noch)<br />
<br />
C1 stabilisiert eine interne Spannungsreferenz.<br />
<br />
C4 und C5 sind so genannte boostrap-Kondensatoren, die unbedingt notwendig sind, damit der Motortreiber seine oberen FETs treiben kann (nähere Details im Datenblatt). Die Kapazität von C4/C5 soll für einen sicheren Betrieb jeweils mindestens 10nF betragen.<br />
<br />
R2 und C6 bilden ein sog. Snubber-Netzwerk, welches zur Entstörung dient.<br />
<br />
====L6205 für 2 Motoren====<br />
[[Bild:l6205ic.gif]] [[Bild:l6205pinbelegung.gif]]<br />
<br />
[[Bild:l6205.gif|center]]<br />
<br />
=== TLE4202B / B57928 ===<br />
Der TLE4202B ist ein kompakter Motortreiber von Siemens im TO-220-Gehäuse und kann einen Motor mit maximal 2A treiben. Er kann von 3,5V-17V Betriebsspannung arbeiten (absoutes Maximum: 40V). Intern ist der TLE4202B analog aufgebaut, er besteht aus Komparatoren mit einer Leistungsendstufe. Die notwendigen Freilaufdioden sind bereits integriert. Der Treiber ist kurzschlussfest gegen Masse und schaltet bei Überhitzung ab.<br />
Leider lässt sich aufgrund des internen Aufbaus der Motorausgang nicht hochohmig schalten, es mangelt auch - im Vergleich<br />
zu anderen Motortreiberbausteinen - an einem separaten PWM-Eingang. Der Betrieb mit PWM ist trotzdem möglich '''TODO!'''.<br />
Zur Verlustleistung und Abwärme des Treibers je nach Laststrom wurde eine Messreihe durchgeführt (siehe unten).<br />
Bezugsquelle für den TLE4202B ist vorzugsweise Pollin aufgrund des attraktiven Preises (50 Cent).<br />
<br />
Pinbelegung des Motortreibers TLE4202B (TO-220-Gehäuse):<br />
<br />
[[Bild:TLE4202_Pins.png]]<br />
<br />
Anwendungsschaltung laut Datenblatt (nachgezeichnet in Target):<br />
<br />
[[Bild:TLE4202_Schematic.png]]<br />
<br />
Die Kondensatoren (C2,C3) und Widerstände(R1,R2), die zwischen den Motoranschlüssen und Masse liegen, sind wichtig zur Schwingneigungsunterdrückung. Diese sog. Snubber-Netzwerke sind durchaus üblich, beispielsweise bei Audioverstärkern. Sie tragen hier zur Stabilität des Treibers bei. Ein Weglassen dieser Komponenten könnte zu wilden Schwingungen am Ausgang führen.<br />
<br />
Die 1,7V-Referenz wird intern erzeugt und ist mit den invertierenden Eingängen der Komparatoren verbunden (über 50kOhm intern). Die Komparatoren vergleichen die Eingangssignale an IN1/IN2 mit dieser Spannungsreferenz und steuern dann den Ausgang auf High (wenn Eingangsspannung über Referenzspannung) oder auf Low (wenn Eingangsspannung unter der Referenzspannung).<br />
Im gezeigten Schaltplan wird die interne Referenz verwendet. Pin 2 wird dann nur mit einem Kondensator gegen Masse verbunden. Die Referenzspannung wird somit etwas stabilisiert.<br />
<br />
Da die Referenz über 50kOhm intern an die invertierenden Eingänge geschaltet ist, könnte auch von außen an Pin 2 eine andere beliebige (niederohmige) Referenzspannungsquelle eingespeist werden.<br />
<br />
Wahrheitstabelle der Ansteuerung:<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
|-<br />
| IN1 || IN2 || OUT1 || OUT2 || entspricht <br />
|-<br />
| L || L || - || - || Stop (Motor kurzschließen)<br />
|-<br />
| L || H || - || + || Motor dreht vorwärts<br />
|-<br />
| H || L || + || - || Motor dreht rückwärts<br />
|-<br />
| H || H || + || + || Stop (Motor kurzschließen)<br />
|}<br />
Wie man hier noch einmal sieht, kann bei dieser Brücke die Verbindung zum Motor nicht getrennt werden, Motor ausschalten bedeutet hier den Motor kurzschließen, sodass er dann relativ abrupt stehen bleibt.<br />
<br />
Es existiert auch ein TLE4203, welcher bis zu 4 Ampere treiben kann.<br />
<br />
==== Messreihe ====<br />
<br />
Zur Bestimmung der Verlustleistung und der am Treiber TLE4202B abfallenden Spannung wurde vom RN-User BMS eine Messreihe durchgeführt. Die Beschaltung des Treibers erfolgte nach Datenblatt, als Betriebsspannung wurde 12V gewählt. Eingang 1 des Treibers wurde auf GND gelegt und Eingang 2 mit +12V verbunden. Als Last diente eine einstellbare elektronische Last. Die Messreihe wurde bei Raumtemperatur durchgeführt. Der Treiber wurde zunächst ohne Kühlkörper betrieben, um zu ermitteln, bis zu welchem Strom bzw. welcher Verlustleistung ein gefahrloser Betrieb noch ohne Kühlkörper möglich ist.<br />
<br />
Bei verschiedenen Lastströmen im Bereich 0...2,5 A erfolgte die Messung der Ausgangsspannung des Treibers sowie dessen Temperatur. Für Lastströme größer 1 A wurde ein Kühlkörper verwendet, um den Treiber durch zu hohe Abwärme nicht zu gefährden. Die automatische Abschaltung bei Übertemperatur wurde dabei nicht herausgefordert. Da Temperaturwerte für die Fälle mit und ohne Kühlkörper nicht direkt vergleichbar sind, wurden für die höheren Ströme keine Temperaturen mehr gemessen, zumindest aber die abfallende Spannung am Treiber.<br />
<br />
Die Ruhestromaufnahme des Treibers wurde mit 16mA gemessen, an 12V ergibt das eine Leistungsaufnahme von knapp 0,2 Watt. Möchte man die gesamte Verlustleistung des Treibers berechnen, müssen diese 0,2 Watt zu den Werten aus der Tabelle addiert werden.<br />
<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
|-<br />
| Laststrom || Ausgangsspannung || Spannungsabfall am Treiber [*1] || Verlustleistung aufgrund Laststrom [*1] || Temperatur<br />
|-<br />
| 0,0 A || 11,3 V || 0,7 V || || <br />
|-<br />
| 0,1 A || 11,0 V || 1,0 V || 0,10 W || 34 °C<br />
|-<br />
| 0,2 A || 10,9 V || 1,1 V || 0,22 W || 41 °C<br />
|-<br />
| 0,3 A || 10,8 V || 1,2 V || 0,36 W || 50 °C<br />
|-<br />
| 0,4 A || 10,7 V || 1,3 V || 0,52 W || 58 °C<br />
|-<br />
| 0,5 A || 10,6 V || 1,4 V || 0,70 W || 66 °C<br />
|-<br />
| 0,6 A || 10,4 V || 1,6 V || 0,96 W || 75 °C<br />
|-<br />
| 0,7 A || 10,3 V || 1,7 V || 1,19 W || 87 °C<br />
|-<br />
| 0,8 A || 10,2 V || 1,8 V || 1,44 W || 97 °C<br />
|-<br />
| 1,0 A || 10,1 V || 1,9 V || 1,90 W ||<br />
|-<br />
| 1,5 A || 9,5 V || 2,5 V || 3,75 W ||<br />
|-<br />
| 2,0 A || 8,9 V || 3,1 V || 6,20 W ||<br />
|-<br />
| 2,5 A [*2] || 8,0 V || 4,0 V || 10,00 W ||<br />
|-<br />
|}<br />
<br />
[*1] : Diese Werte wurden berechnet.<br />
<br />
[*2] : Der Treiber ist nur bis 2 A spezifiziert, konnte aber kurzzeitig auch 2,5 A liefern.<br />
<br />
Kommentar:<br />
<br />
* Allgemein gilt: Mit steigendem Laststrom steigt der Spannungsabfall am Treiber sowie auch dessen Verlustleistung.<br />
* Wie bei anderen Treibern auch ist der laut Datenblatt versprochene maximale Ausgangsstrom des Treibers (hier 2A) nur mit vernünftiger Kühlung erreichbar.<br />
* Nimmt man als ''gefahrlose'' Betriebstemperatur etwa 60 °C an ( um sich nicht die Finger daran zu verbrennen ;) ), kann man an den Messwerten ablesen, dass dann nur knapp ein halbes Ampere ''Dauerstrom'' möglich sind.<br />
* Für größere Ströme sollte unbedingt ein geeigneter Kühlkörper verwendet werden.<br />
<br />
Warnung: Wird der Treiber bei höheren Dauerströmen dennoch ohne Kühlkörper und damit bei hohen Temperaturen betrieben, muss damit gerechnet werden, dass die Lebensdauer und Zuverlässigkeit des Treibers drastisch sinkt!<br />
<br />
=== TLE5205 ===<br />
Der TLE5205 ist ein starker Motortreiber im TO-220-Gehäuse, welcher einen Motor bis 5A treiben kann. Freilaufdioden sind hier bereits integriert. Der Motortreiber kann falsche Verbindungen am Ausgang erkennen und zeigt dies durch ein Signal am Errorflag (EF) an. Kurzschlüsse der Ausgänge mit der Versorgung (V+ und GND) und eine zu hohe Stromaufnahme der Last können erkannt werden, der Ausgang wird dann innerhalb 50µS abgeschaltet und das EF gesetzt (open-drain-Ausgang!). Ein offener Ausgang wird ebenfalls detektiert. Bei Überhitzung (150°C) schaltet das IC ab. Achtung! Bei Unterspannung ("Under Voltage Lockout" im Datenblatt) schaltet sich die Brücke ebenfalls ab (bei etwa 5V). Die Betriebsspannung des ICs kann maximal 40V betragen, die Testschaltungen im Datenblatt werden im Bereich von 6-18V betrieben. Die Ruhestromaufnahme des ICs beträgt typisch 5mA (maximal 10mA).<br />
<br />
[[Bild:TLE5205_Pins.png]]<br />
<br />
Der TLE5205 ist nicht pinkompatibel zum TLE4202(B) !<br />
<br />
Wie man sieht, kommt dieser Motortreiber mit sehr wenig Außenbeschaltung aus:<br />
<br />
[[Bild:TLE5205_Schaltplan.png]]<br />
<br />
Als Elko kann auch gerne ein Typ mit größerer Kapazität verwendet werden (im Datenblatt 4700µF in der Testschaltung). Es können auch mehrere Elkos mit kleiner Kapazität parallel geschaltet werden (günstiger ESR).<br />
<br />
Im Fehlerfall (Kurzschluss, Überhitzung, Leerlauf) wird "ERROR" auf GND gelegt. Durch Ändern der Pegel an den Eingängen wird das EF wieder zurückgesetzt (liefert dann High, +5V). Der Pull-up-Widerstand ist notwendig, da der EF-Pin nur gegen GND schalten kann (open-drain-Ausgang).<br />
<br />
Die Brücke verhält sich im Vergleich zu den anderen gezeigten Motortreibern etwas anders an ihren Eingängen:<br />
<br />
Wahrheitstabelle (laut Datenblatt):<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
|-<br />
| IN1 || IN2 || OUT1 || OUT2 || entspricht <br />
|-<br />
| L || L || + || - || Motor dreht vorwärts<br />
|-<br />
| L || H || - || + || Motor dreht rückwärts<br />
|-<br />
| H || L || - || - || Motor stop (kurzschließen, OUT1+2 auf GND)<br />
|-<br />
| H || H || Z || Z || Motor ausschalten (Verbindung trennen)<br />
|}<br />
<br />
Wahrheitstabelle (nach Fehlersuche mit zwei Bauteilen herausgefunden):<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
|-<br />
| IN1 || IN2 || OUT1 || OUT2 || entspricht <br />
|-<br />
| L || L || - || - || Motor stop (kurzschließen, OUT1+2 auf GND)<br />
|-<br />
| L || H || - || + || Motor dreht rückwärts<br />
|-<br />
| H || L || + || - || Motor dreht vorwärts<br />
|-<br />
| H || H || Z || Z || Motor ausschalten (Verbindung trennen)<br />
|}<br />
<br />
Leider mangelt es bei dieser Brücke an einem separaten Eingang für PWM. Man könnte zunächst auf die Idee kommen, den Eingang IN1 mit PWM zu verbinden und IN2 als Richtungssignal zu nehmen. Das das allerdings nicht ganz wie erhofft klappt soll hier erklärt werden (ist nicht ganz einfach): Der Motor würde beim Vorwärtsfahren abwechselnd drehen und gebremst (kurzgeschlossen) werden, beim Rückwärtsfahren allerdings abwechselnd drehen und ausgeschaltet werden (nicht kurzgeschlossen). Das Verhalten des Motors je nach Richtung wäre dann unterschiedlich. <br />
<br />
Abhilfe verschafft diese kleine Schaltung an den Eingängen des Motortreibers:<br />
<br />
[[Bild:TLE5205_PWM.png]]<br />
<br />
Ist PWM auf 5V, dann wird der Motor ausgeschaltet (Verbindung wird getrennt).<br />
<br />
Ist PWM auf 0V, so gelten die angelegten Pegel zur Richtungsinformation.<br />
<br />
Vorsicht! Bei den zuvor vorgestellten Motortreibern ist dieses Verhalten genau anders herum.<br />
<br />
=== Weitere Treiber-ICs ===<br />
Es gibt noch mehr ähnliche Treiber ICs, die hier nur kurz aufgezählt werden sollten. Für Details sollte man ohnehin ins Datenblatt schauen.<br />
*L293E ähnlich dem L293B, mit Strommessung<br />
*BTS7741G max. 7A , nur eine Brücke, SMD<br />
*MC33887 max. 5A, nur eine Brücke, SMD<br />
*BA6209 1,6A pk (max. continuous output current nicht angegeben), max.18V, nur eine Brücke, SIP10-Gehäuse<br />
*TA7267 1A (3A pk), 6-18V, eine Brücke, HSIP7-Gehäuse<br />
*TB6568KQ 1,5A (3A pk), 10-45V, eine Brücke, HSIP7-Gehäuse<br />
<br />
== Grundsätzliche Hinweise zum Aufbau ==<br />
* Die '''Spannungsversorgung''' der Motortreiber sollte ausreichend '''gepuffert''' werden, um Spannungseinbrüche durch z.B. hohe Anlaufströme der Motoren zu vermeiden. Ein '''Elko''' mit einer Kapazität von 100µF...2200µF (je nach Stromaufnahme des Motors) sollte in der Versorgungsleitung vorgesehen werden. Typen mit geringem ESR sind von Vorteil; es können auch mehrere "normale" Elkos parallel geschaltet werden. Ein zusätzlicher 100nF Keramikkondensator filtert hochfrequente Störungen auf der Versorgungsleitung.<br />
* Die '''Verkabelung''' von der Versorgungsleitung zum Motortreiber und von dort bis hin zu den Motoren muss einen ausreichenden Querschnitt aufweisen; ein Verdrillen der Kabel verbessert dabei die EMV (elektromagnetische Verträglichkeit). Die Kabel der Motoren sollten nach Möglichkeit Abstand zu Sensorleitungen halten und möglichst nicht zu ihnen parallel liegen, um eine Verfälschung der Sensormesswerte durch Induktion zu unterbinden. Dies ist vor allem bei einer Steuerung der Motoren mit PWM und bei hochohmigen Sensorimpedanzen enorm wichtig. Die Motoren sollten grundsätzlich immer entstört werden (siehe unten). Ein Kondensator zwischen den Anschlüssen ist das Minimum.<br />
* Wird der Motortreiber mit PWM betrieben, sollte die '''Frequenz der PWM''' möglichst niedrig eingestellt werden. Dadurch werden Verluste beim Umschalten in der H-Brücke reduziert (v.a. bei MOSFETs).<br />
* '''Freilaufdioden''' müssen für die auftretenden Ströme ausgelegt und auch "schnell genug" sein. Sind in den Motortreiberbausteinen bereits Freilaufdioden ("free wheeling diodes") integriert, so müssen in der Regel keine zusätzlichen Dioden in die Schaltung eingebaut werden. Zusätzliche Freilaufdioden schaden allerdings auch nicht.<br />
* Ein Motortreiber kann seinen angegebenen '''Nennstrom''' in Realität meist nicht ohne '''Kühlung''' erreichen (kurzzeitig durchaus möglich, langfristig aber nicht). Der Motortreiber sollte lieber etwas überdimensioniert werden (in Bezug auf maximal lieferbaren Strom), um einerseits die Verluste zu reduzieren, andererseits aber auch die Möglichkeit zum zukünftigen Umbau und Betrieb des Roboters mit leistungsfähigeren Motoren zu gewährleisten.<br />
* Am Motor steht aufgrund der '''internen Verluste''' (z.B. RDS-ON-Widerstand bei MOSFETs) meist nicht mehr die volle Betriebsspannung zur Verfügung. Insbesondere bei niedrigen Versorgungsspannungen macht sich dies bemerkbar.<br />
* Vor allem wenn größere Ströme von den Motoren benötigt werden, sollte man auf ein möglichst '''sternförmiges Massekonzept''' (Verdrahtung) der Schaltung achten, notfalls muss Steuerung und Leistungsteil aus getrennten Spannungsquellen versorgt werden.<br />
* Die Motortreiber sollten '''auswechselbar''' sein, z.B. durch Verwendung einer IC-Fassung. Bei Defekt oder Überlastung kann der Motortreiber zügig und einfach ausgetauscht werden (besonders auf Roboter-Wettbewerben sinnvoll!). Nicht für alle Gehäusebauformen der Motortreiber sind Sockel verfügbar.<br />
* Bei einem Platinenlayout für Motortreiber sind '''breite Leiterbahnen und Kühlflächen''' (häufig große Masseflächen) sowie '''kurze Verbindungen''' vorteilhaft, um Spannungsabfälle auf den Leitungen zu reduzieren und Wärme abzuführen.<br />
<br />
==Noch mehr Power gewünscht?==<br />
Obwohl der L298 schon einiges abdeckt, so kommt er spätestens bei den Scheibenwischermotoren langsam an seine Grenzen. Bei starker Belastung können solche Motoren kurzzeitig bis ca. 10 A und mehr ziehen. Für solch starke Motoren gibt es jetzt einen ganz interessanten Motorchip aus dem Kfz-Bereich: VNH3SP (Datenblatt u.a. im Roboternetz Download-Bereich). <br />
Mit ihm lassen sich sogar recht große Motoren ansteuern; vorausgesetzt, man kühlt ihn entsprechend, so verträgt der Chip bis zu 30 A. Aber selbst ohne Kühlung bietet er bedeutet mehr Leistung als der L298. Das Schöne: die Ansteuerung ist kaum anders als beim L298 und L293D.<br />
<br />
Kleiner Nachteil: Da es ein SMD-Chip mit 1mm Kontaktabstand ist, muss man schon eine geeignete Platine (spezielles Layout mit Kühlflächen) und etwas Löterfahrung besitzen. Inzwischen gibt es aber schon verschiedene RN-Projekte mit dem Chip (RN-Power, RN-Mini H-Bridge), Platinen und Chip können über den [http://www.shop.robotikhardware.de/shop/catalog/index.php Robotikhardware.de-Platinenservice] bezogen werden. <br />
<br />
<br />
[[Bild:minihbridge_ansteuerung.gif|center]]<br />
<br />
<br />
Alternativ zum [[SMD]]-Chip VNH'''3'''SP30 gibt es noch die Alternative VNH'''2'''SP30.<br />
Dieser Chip erlaubt zwar nur Motorspannungen zwischen 6 und 16 Volt (Achtung: schaltet über 16V ab aufgrund Overvoltage Protection!), jedoch hat er einen wesentlich geringeren Innenwiderstand und wird deshalb nur etwa halb so warm wie der VNH3SP30.<br />
Aus diesem Grund eignet er sich auch ideal für kleine Doppelmotorsteuerungen.<br />
Natürlich gibt's auch hierfür ein Projekt und eine Bauanleitung, siehe [[RN-VNH2Dualmotor]]<br />
<br />
Das Schöne ist, dass es dieses RN-Projekt jetzt auch als Fertigmodul gibt!<br />
<br />
<br />
[[Bild:rndualmotoransteuerung.jpeg|center]]<br />
<br />
==Vergleich der gezeigten Motortreiber(-bausteine)==<br />
<br />
Bitte kontrollieren, korregieren und/oder ergänzen :)<br />
<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
|-<br />
| Bezeichnung || Bauformen || Mot. || UB || Ausg.strom || Freilaufd. || Curr.Sens. || ca. Preis || REI || CON || CSD || POL || RHW<br />
|-<br />
| L293B || DIL-16 || 2 || 4.5V-36V || 1A || keine || nein || 1-2 € || X || . || . || . || .<br />
|-<br />
| L293D || DIL-16 || 2 ||4.5V-36V || 600mA || integriert || nein || 1-2 € || X || X || X || . || X<br />
|-<br />
| L293DD || SO-16 (SMD) || 2 ||4.5V-36V || 600mA || integriert || nein || 2-3 € || X || X || . || . || .<br />
|-<br />
| L293E || DIL-20 || 2 || 4.5V-36V || 1A || keine || ja || 2-3 € || X || X || X || . || .<br />
|-<br />
| L298 || Multiwatt-15, Pow.SO20 || 2 || 4,5V-50V || 2A || keine || ja || 2-4 € || X || X || X || X || X<br />
|-<br />
| L6201/PS || SO20/PowerSO20 || 1 || 12V-48V || 1A / 4A(!?) || integriert || ja || 5 € || X || . || . || . || .<br />
|-<br />
| L6202 || DIL-18 || 1 || 12V-48V || 1,5-2 A || integriert || ja || 3-4 € || X || . || X || . || .<br />
|-<br />
| L6203 || Multiwatt-11 || 1 || 12V-48V || 2A / (4A!?) || integriert || ja || 4 € || X || . || X || . || .<br />
|-<br />
| L6205 || DIL-20,(Power)SO-20 || 2 || 8V-52V || 2,8A || integriert || ja || 7 € || X || . || . || . || X<br />
|-<br />
| TLE4202 || TO220 || 1 || 3,5-17V|| 2A || integriert || nein || 0,50 € || . || . || . || X || .<br />
|-<br />
| TLE5205 || TO220, P-DSO-20 || 1 || 6V-40V || 5A || integriert || nein || (5 €) || . || . || . || . || .<br />
|-<br />
| BTS7741G || P-DSO-28-14 || 1 || 4,8V-42V || 7A || integriert || nein || 2 € || . || . || . || X || .<br />
|-<br />
| VNH2SP30 || MultiPowerSO-30 || 1 || 5,5V-16V [*1]|| 30A || integriert || ja || 10 € || . || . || . || . || X<br />
|-<br />
| VNH3SP30 || MultiPowerSO-30 || 1 || 5,5V-36V [*2]|| 30A || integriert || nein || 6-9 € || X || . || . || . || X<br />
|-<br />
| Bezeichnung || Bauformen || Mot. || UB || Ausg.strom || Freilaufd. || Curr.Sens. || ca. Preis || REI || CON || CSD || POL || RHW<br />
|}<br />
<br />
Abkürzungen:<br />
<br />
* Mot. = Wie viele Motoren können gesteuert werden<br />
* UB = Betriebsspannungsbereich<br />
* Ausg.strom = Ausgangsstrom<br />
* Freilaufd. = Freilaufdioden<br />
* Curr.Sens. = Current Sensing = Messung des Motorstroms<br />
<br />
Verfügbarkeit bei Händlern:<br />
<br />
* REI = reichelt.de<br />
* CON = conrad.de<br />
* CSD = csd-electronics.de<br />
* POL = pollin.de<br />
* RHW = robotikhardware.de<br />
<br />
X bedeutet verfügbar, . bedeutet nicht verfügbar<br />
<br />
Anmerkungen zu Motortreibern vom Typ VNH2SP30 und VNH3SP30:<br />
<br />
* [*1]: schaltet bei typ. 19V (16V-22V) ab aufgrund Overvoltage Protection<br />
* [*2]: schaltet bei typ. 43V (>36V) ab aufgrund Overvoltage Protection<br />
<br />
(keine Garantie auf Vollständigkeit und Richtigkeit der Angaben)<br />
<br />
Stand: März 2012<br />
<br />
==Endstufen mit I2C-Bus / RS232==<br />
[[Bild:motctrl.png|thumb|Motoransteuerung über RS232, I2C, RC]]Verwendet man eine der oben vorgestellten H-Bridges, so wird immer vorausgesetzt, dass ein PWM-Signal und mehrere Ports zur Ansteuerung bereitstehen. Ist dies nicht der Fall, weil diese vielleicht schon belegt sind, so lassen sich Endstufen durch einen zusätzlichen Microcontroller auch um beliebige Schnittstellen erweitern. Insbesondere über I2C lassen sich dadurch mehrere Motorboards über einen einzigen Bus ansteuern. Ein Beispiel ist der programmierte Controller MOTCTRL, der speziell für diese Aufgabe gedacht ist. Die Grundschaltung sieht man in der rechten Skizze.<br />
<br />
==Varianten der Ansteuerung==<br />
===Verwendung von Logikgattern===<br />
Pro Motor, der angesteuert werden soll, werden normalerweise je drei Pins benötigt: 1xPWM und 2xRichtung. Sollen viele Motoren gleichzeitig angesteuert werden, so werden auch viele Pins des Mikrocontrollers benötigt. Durch die Verwendung von NAND oder NOT-Gattern können Pins für die Richtungsinformation gespart werden:<br />
<br />
[[Bild:Motortreiber_NAND_NOT.png|800px]]<br />
<br />
Aufgabe der Gatter ist es, das Richtungsbit zu invertieren. So liegt an IN1 der gleiche Pegel wie an Richtung an, an IN2 der invertierte Pegel.<br />
Somit ist es möglich, mit nur einem Richtungsbit auszukommen. Es wird die Verwendung von 74HC00 (enthält 4x NAND) oder 74HC04 (enthält 6x NOT) - Logikgattern empfohlen. Selbstverständlich müssen die Logikgatter für den Betrieb auch mit der Versorgungsspannung (meist +5V) verbunden werden, üblicherweise wird die Versorgung auch mit einem 100nF Keramikkondensator in der Nähe des Gatters abgeblockt. (Nicht im Plan eingezeichnet!)<br />
<br />
Vorteile dieser Variante:<br />
* 50% der Mikrocontrollerpins für die Richtungsinformation werden eingespart und können für andere Zwecke verwendet werden<br />
* Programmierung wird einfacher, da weniger Pins gesteuert werden müssen<br />
<br />
Nachteile:<br />
* Es wird ein zusätzliches IC benötigt<br />
* kurze Laufzeitunterschiede der Signale an IN1 und IN2 (in der Regel vernachlässigbar)<br />
* Motor kann nicht kurzgeschlossen (also gebremst) werden, da hierzu gleiche Pegel an IN1 und IN2 notwendig wären; Ausschalten geschieht weiterhin über PWM<br />
<br />
Inverter können auch aus Transistoren und Widerständen gebaut werden:<br />
<br />
[[Bild:Inverter_npn_pnp.png|800px]]<br />
<br />
===Verwendung von Portexpandern===<br />
Mit einem I2C-Portexpander wie z.B. PCF8574 oder mit einem Seriell-Parallel-Schieberegister 74HC595 könnten die Richtungsinformationen IN1, IN2 usw. geschaltet werden.<br />
<br />
Vorteile:<br />
* Einsparung der Mikrocontrollerpins für die Richtungsinformation<br />
* Bremsen ist weiterhin möglich (im Gegensatz zur Variante mit den Logikgattern)<br />
<br />
Nachteile:<br />
* Es wird ein zusätzliches IC benötigt<br />
* leicht erhöhter Softwareaufwand für den Mikrocontroller (I2C-Bus oder Ansteuerung des Schieberegisters)<br />
* Verzögerungen durch die Ansteuerung<br />
<br />
<br />
== Messung der Stromaufnahme des gesteuerten Motors ==<br />
Es kann manchmal interessant sein, zu wissen, wie viel Strom die Motoren eines Roboters verbrauchen. Man könnte so einen Anhaltspunkt zur Belastung der Motoren erhalten. Ein hoher Motorstrom würde z.B. bedeuten, dass der Roboter gegen eine Wand fährt o.ä. Außerdem könnte eine Regelung der Motoren realisiert werden.<br />
<br />
Die meisten Motortreiber-ICs haben dafür SENSE-Anschlüsse. Wer keine Messung des Motorstroms benötigt, verbindet die SENSE-Anschlüsse mit GND (vgl. Schaltplan des L298). Ansonsten ist vorgesehen, einen Widerstand zwischen SENSE und GND einzubauen. Durch diesen Widerstand, der auch "Shunt" genannt wird, fließt auch genau der Strom, der durch den Motor fließt. Nach dem Ohmschen Gesetz U = R * I fällt dann an diesem Shunt eine Spannung ab, die proportional zum Motorstrom ist. Die Spannung lässt sich dann relativ einfach mit einem Mikrocontroller messen, indem man diese Spannung an einen Analogeingang anlegt.<br />
<br />
Beispiel: Es soll ein Shunt mit 0,1 Ohm verwendet werden, der Motor benötigt 2A. Dann fallen am Shunt U = R * I = 0,1Ohm * 2A = 0,2V ab.<br />
<br />
Ein Mikrocontroller könnte diese Spannung direkt mit dem ADC messen. Da ein Mikrocontroller allerdings einen Messbereich bis meistens 5V aufweist, würde sich nur eine geringe Auflösung des gemessenen Motorstroms ergeben. Man könnte nun den Shunt größer machen (z.B. 1 Ohm), um größere Spannungen zum Messen zu erhalten. Allerdings fehlt die Spannung, die am Shunt abfällt, dann natürlich am Motor, sodass dieser langsamer dreht. Außerdem wird im Shunt elektrische Energie in Wärme umgesetzt, sodass diese für die entsprechende Leistung ausgelegt werden müssten. Die elektrische Leistung berechnet sich aus P = I² * R. Würde man beim angegebenen Beispiel einen 1-Ohm Widerstand einsetzen, müsste dieser schon P = (2A)² * 1Ohm = 4W verheizen!<br />
<br />
Eine bessere Lösung ist die Verwendung eines niederohmigen Shunts (z.B. 0,1 Ohm) sowie eines Operationsverstärkers, welcher die am Shunt gemessene Spannung quasi ''multipliziert'' und somit für den Mikrocontroller besser messbar macht.<br />
<br />
[[Bild:Strommessung_shunt_tiefpass_opamp.png|600px]]<br />
<br />
Gezeigt wird in der Abbildung der Shunt (links), dahinter ein RC-Tiefpassfilter, welches den Strom ''mittelt'', indem kurze Stromspitzen reduziert werden und den Messwert glätten/stabilisieren soll, sowie ein Operationsverstärker als nichtinvertierender Verstärker. Der Kondensator C2 dient nur zur Entstörung der Versorgungsspannung des Operationsverstärkers.<br />
<br />
Als Operationsverstärker kann z.B. der LM358 (zwei in einem Gehäuse) oder der LM324 (vier in einem Gehäuse) verwendet werden. Dieser kommt mit asymmetrischer Betriebsspannung - also +5V und GND - aus. Der Operationsverstärker wird in der Grundschaltung des nichtinvertierenden Verstärkers betrieben. Der Verstärkungsfaktor berechnet sich aus 1+(R3/R4); hier also 1+(10k/1k)=11. Aus einer Eingangsspannung von z.B. 0,2V würden dann 0,2V * 11 = 2,2V am Ausgang werden. Diese Spannung ließe sich schon viel besser mit einem Mikrocontroller messen. Es können auch andere Widerstandswerte für R3 und R4 verwendet werden, um den Verstärkungsfaktor anzupassen.<br />
<br />
Die genauen Werte des Tiefpassfilters sind unkritisch, es können auch andere Werte als in der Abbildung verwendet werden. Man könnte das Filter auch weglassen.<br />
<br />
Anmerkung: Der LM358 bzw. LM324 kann bei 5V Betriebsspannung am Ausgang nur bis etwa 3,5V aussteuern. Sollen noch höhere Spannungen am Ausgang erreicht werden, muss entweder die Betriebsspannung des OpAmps erhöht oder ein sog. Rail-To-Rail Operationsverstärker (z.B. LMC6484) eingesetzt werden, der bis knapp an die Versorgungsspannung aussteuern kann.<br />
<br />
Bei ungeschickter Masseführung kann es zu Fehlmessungen kommen. Nicht nur in diesem Fall, sondern grundsätzlich ist es besser, einen Subtrahierer mit OpAmp anstatt der oben gezeigten Schaltung aufzubauen. Eine solche Schaltung ist nicht viel umfangreicher, es sind nur zwei zusätzliche Widerstände notwendig.<br />
Sind präzise Messungen erforderlich, sollte der Widerstandswert des Shunts nachgemessen werden, außerdem wird die Verwendung von Metallfilmwiderständen mit einer Toleranz von 1% in der weiteren OpAmp-Schaltung empfohlen.<br />
<br />
== Motor ausschalten - Varianten ==<br />
Muss man über einen so banalen Zusammenhang noch Worte verlieren? JA! Es gibt hier zwei Varianten, die durchaus wichtig sind, und in manchen Anwendungsgebieten auch einen großen Unterschied machen.<br />
Naheliegend ist, die Verbindung zum Motor einfach zu trennen, sodass dieser noch ausrollen kann. Die andere Möglichkeit ist, die beiden Anschlüsse des Motors miteinander zu verbinden. Damit wird der Motor abgebremst. Den Effekt kann jeder einmal praktisch ausprobieren: Verbinde die beiden Anschlüsse des Motors und versuche dann, an der Achse zu drehen. Vor allem bei Getriebemotoren ist dann diese Bremse spürbar.<br />
<br />
[[Bild:Motor_aus.png]]<br />
<br />
Für eine Geschwindigkeitsregelung mittels PWM sollte das "normale Ausschalten" gewählt werden, da sich der Roboter sonst wohl kaum vom Fleck bewegt.<br />
Soll der Roboter schnell anhalten oder für einen relativ kleinen Winkel drehen, so sollten die Motoren gebremst werden.<br />
<br />
Andererseits sollte die Hardware falls erwünscht auch beide Betriebsarten unterstützen können. Jedoch sind dazu nicht alle Motortreiber in der Lage. Probleme kann das Bremsen machen, da der Motor dann über den Motortreiber kurzgeschlossen wird (z.B. beide Anschlüsse mit GND verbunden). Dann fließt im Moment des Bremsens ein Strom durch den Treiber, welcher dann Leistung in Form von Wärme abgeben muss.<br />
<br />
Motortreiber aus Operationsverstärkern können z.B. ihren Ausgang nicht hochohmig schalten, es liegt immer eine belastbare Spannung am Ausgang an, somit können diese nur bremsen und nicht "normal" ausschalten.<br />
<br />
Hier eine Tabelle die zeigt, welche Motortreiber welche Variante beherrschen können:<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
|-<br />
| Treiber || L293B/D/DD/E || L298 || L620x || OpAmp || TLE4202B || TLE5202 || BTS7741 || VNH2SP30 || Variante mit Logikgattern<br />
|-<br />
| Ausschalten || ja || ja || ja || nein || nein || ja || nein || ja || ja<br />
|-<br />
| Bremsen || ja || ja || ja || ja || ja || ja || ja || ja || nein<br />
|}<br />
<br />
==Und nie vergessen Motoren zu entstören==<br />
<br />
Das Entstören dient dazu, eine Ausbreitung von Funkstörungen durch das sogenannte "Bürstenfeuer" zu verhindern. Und so wird's gemacht:<br />
<br />
<br />
[[Bild:entstoerung.gif|center]]<br />
<br />
Bei Steuerung des Motors per PWM sind die Induktivitäten hilfreich. Sie verhindern das bei den steilen Flanken des PWM Signals große Ströme duch die Kondensatoren fließen. Alternativ zu den 2 Kondensatoren (C2,C3) gegen das Gehäuse kann das Gehäuse auch direkt an Masse angeschlosssen werden. Bei einer PWM Steuerung ist das die bessere Lösung.<br />
<br />
==Siehe auch==<br />
* [[Getriebemotoren]]<br />
* [[RN-VNH2Dualmotor]]<br />
* [[Motorkraft berechnen]]<br />
<br />
==Weblinks==<br />
* [http://www.roboternetz.de/phpBB2/motordrehmoment.php Drehmoment Berechnung]<br />
* [http://www.roboternetz.de/motoruebersicht.html Motoren Übersicht]<br />
* [http://www.shop.robotikhardware.de/shop/catalog/index.php?cPath=65 Bauteilesets]<br />
* [http://www.roboternetz.de/robotertutorial.html Roboter-Tutorial]<br />
* [http://www.roboternetz.de Roboternetz Forum]<br />
<br />
[[Category:Robotikeinstieg]]<br />
[[Category:Praxis]]<br />
[[Category:Grundlagen]]<br />
[[Category:Motoren]]<br />
[[Category:Elektronik]]</div>BMShttps://rn-wissen.de/wiki/index.php?title=K%C3%BChlk%C3%B6rper&diff=26577Kühlkörper2015-08-09T18:12:35Z<p>BMS: /* Entwärmung auf einer Platine: Foto */</p>
<hr />
<div>{{Baustelle|BMS}}<br />
<br />
Dieser Artikel behandelt die Grundlagen zu Kühlkörpern.<br />
<br />
[[Bild:kuehlkörper-uebersicht.jpg|thumb|Verschiedene Kühlkörper, links ein TO220-Gehäuse zum Größenvergleich]]<br />
<br />
=Einleitung=<br />
<br />
'''Wieso sind überhaupt Kühlkörper in technischen Geräten erforderlich?'''<br />
<br />
Kein Gerät kann einen 100-prozentigen Wirkungsgrad erzielen und somit tritt Verlustleistung auf. Diese Verlustleistung führt zur Erwärmung der Bauteile. Kühlkörper sollen die Entwärmung verbessern, indem die entstehende Wärme auf eine große Fläche verteilt wird und durch Konvektion an der Luft auskühlen kann. Die Temperatur an den heißen Bauteilen ist mit Kühlkörper geringer als ohne Kühlkörper.<br />
<br />
'''Wieso sind hohe Bauteiltemperaturen ungünstig?'''<br />
<br />
Die Lebensdauer aller elektronischen Bauteile ist stark von der Temperatur abhängig. Als Faustregel gilt: Eine Temperaturerhöhung um 10 Grad führt zur Halbierung der Lebensdauer. Außerdem gibt es Grenztemperaturen, die nicht überschritten werden dürfen. Beispielsweise dürfen Halbleiter keine Temperatur über 150°C erreichen. Platinenmaterial FR4 sollte 125°C (sog. Erweichungspunkt) nicht überschreiten. Extrembeispiele sind die Schmelztemperatur von Isolierungen, Lötzinn etc... sowie Brandgefahr durch hohe Temperaturen. Viele Bauteile können ohne vernünftige Kühlung nicht ihren vollen Funktionsumfang erreichen, liefern dann z.B. geringere Maximalströme oder es greift die Temperaturabschaltung. Anders formuliert: Die maximale Leistung eines Bauteils oder Geräts wird durch seine Entwärmung bestimmt! Zur eigenen Sicherheit bietet es sich zudem an, die Temperaturen niedrig zu halten, sodass man sich am Gerät nicht die Finger verbrennen kann ;)<br />
<br />
=Wärmeübertragung=<br />
Prinzipiell kann Wärmeübertragung über Wärmeleitung, Konvektion und Wärmestrahlung geschehen. In vielen Anwendungen treten mehrere Mechanismen gleichzeitig auf. Welcher Mechanismus hauptsächlich auftritt, ist von der mechanischen Anordnung, den Materialien und der Temperatur abhängig. Wärmeleitung und Konvektion sind die wichtigsten Arten der Wärmeübertragung, die in der Praxis auftreten. Nun zu den einzelnen Effekten:<br />
<br />
*'''Wärmeleitung'''<br />
*: Bei der Wärmeleitung wird die Wärme über einen direkten mechanischen Kontakt (Bsp. IC <math>\rightarrow</math>Kühlkörper) übertragen. Den beteiligten Materialien wird jeweils eine spezifische Wärmeleitfähigkeit <math>\lambda</math> zugeordnet, dazu später mehr.<br />
<br />
*'''Konvektion'''<br />
*: Mit Konvektion wird die Strömungsbewegung in Flüssigkeiten und Gasen bezeichnet. Praxisbeispiele sind die Wärmeabgabe eines Kühlkörpers an die Umgebungsluft oder auch eine Wasserkühlung. Von erzwungener Konvektion spricht man, wenn die Strömung durch z.B. einen Ventilator/Lüfter oder eine Wasserpumpe hervorgerufen wird. Im Vakuum kann keine Konvektion auftreten.<br />
<br />
*'''Wärmestrahlung'''<br />
*: Wärmestrahlung ist elektromagnetische Strahlung (hauptsächlich Infrarot und sichtbares Licht), die vom heißen Festkörper abgestrahlt wird. Sie wird erst bei höheren Temperaturen relevant und ist bei den üblichen Kühlkörpertemperaturen meist zu vernachlässigen. Erwähnt werden soll zudem, dass Wärmestrahlung der einzige Mechanismus der Wärmeleitung ist, welcher im Vakuum auftreten kann. (Für Details zu Wärmestrahlung siehe auch: Plancksches Strahlungsgesetz und Schwarzer Strahler).<br />
<br />
=Materialien=<br />
Jedes Material besitzt eine spezifische Wärmeleitfähigkeit, welche angibt, wie gut dieses Material Wärme weiter transportieren kann. Die spezifische Wärmeleitfähigkeit ist unabhängig von der Geometrie des Materials, wird mit der Größe <math>\lambda</math> (Lambda) ausgedrückt und erhält die Einheit <math>\frac{W}{m \cdot K}</math>.<br />
<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
|-<br />
| '''Material''' || '''<math>\lambda</math> in <math>\left[ \frac{W}{m \cdot K} \right]</math>'''<br />
|-<br />
| Silber || 430<br />
|-<br />
| Kupfer || 400<br />
|-<br />
| Aluminium || 230<br />
|-<br />
| Silizium || 140 <br />
|-<br />
| Wärmeleitpaste || 5 ... 10<br />
|-<br />
| Glas || 0,7<br />
|-<br />
| Wasser || 0,5<br />
|-<br />
| Platinenmaterial FR4 || 0,2 ... 0,5<br />
|-<br />
| Luft || 0,02<br />
|}<br />
<br />
Die meisten Kühlkörper werden aus Aluminiumlegierungen hergestellt. Für Aluminium spricht seine relativ hohe Wärmeleitfähigkeit, die hohe Verfügbarkeit und geringe Dichte. Im Vergleich zu Kupfer und Silber ist Aluminium deutlich kostengünstiger. Darüber hinaus lässt sich Aluminium mechanisch gut verarbeiten. Kupfer wird mit seiner höheren Wärmeleitfähigkeit z.B. bei Heatpipes eingesetzt.<br />
<br />
todo<br />
<br />
Wärmewiderstand <math>R_{th}=\frac{d}{\lambda \cdot A}</math><br />
<br />
d: Materialdicke, welche für die Wärmeleitung relevant ist<br />
<br />
<math>\lambda</math>spezifische Wärmeleitfähigkeit des Materials<br />
<br />
A: Querschnitts-/Kontaktfläche<br />
<br />
=Definitionen=<br />
Um vorauszusagen, wie sich die Temperaturen in einer Schaltung verhalten, bedient sich der Ingenieur - wie auch bei vielen anderen Anwendungen - eines Ersatzschaltbildes (ESB). Zur Erstellung eines thermischen Ersatzschaltbildes muss man sich aber zunächst mit den thermischen Größen vertraut machen.<br />
<br />
Die Temperaturen werden mit dem griechischen Buchstaben Theta <math>\theta</math> gekennzeichnet. Temperaturen werden in Grad Celsius (°C), Temperaturdifferenzen in Kelvin (K) angegeben. (Am Rande: Es existiert auch eine Kelvinskala mit dem absoluten Nullpunkt 0 K=-273,15°C). Die Temperaturen werden außerdem noch mit einem Index gekennzeichnet, abhängig von der mechanischen Stelle, an der sie auftreten:<br />
<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
|-<br />
| Symbol || Index || Bedeutung<br />
|-<br />
| <math>\vartheta_{J}</math> || J=Junction || Sperrschichttemperatur des Halbleiters<br />
|-<br />
| <math>\vartheta_{C}</math> || C=Case || Gehäusetemperatur des Bauteils<br />
|-<br />
| <math>\vartheta_{H}</math> || H=Heat Sink || Temperatur des Kühlkörpers<br />
|-<br />
| <math>\vartheta_{A}</math> || A=Ambient || Umgebungstemperatur<br />
|}<br />
<br />
Die Verlustleistung eines Bauteils beschreibt die Größe <math>P_{V}</math> und wird, wie allgemein bekannt, in Watt angegeben.<br />
<br />
Als neue Größe wird nun der thermische Widerstand eingeführt, dieser wird mit <math>R_{th}</math> beschrieben und bekommt die Einheit <math>\frac{K}{W}</math>. <br />
<br />
Für die thermischen Größen gibt es, ähnlich dem Ohmschen Gesetz, einen linearen Zusammenhang. Dieser lautet<br />
<br />
<math>R_{th}=\frac{\vartheta_{ü}}{P_{V}}</math><br />
<br />
todo<br />
<br />
'''Vergleich elektrischer und thermischer Größen'''<br />
<br />
Insgesamt können wir nun eine Analogie zwischen bekannten elektrischen Größen und den thermischen Größen angeben. Die schon gelernten Prinzipien zur Lösung linearer Netzwerke lässt sich auch bei den thermischen Ersatzschaltbildern anwenden.<br />
<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
|-<br />
| elektrisch || thermisch<br />
|-<br />
| Spannung U || Temperatur <math>\vartheta</math><br />
|-<br />
| Strom I || Verlustleistung <math>P_{V}</math><br />
|-<br />
| Widerstand R || thermischer Widerstand <math>R_{th}</math><br />
|}<br />
<br />
=Statisches Ersatzschaltbild=<br />
Mit den thermischen Zusammenhängen haben wir uns inzwischen vertraut gemacht. Nun können wir damit beginnen, thermische Ersatzschaltbilder von einfachen Anordnungen zu erstellen. Mit solchen Modellen können Temperaturen, wie z.B. die Chiptemperatur, vorab berechnet werden. Für die Berechnung müssen Wärmewiderstände, Umgebungstemperatur und Verlustleistung bekannt sein, da sie in die Berechnung einfließen.<br />
<br />
Bei den thermischen Ersatzschaltbildern kann man ein statisches oder ein dynamisches Ersatzschaltbild erstellen. Bei den statischen Ersatzschaltbilder wird davon ausgegangen, dass alle Größen zeitlich konstant sind, bzw. sofort ihre Solltemperatur entsprechend dem Modell annehmen. In der Realität dauert es natürlich eine gewisse Zeit, bis sich alle beteiligten Materialien aufgeheizt haben. Die Temperaturen des statischen Modells werden dabei erst nach einer bestimmten Zeit erreicht. <br />
<br />
Für die meisten Anwendungen genügt es jedoch, das statische thermische Ersatzschaltbild zu erstellen und den Kühlkörper dem entsprechend zu dimensionieren. Die Kühlung wird z.B. auf die maximale oder die mittlere auftretende Verlustleistung dimensioniert. Es wurde bereits erwähnt, dass sich die Bauteiltemperatur auf dessen Lebensdauer auswirkt. Dabei gilt: je niedriger die Bauteiltemperatur, desto länger die zu erwartende Lebensdauer. Je nach Anwendung und Rahmenbedingungen muss eventuell ein Kompromiss zwischen Kühlkörpergröße/kosten und Gerätelebensdauer gewählt werden. Beispielsweise kann der verfügbare Platz, ein Gesamtgewicht oder eine Kostenvorgabe begrenzender Faktor sein. Für einen dauerhaften sicheren Betrieb muss der Kühlkörper und weitere beteiligte Materialien für den worst case ausgelegt oder sogar überdimensioniert werden.<br />
<br />
==Bauteil ohne Kühlkörper==<br />
Um den Umgang mit den thermischen Ersatzschaltbildern zu lernen, soll zunächst mit einem einfachen Beispiel begonnen werden. In diesem Fall wird der Wärmeübergang von einem einzelnen Bauteil zu Luft betrachet, es kommt zunächst also noch kein Kühlkörper zum Einsatz. Das Ersatzschaltbild sieht in diesem Fall folgendermaßen aus:<br />
<br />
[[Bild:Therm-esb1.png|450px]]<br />
<br />
Die am Bauteil entstehende Verlustleistung ist Ursache der Abwärme und wird im thermischen Ersatzschaltbild als ideale Stromquelle modelliert.<br />
<br />
Die Abwärme gelangt nun über den Weg Sperrschicht (Junction) <math>\rightarrow</math> Bauteilgehäuse (Case) <math>\rightarrow</math> Umgebung (Ambient) nach außen. Im Ersatzschaltbild ist jeder Übergang als thermischer Widerstand modelliert. Die genauen Zahlenwerte der Wärmewiderstände lassen sich in der Regel dem Datenblatt des Bauteils entnehmen. Benötigt werden die Werte für <math>R_{th(jc)}</math> und <math>R_{th(ca)}</math>. In manchen Datenblättern findet man die Angabe <math>R_{th(ja)}</math>, was der Reihenschaltung aus den beiden vorher genannten Werten entspricht, also <math>R_{th(ja)}=R_{th(jc)}+R_{th(ca)}</math>.<br />
<br />
Die Umgebungstemperatur wird als ideale Spannungsquelle modelliert. Sämtliche Spannungen im Ersatzschaltbild entsprechen den auftretenden Temperaturen.<br />
<br />
Da es sich nun um ein lineares Netzwerk handelt, gelten hier ebenfalls die Kirchhoff'schen Gleichungen. Relativ leicht lässt sich nun die Temperatur am Bauteilgehäuse (Case) und der Sperrschicht (Junction) berechnen:<br />
<br />
<math>\vartheta_{c}=\vartheta_{a}+R_{th(ca)} \cdot P_{V}</math><br />
<br />
<math>\vartheta_{j}=\vartheta_{a}+R_{th(jc)} \cdot P_{V}+R_{th(ca)} \cdot P_{V}=\vartheta_{a}+(R_{th(jc)}+R_{th(ca)}) \cdot P_{V}=\vartheta_{a}+R_{th(ja)} \cdot P_{V}</math><br />
<br />
Da die thermischen Widerstände bei der Reihenschaltung auch zusammengefasst werden dürfen, beschreibt folgendes thermisches Ersatzschaltbild den gleichen Zusammenhang. Nachteil ist hier allerdings, dass die Temperatur am Gehäuse nicht modelliert wird.<br />
<br />
[[Bild:Therm-esb0.png|300px]]<br />
<br />
===Derating===<br />
<br />
Die Überlegungen zur Sperrschichttemperatur kann auch anders interpretiert werden. Gibt man die Sperrschichttemperatur vor, kann man die maximal erlaubte Verlustleistung des Bauteils in Abhängigkeit der Umgebungstemperatur bestimmen. Die folgende Formel erhält man aus Umformung der oberen Gleichung:<br />
<br />
<math>P_{V} \leq \frac{\vartheta_{j}-\vartheta_{a}}{R_{th(ja)}}</math><br />
<br />
Bei Halbleitern darf idR. die Sperrschichttemperatur nicht 150°C überschreiten. Der thermische Widerstand wird hauptsächlich durch das Gehäuse vorgegeben. Aus der Formel sieht man nun folgendes: Je höher die Umgebungstemperatur, desto geringer fällt die maximal erlaubte Verlustleistung aus. Diesen Zusammenhang bezeichnet man auch als '''Derating'''. Der typische Verlauf sieht meist so aus:<br />
<br />
[[Bild:Derating.png|300px]]<br />
<br />
Die Derating-Formel gilt im Bereich <math>\vartheta_{1} ... \vartheta_{max}</math>. Für Temperaturen unter <math>\vartheta_{1}</math> darf die Maximalleistung <math>P_{max}</math>des Bauteilgehäuses nicht überschritten werden. <math>\vartheta_{1}</math> liegt bei meist 25°C. Den genauen Verlauf kann man dem Datenblatt des betreffenden Bauteils entnehmen.<br />
<br />
===Beispielrechnung===<br />
<br />
Ein Spannungsregler vom Typ 7805 im TO220-Gehäuse soll ohne Kühlkörper betrieben werden. Wie hoch ist die maximal erlaubte Verlustleistung, wenn die Sperrschichttemperatur 120°C nicht überschreiten soll und die Umgebungstemperatur 25°C beträgt?<br />
<br />
Zunächst werfen wir einen Blick ins Datenblatt des Spannungsreglers und entnehmen die Angaben für die thermischen Widerstände. Dann halten wir alle gegebenen Größen fest:<br />
<br />
*'''Gegeben'''<br />
*:* <math>R_{th(jc)}=5 \frac{K}{W}</math> (aus dem Datenblatt)<br />
*:* <math>R_{th(ja)}=62 \frac{K}{W}</math> (aus dem Datenblatt)<br />
*:* <math>\vartheta_{j}=125°C</math><br />
*:* <math>\vartheta_{a}=25°C</math><br />
*'''Gesucht'''<br />
*:* <math>P_{v,max}</math><br />
*'''Rechnung'''<br />
*:Wir verwenden die Formel von oben und erhalten als Ergebnis<br />
*:<math>P_{V,max} = \frac{\vartheta_{j}-\vartheta_{a}}{R_{th(ja)}} = \frac{120°C-25°C}{62\frac{K}{W}} = \frac{95K}{62\frac{K}{W}} \approx 1,5 Watt</math><br />
*:Die maximal erlaubte Verlustleistung des Spannungsreglers ohne Kühlkörper darf demnach 1,5 Watt nicht überschreiten.<br />
*'''Zusatz'''<br />
*:Mit unserem Ersatzschaltbild können wir außerdem die Temperatur des Gehäuses (Case) des Spannungsreglers angeben. Dafür benötigen wir noch die Angabe <math>R_{th(ca)}</math>, welche allerdings im Datenblatt nicht angegeben ist.<br />
*:Da wir aber wissen, dass <math>R_{th(ja)}=R_{th(jc)}+R_{th(ca)}</math> gilt, können wir die fehlende Größe ausrechnen. Diese ist<br />
*:<math>R_{th(ca)}=R_{th(ja)}-R_{th(jc)}=62\frac{K}{W}-5\frac{K}{W}=57\frac{K}{W}</math>.<br />
*:Nun lässt sich die Gehäusetemperatur berechnen:<br />
*:<math>\vartheta_{c}=\vartheta_{a}+R_{th(ca)} \cdot P_{V}=25°C+57\frac{K}{W} \cdot 1,5 W \approx 111 °C</math><br />
*'''Bemerkung'''<br />
*:In der Praxis wird einem TO220-Gehäuse ungekühlt eine maximale Verlustleistung von 1 Watt zugerechnet. Die Temperaturen sind niedriger, die Lebensdauer des Bauteils höher.<br />
<br />
==Bauteil mit Kühlkörper und T.I.M.==<br />
<br />
Der Betrieb eines ICs ohne Kühlkörper, wie im vorigen Abschnitt beschrieben, funktioniert nur bei kleinen Leistungen und führt meist auch zu einer verringerten Lebensdauer des Bauteils. Viele Bauteile können ihre angegebenen Maximalwerte nur bei vernünftiger Kühlung erreichen. In diesem Abschnitt wird nun ein typisches Szenario mit Kühlkörperberechnung vorgestellt.<br />
<br />
Befassen wir uns zunächst mit der typischen mechanischen Anordnung. Das zu kühlende IC wird thermisch an einen Kühlkörper gekoppelt. In der Praxis wird man das IC aber nicht direkt auf dem Kühlkörper befestigen, sondern über ein sogenanntes ''thermisches Interface-Material'' (T.I.M.), um Unebenheiten und mechanische Abstände auszugleichen oder um für Insolierung zu sorgen. Details zum T.I.M. folgen im Unterabschnitt. Die typische Anordnung zeigt die folgende Abbildung.<br />
<br />
[[Bild:kuehlkoerper-anordnung.png|300px]]<br />
<br />
Folgende thermischen Widerstände treten hier in Kraft:<br />
*<math>R_{th(jc)}</math> für den Übergang Chip zu Bauteilgehäuse<br />
*<math>R_{th(ch)}</math> für den Übergang Bauteilgehäuse zu Kühlkörper (also über das T.I.M.)<br />
*<math>R_{th(ha)}</math> für den Übergang Kühlkörper zur Umgebung<br />
<br />
Aus diesen thermischen Widerständen wird ein thermisches Ersatzschaltbild angefertigt. Dieses zeigt die nächste Abbildung.<br />
<br />
[[Bild:Therm-esb2.png|700px]]<br />
<br />
Zunächst soll die Formel zur Berechnung der Chiptemperatur aufgestellt werden, die Formel erhält man wieder durch die Anwendung der Kirchhoffschen Gleichungen im Ersatzschaltbild.<br />
<br />
<math>\vartheta_{j}=\vartheta_{a}+(R_{th(jc)}+R_{th(ch)}+R_{th(ha)}) \cdot P_{V}</math><br />
<br />
Die Formel wird in der Praxis jedoch in einer anderen Form benötigt. Meist steht man als Entwickler vor der Aufgabe, den erforderlichen thermischen Widerstand <math>R_{th(ha)}</math> des Kühlkörpers zu bestimmen, sofern die Größen Umgebungstemperatur, Sperrschichttemperatur, Verlustleistung sowie die verbleibenden thermischen Widerstände gegeben sind. Anhand des berechneten Wärmewiderstands des Kühlkörpers können dann aus Produktkatalogen geeignete Kühlkörper bestimmt werden.<br />
<br />
Wir müssen dafür also die Gleichung nach <math>R_{th(ha)}</math> auflösen. Wir erhalten die praxisübliche Berechnungsformel:<br />
<br />
<math>R_{th(ha)}=\frac{\vartheta_{j}-\vartheta_{a}}{P_{V}}-R_{th(jc)}-R_{th(ch)}</math><br />
<br />
In manchen Quellen enthält diese Formel außerdem Korrekturfaktoren, die z.B. die Einbaulage o.ä. berücksichtigen können.<br />
<br />
===Beispielrechnung===<br />
<br />
Für einen Spannungsregler vom Typ 7805 im TO220-Gehäuse soll ein Kühlkörper dimensioniert werden. Die Eingangsspannung des Reglers beträgt 12V, die Ausgangsspannung von 5V wird mit 500mA belastet. Die Umgebungstemperatur sei 30°C. Der Spannungsregler wird mit Wärmeleitpaste auf dem Kühlkörper montiert, für diesen Wärmewiderstand wird 0,5 K/W angenommen. Welchen Wärmewiderstand darf der Kühlkörper höchstens haben, wenn als maximale Sperrschichttemperatur 110°C angenommen wird?<br />
<br />
Diese Aufgabe kann so durchaus in der Praxis auftreten. Von den vielen Angaben darf man sich zunächst nicht verunsichern lassen. Wir verwenden das gezeigte thermische Ersatzschaltbild. Für die Rechnung benötigen wir außerdem noch den thermischen Widerstand <math>R_{th(jc)}</math> aus dem Datenblatt.<br />
<br />
*'''Gegeben'''<br />
*:<math>R_{th(jc)}=5 \frac{K}{W}</math> (aus dem Datenblatt)<br />
*:<math>R_{th(ch)}=0,5 \frac{K}{W}</math><br />
*:<math>\vartheta_{j}=110°C</math><br />
*:<math>\vartheta_{a}=30°C</math><br />
*:<math>U_{ein}=12V</math><br />
*:<math>U_{aus}=5V</math><br />
*:<math>I=0,5A</math><br />
*'''Gesucht'''<br />
*:<math>R_{th(ha)}</math><br />
*'''Rechnung'''<br />
*:Zunächst muss die Verlustleistung am Regler berechnet werden. Diese beträgt<br />
*:<math>P_V=P_{Ein}-P_{Aus}=12V \cdot 0,5A~-~5V \cdot 0,5A=3,5 W</math>.<br />
*:Nun sind eigentlich auch schon alle Angaben vorhanden, sodass wir die Formel verwenden können.<br />
*:<math>R_{th(ha)}=\frac{\vartheta_{j}-\vartheta_{a}}{P_{V}}-R_{th(jc)}-R_{th(ch)}</math><br />
*:Einsetzen:<br />
*:<math>R_{th(ha)}=\frac{110°C-30°C}{3,5W}-5\frac{K}{W}-0,5\frac{K}{W} \approx 17,4\frac{K}{W}</math><br />
*'''Ergebnis'''<br />
*:Der Wärmewiderstand des Kühlkörpers darf maximal <math>17,4\frac{K}{W}</math> betragen.<br />
*'''Zusatz'''<br />
*:Aus dem Katalog wird ein Kühlkörper mit einem Wärmewiderstand von <math>10\frac{K}{W}</math> gewählt. Welche Temperatur erreicht der Kühlkörper, wenn er bei den gegebenen Bedingungen eingesetzt wird?<br />
*:<math>\vartheta_h=\vartheta_a+P_{V} \cdot R_{th(ha)}=30°C+3,5W \cdot 10 \frac{K}{W} \approx 65°C</math><br />
<br />
==Mehrere Bauteile auf einem gemeinsamen Kühlkörper==<br />
<br />
[[Bild:Therm-esb3.png|700px]]<br />
<br />
Thermisches Ersatzschaltbild: zwei Wärmequellen, gemeinsamer Kühlkörper<br />
<br />
Wird noch ausgebaut ...<br />
<br />
=Thermische Interface-Materialien (T.I.M.) und Montage=<br />
Wie bereits erwähnt, werden ICs in der Praxis nicht direkt auf einen Kühlkörper befestigt. Der Grund dafür ist folgender: Durch Unebenheiten und die rauhe Oberfläche von Kühlkörper und IC berühren sich die betreffenden Flächen unter dem Mikroskop gesehen nur minimal. Durch Lufteinschlüsse und die Tatsache, dass Luft ein schlechter Wärmeleiter ist, fällt in diesem Fall die thermische Anbindung des ICs an den Kühlkörper relativ schlecht aus.<br />
<br />
Zum Ausgleich der Unebenheiten eignet sich Wärmeleitpaste, welche dünn auf die Kontaktfläche aufgetragen wird. Es genügt eine sehr geringe Menge der Wärmeleitpaste, die Schichtdicke liegt in der Größenordnung 0,1mm. Die Aufgabe der Wärmeleitpaste ist, die Unebenheiten der Kontaktflächen auszugleichen. Zu viel Wärmeleitpaste erhöht wiederum den thermischen Übergangswiderstand. <br />
<br />
Ist zusätzlich eine elektrische Isolation zwischen IC und Kühlkörper erforderlich, können Glimmerscheiben (engl. mica) eingesetzt werden. Elektrische Isolation ist erforderlich, falls zum Beispiel mehrere Transistoren auf einen Kühlkörper montiert werden sollen und eine elektrische Verbindung der Kühlfahnen über den Kühlkörper zu Kurzschlüssen führen würde. Werden Glimmerscheiben verwendet, müssen diese beidseitig mit Wärmeleitpaste bestrichen werden, um sämtliche Unebenheiten auszugleichen. Die Glimmerscheiben werden zwischen IC und Kühlkörper eingebaut. Werden die ICs an den Kühlkörper geschraubt, muss auch die Schraube elektrisch isoliert werden. Hierfür sind entsprechende Hülsen aus Kunststoff erhältlich.<br />
<br />
Wärmeleitfolien aus Silikon /Gap-Filler<br />
<br />
BAUSTELLE<br />
<br />
Zur Montage der ICs auf dem Kühlkörper gibt es mehrere Möglichkeiten. Üblich sind Schraubmontage oder die Verwendung von Metallclips aus Federstahl. Der Anpressdruck durch die Montage kann die thermische Kopplung des ICs zum Kühlkörper beeinflussen. Die Metallclips haben den Vorteil, dass der Anpressdruck mit der Zeit nicht nachlässt.<br />
<br />
BAUSTELLE<br />
<br />
=Dynamisches Ersatzschaltbild=<br />
<br />
Bisher haben wir uns mit statischen Ersatzschaltbildern beschäftigt. Diese beinhalten die Wärmequellen, die Umgebungstemperatur sowie alle thermischen Widerstände. Nicht berücksichtigt wurden bislang Wärmekapazitäten. Erfahrungsgemäß dauert es eine gewissen Zeit, bis alle Gegenstände auf die berechnete Temperatur aufgeheizt sind. Um die zeitlichen Temperaturverläufe bestimmen zu können, müssen die thermischen Ersatzschaltbilder noch mit Wärmekapazitäten ergänzt werden. Wärmewiderstände und Wärmekapazitäten ergeben ein Tiefpassfilter mit einer definierten Zeitkonstante. Bei geeigneter Modellierung kommt das Modell kommt dem realen Temperaturverlauf schon sehr nahe. Nun können wir also zeitveränderliche Vorgänge modellieren. Dies ist insbesondere notwendig wenn sich stark ändernde Verlustleistungen (z.B. Impulsbelastung) an den Bauteilen auftreten und die Temperaturen vorab berechnet werden sollen. Im Hobbybereich ist diese Berechnung jedoch häufig nicht erforderlich, in der Regel genügt das statische Ersatzschaltbild.<br />
<br />
Ergänzen wir das bisherige thermische Ersatzschaltbild um Wärmekapazitäten, ergibt sich das folgende thermische Ersatzschaltbild. Dieses Modell wird als Cauer-Typ bezeichnet. Wärmewiderstände und Wärmekapazitäten lassen sich physikalisch bestimmen und eindeutig im Ersatzschaltbild zuordnen. Berechnete Temperaturen entsprechen realen Temperaturen.<br />
<br />
[[Bild:Therm-esb-dyn-cauer.PNG|600px]]<br />
<br />
Den gleichen Sachverhalt kann man auch mit dem sogenannten Foster-Modell darstellen. Dieses Modell scheint weit verbreitet zu sein, ist allerdings nicht mehr besonders anschaulich. Die gezeigten Ersatzschaltbilder lassen sich auch ineinander überführen, allerdings unterscheiden sich die eingetragenen Wärmekapazitäten und Wärmewiderstände.<br />
<br />
[[Bild:Therm-esb-dyn-foster.PNG|600px]]<br />
<br />
Die schwierige Aufgabe besteht nun darin, alle Zahlenwerte der Wärmewiderstände und Wärmekapazitäten zu bestimmen. Erst dann können die Temperaturverläufe in einer Simulation (z.B. mit SPICE) bestimmt werden. Im Hobbybereich ist diese Berechnung jedoch häufig nicht erforderlich.<br />
<br />
=Kühlkörperbauformen=<br />
* Board-Level-Kühlkörper (aufsteckbare/aufklebbare Kühlkörper, auch für SMD, meist 1 Kühlkörper pro IC)<br />
* Strang-/Profilkühlkörper (meist für hohe Leistungen)<br />
* Kühlaggregate (Kanal + Lüfter)<br />
<br />
Wozu eloxierte Oberflächen?<br />
* geringfügig höhere Wärmestrahlung (bei den niedrigen Temperaturen kaum ein Beitrag)<br />
* elektrische Isolation<br />
* Oberflächenschutz<br />
Nachteile:<br />
* erhöhte Wärmeaufnahme aus der unmittelbaren Umgebung!<br />
<br />
Stiftkühlkörper<br />
* hohe Oberfläche<br />
* bei dickem "Rücken"/"Boden" des Kühlkörpers gute Wärmespreizung<br />
* mit erzwungener Konvektion hohe Wärmeübertragung (quer zu den Stiften effektiver als in Stiftrichtung)<br />
* leichter und kompakter als Strangkühlkörper<br />
<br />
todo<br />
<br />
=Lüfter=<br />
Lüfter werden vor allem dann eingesetzt, wenn der Kühlkörper bei rein passiver Kühlung zur groß, zu schwer oder zu teuer wird. Beim Einsatz des Lüfters führt die erzwungene Luftströmung zur besseren Wärmeabgabe an die Luft. Bei gleicher Temperatur kann der Kühlkörper dann kleiner gewählt werden. Bei hohen Leistungen sind der kleinere Kühlkörper mit Lüfter preisgünstiger und kompakter als ein großer, rein passiver Kühlkörper. Um welchen Faktor die Wärmeableitung mit Lüfter verbessert wird, hängt von vielen Parametern ab und kann nicht pauschal angegeben werden.<br />
<br />
Vorteile<br />
* bessere Wärmeabgabe<br />
* Kühlkörper kann bei gleicher Temperatur kleiner, leichter und kostengünstiger werden<br />
* In kleinem Maßstab günstiger als Wasserkühlung o.ä.<br />
<br />
Nachteile<br />
* zusätzlicher Stromverbrauch<br />
* Geräuschentwicklung und Vibrationen<br />
* zusätzliche Kosten für Lüfter und dessen Montage<br />
* Im Falle eines unbemerkten Ausfalls kann die Schaltung überhitzen (Abhilfe: Thermostat, Temperaturfühler oder Tachosignal auswerten)<br />
<br />
Anordnungen:<br />
* Push-Prinzip: Der Lüfter bläst die Luft in den Kühlkörper/-kanal<br />
* Pull-Prinzip: Der Lüfter saugt die Luft aus dem Kühlkörper/-kanal heraus<br />
<br />
Kenngrößen:<br />
* Luftdurchsatz in <math>\frac{m^{3}}{h}</math><br />
* Nennspannung, Nennstrom, Nennleistung<br />
* Typ Axial/Radial<br />
* Größe<br />
* Geräuschpegel<br />
* Art der Lagerung (Kugellager, Sinterbronze-Lager etc.)<br />
* Temperaturbereich<br />
* Lebensdauer, MTBF<br />
<br />
=Entwärmung auf einer Platine=<br />
[[Bild:kuehlkoerper-board.jpg|thumb|Kühlkörper auf einem alten Mainboard]]<br />
<br />
Beim Leiterplattenentwurf muss bereits in der Designphase abgeschätzt werden, welche Verlustleistungen auftreten und wie die entstehende Wärme abgeführt werden kann. Die Anordnung der Bauteile und die Gestaltung der Leiterbahnen hat Auswirkungen auf das thermische Verhalten. Die Einbaulage der Platine kann die Entwärmung zudem beeinflussen. Erwärmte Umgebungsluft steigt bekanntlich nach oben und kann andere Komponenten oder Platinen aufheizen. Wird die Platine in ein Gehäuse eingebaut, müssen gegebenenfalls Lüftungsschlitze eingebracht werden oder die zu kühlenden Bauteile an der Gehäusewand platziert werden. Bei geschlossenen Gehäusen muss bei der Kühlkörperdimensionierung mit höheren Umgebungstemperaturen gerechnet werden (z.B. 50°C, 60°C), da sich die Wärme zunächst im Gehäuse staut und nur allmählich durch die Gehäusewand abgegeben wird.<br />
<br />
==Bedrahtete Bauteile==<br />
Für bedrahtete Bauteilgehäuse wie z.B. TO-220 sind zahlreiche Kühlkörpervarianten erhältlich. Für Printmontage eignen sich Kühlkörper, die mit Lötstiften oder Schrauben an der Platine befestigt werden. Das Bauteil selbst wird mit einem Federclip oder einer Schraube am Kühlkörper montiert. Die Größe, Bauform und Befestigung des Kühlkörpers muss bereits beim Leiterplattenentwurf berücksichtigt werden. Leistungsdioden und Leistungswiderstände sind in den meisten Fällen für Konvektionskühlung ausgelegt, d.h. durch Luftströmung. Diese werden meist mit etwas Abstand von der Platinenoberfläche montiert, um die gesamte Bauteiloberfläche zur Kühlung nutzen zu können und um die Platine nicht unnötig aufzuheizen.<br />
<br />
Zur Verbesserung der Wärmeableitung kann, abgesehen vom Kühlkörper, auch die Platine bei der Wärmeverteilung helfen:<br />
* Breite Leiterbahnen können Wärme abführen und auf eine große Fläche verteilen<br />
* Eine dickere Kupferkaschierung kann die Wärmeableitung unterstützen (Standard sind 35µm, erhältlich sind auch 70µm und mehr), dies reduziert zudem die elektrischen Leiterbahnwiderstände<br />
* Mit einer großen Zahl von Durchkontaktierungen (vias) kann die Wärme auf andere Kupferlagen verteilt werden (der Platinenkern FR4 allein hat eine schlechte Wärmeleitfähigkeit)<br />
* Einsatz spezieller Platinenmaterialien (Alukern) z.B. bei Platinen für High-Power-LEDs<br />
* Für kleinere ICs mit Wärmeentwicklung eignen sich aufklebbare Kühlkörper<br />
<br />
Beim Entwurf der Platine muss den Bauteilen in der Nähe der Wärmequelle besondere Aufmerksamkeit geschenkt werden. Vor allem sind '''Elektrolytkondensatoren (Elkos)''' betroffen, da diese durch benachbarte Wärmequellen allmählich austrocknen und zum Ausfall der Schaltung führen können! Elkos sollten möglichst so platziert werden, dass sie eine geringe Temperatur und somit eine hohe Lebensdauer erreichen. Jedoch ist dies bei manchen Anwendungen nur eingeschränkt möglich. Beispielsweise sind bei Schaltreglern kurze Leiterschleifen erwünscht, um die elektromagnetische Verträglichkeit zu verbessern (Leiterschleifen wirken als Antenne) und um parasitäre Induktivitäten und Widerstände zu reduzieren. Der Einsatz hochwertiger Elkos mit geringem ESR, hoher Maximaltemperatur und Lebensdauer ist empfehlenswert. Zudem ist auf ausreichende Spannungsfestigkeit und geringe Rippleströme im Betrieb zu achten. Im Laufe der Betriebszeit sinkt die Kapazität des Elkos und die Verluste steigen. Die Lebensdauer der Elkos kann abgeschätzt werden. Die Hersteller geben idR. die Lebensdauer bei der spezifizierten Maximaltemperatur an, z.B. 5000h bei 105°C. Zur Abschätzung der Lebensdauer gilt hier auch die 10°C-Regel (laut Panasonic im Bereich 40°C bis 100°C), d.h. pro 10°C niedrigerer Betriebstemperatur verdoppelt sich die Lebensdauer des Elkos. Die erwartete Lebensdauer kann mit der folgenden Formel (Panasonic) abgeschätzt werden:<br />
<br />
<math>\Large L=L_{Tmax} \cdot 2^{\left( \frac{T_{max} - T}{10} \right)}</math><br />
<br />
'''Beispiel'''<br />
<br />
Ein Elko ist mit 5000h bei 105°C spezifiziert. Welche Lebensdauer wird bei einer Temperatur von 55°C erwartet?<br />
* Gegeben: <math>\large L_{Tmax}=5000h</math> , <math>\large T_{max}=105°C</math> , <math>\large T=55°C</math><br />
* Rechnung: <math>\large L=L_{Tmax} \cdot 2^{\left( \frac{T_{max} - T}{10} \right)}=5000h \cdot 2^{\left( \frac{105°C - 55°C}{10} \right)}=5000h \cdot 2^5=5000h \cdot 32=160000h</math><br />
* Ergebnis: Die Lebensdauer des Elkos beträgt unter diesen Bedingungen etwa 160000h, also über 18 Jahre Dauerbetrieb!<br />
* Bemerkung: Würde man z.B. einen billigen 2000h/85°C-Elko verwenden, würde dieser unter den gleichen Bedingungen keine 2 Jahre durchhalten!<br />
<br />
Liegt das Datenblatt des verwendeten Elkos vor, sollte man sich an die dort genannten Berechnungen und Zahlenwerte halten. Die gezeigte Berechnung ist nur eine Näherungsformel. Für weitere Verwendungshinweise sei auf die ''Application Guidelines'' für ''Radial Lead Type Aluminum Electrolytic Capacitors'' von ''Panasonic'' verwiesen (siehe Quellenangaben und Verweise am Seitenende).<br />
<br />
==SMD-Bauteile==<br />
SMD-Bauteile können meist über die Platine gut entwärmt werden. Dies ist normalerweise nur bei geringen Verlustleistungen möglich. Die Abwärme der Bauteile muss auf eine möglichst große Fläche verteilt werden, durch große Kupferflächen auf der Platine kann dies erreicht werden. Da die Wärmeleitfähigkeit der Kupferauflage deutlich höher ist als die Wärmeleitfähigkeit des Platinenmaterials FR4, wird sich die Wärme hauptsächlich in der Fläche verteilen, jedoch weniger ''durch'' die Platine hindurch. Um die Wärmeleitung durch die Platine (z.B. von Ober- zu Unterseite) zu erhöhen, müssen Durchkontaktierungen gesetzt werden. Sogenannte "Thermal Vias" werden in einer großen Anzahl an das zu entwärmende Bauteil gesetzt und können damit die Wärme zu anderen Kupferlagen der Platine weiterleiten. Die Wärmeleitung durch die Platine hindurch wird verbessert, liegt aber dennoch deutlich unter der Wärmeleitfähigkeit von reinem Kupfer. Thermische Vias können aufgrund ihrer kleinen Masse kaum einen Beitrag zur gesamten "Kühlmasse" beitragen. Ob schließlich eine Entwärmung durch die Platine ausreicht, muss durch Simulation oder Messung gezeigt werden.<br />
<br />
Welche Temperatur das Bauteil auf der Platine erreicht, kann nach dem Aufbau natürlich gemessen werden. Besser wäre es jedoch, die Temperaturen bereits beim Entwurf der Platine zu kennen, um einschätzen zu können, ob die Entwärmung ausreichend ist. Allgemeine Angaben hierfür sind schwer zu finden, jedoch gibt es vereinzelt Angaben in Datenblättern von Halbleitern zur Entwärmung. An den folgenden Zahlenwerten kann man sich orientieren, wenn man ähnliche Bauteile entwärmen möchte. Damit man für die genannten Flächen eine grobe Vorstellung hat, sei noch erwähnt: ein Cent hat eine Fläche von grob <math>200mm^2</math>, ein Euro hat grob <math>400mm^2</math>.<br />
<br />
Für SMD-Bauteile exisitieren Kühlkörper, die sich direkt auf die Platine löten lassen, diese sind auch maschinenbestückbar.<br />
<br />
'''TO263 (=D2PAK)'''<br />
<br />
Im Datenblatt des Schaltreglers LM2576 von ''National Semiconductor'' findet man für das TO263-Gehäuse einige Angaben. Das TO263-Gehäuse gleicht übrigens dem TO220 bis auf die Tatsache, dass die Kühlfahne kürzer ist und das Gehäuse für SMD-Montage vorgesehen ist. Das Datenblatt gibt thermische Widerstände für den Übergang Junction-Ambient an. Die Angabe ist abhängig von der Kupferfläche auf der Platine, die unmittelbar für das Bauteil aus Kühlkörper wirkt. Die Zahlenwerte aus dem Datenblatt wurden in Quadratmillimeter umgerechnet, gerundet und stehen nun in der Tabelle bereit. Keine Angaben macht der Hersteller zu den Rahmenbedingungen, unter denen die thermischen Widerstände ermittelt wurden (Platinendicke, Durchkontaktierungen, Form der Kupferfläche und Dicke der Kupferkaschierung). Dennoch können die Werte zur groben Orientierung dienen.<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
| Kupferfläche || therm. Widerstand<br />
|-<br />
| <math>325 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 50\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>645 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 37\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>1030 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 32\frac{K}{W} </math><br />
|}<br />
<br />
'''TO252 (=DPAK), SOT223'''<br />
<br />
Im Datenblatt des Low-Drop-Spannungsreglers LM1117 von ''National Semiconductor'' sind Angaben zur Entwärmung über die Platine von SOT223 und TO252-Gehäusen vorhanden. Der Hersteller gibt an, für das SOT223-Gehäuse eine 35µm dicke, und für das TO252-Gehäuse eine 70µm dicke Kupferkaschierung der Platine verwendet zu haben. Leider finden sich in diesem Datenblatt keine Informationen zu Durchkontaktierungen, Platinendicke, und ob das IC auf der Ober- oder Unterseite der Platine montiert wurde (Vermutung: oben montiert, da angegebene thermische Widerstände geringer sind). Der Hersteller hat drei Fälle untersucht: Kupferfläche oben, Kupferfläche unten, Kupferfläche beidseitig. Für das thermische Platinendesign kann man diese Zahlenwerte zumindest als Richtwerte verwenden. Das Datenblatt enthält zudem Zeichnungen der Kühlflächen. Die Zahlenwerte wurden wieder in Quadratmillimeter umgerechnet und gerundet und in die folgenden Tabelle eingetragen:<br />
<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
| Kupferfläche top || Kupferfläche bottom || therm. Widerstand SOT223 || therm. Widerstand TO252<br />
|-<br />
| <math> 200mm^2</math> || - || <math>R_{th(ja)}\approx 84\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 60\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math> 350mm^2</math> || - || <math>R_{th(ja)}\approx 75\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 54\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math> 650mm^2</math> || - || <math>R_{th(ja)}\approx 66\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 47\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| - || <math> 250mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 98\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 70\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| - || <math> 400mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 89\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 63\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| - || <math> 650mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 79\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 57\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math> 200mm^2</math> || <math> 200mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 83\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 61\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math> 250mm^2</math> || <math> 250mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 75\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 55\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math> 350mm^2</math> || <math> 350mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 70\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 53\frac{K}{W} </math><br />
|}<br />
<br />
'''SO8'''<br />
<br />
Für das SO8-Gehäuse findet man eine Angabe im Datenblatt des Spannungsreglers 78L05 von ''ST'':<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
| Kupferfläche || therm. Widerstand<br />
|-<br />
| <math>600 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 55\frac{K}{W} </math><br />
|}<br />
<br />
'''SO20'''<br />
<br />
Aus dem Datenblatt des L293DD sind Angaben zum SO20-Gehäuse enthalten. In diesem Falle sind 8 zentrale Pins an die Kühlfläche angebunden, die Kupferkaschierung ist vermutlich einseitig 35µm. Die groben Richtwerte sind:<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
| Kupferfläche || therm. Widerstand<br />
|-<br />
| <math>200 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 60\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>400 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 53\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>600 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 51\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>800 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 50\frac{K}{W} </math><br />
|}<br />
<br />
'''PowerDIP20'''<br />
<br />
Für das DIP20-Gehäuse wird man im Datenblatt des Motortreibers L6202 von ''ST'' fündig. Bei 35µm Kupferkaschierung der Platine ergeben sich die folgenden thermischen Widerstände.<br />
<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
| Kupferfläche || therm. Widerstand<br />
|-<br />
| <math>0 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 58\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>200 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 45\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>400 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 39\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>600 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 38\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>800 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 37\frac{K}{W} </math><br />
|}<br />
<br />
Für die Form der empfohlenen Kühlfläche sei auf das Datenblatt verwiesen. Wird das IC in einem Sockel verwendet, muss man sicherlich von höheren thermischen Widerständen ausgehen.<br />
<br />
'''AN-994'''<br />
<br />
In der ''Application Note AN-994 - Maximizing the Effectiveness of your SMD Assemblies'' von ''International Rectifier (IRF)'' sind weitere Daten vorhanden. Die dort genannten Daten sind jedoch teils drastisch niedriger als die hier genannten. Eine mögliche Erklärung sind z.B. die höhere Kupferauflage (70µm) oder evtl. optimierte Wärmewiderstände innerhalb der Gehäuse.<br />
<br />
'''Große Kupferflächen'''<br />
<br />
Im ''Application Hint 17 - Designing P.C. Board Heat Sinks - by Bob Wolbert (Micrel)'' werden Angaben zu thermischen Widerständen der Platine für vergleichsweise große Flächen gemacht. Die thermischen Widerstände beschreiben den Übergang <math>R_{th(ha)}</math> unter den Bedingungen: Quadratische Kupferfläche, einseitig, horizontal montiert, Lötstopplack, keine Belüftung. Die Dicke der Kupferkaschierung ist nicht angegeben. Hier einige Werte, abgelesen aus dem Diagramm der genannten Application Note:<br />
<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
| Kupferfläche || therm. Widerstand<br />
|-<br />
| <math>500 mm^2</math> || <math>R_{th(ha)}\approx 60\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>1000 mm^2</math> || <math>R_{th(ha)}\approx 45\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>1500 mm^2</math> || <math>R_{th(ha)}\approx 38\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>2000 mm^2</math> || <math>R_{th(ha)}\approx 33\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>2500 mm^2</math> || <math>R_{th(ha)}\approx 30\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>3000 mm^2</math> || <math>R_{th(ha)}\approx 28\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>4000 mm^2</math> || <math>R_{th(ha)}\approx 24\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>5000 mm^2</math> || <math>R_{th(ha)}\approx 22\frac{K}{W} </math><br />
|}<br />
<br />
<br />
'''Abschlusskommentar'''<br />
<br />
An den gezeigten, thermischen Widerständen sieht man leicht: je größer die Kühlfläche, desto geringer der thermische Widerstand. Dieses Verhalten würde man so auch erwarten.<br />
<br />
Ab einer bestimmten Fläche wird die Platine als Kühlkörper jedoch unhandlich, und man wird die Fläche nicht weiter vergrößern. Die mit den Kupferflächen erreichten thermischen Widerstände sind für viele Anwendungen noch deutlich zu hoch. Bei Verlustleistungen von wenigen Watt werden dadurch bereits kritische Chiptemperaturen erreicht. Wie bereits oben erwähnt, funktioniert die Entwärmung von SMD-Komponenten über die Platine also nur für kleine Verlustleistungen. Bei größeren Verlustleistungen müssen zusätzliche Entwärmungsmaßnahmen getroffen werden (z.B. aufklebbarer Kühlkörper, etc.). Zielführend ist auch, die Ursache der Erwärmung, nämlich die Verlustleistung zu verringern. Wird beispielsweise ein Linearregler durch einen effizienteren Schaltregler ersetzt, kann die Entwärmung aufgrund der kleineren Verlustleistung deutlich einfacher gestaltet werden. Ob die Verringerung der Verlustleistung möglich ist, hängt natürlich von der Anwendung ab.<br />
<br />
=Spezielle Kühlkörper=<br />
<br />
todo<br />
<br />
=Autoren=<br />
* BMS<br />
<br />
[[Kategorie:Elektronik]]<br />
[[Kategorie:Mechanik]] <br />
[[Kategorie:Praxis]] <br />
[[Kategorie:Grundlagen]]<br />
<br />
=Quellen und Verweise=<br />
<br />
Printmedien:<br />
<br />
* Best, Siegfried W.: ''Elektronikkühlung und Wärmemanagement von A bis Z''. In: Elektronikpraxis - Sonderheft Elektromechanik, April 2013. S. 20ff.<br />
* Best, Tobias: ''Thermisches Via, die kleine Schwester der Heatpipe''. In: Elektronikpraxis, April 2013. S. 12ff.<br />
* Erdmann, Marc: ''Beste Effizienz auch beim Thermal Management''. In: Elektronikpraxis - Sonderheft Leistungelektronik und Stromversorgung. März 2015. S. 38ff.<br />
* Kerstin, Nils; Schulz, Martin: ''Thermische Widerstände genau messen - eine Herausforderung''. In: Elektronikpraxis, Nr. 17, September 2014. S. 48ff.<br />
* K.R. (Alutronic): ''Stiftkühlkörper für die Leistungselektronik''. In: Elektronikpraxis Nr.9, Mai 2014. S. 50ff.<br />
* Harpain, Jürgen: ''Wärmeleitmaterial kompensiert Lufteinschlüsse''. In: Elektronikpraxis Nr.1, Januar 2014. S. 36ff.<br />
* Harpain, Jürgen: ''Entwärmungskonzepte für Einzelhalbleiter und ICs''. In: Elektronikpraxis - Sonderheft Elektromechanik, April 2014. S. 14ff.<br />
* Schulz, Martin: ''Fünf Fettnäpfchen beim Bestimmen thermischer Größen''. In: Elektronikpraxis, November 2013. S. 36ff.<br />
* Schulz, Martin: ''Mythen und Legenden über Wärmeleitmaterialien''. In: Elektronikpraxis Nr.2., Januar 2014. S. 42ff.<br />
* Specovius, J.: Grundkurs Leistungselektronik: Bauelemente, Schaltungen und Systeme. Wiesbaden 2014. 6. Auflage. S.95-104<br />
----<br />
<br />
Datenblätter, aus denen thermische Widerstände entnommen wurden:<br />
<br />
* [http://pdf.datasheetcatalog.com/datasheet/nationalsemiconductor/DS011476.PDF Datenblatt LM2576 von National Semiconductor]<br />
* [http://pdf.datasheetcatalog.com/datasheet/nationalsemiconductor/LM1117.pdf Datenblatt LM1117 von National Semiconductor]<br />
* [http://pdf.datasheetcatalog.com/datasheets/150/9358_DS.pdf Datenblatt L78Lxx von ST]<br />
* [http://pdf.datasheetcatalog.com/datasheet/stmicroelectronics/1330.pdf Datenblatt L293DD von ST]<br />
* [http://pdf.datasheetcatalog.com/datasheet/stmicroelectronics/1373.pdf Datenblatt L6202 von ST]<br />
* [http://www.irf.com/technical-info/appnotes/an-994.pdf ''Application Note AN994 - Maximizing the Effectiveness of your SMD Assemblies'' - International Rectifier (IRF)]<br />
* [http://www.micrel.com/_PDF/App-Hints/ah-17.pdf ''Application Hint 17 - Designing P.C. Board Heat Sinks - by Bob Wolbert (Micrel)'']<br />
<br />
----<br />
<br />
Weblinks:<br />
<br />
* [http://stegem.de/Elektronik/Kuehlkoerper/ Online-Tool zur Kühlkörperberechnung von Gemmel, S.]<br />
* [http://ludens.cl/Electron/Thermal.html Thermal Design - von Mornhinweg, M.]<br />
* [http://sound.westhost.com/heatsinks.htm The Design of Heatsinks - von Elliot, R.]<br />
* [http://www.giangrandi.ch/electronics/thcalc/thcalc.shtml Calculating Heat sinks - von Giangrandi, I.]<br />
* [http://www.irf.com/technical-info/appnotes/an-1057.pdf Application Note AN-1057: Heatsink Characteristics von International Rectifier (IRF)]<br />
* [http://ww1.microchip.com/downloads/en/AppNotes/00792a.pdf Application Note AN792: A method to determine how much power a sot23 can dissipate in an application (Microchip Technology Inc. 2001)]<br />
* [http://www.fairchildsemi.com/application-notes/AN/AN-1028.pdf Application Note AN1028: Maximum Power Enhancement Techniques for SOT-223 Power MOSFETs (Fairchild Semiconductor 1996)]<br />
* [http://www.industrial.panasonic.com/www-data/pdf/ABA0000/ABA0000PE26.pdf Aluminium Electrolytic Capacitors - Application Guidelines (Panasonic 2015)]<br />
* [http://www.vishay.com/docs/52027/thermmgt.pdf Thermal Management on SMD Thick Film Resistors (Vishay 2015)]</div>BMShttps://rn-wissen.de/wiki/index.php?title=Datei:Kuehlkoerper-board.jpg&diff=26576Datei:Kuehlkoerper-board.jpg2015-08-09T18:09:37Z<p>BMS: Kühlkörper für TO-220 auf einer Platine (eigene Fotografie, Benutzer BMS)</p>
<hr />
<div>Kühlkörper für TO-220 auf einer Platine (eigene Fotografie, Benutzer BMS)</div>BMShttps://rn-wissen.de/wiki/index.php?title=K%C3%BChlk%C3%B6rper&diff=26566Kühlkörper2015-07-25T12:08:56Z<p>BMS: /* Bauteil mit Kühlkörper und T.I.M. */</p>
<hr />
<div>{{Baustelle|BMS}}<br />
<br />
Dieser Artikel behandelt die Grundlagen zu Kühlkörpern.<br />
<br />
[[Bild:kuehlkörper-uebersicht.jpg|thumb|Verschiedene Kühlkörper, links ein TO220-Gehäuse zum Größenvergleich]]<br />
<br />
=Einleitung=<br />
<br />
'''Wieso sind überhaupt Kühlkörper in technischen Geräten erforderlich?'''<br />
<br />
Kein Gerät kann einen 100-prozentigen Wirkungsgrad erzielen und somit tritt Verlustleistung auf. Diese Verlustleistung führt zur Erwärmung der Bauteile. Kühlkörper sollen die Entwärmung verbessern, indem die entstehende Wärme auf eine große Fläche verteilt wird und durch Konvektion an der Luft auskühlen kann. Die Temperatur an den heißen Bauteilen ist mit Kühlkörper geringer als ohne Kühlkörper.<br />
<br />
'''Wieso sind hohe Bauteiltemperaturen ungünstig?'''<br />
<br />
Die Lebensdauer aller elektronischen Bauteile ist stark von der Temperatur abhängig. Als Faustregel gilt: Eine Temperaturerhöhung um 10 Grad führt zur Halbierung der Lebensdauer. Außerdem gibt es Grenztemperaturen, die nicht überschritten werden dürfen. Beispielsweise dürfen Halbleiter keine Temperatur über 150°C erreichen. Platinenmaterial FR4 sollte 125°C (sog. Erweichungspunkt) nicht überschreiten. Extrembeispiele sind die Schmelztemperatur von Isolierungen, Lötzinn etc... sowie Brandgefahr durch hohe Temperaturen. Viele Bauteile können ohne vernünftige Kühlung nicht ihren vollen Funktionsumfang erreichen, liefern dann z.B. geringere Maximalströme oder es greift die Temperaturabschaltung. Anders formuliert: Die maximale Leistung eines Bauteils oder Geräts wird durch seine Entwärmung bestimmt! Zur eigenen Sicherheit bietet es sich zudem an, die Temperaturen niedrig zu halten, sodass man sich am Gerät nicht die Finger verbrennen kann ;)<br />
<br />
=Wärmeübertragung=<br />
Prinzipiell kann Wärmeübertragung über Wärmeleitung, Konvektion und Wärmestrahlung geschehen. In vielen Anwendungen treten mehrere Mechanismen gleichzeitig auf. Welcher Mechanismus hauptsächlich auftritt, ist von der mechanischen Anordnung, den Materialien und der Temperatur abhängig. Wärmeleitung und Konvektion sind die wichtigsten Arten der Wärmeübertragung, die in der Praxis auftreten. Nun zu den einzelnen Effekten:<br />
<br />
*'''Wärmeleitung'''<br />
*: Bei der Wärmeleitung wird die Wärme über einen direkten mechanischen Kontakt (Bsp. IC <math>\rightarrow</math>Kühlkörper) übertragen. Den beteiligten Materialien wird jeweils eine spezifische Wärmeleitfähigkeit <math>\lambda</math> zugeordnet, dazu später mehr.<br />
<br />
*'''Konvektion'''<br />
*: Mit Konvektion wird die Strömungsbewegung in Flüssigkeiten und Gasen bezeichnet. Praxisbeispiele sind die Wärmeabgabe eines Kühlkörpers an die Umgebungsluft oder auch eine Wasserkühlung. Von erzwungener Konvektion spricht man, wenn die Strömung durch z.B. einen Ventilator/Lüfter oder eine Wasserpumpe hervorgerufen wird. Im Vakuum kann keine Konvektion auftreten.<br />
<br />
*'''Wärmestrahlung'''<br />
*: Wärmestrahlung ist elektromagnetische Strahlung (hauptsächlich Infrarot und sichtbares Licht), die vom heißen Festkörper abgestrahlt wird. Sie wird erst bei höheren Temperaturen relevant und ist bei den üblichen Kühlkörpertemperaturen meist zu vernachlässigen. Erwähnt werden soll zudem, dass Wärmestrahlung der einzige Mechanismus der Wärmeleitung ist, welcher im Vakuum auftreten kann. (Für Details zu Wärmestrahlung siehe auch: Plancksches Strahlungsgesetz und Schwarzer Strahler).<br />
<br />
=Materialien=<br />
Jedes Material besitzt eine spezifische Wärmeleitfähigkeit, welche angibt, wie gut dieses Material Wärme weiter transportieren kann. Die spezifische Wärmeleitfähigkeit ist unabhängig von der Geometrie des Materials, wird mit der Größe <math>\lambda</math> (Lambda) ausgedrückt und erhält die Einheit <math>\frac{W}{m \cdot K}</math>.<br />
<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
|-<br />
| '''Material''' || '''<math>\lambda</math> in <math>\left[ \frac{W}{m \cdot K} \right]</math>'''<br />
|-<br />
| Silber || 430<br />
|-<br />
| Kupfer || 400<br />
|-<br />
| Aluminium || 230<br />
|-<br />
| Silizium || 140 <br />
|-<br />
| Wärmeleitpaste || 5 ... 10<br />
|-<br />
| Glas || 0,7<br />
|-<br />
| Wasser || 0,5<br />
|-<br />
| Platinenmaterial FR4 || 0,2 ... 0,5<br />
|-<br />
| Luft || 0,02<br />
|}<br />
<br />
Die meisten Kühlkörper werden aus Aluminiumlegierungen hergestellt. Für Aluminium spricht seine relativ hohe Wärmeleitfähigkeit, die hohe Verfügbarkeit und geringe Dichte. Im Vergleich zu Kupfer und Silber ist Aluminium deutlich kostengünstiger. Darüber hinaus lässt sich Aluminium mechanisch gut verarbeiten. Kupfer wird mit seiner höheren Wärmeleitfähigkeit z.B. bei Heatpipes eingesetzt.<br />
<br />
todo<br />
<br />
Wärmewiderstand <math>R_{th}=\frac{d}{\lambda \cdot A}</math><br />
<br />
d: Materialdicke, welche für die Wärmeleitung relevant ist<br />
<br />
<math>\lambda</math>spezifische Wärmeleitfähigkeit des Materials<br />
<br />
A: Querschnitts-/Kontaktfläche<br />
<br />
=Definitionen=<br />
Um vorauszusagen, wie sich die Temperaturen in einer Schaltung verhalten, bedient sich der Ingenieur - wie auch bei vielen anderen Anwendungen - eines Ersatzschaltbildes (ESB). Zur Erstellung eines thermischen Ersatzschaltbildes muss man sich aber zunächst mit den thermischen Größen vertraut machen.<br />
<br />
Die Temperaturen werden mit dem griechischen Buchstaben Theta <math>\theta</math> gekennzeichnet. Temperaturen werden in Grad Celsius (°C), Temperaturdifferenzen in Kelvin (K) angegeben. (Am Rande: Es existiert auch eine Kelvinskala mit dem absoluten Nullpunkt 0 K=-273,15°C). Die Temperaturen werden außerdem noch mit einem Index gekennzeichnet, abhängig von der mechanischen Stelle, an der sie auftreten:<br />
<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
|-<br />
| Symbol || Index || Bedeutung<br />
|-<br />
| <math>\vartheta_{J}</math> || J=Junction || Sperrschichttemperatur des Halbleiters<br />
|-<br />
| <math>\vartheta_{C}</math> || C=Case || Gehäusetemperatur des Bauteils<br />
|-<br />
| <math>\vartheta_{H}</math> || H=Heat Sink || Temperatur des Kühlkörpers<br />
|-<br />
| <math>\vartheta_{A}</math> || A=Ambient || Umgebungstemperatur<br />
|}<br />
<br />
Die Verlustleistung eines Bauteils beschreibt die Größe <math>P_{V}</math> und wird, wie allgemein bekannt, in Watt angegeben.<br />
<br />
Als neue Größe wird nun der thermische Widerstand eingeführt, dieser wird mit <math>R_{th}</math> beschrieben und bekommt die Einheit <math>\frac{K}{W}</math>. <br />
<br />
Für die thermischen Größen gibt es, ähnlich dem Ohmschen Gesetz, einen linearen Zusammenhang. Dieser lautet<br />
<br />
<math>R_{th}=\frac{\vartheta_{ü}}{P_{V}}</math><br />
<br />
todo<br />
<br />
'''Vergleich elektrischer und thermischer Größen'''<br />
<br />
Insgesamt können wir nun eine Analogie zwischen bekannten elektrischen Größen und den thermischen Größen angeben. Die schon gelernten Prinzipien zur Lösung linearer Netzwerke lässt sich auch bei den thermischen Ersatzschaltbildern anwenden.<br />
<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
|-<br />
| elektrisch || thermisch<br />
|-<br />
| Spannung U || Temperatur <math>\vartheta</math><br />
|-<br />
| Strom I || Verlustleistung <math>P_{V}</math><br />
|-<br />
| Widerstand R || thermischer Widerstand <math>R_{th}</math><br />
|}<br />
<br />
=Statisches Ersatzschaltbild=<br />
Mit den thermischen Zusammenhängen haben wir uns inzwischen vertraut gemacht. Nun können wir damit beginnen, thermische Ersatzschaltbilder von einfachen Anordnungen zu erstellen. Mit solchen Modellen können Temperaturen, wie z.B. die Chiptemperatur, vorab berechnet werden. Für die Berechnung müssen Wärmewiderstände, Umgebungstemperatur und Verlustleistung bekannt sein, da sie in die Berechnung einfließen.<br />
<br />
Bei den thermischen Ersatzschaltbildern kann man ein statisches oder ein dynamisches Ersatzschaltbild erstellen. Bei den statischen Ersatzschaltbilder wird davon ausgegangen, dass alle Größen zeitlich konstant sind, bzw. sofort ihre Solltemperatur entsprechend dem Modell annehmen. In der Realität dauert es natürlich eine gewisse Zeit, bis sich alle beteiligten Materialien aufgeheizt haben. Die Temperaturen des statischen Modells werden dabei erst nach einer bestimmten Zeit erreicht. <br />
<br />
Für die meisten Anwendungen genügt es jedoch, das statische thermische Ersatzschaltbild zu erstellen und den Kühlkörper dem entsprechend zu dimensionieren. Die Kühlung wird z.B. auf die maximale oder die mittlere auftretende Verlustleistung dimensioniert. Es wurde bereits erwähnt, dass sich die Bauteiltemperatur auf dessen Lebensdauer auswirkt. Dabei gilt: je niedriger die Bauteiltemperatur, desto länger die zu erwartende Lebensdauer. Je nach Anwendung und Rahmenbedingungen muss eventuell ein Kompromiss zwischen Kühlkörpergröße/kosten und Gerätelebensdauer gewählt werden. Beispielsweise kann der verfügbare Platz, ein Gesamtgewicht oder eine Kostenvorgabe begrenzender Faktor sein. Für einen dauerhaften sicheren Betrieb muss der Kühlkörper und weitere beteiligte Materialien für den worst case ausgelegt oder sogar überdimensioniert werden.<br />
<br />
==Bauteil ohne Kühlkörper==<br />
Um den Umgang mit den thermischen Ersatzschaltbildern zu lernen, soll zunächst mit einem einfachen Beispiel begonnen werden. In diesem Fall wird der Wärmeübergang von einem einzelnen Bauteil zu Luft betrachet, es kommt zunächst also noch kein Kühlkörper zum Einsatz. Das Ersatzschaltbild sieht in diesem Fall folgendermaßen aus:<br />
<br />
[[Bild:Therm-esb1.png|450px]]<br />
<br />
Die am Bauteil entstehende Verlustleistung ist Ursache der Abwärme und wird im thermischen Ersatzschaltbild als ideale Stromquelle modelliert.<br />
<br />
Die Abwärme gelangt nun über den Weg Sperrschicht (Junction) <math>\rightarrow</math> Bauteilgehäuse (Case) <math>\rightarrow</math> Umgebung (Ambient) nach außen. Im Ersatzschaltbild ist jeder Übergang als thermischer Widerstand modelliert. Die genauen Zahlenwerte der Wärmewiderstände lassen sich in der Regel dem Datenblatt des Bauteils entnehmen. Benötigt werden die Werte für <math>R_{th(jc)}</math> und <math>R_{th(ca)}</math>. In manchen Datenblättern findet man die Angabe <math>R_{th(ja)}</math>, was der Reihenschaltung aus den beiden vorher genannten Werten entspricht, also <math>R_{th(ja)}=R_{th(jc)}+R_{th(ca)}</math>.<br />
<br />
Die Umgebungstemperatur wird als ideale Spannungsquelle modelliert. Sämtliche Spannungen im Ersatzschaltbild entsprechen den auftretenden Temperaturen.<br />
<br />
Da es sich nun um ein lineares Netzwerk handelt, gelten hier ebenfalls die Kirchhoff'schen Gleichungen. Relativ leicht lässt sich nun die Temperatur am Bauteilgehäuse (Case) und der Sperrschicht (Junction) berechnen:<br />
<br />
<math>\vartheta_{c}=\vartheta_{a}+R_{th(ca)} \cdot P_{V}</math><br />
<br />
<math>\vartheta_{j}=\vartheta_{a}+R_{th(jc)} \cdot P_{V}+R_{th(ca)} \cdot P_{V}=\vartheta_{a}+(R_{th(jc)}+R_{th(ca)}) \cdot P_{V}=\vartheta_{a}+R_{th(ja)} \cdot P_{V}</math><br />
<br />
Da die thermischen Widerstände bei der Reihenschaltung auch zusammengefasst werden dürfen, beschreibt folgendes thermisches Ersatzschaltbild den gleichen Zusammenhang. Nachteil ist hier allerdings, dass die Temperatur am Gehäuse nicht modelliert wird.<br />
<br />
[[Bild:Therm-esb0.png|300px]]<br />
<br />
===Derating===<br />
<br />
Die Überlegungen zur Sperrschichttemperatur kann auch anders interpretiert werden. Gibt man die Sperrschichttemperatur vor, kann man die maximal erlaubte Verlustleistung des Bauteils in Abhängigkeit der Umgebungstemperatur bestimmen. Die folgende Formel erhält man aus Umformung der oberen Gleichung:<br />
<br />
<math>P_{V} \leq \frac{\vartheta_{j}-\vartheta_{a}}{R_{th(ja)}}</math><br />
<br />
Bei Halbleitern darf idR. die Sperrschichttemperatur nicht 150°C überschreiten. Der thermische Widerstand wird hauptsächlich durch das Gehäuse vorgegeben. Aus der Formel sieht man nun folgendes: Je höher die Umgebungstemperatur, desto geringer fällt die maximal erlaubte Verlustleistung aus. Diesen Zusammenhang bezeichnet man auch als '''Derating'''. Der typische Verlauf sieht meist so aus:<br />
<br />
[[Bild:Derating.png|300px]]<br />
<br />
Die Derating-Formel gilt im Bereich <math>\vartheta_{1} ... \vartheta_{max}</math>. Für Temperaturen unter <math>\vartheta_{1}</math> darf die Maximalleistung <math>P_{max}</math>des Bauteilgehäuses nicht überschritten werden. <math>\vartheta_{1}</math> liegt bei meist 25°C. Den genauen Verlauf kann man dem Datenblatt des betreffenden Bauteils entnehmen.<br />
<br />
===Beispielrechnung===<br />
<br />
Ein Spannungsregler vom Typ 7805 im TO220-Gehäuse soll ohne Kühlkörper betrieben werden. Wie hoch ist die maximal erlaubte Verlustleistung, wenn die Sperrschichttemperatur 120°C nicht überschreiten soll und die Umgebungstemperatur 25°C beträgt?<br />
<br />
Zunächst werfen wir einen Blick ins Datenblatt des Spannungsreglers und entnehmen die Angaben für die thermischen Widerstände. Dann halten wir alle gegebenen Größen fest:<br />
<br />
*'''Gegeben'''<br />
*:* <math>R_{th(jc)}=5 \frac{K}{W}</math> (aus dem Datenblatt)<br />
*:* <math>R_{th(ja)}=62 \frac{K}{W}</math> (aus dem Datenblatt)<br />
*:* <math>\vartheta_{j}=125°C</math><br />
*:* <math>\vartheta_{a}=25°C</math><br />
*'''Gesucht'''<br />
*:* <math>P_{v,max}</math><br />
*'''Rechnung'''<br />
*:Wir verwenden die Formel von oben und erhalten als Ergebnis<br />
*:<math>P_{V,max} = \frac{\vartheta_{j}-\vartheta_{a}}{R_{th(ja)}} = \frac{120°C-25°C}{62\frac{K}{W}} = \frac{95K}{62\frac{K}{W}} \approx 1,5 Watt</math><br />
*:Die maximal erlaubte Verlustleistung des Spannungsreglers ohne Kühlkörper darf demnach 1,5 Watt nicht überschreiten.<br />
*'''Zusatz'''<br />
*:Mit unserem Ersatzschaltbild können wir außerdem die Temperatur des Gehäuses (Case) des Spannungsreglers angeben. Dafür benötigen wir noch die Angabe <math>R_{th(ca)}</math>, welche allerdings im Datenblatt nicht angegeben ist.<br />
*:Da wir aber wissen, dass <math>R_{th(ja)}=R_{th(jc)}+R_{th(ca)}</math> gilt, können wir die fehlende Größe ausrechnen. Diese ist<br />
*:<math>R_{th(ca)}=R_{th(ja)}-R_{th(jc)}=62\frac{K}{W}-5\frac{K}{W}=57\frac{K}{W}</math>.<br />
*:Nun lässt sich die Gehäusetemperatur berechnen:<br />
*:<math>\vartheta_{c}=\vartheta_{a}+R_{th(ca)} \cdot P_{V}=25°C+57\frac{K}{W} \cdot 1,5 W \approx 111 °C</math><br />
*'''Bemerkung'''<br />
*:In der Praxis wird einem TO220-Gehäuse ungekühlt eine maximale Verlustleistung von 1 Watt zugerechnet. Die Temperaturen sind niedriger, die Lebensdauer des Bauteils höher.<br />
<br />
==Bauteil mit Kühlkörper und T.I.M.==<br />
<br />
Der Betrieb eines ICs ohne Kühlkörper, wie im vorigen Abschnitt beschrieben, funktioniert nur bei kleinen Leistungen und führt meist auch zu einer verringerten Lebensdauer des Bauteils. Viele Bauteile können ihre angegebenen Maximalwerte nur bei vernünftiger Kühlung erreichen. In diesem Abschnitt wird nun ein typisches Szenario mit Kühlkörperberechnung vorgestellt.<br />
<br />
Befassen wir uns zunächst mit der typischen mechanischen Anordnung. Das zu kühlende IC wird thermisch an einen Kühlkörper gekoppelt. In der Praxis wird man das IC aber nicht direkt auf dem Kühlkörper befestigen, sondern über ein sogenanntes ''thermisches Interface-Material'' (T.I.M.), um Unebenheiten und mechanische Abstände auszugleichen oder um für Insolierung zu sorgen. Details zum T.I.M. folgen im Unterabschnitt. Die typische Anordnung zeigt die folgende Abbildung.<br />
<br />
[[Bild:kuehlkoerper-anordnung.png|300px]]<br />
<br />
Folgende thermischen Widerstände treten hier in Kraft:<br />
*<math>R_{th(jc)}</math> für den Übergang Chip zu Bauteilgehäuse<br />
*<math>R_{th(ch)}</math> für den Übergang Bauteilgehäuse zu Kühlkörper (also über das T.I.M.)<br />
*<math>R_{th(ha)}</math> für den Übergang Kühlkörper zur Umgebung<br />
<br />
Aus diesen thermischen Widerständen wird ein thermisches Ersatzschaltbild angefertigt. Dieses zeigt die nächste Abbildung.<br />
<br />
[[Bild:Therm-esb2.png|700px]]<br />
<br />
Zunächst soll die Formel zur Berechnung der Chiptemperatur aufgestellt werden, die Formel erhält man wieder durch die Anwendung der Kirchhoffschen Gleichungen im Ersatzschaltbild.<br />
<br />
<math>\vartheta_{j}=\vartheta_{a}+(R_{th(jc)}+R_{th(ch)}+R_{th(ha)}) \cdot P_{V}</math><br />
<br />
Die Formel wird in der Praxis jedoch in einer anderen Form benötigt. Meist steht man als Entwickler vor der Aufgabe, den erforderlichen thermischen Widerstand <math>R_{th(ha)}</math> des Kühlkörpers zu bestimmen, sofern die Größen Umgebungstemperatur, Sperrschichttemperatur, Verlustleistung sowie die verbleibenden thermischen Widerstände gegeben sind. Anhand des berechneten Wärmewiderstands des Kühlkörpers können dann aus Produktkatalogen geeignete Kühlkörper bestimmt werden.<br />
<br />
Wir müssen dafür also die Gleichung nach <math>R_{th(ha)}</math> auflösen. Wir erhalten die praxisübliche Berechnungsformel:<br />
<br />
<math>R_{th(ha)}=\frac{\vartheta_{j}-\vartheta_{a}}{P_{V}}-R_{th(jc)}-R_{th(ch)}</math><br />
<br />
In manchen Quellen enthält diese Formel außerdem Korrekturfaktoren, die z.B. die Einbaulage o.ä. berücksichtigen können.<br />
<br />
===Beispielrechnung===<br />
<br />
Für einen Spannungsregler vom Typ 7805 im TO220-Gehäuse soll ein Kühlkörper dimensioniert werden. Die Eingangsspannung des Reglers beträgt 12V, die Ausgangsspannung von 5V wird mit 500mA belastet. Die Umgebungstemperatur sei 30°C. Der Spannungsregler wird mit Wärmeleitpaste auf dem Kühlkörper montiert, für diesen Wärmewiderstand wird 0,5 K/W angenommen. Welchen Wärmewiderstand darf der Kühlkörper höchstens haben, wenn als maximale Sperrschichttemperatur 110°C angenommen wird?<br />
<br />
Diese Aufgabe kann so durchaus in der Praxis auftreten. Von den vielen Angaben darf man sich zunächst nicht verunsichern lassen. Wir verwenden das gezeigte thermische Ersatzschaltbild. Für die Rechnung benötigen wir außerdem noch den thermischen Widerstand <math>R_{th(jc)}</math> aus dem Datenblatt.<br />
<br />
*'''Gegeben'''<br />
*:<math>R_{th(jc)}=5 \frac{K}{W}</math> (aus dem Datenblatt)<br />
*:<math>R_{th(ch)}=0,5 \frac{K}{W}</math><br />
*:<math>\vartheta_{j}=110°C</math><br />
*:<math>\vartheta_{a}=30°C</math><br />
*:<math>U_{ein}=12V</math><br />
*:<math>U_{aus}=5V</math><br />
*:<math>I=0,5A</math><br />
*'''Gesucht'''<br />
*:<math>R_{th(ha)}</math><br />
*'''Rechnung'''<br />
*:Zunächst muss die Verlustleistung am Regler berechnet werden. Diese beträgt<br />
*:<math>P_V=P_{Ein}-P_{Aus}=12V \cdot 0,5A~-~5V \cdot 0,5A=3,5 W</math>.<br />
*:Nun sind eigentlich auch schon alle Angaben vorhanden, sodass wir die Formel verwenden können.<br />
*:<math>R_{th(ha)}=\frac{\vartheta_{j}-\vartheta_{a}}{P_{V}}-R_{th(jc)}-R_{th(ch)}</math><br />
*:Einsetzen:<br />
*:<math>R_{th(ha)}=\frac{110°C-30°C}{3,5W}-5\frac{K}{W}-0,5\frac{K}{W} \approx 17,4\frac{K}{W}</math><br />
*'''Ergebnis'''<br />
*:Der Wärmewiderstand des Kühlkörpers darf maximal <math>17,4\frac{K}{W}</math> betragen.<br />
*'''Zusatz'''<br />
*:Aus dem Katalog wird ein Kühlkörper mit einem Wärmewiderstand von <math>10\frac{K}{W}</math> gewählt. Welche Temperatur erreicht der Kühlkörper, wenn er bei den gegebenen Bedingungen eingesetzt wird?<br />
*:<math>\vartheta_h=\vartheta_a+P_{V} \cdot R_{th(ha)}=30°C+3,5W \cdot 10 \frac{K}{W} \approx 65°C</math><br />
<br />
==Mehrere Bauteile auf einem gemeinsamen Kühlkörper==<br />
<br />
[[Bild:Therm-esb3.png|700px]]<br />
<br />
Thermisches Ersatzschaltbild: zwei Wärmequellen, gemeinsamer Kühlkörper<br />
<br />
Wird noch ausgebaut ...<br />
<br />
=Thermische Interface-Materialien (T.I.M.) und Montage=<br />
Wie bereits erwähnt, werden ICs in der Praxis nicht direkt auf einen Kühlkörper befestigt. Der Grund dafür ist folgender: Durch Unebenheiten und die rauhe Oberfläche von Kühlkörper und IC berühren sich die betreffenden Flächen unter dem Mikroskop gesehen nur minimal. Durch Lufteinschlüsse und die Tatsache, dass Luft ein schlechter Wärmeleiter ist, fällt in diesem Fall die thermische Anbindung des ICs an den Kühlkörper relativ schlecht aus.<br />
<br />
Zum Ausgleich der Unebenheiten eignet sich Wärmeleitpaste, welche dünn auf die Kontaktfläche aufgetragen wird. Es genügt eine sehr geringe Menge der Wärmeleitpaste, die Schichtdicke liegt in der Größenordnung 0,1mm. Die Aufgabe der Wärmeleitpaste ist, die Unebenheiten der Kontaktflächen auszugleichen. Zu viel Wärmeleitpaste erhöht wiederum den thermischen Übergangswiderstand. <br />
<br />
Ist zusätzlich eine elektrische Isolation zwischen IC und Kühlkörper erforderlich, können Glimmerscheiben (engl. mica) eingesetzt werden. Elektrische Isolation ist erforderlich, falls zum Beispiel mehrere Transistoren auf einen Kühlkörper montiert werden sollen und eine elektrische Verbindung der Kühlfahnen über den Kühlkörper zu Kurzschlüssen führen würde. Werden Glimmerscheiben verwendet, müssen diese beidseitig mit Wärmeleitpaste bestrichen werden, um sämtliche Unebenheiten auszugleichen. Die Glimmerscheiben werden zwischen IC und Kühlkörper eingebaut. Werden die ICs an den Kühlkörper geschraubt, muss auch die Schraube elektrisch isoliert werden. Hierfür sind entsprechende Hülsen aus Kunststoff erhältlich.<br />
<br />
Wärmeleitfolien aus Silikon /Gap-Filler<br />
<br />
BAUSTELLE<br />
<br />
Zur Montage der ICs auf dem Kühlkörper gibt es mehrere Möglichkeiten. Üblich sind Schraubmontage oder die Verwendung von Metallclips aus Federstahl. Der Anpressdruck durch die Montage kann die thermische Kopplung des ICs zum Kühlkörper beeinflussen. Die Metallclips haben den Vorteil, dass der Anpressdruck mit der Zeit nicht nachlässt.<br />
<br />
BAUSTELLE<br />
<br />
=Dynamisches Ersatzschaltbild=<br />
<br />
Bisher haben wir uns mit statischen Ersatzschaltbildern beschäftigt. Diese beinhalten die Wärmequellen, die Umgebungstemperatur sowie alle thermischen Widerstände. Nicht berücksichtigt wurden bislang Wärmekapazitäten. Erfahrungsgemäß dauert es eine gewissen Zeit, bis alle Gegenstände auf die berechnete Temperatur aufgeheizt sind. Um die zeitlichen Temperaturverläufe bestimmen zu können, müssen die thermischen Ersatzschaltbilder noch mit Wärmekapazitäten ergänzt werden. Wärmewiderstände und Wärmekapazitäten ergeben ein Tiefpassfilter mit einer definierten Zeitkonstante. Bei geeigneter Modellierung kommt das Modell kommt dem realen Temperaturverlauf schon sehr nahe. Nun können wir also zeitveränderliche Vorgänge modellieren. Dies ist insbesondere notwendig wenn sich stark ändernde Verlustleistungen (z.B. Impulsbelastung) an den Bauteilen auftreten und die Temperaturen vorab berechnet werden sollen. Im Hobbybereich ist diese Berechnung jedoch häufig nicht erforderlich, in der Regel genügt das statische Ersatzschaltbild.<br />
<br />
Ergänzen wir das bisherige thermische Ersatzschaltbild um Wärmekapazitäten, ergibt sich das folgende thermische Ersatzschaltbild. Dieses Modell wird als Cauer-Typ bezeichnet. Wärmewiderstände und Wärmekapazitäten lassen sich physikalisch bestimmen und eindeutig im Ersatzschaltbild zuordnen. Berechnete Temperaturen entsprechen realen Temperaturen.<br />
<br />
[[Bild:Therm-esb-dyn-cauer.PNG|600px]]<br />
<br />
Den gleichen Sachverhalt kann man auch mit dem sogenannten Foster-Modell darstellen. Dieses Modell scheint weit verbreitet zu sein, ist allerdings nicht mehr besonders anschaulich. Die gezeigten Ersatzschaltbilder lassen sich auch ineinander überführen, allerdings unterscheiden sich die eingetragenen Wärmekapazitäten und Wärmewiderstände.<br />
<br />
[[Bild:Therm-esb-dyn-foster.PNG|600px]]<br />
<br />
Die schwierige Aufgabe besteht nun darin, alle Zahlenwerte der Wärmewiderstände und Wärmekapazitäten zu bestimmen. Erst dann können die Temperaturverläufe in einer Simulation (z.B. mit SPICE) bestimmt werden. Im Hobbybereich ist diese Berechnung jedoch häufig nicht erforderlich.<br />
<br />
=Kühlkörperbauformen=<br />
* Board-Level-Kühlkörper (aufsteckbare/aufklebbare Kühlkörper, auch für SMD, meist 1 Kühlkörper pro IC)<br />
* Strang-/Profilkühlkörper (meist für hohe Leistungen)<br />
* Kühlaggregate (Kanal + Lüfter)<br />
<br />
Wozu eloxierte Oberflächen?<br />
* geringfügig höhere Wärmestrahlung (bei den niedrigen Temperaturen kaum ein Beitrag)<br />
* elektrische Isolation<br />
* Oberflächenschutz<br />
Nachteile:<br />
* erhöhte Wärmeaufnahme aus der unmittelbaren Umgebung!<br />
<br />
Stiftkühlkörper<br />
* hohe Oberfläche<br />
* bei dickem "Rücken"/"Boden" des Kühlkörpers gute Wärmespreizung<br />
* mit erzwungener Konvektion hohe Wärmeübertragung (quer zu den Stiften effektiver als in Stiftrichtung)<br />
* leichter und kompakter als Strangkühlkörper<br />
<br />
todo<br />
<br />
=Lüfter=<br />
Lüfter werden vor allem dann eingesetzt, wenn der Kühlkörper bei rein passiver Kühlung zur groß, zu schwer oder zu teuer wird. Beim Einsatz des Lüfters führt die erzwungene Luftströmung zur besseren Wärmeabgabe an die Luft. Bei gleicher Temperatur kann der Kühlkörper dann kleiner gewählt werden. Bei hohen Leistungen sind der kleinere Kühlkörper mit Lüfter preisgünstiger und kompakter als ein großer, rein passiver Kühlkörper. Um welchen Faktor die Wärmeableitung mit Lüfter verbessert wird, hängt von vielen Parametern ab und kann nicht pauschal angegeben werden.<br />
<br />
Vorteile<br />
* bessere Wärmeabgabe<br />
* Kühlkörper kann bei gleicher Temperatur kleiner, leichter und kostengünstiger werden<br />
* In kleinem Maßstab günstiger als Wasserkühlung o.ä.<br />
<br />
Nachteile<br />
* zusätzlicher Stromverbrauch<br />
* Geräuschentwicklung und Vibrationen<br />
* zusätzliche Kosten für Lüfter und dessen Montage<br />
* Im Falle eines unbemerkten Ausfalls kann die Schaltung überhitzen (Abhilfe: Thermostat, Temperaturfühler oder Tachosignal auswerten)<br />
<br />
Anordnungen:<br />
* Push-Prinzip: Der Lüfter bläst die Luft in den Kühlkörper/-kanal<br />
* Pull-Prinzip: Der Lüfter saugt die Luft aus dem Kühlkörper/-kanal heraus<br />
<br />
Kenngrößen:<br />
* Luftdurchsatz in <math>\frac{m^{3}}{h}</math><br />
* Nennspannung, Nennstrom, Nennleistung<br />
* Typ Axial/Radial<br />
* Größe<br />
* Geräuschpegel<br />
* Art der Lagerung (Kugellager, Sinterbronze-Lager etc.)<br />
* Temperaturbereich<br />
* Lebensdauer, MTBF<br />
<br />
=Entwärmung auf einer Platine=<br />
Beim Leiterplattenentwurf muss bereits in der Designphase abgeschätzt werden, welche Verlustleistungen auftreten und wie die entstehende Wärme abgeführt werden kann. Die Anordnung der Bauteile und die Gestaltung der Leiterbahnen hat Auswirkungen auf das thermische Verhalten. Die Einbaulage der Platine kann die Entwärmung zudem beeinflussen. Erwärmte Umgebungsluft steigt bekanntlich nach oben und kann andere Komponenten oder Platinen aufheizen. Wird die Platine in ein Gehäuse eingebaut, müssen gegebenenfalls Lüftungsschlitze eingebracht werden oder die zu kühlenden Bauteile an der Gehäusewand platziert werden. Bei geschlossenen Gehäusen muss bei der Kühlkörperdimensionierung mit höheren Umgebungstemperaturen gerechnet werden (z.B. 50°C, 60°C), da sich die Wärme zunächst im Gehäuse staut und nur allmählich durch die Gehäusewand abgegeben wird.<br />
<br />
==Bedrahtete Bauteile==<br />
Für bedrahtete Bauteilgehäuse wie z.B. TO-220 sind zahlreiche Kühlkörpervarianten erhältlich. Für Printmontage eignen sich Kühlkörper, die mit Lötstiften oder Schrauben an der Platine befestigt werden. Das Bauteil selbst wird mit einem Federclip oder einer Schraube am Kühlkörper montiert. Die Größe, Bauform und Befestigung des Kühlkörpers muss bereits beim Leiterplattenentwurf berücksichtigt werden. Leistungsdioden und Leistungswiderstände sind in den meisten Fällen für Konvektionskühlung ausgelegt, d.h. durch Luftströmung. Diese werden meist mit etwas Abstand von der Platinenoberfläche montiert, um die gesamte Bauteiloberfläche zur Kühlung nutzen zu können und um die Platine nicht unnötig aufzuheizen.<br />
<br />
Zur Verbesserung der Wärmeableitung kann, abgesehen vom Kühlkörper, auch die Platine bei der Wärmeverteilung helfen:<br />
* Breite Leiterbahnen können Wärme abführen und auf eine große Fläche verteilen<br />
* Eine dickere Kupferkaschierung kann die Wärmeableitung unterstützen (Standard sind 35µm, erhältlich sind auch 70µm und mehr), dies reduziert zudem die elektrischen Leiterbahnwiderstände<br />
* Mit einer großen Zahl von Durchkontaktierungen (vias) kann die Wärme auf andere Kupferlagen verteilt werden (der Platinenkern FR4 allein hat eine schlechte Wärmeleitfähigkeit)<br />
* Einsatz spezieller Platinenmaterialien (Alukern) z.B. bei Platinen für High-Power-LEDs<br />
* Für kleinere ICs mit Wärmeentwicklung eignen sich aufklebbare Kühlkörper<br />
<br />
Beim Entwurf der Platine muss den Bauteilen in der Nähe der Wärmequelle besondere Aufmerksamkeit geschenkt werden. Vor allem sind '''Elektrolytkondensatoren (Elkos)''' betroffen, da diese durch benachbarte Wärmequellen allmählich austrocknen und zum Ausfall der Schaltung führen können! Elkos sollten möglichst so platziert werden, dass sie eine geringe Temperatur und somit eine hohe Lebensdauer erreichen. Jedoch ist dies bei manchen Anwendungen nur eingeschränkt möglich. Beispielsweise sind bei Schaltreglern kurze Leiterschleifen erwünscht, um die elektromagnetische Verträglichkeit zu verbessern (Leiterschleifen wirken als Antenne) und um parasitäre Induktivitäten und Widerstände zu reduzieren. Der Einsatz hochwertiger Elkos mit geringem ESR, hoher Maximaltemperatur und Lebensdauer ist empfehlenswert. Zudem ist auf ausreichende Spannungsfestigkeit und geringe Rippleströme im Betrieb zu achten. Im Laufe der Betriebszeit sinkt die Kapazität des Elkos und die Verluste steigen. Die Lebensdauer der Elkos kann abgeschätzt werden. Die Hersteller geben idR. die Lebensdauer bei der spezifizierten Maximaltemperatur an, z.B. 5000h bei 105°C. Zur Abschätzung der Lebensdauer gilt hier auch die 10°C-Regel (laut Panasonic im Bereich 40°C bis 100°C), d.h. pro 10°C niedrigerer Betriebstemperatur verdoppelt sich die Lebensdauer des Elkos. Die erwartete Lebensdauer kann mit der folgenden Formel (Panasonic) abgeschätzt werden:<br />
<br />
<math>\Large L=L_{Tmax} \cdot 2^{\left( \frac{T_{max} - T}{10} \right)}</math><br />
<br />
'''Beispiel'''<br />
<br />
Ein Elko ist mit 5000h bei 105°C spezifiziert. Welche Lebensdauer wird bei einer Temperatur von 55°C erwartet?<br />
* Gegeben: <math>\large L_{Tmax}=5000h</math> , <math>\large T_{max}=105°C</math> , <math>\large T=55°C</math><br />
* Rechnung: <math>\large L=L_{Tmax} \cdot 2^{\left( \frac{T_{max} - T}{10} \right)}=5000h \cdot 2^{\left( \frac{105°C - 55°C}{10} \right)}=5000h \cdot 2^5=5000h \cdot 32=160000h</math><br />
* Ergebnis: Die Lebensdauer des Elkos beträgt unter diesen Bedingungen etwa 160000h, also über 18 Jahre Dauerbetrieb!<br />
* Bemerkung: Würde man z.B. einen billigen 2000h/85°C-Elko verwenden, würde dieser unter den gleichen Bedingungen keine 2 Jahre durchhalten!<br />
<br />
Liegt das Datenblatt des verwendeten Elkos vor, sollte man sich an die dort genannten Berechnungen und Zahlenwerte halten. Die gezeigte Berechnung ist nur eine Näherungsformel. Für weitere Verwendungshinweise sei auf die ''Application Guidelines'' für ''Radial Lead Type Aluminum Electrolytic Capacitors'' von ''Panasonic'' verwiesen (siehe Quellenangaben und Verweise am Seitenende).<br />
<br />
==SMD-Bauteile==<br />
SMD-Bauteile können meist über die Platine gut entwärmt werden. Dies ist normalerweise nur bei geringen Verlustleistungen möglich. Die Abwärme der Bauteile muss auf eine möglichst große Fläche verteilt werden, durch große Kupferflächen auf der Platine kann dies erreicht werden. Da die Wärmeleitfähigkeit der Kupferauflage deutlich höher ist als die Wärmeleitfähigkeit des Platinenmaterials FR4, wird sich die Wärme hauptsächlich in der Fläche verteilen, jedoch weniger ''durch'' die Platine hindurch. Um die Wärmeleitung durch die Platine (z.B. von Ober- zu Unterseite) zu erhöhen, müssen Durchkontaktierungen gesetzt werden. Sogenannte "Thermal Vias" werden in einer großen Anzahl an das zu entwärmende Bauteil gesetzt und können damit die Wärme zu anderen Kupferlagen der Platine weiterleiten. Die Wärmeleitung durch die Platine hindurch wird verbessert, liegt aber dennoch deutlich unter der Wärmeleitfähigkeit von reinem Kupfer. Thermische Vias können aufgrund ihrer kleinen Masse kaum einen Beitrag zur gesamten "Kühlmasse" beitragen. Ob schließlich eine Entwärmung durch die Platine ausreicht, muss durch Simulation oder Messung gezeigt werden.<br />
<br />
Welche Temperatur das Bauteil auf der Platine erreicht, kann nach dem Aufbau natürlich gemessen werden. Besser wäre es jedoch, die Temperaturen bereits beim Entwurf der Platine zu kennen, um einschätzen zu können, ob die Entwärmung ausreichend ist. Allgemeine Angaben hierfür sind schwer zu finden, jedoch gibt es vereinzelt Angaben in Datenblättern von Halbleitern zur Entwärmung. An den folgenden Zahlenwerten kann man sich orientieren, wenn man ähnliche Bauteile entwärmen möchte. Damit man für die genannten Flächen eine grobe Vorstellung hat, sei noch erwähnt: ein Cent hat eine Fläche von grob <math>200mm^2</math>, ein Euro hat grob <math>400mm^2</math>.<br />
<br />
Für SMD-Bauteile exisitieren Kühlkörper, die sich direkt auf die Platine löten lassen, diese sind auch maschinenbestückbar.<br />
<br />
'''TO263 (=D2PAK)'''<br />
<br />
Im Datenblatt des Schaltreglers LM2576 von ''National Semiconductor'' findet man für das TO263-Gehäuse einige Angaben. Das TO263-Gehäuse gleicht übrigens dem TO220 bis auf die Tatsache, dass die Kühlfahne kürzer ist und das Gehäuse für SMD-Montage vorgesehen ist. Das Datenblatt gibt thermische Widerstände für den Übergang Junction-Ambient an. Die Angabe ist abhängig von der Kupferfläche auf der Platine, die unmittelbar für das Bauteil aus Kühlkörper wirkt. Die Zahlenwerte aus dem Datenblatt wurden in Quadratmillimeter umgerechnet, gerundet und stehen nun in der Tabelle bereit. Keine Angaben macht der Hersteller zu den Rahmenbedingungen, unter denen die thermischen Widerstände ermittelt wurden (Platinendicke, Durchkontaktierungen, Form der Kupferfläche und Dicke der Kupferkaschierung). Dennoch können die Werte zur groben Orientierung dienen.<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
| Kupferfläche || therm. Widerstand<br />
|-<br />
| <math>325 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 50\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>645 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 37\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>1030 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 32\frac{K}{W} </math><br />
|}<br />
<br />
'''TO252 (=DPAK), SOT223'''<br />
<br />
Im Datenblatt des Low-Drop-Spannungsreglers LM1117 von ''National Semiconductor'' sind Angaben zur Entwärmung über die Platine von SOT223 und TO252-Gehäusen vorhanden. Der Hersteller gibt an, für das SOT223-Gehäuse eine 35µm dicke, und für das TO252-Gehäuse eine 70µm dicke Kupferkaschierung der Platine verwendet zu haben. Leider finden sich in diesem Datenblatt keine Informationen zu Durchkontaktierungen, Platinendicke, und ob das IC auf der Ober- oder Unterseite der Platine montiert wurde (Vermutung: oben montiert, da angegebene thermische Widerstände geringer sind). Der Hersteller hat drei Fälle untersucht: Kupferfläche oben, Kupferfläche unten, Kupferfläche beidseitig. Für das thermische Platinendesign kann man diese Zahlenwerte zumindest als Richtwerte verwenden. Das Datenblatt enthält zudem Zeichnungen der Kühlflächen. Die Zahlenwerte wurden wieder in Quadratmillimeter umgerechnet und gerundet und in die folgenden Tabelle eingetragen:<br />
<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
| Kupferfläche top || Kupferfläche bottom || therm. Widerstand SOT223 || therm. Widerstand TO252<br />
|-<br />
| <math> 200mm^2</math> || - || <math>R_{th(ja)}\approx 84\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 60\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math> 350mm^2</math> || - || <math>R_{th(ja)}\approx 75\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 54\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math> 650mm^2</math> || - || <math>R_{th(ja)}\approx 66\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 47\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| - || <math> 250mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 98\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 70\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| - || <math> 400mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 89\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 63\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| - || <math> 650mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 79\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 57\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math> 200mm^2</math> || <math> 200mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 83\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 61\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math> 250mm^2</math> || <math> 250mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 75\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 55\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math> 350mm^2</math> || <math> 350mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 70\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 53\frac{K}{W} </math><br />
|}<br />
<br />
'''SO8'''<br />
<br />
Für das SO8-Gehäuse findet man eine Angabe im Datenblatt des Spannungsreglers 78L05 von ''ST'':<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
| Kupferfläche || therm. Widerstand<br />
|-<br />
| <math>600 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 55\frac{K}{W} </math><br />
|}<br />
<br />
'''SO20'''<br />
<br />
Aus dem Datenblatt des L293DD sind Angaben zum SO20-Gehäuse enthalten. In diesem Falle sind 8 zentrale Pins an die Kühlfläche angebunden, die Kupferkaschierung ist vermutlich einseitig 35µm. Die groben Richtwerte sind:<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
| Kupferfläche || therm. Widerstand<br />
|-<br />
| <math>200 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 60\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>400 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 53\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>600 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 51\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>800 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 50\frac{K}{W} </math><br />
|}<br />
<br />
'''PowerDIP20'''<br />
<br />
Für das DIP20-Gehäuse wird man im Datenblatt des Motortreibers L6202 von ''ST'' fündig. Bei 35µm Kupferkaschierung der Platine ergeben sich die folgenden thermischen Widerstände.<br />
<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
| Kupferfläche || therm. Widerstand<br />
|-<br />
| <math>0 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 58\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>200 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 45\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>400 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 39\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>600 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 38\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>800 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 37\frac{K}{W} </math><br />
|}<br />
<br />
Für die Form der empfohlenen Kühlfläche sei auf das Datenblatt verwiesen. Wird das IC in einem Sockel verwendet, muss man sicherlich von höheren thermischen Widerständen ausgehen.<br />
<br />
'''AN-994'''<br />
<br />
In der ''Application Note AN-994 - Maximizing the Effectiveness of your SMD Assemblies'' von ''International Rectifier (IRF)'' sind weitere Daten vorhanden. Die dort genannten Daten sind jedoch teils drastisch niedriger als die hier genannten. Eine mögliche Erklärung sind z.B. die höhere Kupferauflage (70µm) oder evtl. optimierte Wärmewiderstände innerhalb der Gehäuse.<br />
<br />
'''Große Kupferflächen'''<br />
<br />
Im ''Application Hint 17 - Designing P.C. Board Heat Sinks - by Bob Wolbert (Micrel)'' werden Angaben zu thermischen Widerständen der Platine für vergleichsweise große Flächen gemacht. Die thermischen Widerstände beschreiben den Übergang <math>R_{th(ha)}</math> unter den Bedingungen: Quadratische Kupferfläche, einseitig, horizontal montiert, Lötstopplack, keine Belüftung. Die Dicke der Kupferkaschierung ist nicht angegeben. Hier einige Werte, abgelesen aus dem Diagramm der genannten Application Note:<br />
<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
| Kupferfläche || therm. Widerstand<br />
|-<br />
| <math>500 mm^2</math> || <math>R_{th(ha)}\approx 60\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>1000 mm^2</math> || <math>R_{th(ha)}\approx 45\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>1500 mm^2</math> || <math>R_{th(ha)}\approx 38\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>2000 mm^2</math> || <math>R_{th(ha)}\approx 33\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>2500 mm^2</math> || <math>R_{th(ha)}\approx 30\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>3000 mm^2</math> || <math>R_{th(ha)}\approx 28\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>4000 mm^2</math> || <math>R_{th(ha)}\approx 24\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>5000 mm^2</math> || <math>R_{th(ha)}\approx 22\frac{K}{W} </math><br />
|}<br />
<br />
<br />
'''Abschlusskommentar'''<br />
<br />
An den gezeigten, thermischen Widerständen sieht man leicht: je größer die Kühlfläche, desto geringer der thermische Widerstand. Dieses Verhalten würde man so auch erwarten.<br />
<br />
Ab einer bestimmten Fläche wird die Platine als Kühlkörper jedoch unhandlich, und man wird die Fläche nicht weiter vergrößern. Die mit den Kupferflächen erreichten thermischen Widerstände sind für viele Anwendungen noch deutlich zu hoch. Bei Verlustleistungen von wenigen Watt werden dadurch bereits kritische Chiptemperaturen erreicht. Wie bereits oben erwähnt, funktioniert die Entwärmung von SMD-Komponenten über die Platine also nur für kleine Verlustleistungen. Bei größeren Verlustleistungen müssen zusätzliche Entwärmungsmaßnahmen getroffen werden (z.B. aufklebbarer Kühlkörper, etc.). Zielführend ist auch, die Ursache der Erwärmung, nämlich die Verlustleistung zu verringern. Wird beispielsweise ein Linearregler durch einen effizienteren Schaltregler ersetzt, kann die Entwärmung aufgrund der kleineren Verlustleistung deutlich einfacher gestaltet werden. Ob die Verringerung der Verlustleistung möglich ist, hängt natürlich von der Anwendung ab.<br />
<br />
=Spezielle Kühlkörper=<br />
<br />
todo<br />
<br />
=Autoren=<br />
* BMS<br />
<br />
[[Kategorie:Elektronik]]<br />
[[Kategorie:Mechanik]] <br />
[[Kategorie:Praxis]] <br />
[[Kategorie:Grundlagen]]<br />
<br />
=Quellen und Verweise=<br />
<br />
Printmedien:<br />
<br />
* Best, Siegfried W.: ''Elektronikkühlung und Wärmemanagement von A bis Z''. In: Elektronikpraxis - Sonderheft Elektromechanik, April 2013. S. 20ff.<br />
* Best, Tobias: ''Thermisches Via, die kleine Schwester der Heatpipe''. In: Elektronikpraxis, April 2013. S. 12ff.<br />
* Erdmann, Marc: ''Beste Effizienz auch beim Thermal Management''. In: Elektronikpraxis - Sonderheft Leistungelektronik und Stromversorgung. März 2015. S. 38ff.<br />
* Kerstin, Nils; Schulz, Martin: ''Thermische Widerstände genau messen - eine Herausforderung''. In: Elektronikpraxis, Nr. 17, September 2014. S. 48ff.<br />
* K.R. (Alutronic): ''Stiftkühlkörper für die Leistungselektronik''. In: Elektronikpraxis Nr.9, Mai 2014. S. 50ff.<br />
* Harpain, Jürgen: ''Wärmeleitmaterial kompensiert Lufteinschlüsse''. In: Elektronikpraxis Nr.1, Januar 2014. S. 36ff.<br />
* Harpain, Jürgen: ''Entwärmungskonzepte für Einzelhalbleiter und ICs''. In: Elektronikpraxis - Sonderheft Elektromechanik, April 2014. S. 14ff.<br />
* Schulz, Martin: ''Fünf Fettnäpfchen beim Bestimmen thermischer Größen''. In: Elektronikpraxis, November 2013. S. 36ff.<br />
* Schulz, Martin: ''Mythen und Legenden über Wärmeleitmaterialien''. In: Elektronikpraxis Nr.2., Januar 2014. S. 42ff.<br />
* Specovius, J.: Grundkurs Leistungselektronik: Bauelemente, Schaltungen und Systeme. Wiesbaden 2014. 6. Auflage. S.95-104<br />
----<br />
<br />
Datenblätter, aus denen thermische Widerstände entnommen wurden:<br />
<br />
* [http://pdf.datasheetcatalog.com/datasheet/nationalsemiconductor/DS011476.PDF Datenblatt LM2576 von National Semiconductor]<br />
* [http://pdf.datasheetcatalog.com/datasheet/nationalsemiconductor/LM1117.pdf Datenblatt LM1117 von National Semiconductor]<br />
* [http://pdf.datasheetcatalog.com/datasheets/150/9358_DS.pdf Datenblatt L78Lxx von ST]<br />
* [http://pdf.datasheetcatalog.com/datasheet/stmicroelectronics/1330.pdf Datenblatt L293DD von ST]<br />
* [http://pdf.datasheetcatalog.com/datasheet/stmicroelectronics/1373.pdf Datenblatt L6202 von ST]<br />
* [http://www.irf.com/technical-info/appnotes/an-994.pdf ''Application Note AN994 - Maximizing the Effectiveness of your SMD Assemblies'' - International Rectifier (IRF)]<br />
* [http://www.micrel.com/_PDF/App-Hints/ah-17.pdf ''Application Hint 17 - Designing P.C. Board Heat Sinks - by Bob Wolbert (Micrel)'']<br />
<br />
----<br />
<br />
Weblinks:<br />
<br />
* [http://stegem.de/Elektronik/Kuehlkoerper/ Online-Tool zur Kühlkörperberechnung von Gemmel, S.]<br />
* [http://ludens.cl/Electron/Thermal.html Thermal Design - von Mornhinweg, M.]<br />
* [http://sound.westhost.com/heatsinks.htm The Design of Heatsinks - von Elliot, R.]<br />
* [http://www.giangrandi.ch/electronics/thcalc/thcalc.shtml Calculating Heat sinks - von Giangrandi, I.]<br />
* [http://www.irf.com/technical-info/appnotes/an-1057.pdf Application Note AN-1057: Heatsink Characteristics von International Rectifier (IRF)]<br />
* [http://ww1.microchip.com/downloads/en/AppNotes/00792a.pdf Application Note AN792: A method to determine how much power a sot23 can dissipate in an application (Microchip Technology Inc. 2001)]<br />
* [http://www.fairchildsemi.com/application-notes/AN/AN-1028.pdf Application Note AN1028: Maximum Power Enhancement Techniques for SOT-223 Power MOSFETs (Fairchild Semiconductor 1996)]<br />
* [http://www.industrial.panasonic.com/www-data/pdf/ABA0000/ABA0000PE26.pdf Aluminium Electrolytic Capacitors - Application Guidelines (Panasonic 2015)]<br />
* [http://www.vishay.com/docs/52027/thermmgt.pdf Thermal Management on SMD Thick Film Resistors (Vishay 2015)]</div>BMShttps://rn-wissen.de/wiki/index.php?title=K%C3%BChlk%C3%B6rper&diff=26565Kühlkörper2015-07-25T12:06:33Z<p>BMS: /* Quellen und Verweise */</p>
<hr />
<div>{{Baustelle|BMS}}<br />
<br />
Dieser Artikel behandelt die Grundlagen zu Kühlkörpern.<br />
<br />
[[Bild:kuehlkörper-uebersicht.jpg|thumb|Verschiedene Kühlkörper, links ein TO220-Gehäuse zum Größenvergleich]]<br />
<br />
=Einleitung=<br />
<br />
'''Wieso sind überhaupt Kühlkörper in technischen Geräten erforderlich?'''<br />
<br />
Kein Gerät kann einen 100-prozentigen Wirkungsgrad erzielen und somit tritt Verlustleistung auf. Diese Verlustleistung führt zur Erwärmung der Bauteile. Kühlkörper sollen die Entwärmung verbessern, indem die entstehende Wärme auf eine große Fläche verteilt wird und durch Konvektion an der Luft auskühlen kann. Die Temperatur an den heißen Bauteilen ist mit Kühlkörper geringer als ohne Kühlkörper.<br />
<br />
'''Wieso sind hohe Bauteiltemperaturen ungünstig?'''<br />
<br />
Die Lebensdauer aller elektronischen Bauteile ist stark von der Temperatur abhängig. Als Faustregel gilt: Eine Temperaturerhöhung um 10 Grad führt zur Halbierung der Lebensdauer. Außerdem gibt es Grenztemperaturen, die nicht überschritten werden dürfen. Beispielsweise dürfen Halbleiter keine Temperatur über 150°C erreichen. Platinenmaterial FR4 sollte 125°C (sog. Erweichungspunkt) nicht überschreiten. Extrembeispiele sind die Schmelztemperatur von Isolierungen, Lötzinn etc... sowie Brandgefahr durch hohe Temperaturen. Viele Bauteile können ohne vernünftige Kühlung nicht ihren vollen Funktionsumfang erreichen, liefern dann z.B. geringere Maximalströme oder es greift die Temperaturabschaltung. Anders formuliert: Die maximale Leistung eines Bauteils oder Geräts wird durch seine Entwärmung bestimmt! Zur eigenen Sicherheit bietet es sich zudem an, die Temperaturen niedrig zu halten, sodass man sich am Gerät nicht die Finger verbrennen kann ;)<br />
<br />
=Wärmeübertragung=<br />
Prinzipiell kann Wärmeübertragung über Wärmeleitung, Konvektion und Wärmestrahlung geschehen. In vielen Anwendungen treten mehrere Mechanismen gleichzeitig auf. Welcher Mechanismus hauptsächlich auftritt, ist von der mechanischen Anordnung, den Materialien und der Temperatur abhängig. Wärmeleitung und Konvektion sind die wichtigsten Arten der Wärmeübertragung, die in der Praxis auftreten. Nun zu den einzelnen Effekten:<br />
<br />
*'''Wärmeleitung'''<br />
*: Bei der Wärmeleitung wird die Wärme über einen direkten mechanischen Kontakt (Bsp. IC <math>\rightarrow</math>Kühlkörper) übertragen. Den beteiligten Materialien wird jeweils eine spezifische Wärmeleitfähigkeit <math>\lambda</math> zugeordnet, dazu später mehr.<br />
<br />
*'''Konvektion'''<br />
*: Mit Konvektion wird die Strömungsbewegung in Flüssigkeiten und Gasen bezeichnet. Praxisbeispiele sind die Wärmeabgabe eines Kühlkörpers an die Umgebungsluft oder auch eine Wasserkühlung. Von erzwungener Konvektion spricht man, wenn die Strömung durch z.B. einen Ventilator/Lüfter oder eine Wasserpumpe hervorgerufen wird. Im Vakuum kann keine Konvektion auftreten.<br />
<br />
*'''Wärmestrahlung'''<br />
*: Wärmestrahlung ist elektromagnetische Strahlung (hauptsächlich Infrarot und sichtbares Licht), die vom heißen Festkörper abgestrahlt wird. Sie wird erst bei höheren Temperaturen relevant und ist bei den üblichen Kühlkörpertemperaturen meist zu vernachlässigen. Erwähnt werden soll zudem, dass Wärmestrahlung der einzige Mechanismus der Wärmeleitung ist, welcher im Vakuum auftreten kann. (Für Details zu Wärmestrahlung siehe auch: Plancksches Strahlungsgesetz und Schwarzer Strahler).<br />
<br />
=Materialien=<br />
Jedes Material besitzt eine spezifische Wärmeleitfähigkeit, welche angibt, wie gut dieses Material Wärme weiter transportieren kann. Die spezifische Wärmeleitfähigkeit ist unabhängig von der Geometrie des Materials, wird mit der Größe <math>\lambda</math> (Lambda) ausgedrückt und erhält die Einheit <math>\frac{W}{m \cdot K}</math>.<br />
<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
|-<br />
| '''Material''' || '''<math>\lambda</math> in <math>\left[ \frac{W}{m \cdot K} \right]</math>'''<br />
|-<br />
| Silber || 430<br />
|-<br />
| Kupfer || 400<br />
|-<br />
| Aluminium || 230<br />
|-<br />
| Silizium || 140 <br />
|-<br />
| Wärmeleitpaste || 5 ... 10<br />
|-<br />
| Glas || 0,7<br />
|-<br />
| Wasser || 0,5<br />
|-<br />
| Platinenmaterial FR4 || 0,2 ... 0,5<br />
|-<br />
| Luft || 0,02<br />
|}<br />
<br />
Die meisten Kühlkörper werden aus Aluminiumlegierungen hergestellt. Für Aluminium spricht seine relativ hohe Wärmeleitfähigkeit, die hohe Verfügbarkeit und geringe Dichte. Im Vergleich zu Kupfer und Silber ist Aluminium deutlich kostengünstiger. Darüber hinaus lässt sich Aluminium mechanisch gut verarbeiten. Kupfer wird mit seiner höheren Wärmeleitfähigkeit z.B. bei Heatpipes eingesetzt.<br />
<br />
todo<br />
<br />
Wärmewiderstand <math>R_{th}=\frac{d}{\lambda \cdot A}</math><br />
<br />
d: Materialdicke, welche für die Wärmeleitung relevant ist<br />
<br />
<math>\lambda</math>spezifische Wärmeleitfähigkeit des Materials<br />
<br />
A: Querschnitts-/Kontaktfläche<br />
<br />
=Definitionen=<br />
Um vorauszusagen, wie sich die Temperaturen in einer Schaltung verhalten, bedient sich der Ingenieur - wie auch bei vielen anderen Anwendungen - eines Ersatzschaltbildes (ESB). Zur Erstellung eines thermischen Ersatzschaltbildes muss man sich aber zunächst mit den thermischen Größen vertraut machen.<br />
<br />
Die Temperaturen werden mit dem griechischen Buchstaben Theta <math>\theta</math> gekennzeichnet. Temperaturen werden in Grad Celsius (°C), Temperaturdifferenzen in Kelvin (K) angegeben. (Am Rande: Es existiert auch eine Kelvinskala mit dem absoluten Nullpunkt 0 K=-273,15°C). Die Temperaturen werden außerdem noch mit einem Index gekennzeichnet, abhängig von der mechanischen Stelle, an der sie auftreten:<br />
<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
|-<br />
| Symbol || Index || Bedeutung<br />
|-<br />
| <math>\vartheta_{J}</math> || J=Junction || Sperrschichttemperatur des Halbleiters<br />
|-<br />
| <math>\vartheta_{C}</math> || C=Case || Gehäusetemperatur des Bauteils<br />
|-<br />
| <math>\vartheta_{H}</math> || H=Heat Sink || Temperatur des Kühlkörpers<br />
|-<br />
| <math>\vartheta_{A}</math> || A=Ambient || Umgebungstemperatur<br />
|}<br />
<br />
Die Verlustleistung eines Bauteils beschreibt die Größe <math>P_{V}</math> und wird, wie allgemein bekannt, in Watt angegeben.<br />
<br />
Als neue Größe wird nun der thermische Widerstand eingeführt, dieser wird mit <math>R_{th}</math> beschrieben und bekommt die Einheit <math>\frac{K}{W}</math>. <br />
<br />
Für die thermischen Größen gibt es, ähnlich dem Ohmschen Gesetz, einen linearen Zusammenhang. Dieser lautet<br />
<br />
<math>R_{th}=\frac{\vartheta_{ü}}{P_{V}}</math><br />
<br />
todo<br />
<br />
'''Vergleich elektrischer und thermischer Größen'''<br />
<br />
Insgesamt können wir nun eine Analogie zwischen bekannten elektrischen Größen und den thermischen Größen angeben. Die schon gelernten Prinzipien zur Lösung linearer Netzwerke lässt sich auch bei den thermischen Ersatzschaltbildern anwenden.<br />
<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
|-<br />
| elektrisch || thermisch<br />
|-<br />
| Spannung U || Temperatur <math>\vartheta</math><br />
|-<br />
| Strom I || Verlustleistung <math>P_{V}</math><br />
|-<br />
| Widerstand R || thermischer Widerstand <math>R_{th}</math><br />
|}<br />
<br />
=Statisches Ersatzschaltbild=<br />
Mit den thermischen Zusammenhängen haben wir uns inzwischen vertraut gemacht. Nun können wir damit beginnen, thermische Ersatzschaltbilder von einfachen Anordnungen zu erstellen. Mit solchen Modellen können Temperaturen, wie z.B. die Chiptemperatur, vorab berechnet werden. Für die Berechnung müssen Wärmewiderstände, Umgebungstemperatur und Verlustleistung bekannt sein, da sie in die Berechnung einfließen.<br />
<br />
Bei den thermischen Ersatzschaltbildern kann man ein statisches oder ein dynamisches Ersatzschaltbild erstellen. Bei den statischen Ersatzschaltbilder wird davon ausgegangen, dass alle Größen zeitlich konstant sind, bzw. sofort ihre Solltemperatur entsprechend dem Modell annehmen. In der Realität dauert es natürlich eine gewisse Zeit, bis sich alle beteiligten Materialien aufgeheizt haben. Die Temperaturen des statischen Modells werden dabei erst nach einer bestimmten Zeit erreicht. <br />
<br />
Für die meisten Anwendungen genügt es jedoch, das statische thermische Ersatzschaltbild zu erstellen und den Kühlkörper dem entsprechend zu dimensionieren. Die Kühlung wird z.B. auf die maximale oder die mittlere auftretende Verlustleistung dimensioniert. Es wurde bereits erwähnt, dass sich die Bauteiltemperatur auf dessen Lebensdauer auswirkt. Dabei gilt: je niedriger die Bauteiltemperatur, desto länger die zu erwartende Lebensdauer. Je nach Anwendung und Rahmenbedingungen muss eventuell ein Kompromiss zwischen Kühlkörpergröße/kosten und Gerätelebensdauer gewählt werden. Beispielsweise kann der verfügbare Platz, ein Gesamtgewicht oder eine Kostenvorgabe begrenzender Faktor sein. Für einen dauerhaften sicheren Betrieb muss der Kühlkörper und weitere beteiligte Materialien für den worst case ausgelegt oder sogar überdimensioniert werden.<br />
<br />
==Bauteil ohne Kühlkörper==<br />
Um den Umgang mit den thermischen Ersatzschaltbildern zu lernen, soll zunächst mit einem einfachen Beispiel begonnen werden. In diesem Fall wird der Wärmeübergang von einem einzelnen Bauteil zu Luft betrachet, es kommt zunächst also noch kein Kühlkörper zum Einsatz. Das Ersatzschaltbild sieht in diesem Fall folgendermaßen aus:<br />
<br />
[[Bild:Therm-esb1.png|450px]]<br />
<br />
Die am Bauteil entstehende Verlustleistung ist Ursache der Abwärme und wird im thermischen Ersatzschaltbild als ideale Stromquelle modelliert.<br />
<br />
Die Abwärme gelangt nun über den Weg Sperrschicht (Junction) <math>\rightarrow</math> Bauteilgehäuse (Case) <math>\rightarrow</math> Umgebung (Ambient) nach außen. Im Ersatzschaltbild ist jeder Übergang als thermischer Widerstand modelliert. Die genauen Zahlenwerte der Wärmewiderstände lassen sich in der Regel dem Datenblatt des Bauteils entnehmen. Benötigt werden die Werte für <math>R_{th(jc)}</math> und <math>R_{th(ca)}</math>. In manchen Datenblättern findet man die Angabe <math>R_{th(ja)}</math>, was der Reihenschaltung aus den beiden vorher genannten Werten entspricht, also <math>R_{th(ja)}=R_{th(jc)}+R_{th(ca)}</math>.<br />
<br />
Die Umgebungstemperatur wird als ideale Spannungsquelle modelliert. Sämtliche Spannungen im Ersatzschaltbild entsprechen den auftretenden Temperaturen.<br />
<br />
Da es sich nun um ein lineares Netzwerk handelt, gelten hier ebenfalls die Kirchhoff'schen Gleichungen. Relativ leicht lässt sich nun die Temperatur am Bauteilgehäuse (Case) und der Sperrschicht (Junction) berechnen:<br />
<br />
<math>\vartheta_{c}=\vartheta_{a}+R_{th(ca)} \cdot P_{V}</math><br />
<br />
<math>\vartheta_{j}=\vartheta_{a}+R_{th(jc)} \cdot P_{V}+R_{th(ca)} \cdot P_{V}=\vartheta_{a}+(R_{th(jc)}+R_{th(ca)}) \cdot P_{V}=\vartheta_{a}+R_{th(ja)} \cdot P_{V}</math><br />
<br />
Da die thermischen Widerstände bei der Reihenschaltung auch zusammengefasst werden dürfen, beschreibt folgendes thermisches Ersatzschaltbild den gleichen Zusammenhang. Nachteil ist hier allerdings, dass die Temperatur am Gehäuse nicht modelliert wird.<br />
<br />
[[Bild:Therm-esb0.png|300px]]<br />
<br />
===Derating===<br />
<br />
Die Überlegungen zur Sperrschichttemperatur kann auch anders interpretiert werden. Gibt man die Sperrschichttemperatur vor, kann man die maximal erlaubte Verlustleistung des Bauteils in Abhängigkeit der Umgebungstemperatur bestimmen. Die folgende Formel erhält man aus Umformung der oberen Gleichung:<br />
<br />
<math>P_{V} \leq \frac{\vartheta_{j}-\vartheta_{a}}{R_{th(ja)}}</math><br />
<br />
Bei Halbleitern darf idR. die Sperrschichttemperatur nicht 150°C überschreiten. Der thermische Widerstand wird hauptsächlich durch das Gehäuse vorgegeben. Aus der Formel sieht man nun folgendes: Je höher die Umgebungstemperatur, desto geringer fällt die maximal erlaubte Verlustleistung aus. Diesen Zusammenhang bezeichnet man auch als '''Derating'''. Der typische Verlauf sieht meist so aus:<br />
<br />
[[Bild:Derating.png|300px]]<br />
<br />
Die Derating-Formel gilt im Bereich <math>\vartheta_{1} ... \vartheta_{max}</math>. Für Temperaturen unter <math>\vartheta_{1}</math> darf die Maximalleistung <math>P_{max}</math>des Bauteilgehäuses nicht überschritten werden. <math>\vartheta_{1}</math> liegt bei meist 25°C. Den genauen Verlauf kann man dem Datenblatt des betreffenden Bauteils entnehmen.<br />
<br />
===Beispielrechnung===<br />
<br />
Ein Spannungsregler vom Typ 7805 im TO220-Gehäuse soll ohne Kühlkörper betrieben werden. Wie hoch ist die maximal erlaubte Verlustleistung, wenn die Sperrschichttemperatur 120°C nicht überschreiten soll und die Umgebungstemperatur 25°C beträgt?<br />
<br />
Zunächst werfen wir einen Blick ins Datenblatt des Spannungsreglers und entnehmen die Angaben für die thermischen Widerstände. Dann halten wir alle gegebenen Größen fest:<br />
<br />
*'''Gegeben'''<br />
*:* <math>R_{th(jc)}=5 \frac{K}{W}</math> (aus dem Datenblatt)<br />
*:* <math>R_{th(ja)}=62 \frac{K}{W}</math> (aus dem Datenblatt)<br />
*:* <math>\vartheta_{j}=125°C</math><br />
*:* <math>\vartheta_{a}=25°C</math><br />
*'''Gesucht'''<br />
*:* <math>P_{v,max}</math><br />
*'''Rechnung'''<br />
*:Wir verwenden die Formel von oben und erhalten als Ergebnis<br />
*:<math>P_{V,max} = \frac{\vartheta_{j}-\vartheta_{a}}{R_{th(ja)}} = \frac{120°C-25°C}{62\frac{K}{W}} = \frac{95K}{62\frac{K}{W}} \approx 1,5 Watt</math><br />
*:Die maximal erlaubte Verlustleistung des Spannungsreglers ohne Kühlkörper darf demnach 1,5 Watt nicht überschreiten.<br />
*'''Zusatz'''<br />
*:Mit unserem Ersatzschaltbild können wir außerdem die Temperatur des Gehäuses (Case) des Spannungsreglers angeben. Dafür benötigen wir noch die Angabe <math>R_{th(ca)}</math>, welche allerdings im Datenblatt nicht angegeben ist.<br />
*:Da wir aber wissen, dass <math>R_{th(ja)}=R_{th(jc)}+R_{th(ca)}</math> gilt, können wir die fehlende Größe ausrechnen. Diese ist<br />
*:<math>R_{th(ca)}=R_{th(ja)}-R_{th(jc)}=62\frac{K}{W}-5\frac{K}{W}=57\frac{K}{W}</math>.<br />
*:Nun lässt sich die Gehäusetemperatur berechnen:<br />
*:<math>\vartheta_{c}=\vartheta_{a}+R_{th(ca)} \cdot P_{V}=25°C+57\frac{K}{W} \cdot 1,5 W \approx 111 °C</math><br />
*'''Bemerkung'''<br />
*:In der Praxis wird einem TO220-Gehäuse ungekühlt eine maximale Verlustleistung von 1 Watt zugerechnet. Die Temperaturen sind niedriger, die Lebensdauer des Bauteils höher.<br />
<br />
==Bauteil mit Kühlkörper und T.I.M.==<br />
<br />
Der Betrieb eines ICs ohne Kühlkörper, wie im vorigen Abschnitt beschrieben, funktioniert nur bei kleinen Leistungen und führt meist auch zu einer verringerten Lebensdauer des Bauteils. Viele Bauteile können ihre angegebenen Maximalwerte nur bei vernünftiger Kühlung erreichen. In diesem Abschnitt wird nun ein typisches Szenario mit Kühlkörperberechnung vorgestellt.<br />
<br />
Befassen wir uns zunächst mit der typischen mechanischen Anordnung. Das zu kühlende IC wird thermisch an einen Kühlkörper gekoppelt. In der Praxis wird man das IC aber nicht direkt auf dem Kühlkörper befestigen, sondern über ein sogenanntes ''thermisches Interface-Material'' (T.I.M.), um Unebenheiten und mechanische Abstände auszugleichen oder um für Insolierung zu sorgen. Details zum T.I.M. folgen im Unterabschnitt. Die typische Anordnung zeigt die folgende Abbildung.<br />
<br />
[[Bild:kuehlkoerper-anordnung.png|300px]]<br />
<br />
Folgende thermischen Widerstände treten hier in Kraft:<br />
*<math>R_{th(jc)}</math> für den Übergang Chip zu Bauteilgehäuse<br />
*<math>R_{th(ch)}</math> für den Übergang Bauteilgehäuse zu Kühlkörper (also über das T.I.M.)<br />
*<math>R_{th(ha)}</math> für den Übergang Kühlkörper zur Umgebung<br />
<br />
Aus diesen thermischen Widerständen wird ein thermisches Ersatzschaltbild angefertigt. Dieses zeigt die nächste Abbildung.<br />
<br />
[[Bild:Therm-esb2.png|700px]]<br />
<br />
Zunächst soll die Formel zur Berechnung der Chiptemperatur aufgestellt werden, die Formel erhält man wieder durch die Anwendung der Kirchhoffschen Gleichungen im Ersatzschaltbild.<br />
<br />
<math>\vartheta_{j}=\vartheta_{a}+(R_{th(jc)}+R_{th(ch)}+R_{th(ha)}) \cdot P_{V}</math><br />
<br />
Die Formel wird in der Praxis jedoch in einer anderen Form benötigt. Meist steht man als Entwickler vor der Aufgabe, den erforderlichen thermischen Widerstand <math>R_{th(ha)}</math> des Kühlkörpers zu bestimmen, sofern die Größen Umgebungstemperatur, Sperrschichttemperatur, Verlustleistung sowie die verbleibenden thermischen Widerstände gegeben sind. Anhand des berechneten Wärmewiderstands des Kühlkörpers können dann aus Produktkatalogen geeignete Kühlkörper bestimmt werden.<br />
<br />
Wir müssen dafür also die Gleichung nach <math>R_{th(ha)}</math> auflösen. Wir erhalten die praxisübliche Berechnungsformel:<br />
<br />
<math>R_{th(ha)}=\frac{\vartheta_{j}-\vartheta_{a}}{P_{V}}-R_{th(jc)}-R_{th(ch)}</math><br />
<br />
In manchen Quellen sind enthält diese Formel außerdem Korrekturfaktoren, die z.B. die Einbaulage o.ä. berücksichtigen können.<br />
<br />
===Beispielrechnung===<br />
<br />
Für einen Spannungsregler vom Typ 7805 im TO220-Gehäuse soll ein Kühlkörper dimensioniert werden. Die Eingangsspannung des Reglers beträgt 12V, die Ausgangsspannung von 5V wird mit 500mA belastet. Die Umgebungstemperatur sei 30°C. Der Spannungsregler wird mit Wärmeleitpaste auf dem Kühlkörper montiert, für diesen Wärmewiderstand wird 0,5 K/W angenommen. Welchen Wärmewiderstand darf der Kühlkörper höchstens haben, wenn als maximale Sperrschichttemperatur 110°C angenommen wird?<br />
<br />
Diese Aufgabe kann so durchaus in der Praxis auftreten. Von den vielen Angaben darf man sich zunächst nicht verunsichern lassen. Wir verwenden das gezeigte thermische Ersatzschaltbild. Für die Rechnung benötigen wir außerdem noch den thermischen Widerstand <math>R_{th(jc)}</math> aus dem Datenblatt.<br />
<br />
*'''Gegeben'''<br />
*:<math>R_{th(jc)}=5 \frac{K}{W}</math> (aus dem Datenblatt)<br />
*:<math>R_{th(ch)}=0,5 \frac{K}{W}</math><br />
*:<math>\vartheta_{j}=110°C</math><br />
*:<math>\vartheta_{a}=30°C</math><br />
*:<math>U_{ein}=12V</math><br />
*:<math>U_{aus}=5V</math><br />
*:<math>I=0,5A</math><br />
*'''Gesucht'''<br />
*:<math>R_{th(ha)}</math><br />
*'''Rechnung'''<br />
*:Zunächst muss die Verlustleistung am Regler berechnet werden. Diese beträgt<br />
*:<math>P_V=P_{Ein}-P_{Aus}=12V \cdot 0,5A~-~5V \cdot 0,5A=3,5 W</math>.<br />
*:Nun sind eigentlich auch schon alle Angaben vorhanden, sodass wir die Formel verwenden können.<br />
*:<math>R_{th(ha)}=\frac{\vartheta_{j}-\vartheta_{a}}{P_{V}}-R_{th(jc)}-R_{th(ch)}</math><br />
*:Einsetzen:<br />
*:<math>R_{th(ha)}=\frac{110°C-30°C}{3,5W}-5\frac{K}{W}-0,5\frac{K}{W} \approx 17,4\frac{K}{W}</math><br />
*'''Ergebnis'''<br />
*:Der Wärmewiderstand des Kühlkörpers darf maximal <math>17,4\frac{K}{W}</math> betragen.<br />
*'''Zusatz'''<br />
*:Aus dem Katalog wird ein Kühlkörper mit einem Wärmewiderstand von <math>10\frac{K}{W}</math> gewählt. Welche Temperatur erreicht der Kühlkörper, wenn er bei den gegebenen Bedingungen eingesetzt wird?<br />
*:<math>\vartheta_h=\vartheta_a+P_{V} \cdot R_{th(ha)}=30°C+3,5W \cdot 10 \frac{K}{W} \approx 65°C</math><br />
<br />
==Mehrere Bauteile auf einem gemeinsamen Kühlkörper==<br />
<br />
[[Bild:Therm-esb3.png|700px]]<br />
<br />
Thermisches Ersatzschaltbild: zwei Wärmequellen, gemeinsamer Kühlkörper<br />
<br />
Wird noch ausgebaut ...<br />
<br />
=Thermische Interface-Materialien (T.I.M.) und Montage=<br />
Wie bereits erwähnt, werden ICs in der Praxis nicht direkt auf einen Kühlkörper befestigt. Der Grund dafür ist folgender: Durch Unebenheiten und die rauhe Oberfläche von Kühlkörper und IC berühren sich die betreffenden Flächen unter dem Mikroskop gesehen nur minimal. Durch Lufteinschlüsse und die Tatsache, dass Luft ein schlechter Wärmeleiter ist, fällt in diesem Fall die thermische Anbindung des ICs an den Kühlkörper relativ schlecht aus.<br />
<br />
Zum Ausgleich der Unebenheiten eignet sich Wärmeleitpaste, welche dünn auf die Kontaktfläche aufgetragen wird. Es genügt eine sehr geringe Menge der Wärmeleitpaste, die Schichtdicke liegt in der Größenordnung 0,1mm. Die Aufgabe der Wärmeleitpaste ist, die Unebenheiten der Kontaktflächen auszugleichen. Zu viel Wärmeleitpaste erhöht wiederum den thermischen Übergangswiderstand. <br />
<br />
Ist zusätzlich eine elektrische Isolation zwischen IC und Kühlkörper erforderlich, können Glimmerscheiben (engl. mica) eingesetzt werden. Elektrische Isolation ist erforderlich, falls zum Beispiel mehrere Transistoren auf einen Kühlkörper montiert werden sollen und eine elektrische Verbindung der Kühlfahnen über den Kühlkörper zu Kurzschlüssen führen würde. Werden Glimmerscheiben verwendet, müssen diese beidseitig mit Wärmeleitpaste bestrichen werden, um sämtliche Unebenheiten auszugleichen. Die Glimmerscheiben werden zwischen IC und Kühlkörper eingebaut. Werden die ICs an den Kühlkörper geschraubt, muss auch die Schraube elektrisch isoliert werden. Hierfür sind entsprechende Hülsen aus Kunststoff erhältlich.<br />
<br />
Wärmeleitfolien aus Silikon /Gap-Filler<br />
<br />
BAUSTELLE<br />
<br />
Zur Montage der ICs auf dem Kühlkörper gibt es mehrere Möglichkeiten. Üblich sind Schraubmontage oder die Verwendung von Metallclips aus Federstahl. Der Anpressdruck durch die Montage kann die thermische Kopplung des ICs zum Kühlkörper beeinflussen. Die Metallclips haben den Vorteil, dass der Anpressdruck mit der Zeit nicht nachlässt.<br />
<br />
BAUSTELLE<br />
<br />
=Dynamisches Ersatzschaltbild=<br />
<br />
Bisher haben wir uns mit statischen Ersatzschaltbildern beschäftigt. Diese beinhalten die Wärmequellen, die Umgebungstemperatur sowie alle thermischen Widerstände. Nicht berücksichtigt wurden bislang Wärmekapazitäten. Erfahrungsgemäß dauert es eine gewissen Zeit, bis alle Gegenstände auf die berechnete Temperatur aufgeheizt sind. Um die zeitlichen Temperaturverläufe bestimmen zu können, müssen die thermischen Ersatzschaltbilder noch mit Wärmekapazitäten ergänzt werden. Wärmewiderstände und Wärmekapazitäten ergeben ein Tiefpassfilter mit einer definierten Zeitkonstante. Bei geeigneter Modellierung kommt das Modell kommt dem realen Temperaturverlauf schon sehr nahe. Nun können wir also zeitveränderliche Vorgänge modellieren. Dies ist insbesondere notwendig wenn sich stark ändernde Verlustleistungen (z.B. Impulsbelastung) an den Bauteilen auftreten und die Temperaturen vorab berechnet werden sollen. Im Hobbybereich ist diese Berechnung jedoch häufig nicht erforderlich, in der Regel genügt das statische Ersatzschaltbild.<br />
<br />
Ergänzen wir das bisherige thermische Ersatzschaltbild um Wärmekapazitäten, ergibt sich das folgende thermische Ersatzschaltbild. Dieses Modell wird als Cauer-Typ bezeichnet. Wärmewiderstände und Wärmekapazitäten lassen sich physikalisch bestimmen und eindeutig im Ersatzschaltbild zuordnen. Berechnete Temperaturen entsprechen realen Temperaturen.<br />
<br />
[[Bild:Therm-esb-dyn-cauer.PNG|600px]]<br />
<br />
Den gleichen Sachverhalt kann man auch mit dem sogenannten Foster-Modell darstellen. Dieses Modell scheint weit verbreitet zu sein, ist allerdings nicht mehr besonders anschaulich. Die gezeigten Ersatzschaltbilder lassen sich auch ineinander überführen, allerdings unterscheiden sich die eingetragenen Wärmekapazitäten und Wärmewiderstände.<br />
<br />
[[Bild:Therm-esb-dyn-foster.PNG|600px]]<br />
<br />
Die schwierige Aufgabe besteht nun darin, alle Zahlenwerte der Wärmewiderstände und Wärmekapazitäten zu bestimmen. Erst dann können die Temperaturverläufe in einer Simulation (z.B. mit SPICE) bestimmt werden. Im Hobbybereich ist diese Berechnung jedoch häufig nicht erforderlich.<br />
<br />
=Kühlkörperbauformen=<br />
* Board-Level-Kühlkörper (aufsteckbare/aufklebbare Kühlkörper, auch für SMD, meist 1 Kühlkörper pro IC)<br />
* Strang-/Profilkühlkörper (meist für hohe Leistungen)<br />
* Kühlaggregate (Kanal + Lüfter)<br />
<br />
Wozu eloxierte Oberflächen?<br />
* geringfügig höhere Wärmestrahlung (bei den niedrigen Temperaturen kaum ein Beitrag)<br />
* elektrische Isolation<br />
* Oberflächenschutz<br />
Nachteile:<br />
* erhöhte Wärmeaufnahme aus der unmittelbaren Umgebung!<br />
<br />
Stiftkühlkörper<br />
* hohe Oberfläche<br />
* bei dickem "Rücken"/"Boden" des Kühlkörpers gute Wärmespreizung<br />
* mit erzwungener Konvektion hohe Wärmeübertragung (quer zu den Stiften effektiver als in Stiftrichtung)<br />
* leichter und kompakter als Strangkühlkörper<br />
<br />
todo<br />
<br />
=Lüfter=<br />
Lüfter werden vor allem dann eingesetzt, wenn der Kühlkörper bei rein passiver Kühlung zur groß, zu schwer oder zu teuer wird. Beim Einsatz des Lüfters führt die erzwungene Luftströmung zur besseren Wärmeabgabe an die Luft. Bei gleicher Temperatur kann der Kühlkörper dann kleiner gewählt werden. Bei hohen Leistungen sind der kleinere Kühlkörper mit Lüfter preisgünstiger und kompakter als ein großer, rein passiver Kühlkörper. Um welchen Faktor die Wärmeableitung mit Lüfter verbessert wird, hängt von vielen Parametern ab und kann nicht pauschal angegeben werden.<br />
<br />
Vorteile<br />
* bessere Wärmeabgabe<br />
* Kühlkörper kann bei gleicher Temperatur kleiner, leichter und kostengünstiger werden<br />
* In kleinem Maßstab günstiger als Wasserkühlung o.ä.<br />
<br />
Nachteile<br />
* zusätzlicher Stromverbrauch<br />
* Geräuschentwicklung und Vibrationen<br />
* zusätzliche Kosten für Lüfter und dessen Montage<br />
* Im Falle eines unbemerkten Ausfalls kann die Schaltung überhitzen (Abhilfe: Thermostat, Temperaturfühler oder Tachosignal auswerten)<br />
<br />
Anordnungen:<br />
* Push-Prinzip: Der Lüfter bläst die Luft in den Kühlkörper/-kanal<br />
* Pull-Prinzip: Der Lüfter saugt die Luft aus dem Kühlkörper/-kanal heraus<br />
<br />
Kenngrößen:<br />
* Luftdurchsatz in <math>\frac{m^{3}}{h}</math><br />
* Nennspannung, Nennstrom, Nennleistung<br />
* Typ Axial/Radial<br />
* Größe<br />
* Geräuschpegel<br />
* Art der Lagerung (Kugellager, Sinterbronze-Lager etc.)<br />
* Temperaturbereich<br />
* Lebensdauer, MTBF<br />
<br />
=Entwärmung auf einer Platine=<br />
Beim Leiterplattenentwurf muss bereits in der Designphase abgeschätzt werden, welche Verlustleistungen auftreten und wie die entstehende Wärme abgeführt werden kann. Die Anordnung der Bauteile und die Gestaltung der Leiterbahnen hat Auswirkungen auf das thermische Verhalten. Die Einbaulage der Platine kann die Entwärmung zudem beeinflussen. Erwärmte Umgebungsluft steigt bekanntlich nach oben und kann andere Komponenten oder Platinen aufheizen. Wird die Platine in ein Gehäuse eingebaut, müssen gegebenenfalls Lüftungsschlitze eingebracht werden oder die zu kühlenden Bauteile an der Gehäusewand platziert werden. Bei geschlossenen Gehäusen muss bei der Kühlkörperdimensionierung mit höheren Umgebungstemperaturen gerechnet werden (z.B. 50°C, 60°C), da sich die Wärme zunächst im Gehäuse staut und nur allmählich durch die Gehäusewand abgegeben wird.<br />
<br />
==Bedrahtete Bauteile==<br />
Für bedrahtete Bauteilgehäuse wie z.B. TO-220 sind zahlreiche Kühlkörpervarianten erhältlich. Für Printmontage eignen sich Kühlkörper, die mit Lötstiften oder Schrauben an der Platine befestigt werden. Das Bauteil selbst wird mit einem Federclip oder einer Schraube am Kühlkörper montiert. Die Größe, Bauform und Befestigung des Kühlkörpers muss bereits beim Leiterplattenentwurf berücksichtigt werden. Leistungsdioden und Leistungswiderstände sind in den meisten Fällen für Konvektionskühlung ausgelegt, d.h. durch Luftströmung. Diese werden meist mit etwas Abstand von der Platinenoberfläche montiert, um die gesamte Bauteiloberfläche zur Kühlung nutzen zu können und um die Platine nicht unnötig aufzuheizen.<br />
<br />
Zur Verbesserung der Wärmeableitung kann, abgesehen vom Kühlkörper, auch die Platine bei der Wärmeverteilung helfen:<br />
* Breite Leiterbahnen können Wärme abführen und auf eine große Fläche verteilen<br />
* Eine dickere Kupferkaschierung kann die Wärmeableitung unterstützen (Standard sind 35µm, erhältlich sind auch 70µm und mehr), dies reduziert zudem die elektrischen Leiterbahnwiderstände<br />
* Mit einer großen Zahl von Durchkontaktierungen (vias) kann die Wärme auf andere Kupferlagen verteilt werden (der Platinenkern FR4 allein hat eine schlechte Wärmeleitfähigkeit)<br />
* Einsatz spezieller Platinenmaterialien (Alukern) z.B. bei Platinen für High-Power-LEDs<br />
* Für kleinere ICs mit Wärmeentwicklung eignen sich aufklebbare Kühlkörper<br />
<br />
Beim Entwurf der Platine muss den Bauteilen in der Nähe der Wärmequelle besondere Aufmerksamkeit geschenkt werden. Vor allem sind '''Elektrolytkondensatoren (Elkos)''' betroffen, da diese durch benachbarte Wärmequellen allmählich austrocknen und zum Ausfall der Schaltung führen können! Elkos sollten möglichst so platziert werden, dass sie eine geringe Temperatur und somit eine hohe Lebensdauer erreichen. Jedoch ist dies bei manchen Anwendungen nur eingeschränkt möglich. Beispielsweise sind bei Schaltreglern kurze Leiterschleifen erwünscht, um die elektromagnetische Verträglichkeit zu verbessern (Leiterschleifen wirken als Antenne) und um parasitäre Induktivitäten und Widerstände zu reduzieren. Der Einsatz hochwertiger Elkos mit geringem ESR, hoher Maximaltemperatur und Lebensdauer ist empfehlenswert. Zudem ist auf ausreichende Spannungsfestigkeit und geringe Rippleströme im Betrieb zu achten. Im Laufe der Betriebszeit sinkt die Kapazität des Elkos und die Verluste steigen. Die Lebensdauer der Elkos kann abgeschätzt werden. Die Hersteller geben idR. die Lebensdauer bei der spezifizierten Maximaltemperatur an, z.B. 5000h bei 105°C. Zur Abschätzung der Lebensdauer gilt hier auch die 10°C-Regel (laut Panasonic im Bereich 40°C bis 100°C), d.h. pro 10°C niedrigerer Betriebstemperatur verdoppelt sich die Lebensdauer des Elkos. Die erwartete Lebensdauer kann mit der folgenden Formel (Panasonic) abgeschätzt werden:<br />
<br />
<math>\Large L=L_{Tmax} \cdot 2^{\left( \frac{T_{max} - T}{10} \right)}</math><br />
<br />
'''Beispiel'''<br />
<br />
Ein Elko ist mit 5000h bei 105°C spezifiziert. Welche Lebensdauer wird bei einer Temperatur von 55°C erwartet?<br />
* Gegeben: <math>\large L_{Tmax}=5000h</math> , <math>\large T_{max}=105°C</math> , <math>\large T=55°C</math><br />
* Rechnung: <math>\large L=L_{Tmax} \cdot 2^{\left( \frac{T_{max} - T}{10} \right)}=5000h \cdot 2^{\left( \frac{105°C - 55°C}{10} \right)}=5000h \cdot 2^5=5000h \cdot 32=160000h</math><br />
* Ergebnis: Die Lebensdauer des Elkos beträgt unter diesen Bedingungen etwa 160000h, also über 18 Jahre Dauerbetrieb!<br />
* Bemerkung: Würde man z.B. einen billigen 2000h/85°C-Elko verwenden, würde dieser unter den gleichen Bedingungen keine 2 Jahre durchhalten!<br />
<br />
Liegt das Datenblatt des verwendeten Elkos vor, sollte man sich an die dort genannten Berechnungen und Zahlenwerte halten. Die gezeigte Berechnung ist nur eine Näherungsformel. Für weitere Verwendungshinweise sei auf die ''Application Guidelines'' für ''Radial Lead Type Aluminum Electrolytic Capacitors'' von ''Panasonic'' verwiesen (siehe Quellenangaben und Verweise am Seitenende).<br />
<br />
==SMD-Bauteile==<br />
SMD-Bauteile können meist über die Platine gut entwärmt werden. Dies ist normalerweise nur bei geringen Verlustleistungen möglich. Die Abwärme der Bauteile muss auf eine möglichst große Fläche verteilt werden, durch große Kupferflächen auf der Platine kann dies erreicht werden. Da die Wärmeleitfähigkeit der Kupferauflage deutlich höher ist als die Wärmeleitfähigkeit des Platinenmaterials FR4, wird sich die Wärme hauptsächlich in der Fläche verteilen, jedoch weniger ''durch'' die Platine hindurch. Um die Wärmeleitung durch die Platine (z.B. von Ober- zu Unterseite) zu erhöhen, müssen Durchkontaktierungen gesetzt werden. Sogenannte "Thermal Vias" werden in einer großen Anzahl an das zu entwärmende Bauteil gesetzt und können damit die Wärme zu anderen Kupferlagen der Platine weiterleiten. Die Wärmeleitung durch die Platine hindurch wird verbessert, liegt aber dennoch deutlich unter der Wärmeleitfähigkeit von reinem Kupfer. Thermische Vias können aufgrund ihrer kleinen Masse kaum einen Beitrag zur gesamten "Kühlmasse" beitragen. Ob schließlich eine Entwärmung durch die Platine ausreicht, muss durch Simulation oder Messung gezeigt werden.<br />
<br />
Welche Temperatur das Bauteil auf der Platine erreicht, kann nach dem Aufbau natürlich gemessen werden. Besser wäre es jedoch, die Temperaturen bereits beim Entwurf der Platine zu kennen, um einschätzen zu können, ob die Entwärmung ausreichend ist. Allgemeine Angaben hierfür sind schwer zu finden, jedoch gibt es vereinzelt Angaben in Datenblättern von Halbleitern zur Entwärmung. An den folgenden Zahlenwerten kann man sich orientieren, wenn man ähnliche Bauteile entwärmen möchte. Damit man für die genannten Flächen eine grobe Vorstellung hat, sei noch erwähnt: ein Cent hat eine Fläche von grob <math>200mm^2</math>, ein Euro hat grob <math>400mm^2</math>.<br />
<br />
Für SMD-Bauteile exisitieren Kühlkörper, die sich direkt auf die Platine löten lassen, diese sind auch maschinenbestückbar.<br />
<br />
'''TO263 (=D2PAK)'''<br />
<br />
Im Datenblatt des Schaltreglers LM2576 von ''National Semiconductor'' findet man für das TO263-Gehäuse einige Angaben. Das TO263-Gehäuse gleicht übrigens dem TO220 bis auf die Tatsache, dass die Kühlfahne kürzer ist und das Gehäuse für SMD-Montage vorgesehen ist. Das Datenblatt gibt thermische Widerstände für den Übergang Junction-Ambient an. Die Angabe ist abhängig von der Kupferfläche auf der Platine, die unmittelbar für das Bauteil aus Kühlkörper wirkt. Die Zahlenwerte aus dem Datenblatt wurden in Quadratmillimeter umgerechnet, gerundet und stehen nun in der Tabelle bereit. Keine Angaben macht der Hersteller zu den Rahmenbedingungen, unter denen die thermischen Widerstände ermittelt wurden (Platinendicke, Durchkontaktierungen, Form der Kupferfläche und Dicke der Kupferkaschierung). Dennoch können die Werte zur groben Orientierung dienen.<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
| Kupferfläche || therm. Widerstand<br />
|-<br />
| <math>325 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 50\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>645 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 37\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>1030 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 32\frac{K}{W} </math><br />
|}<br />
<br />
'''TO252 (=DPAK), SOT223'''<br />
<br />
Im Datenblatt des Low-Drop-Spannungsreglers LM1117 von ''National Semiconductor'' sind Angaben zur Entwärmung über die Platine von SOT223 und TO252-Gehäusen vorhanden. Der Hersteller gibt an, für das SOT223-Gehäuse eine 35µm dicke, und für das TO252-Gehäuse eine 70µm dicke Kupferkaschierung der Platine verwendet zu haben. Leider finden sich in diesem Datenblatt keine Informationen zu Durchkontaktierungen, Platinendicke, und ob das IC auf der Ober- oder Unterseite der Platine montiert wurde (Vermutung: oben montiert, da angegebene thermische Widerstände geringer sind). Der Hersteller hat drei Fälle untersucht: Kupferfläche oben, Kupferfläche unten, Kupferfläche beidseitig. Für das thermische Platinendesign kann man diese Zahlenwerte zumindest als Richtwerte verwenden. Das Datenblatt enthält zudem Zeichnungen der Kühlflächen. Die Zahlenwerte wurden wieder in Quadratmillimeter umgerechnet und gerundet und in die folgenden Tabelle eingetragen:<br />
<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
| Kupferfläche top || Kupferfläche bottom || therm. Widerstand SOT223 || therm. Widerstand TO252<br />
|-<br />
| <math> 200mm^2</math> || - || <math>R_{th(ja)}\approx 84\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 60\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math> 350mm^2</math> || - || <math>R_{th(ja)}\approx 75\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 54\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math> 650mm^2</math> || - || <math>R_{th(ja)}\approx 66\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 47\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| - || <math> 250mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 98\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 70\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| - || <math> 400mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 89\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 63\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| - || <math> 650mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 79\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 57\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math> 200mm^2</math> || <math> 200mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 83\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 61\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math> 250mm^2</math> || <math> 250mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 75\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 55\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math> 350mm^2</math> || <math> 350mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 70\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 53\frac{K}{W} </math><br />
|}<br />
<br />
'''SO8'''<br />
<br />
Für das SO8-Gehäuse findet man eine Angabe im Datenblatt des Spannungsreglers 78L05 von ''ST'':<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
| Kupferfläche || therm. Widerstand<br />
|-<br />
| <math>600 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 55\frac{K}{W} </math><br />
|}<br />
<br />
'''SO20'''<br />
<br />
Aus dem Datenblatt des L293DD sind Angaben zum SO20-Gehäuse enthalten. In diesem Falle sind 8 zentrale Pins an die Kühlfläche angebunden, die Kupferkaschierung ist vermutlich einseitig 35µm. Die groben Richtwerte sind:<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
| Kupferfläche || therm. Widerstand<br />
|-<br />
| <math>200 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 60\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>400 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 53\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>600 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 51\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>800 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 50\frac{K}{W} </math><br />
|}<br />
<br />
'''PowerDIP20'''<br />
<br />
Für das DIP20-Gehäuse wird man im Datenblatt des Motortreibers L6202 von ''ST'' fündig. Bei 35µm Kupferkaschierung der Platine ergeben sich die folgenden thermischen Widerstände.<br />
<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
| Kupferfläche || therm. Widerstand<br />
|-<br />
| <math>0 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 58\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>200 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 45\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>400 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 39\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>600 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 38\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>800 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 37\frac{K}{W} </math><br />
|}<br />
<br />
Für die Form der empfohlenen Kühlfläche sei auf das Datenblatt verwiesen. Wird das IC in einem Sockel verwendet, muss man sicherlich von höheren thermischen Widerständen ausgehen.<br />
<br />
'''AN-994'''<br />
<br />
In der ''Application Note AN-994 - Maximizing the Effectiveness of your SMD Assemblies'' von ''International Rectifier (IRF)'' sind weitere Daten vorhanden. Die dort genannten Daten sind jedoch teils drastisch niedriger als die hier genannten. Eine mögliche Erklärung sind z.B. die höhere Kupferauflage (70µm) oder evtl. optimierte Wärmewiderstände innerhalb der Gehäuse.<br />
<br />
'''Große Kupferflächen'''<br />
<br />
Im ''Application Hint 17 - Designing P.C. Board Heat Sinks - by Bob Wolbert (Micrel)'' werden Angaben zu thermischen Widerständen der Platine für vergleichsweise große Flächen gemacht. Die thermischen Widerstände beschreiben den Übergang <math>R_{th(ha)}</math> unter den Bedingungen: Quadratische Kupferfläche, einseitig, horizontal montiert, Lötstopplack, keine Belüftung. Die Dicke der Kupferkaschierung ist nicht angegeben. Hier einige Werte, abgelesen aus dem Diagramm der genannten Application Note:<br />
<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
| Kupferfläche || therm. Widerstand<br />
|-<br />
| <math>500 mm^2</math> || <math>R_{th(ha)}\approx 60\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>1000 mm^2</math> || <math>R_{th(ha)}\approx 45\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>1500 mm^2</math> || <math>R_{th(ha)}\approx 38\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>2000 mm^2</math> || <math>R_{th(ha)}\approx 33\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>2500 mm^2</math> || <math>R_{th(ha)}\approx 30\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>3000 mm^2</math> || <math>R_{th(ha)}\approx 28\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>4000 mm^2</math> || <math>R_{th(ha)}\approx 24\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>5000 mm^2</math> || <math>R_{th(ha)}\approx 22\frac{K}{W} </math><br />
|}<br />
<br />
<br />
'''Abschlusskommentar'''<br />
<br />
An den gezeigten, thermischen Widerständen sieht man leicht: je größer die Kühlfläche, desto geringer der thermische Widerstand. Dieses Verhalten würde man so auch erwarten.<br />
<br />
Ab einer bestimmten Fläche wird die Platine als Kühlkörper jedoch unhandlich, und man wird die Fläche nicht weiter vergrößern. Die mit den Kupferflächen erreichten thermischen Widerstände sind für viele Anwendungen noch deutlich zu hoch. Bei Verlustleistungen von wenigen Watt werden dadurch bereits kritische Chiptemperaturen erreicht. Wie bereits oben erwähnt, funktioniert die Entwärmung von SMD-Komponenten über die Platine also nur für kleine Verlustleistungen. Bei größeren Verlustleistungen müssen zusätzliche Entwärmungsmaßnahmen getroffen werden (z.B. aufklebbarer Kühlkörper, etc.). Zielführend ist auch, die Ursache der Erwärmung, nämlich die Verlustleistung zu verringern. Wird beispielsweise ein Linearregler durch einen effizienteren Schaltregler ersetzt, kann die Entwärmung aufgrund der kleineren Verlustleistung deutlich einfacher gestaltet werden. Ob die Verringerung der Verlustleistung möglich ist, hängt natürlich von der Anwendung ab.<br />
<br />
=Spezielle Kühlkörper=<br />
<br />
todo<br />
<br />
=Autoren=<br />
* BMS<br />
<br />
[[Kategorie:Elektronik]]<br />
[[Kategorie:Mechanik]] <br />
[[Kategorie:Praxis]] <br />
[[Kategorie:Grundlagen]]<br />
<br />
=Quellen und Verweise=<br />
<br />
Printmedien:<br />
<br />
* Best, Siegfried W.: ''Elektronikkühlung und Wärmemanagement von A bis Z''. In: Elektronikpraxis - Sonderheft Elektromechanik, April 2013. S. 20ff.<br />
* Best, Tobias: ''Thermisches Via, die kleine Schwester der Heatpipe''. In: Elektronikpraxis, April 2013. S. 12ff.<br />
* Erdmann, Marc: ''Beste Effizienz auch beim Thermal Management''. In: Elektronikpraxis - Sonderheft Leistungelektronik und Stromversorgung. März 2015. S. 38ff.<br />
* Kerstin, Nils; Schulz, Martin: ''Thermische Widerstände genau messen - eine Herausforderung''. In: Elektronikpraxis, Nr. 17, September 2014. S. 48ff.<br />
* K.R. (Alutronic): ''Stiftkühlkörper für die Leistungselektronik''. In: Elektronikpraxis Nr.9, Mai 2014. S. 50ff.<br />
* Harpain, Jürgen: ''Wärmeleitmaterial kompensiert Lufteinschlüsse''. In: Elektronikpraxis Nr.1, Januar 2014. S. 36ff.<br />
* Harpain, Jürgen: ''Entwärmungskonzepte für Einzelhalbleiter und ICs''. In: Elektronikpraxis - Sonderheft Elektromechanik, April 2014. S. 14ff.<br />
* Schulz, Martin: ''Fünf Fettnäpfchen beim Bestimmen thermischer Größen''. In: Elektronikpraxis, November 2013. S. 36ff.<br />
* Schulz, Martin: ''Mythen und Legenden über Wärmeleitmaterialien''. In: Elektronikpraxis Nr.2., Januar 2014. S. 42ff.<br />
* Specovius, J.: Grundkurs Leistungselektronik: Bauelemente, Schaltungen und Systeme. Wiesbaden 2014. 6. Auflage. S.95-104<br />
----<br />
<br />
Datenblätter, aus denen thermische Widerstände entnommen wurden:<br />
<br />
* [http://pdf.datasheetcatalog.com/datasheet/nationalsemiconductor/DS011476.PDF Datenblatt LM2576 von National Semiconductor]<br />
* [http://pdf.datasheetcatalog.com/datasheet/nationalsemiconductor/LM1117.pdf Datenblatt LM1117 von National Semiconductor]<br />
* [http://pdf.datasheetcatalog.com/datasheets/150/9358_DS.pdf Datenblatt L78Lxx von ST]<br />
* [http://pdf.datasheetcatalog.com/datasheet/stmicroelectronics/1330.pdf Datenblatt L293DD von ST]<br />
* [http://pdf.datasheetcatalog.com/datasheet/stmicroelectronics/1373.pdf Datenblatt L6202 von ST]<br />
* [http://www.irf.com/technical-info/appnotes/an-994.pdf ''Application Note AN994 - Maximizing the Effectiveness of your SMD Assemblies'' - International Rectifier (IRF)]<br />
* [http://www.micrel.com/_PDF/App-Hints/ah-17.pdf ''Application Hint 17 - Designing P.C. Board Heat Sinks - by Bob Wolbert (Micrel)'']<br />
<br />
----<br />
<br />
Weblinks:<br />
<br />
* [http://stegem.de/Elektronik/Kuehlkoerper/ Online-Tool zur Kühlkörperberechnung von Gemmel, S.]<br />
* [http://ludens.cl/Electron/Thermal.html Thermal Design - von Mornhinweg, M.]<br />
* [http://sound.westhost.com/heatsinks.htm The Design of Heatsinks - von Elliot, R.]<br />
* [http://www.giangrandi.ch/electronics/thcalc/thcalc.shtml Calculating Heat sinks - von Giangrandi, I.]<br />
* [http://www.irf.com/technical-info/appnotes/an-1057.pdf Application Note AN-1057: Heatsink Characteristics von International Rectifier (IRF)]<br />
* [http://ww1.microchip.com/downloads/en/AppNotes/00792a.pdf Application Note AN792: A method to determine how much power a sot23 can dissipate in an application (Microchip Technology Inc. 2001)]<br />
* [http://www.fairchildsemi.com/application-notes/AN/AN-1028.pdf Application Note AN1028: Maximum Power Enhancement Techniques for SOT-223 Power MOSFETs (Fairchild Semiconductor 1996)]<br />
* [http://www.industrial.panasonic.com/www-data/pdf/ABA0000/ABA0000PE26.pdf Aluminium Electrolytic Capacitors - Application Guidelines (Panasonic 2015)]<br />
* [http://www.vishay.com/docs/52027/thermmgt.pdf Thermal Management on SMD Thick Film Resistors (Vishay 2015)]</div>BMShttps://rn-wissen.de/wiki/index.php?title=K%C3%BChlk%C3%B6rper&diff=26564Kühlkörper2015-07-25T12:05:11Z<p>BMS: /* Einleitung */</p>
<hr />
<div>{{Baustelle|BMS}}<br />
<br />
Dieser Artikel behandelt die Grundlagen zu Kühlkörpern.<br />
<br />
[[Bild:kuehlkörper-uebersicht.jpg|thumb|Verschiedene Kühlkörper, links ein TO220-Gehäuse zum Größenvergleich]]<br />
<br />
=Einleitung=<br />
<br />
'''Wieso sind überhaupt Kühlkörper in technischen Geräten erforderlich?'''<br />
<br />
Kein Gerät kann einen 100-prozentigen Wirkungsgrad erzielen und somit tritt Verlustleistung auf. Diese Verlustleistung führt zur Erwärmung der Bauteile. Kühlkörper sollen die Entwärmung verbessern, indem die entstehende Wärme auf eine große Fläche verteilt wird und durch Konvektion an der Luft auskühlen kann. Die Temperatur an den heißen Bauteilen ist mit Kühlkörper geringer als ohne Kühlkörper.<br />
<br />
'''Wieso sind hohe Bauteiltemperaturen ungünstig?'''<br />
<br />
Die Lebensdauer aller elektronischen Bauteile ist stark von der Temperatur abhängig. Als Faustregel gilt: Eine Temperaturerhöhung um 10 Grad führt zur Halbierung der Lebensdauer. Außerdem gibt es Grenztemperaturen, die nicht überschritten werden dürfen. Beispielsweise dürfen Halbleiter keine Temperatur über 150°C erreichen. Platinenmaterial FR4 sollte 125°C (sog. Erweichungspunkt) nicht überschreiten. Extrembeispiele sind die Schmelztemperatur von Isolierungen, Lötzinn etc... sowie Brandgefahr durch hohe Temperaturen. Viele Bauteile können ohne vernünftige Kühlung nicht ihren vollen Funktionsumfang erreichen, liefern dann z.B. geringere Maximalströme oder es greift die Temperaturabschaltung. Anders formuliert: Die maximale Leistung eines Bauteils oder Geräts wird durch seine Entwärmung bestimmt! Zur eigenen Sicherheit bietet es sich zudem an, die Temperaturen niedrig zu halten, sodass man sich am Gerät nicht die Finger verbrennen kann ;)<br />
<br />
=Wärmeübertragung=<br />
Prinzipiell kann Wärmeübertragung über Wärmeleitung, Konvektion und Wärmestrahlung geschehen. In vielen Anwendungen treten mehrere Mechanismen gleichzeitig auf. Welcher Mechanismus hauptsächlich auftritt, ist von der mechanischen Anordnung, den Materialien und der Temperatur abhängig. Wärmeleitung und Konvektion sind die wichtigsten Arten der Wärmeübertragung, die in der Praxis auftreten. Nun zu den einzelnen Effekten:<br />
<br />
*'''Wärmeleitung'''<br />
*: Bei der Wärmeleitung wird die Wärme über einen direkten mechanischen Kontakt (Bsp. IC <math>\rightarrow</math>Kühlkörper) übertragen. Den beteiligten Materialien wird jeweils eine spezifische Wärmeleitfähigkeit <math>\lambda</math> zugeordnet, dazu später mehr.<br />
<br />
*'''Konvektion'''<br />
*: Mit Konvektion wird die Strömungsbewegung in Flüssigkeiten und Gasen bezeichnet. Praxisbeispiele sind die Wärmeabgabe eines Kühlkörpers an die Umgebungsluft oder auch eine Wasserkühlung. Von erzwungener Konvektion spricht man, wenn die Strömung durch z.B. einen Ventilator/Lüfter oder eine Wasserpumpe hervorgerufen wird. Im Vakuum kann keine Konvektion auftreten.<br />
<br />
*'''Wärmestrahlung'''<br />
*: Wärmestrahlung ist elektromagnetische Strahlung (hauptsächlich Infrarot und sichtbares Licht), die vom heißen Festkörper abgestrahlt wird. Sie wird erst bei höheren Temperaturen relevant und ist bei den üblichen Kühlkörpertemperaturen meist zu vernachlässigen. Erwähnt werden soll zudem, dass Wärmestrahlung der einzige Mechanismus der Wärmeleitung ist, welcher im Vakuum auftreten kann. (Für Details zu Wärmestrahlung siehe auch: Plancksches Strahlungsgesetz und Schwarzer Strahler).<br />
<br />
=Materialien=<br />
Jedes Material besitzt eine spezifische Wärmeleitfähigkeit, welche angibt, wie gut dieses Material Wärme weiter transportieren kann. Die spezifische Wärmeleitfähigkeit ist unabhängig von der Geometrie des Materials, wird mit der Größe <math>\lambda</math> (Lambda) ausgedrückt und erhält die Einheit <math>\frac{W}{m \cdot K}</math>.<br />
<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
|-<br />
| '''Material''' || '''<math>\lambda</math> in <math>\left[ \frac{W}{m \cdot K} \right]</math>'''<br />
|-<br />
| Silber || 430<br />
|-<br />
| Kupfer || 400<br />
|-<br />
| Aluminium || 230<br />
|-<br />
| Silizium || 140 <br />
|-<br />
| Wärmeleitpaste || 5 ... 10<br />
|-<br />
| Glas || 0,7<br />
|-<br />
| Wasser || 0,5<br />
|-<br />
| Platinenmaterial FR4 || 0,2 ... 0,5<br />
|-<br />
| Luft || 0,02<br />
|}<br />
<br />
Die meisten Kühlkörper werden aus Aluminiumlegierungen hergestellt. Für Aluminium spricht seine relativ hohe Wärmeleitfähigkeit, die hohe Verfügbarkeit und geringe Dichte. Im Vergleich zu Kupfer und Silber ist Aluminium deutlich kostengünstiger. Darüber hinaus lässt sich Aluminium mechanisch gut verarbeiten. Kupfer wird mit seiner höheren Wärmeleitfähigkeit z.B. bei Heatpipes eingesetzt.<br />
<br />
todo<br />
<br />
Wärmewiderstand <math>R_{th}=\frac{d}{\lambda \cdot A}</math><br />
<br />
d: Materialdicke, welche für die Wärmeleitung relevant ist<br />
<br />
<math>\lambda</math>spezifische Wärmeleitfähigkeit des Materials<br />
<br />
A: Querschnitts-/Kontaktfläche<br />
<br />
=Definitionen=<br />
Um vorauszusagen, wie sich die Temperaturen in einer Schaltung verhalten, bedient sich der Ingenieur - wie auch bei vielen anderen Anwendungen - eines Ersatzschaltbildes (ESB). Zur Erstellung eines thermischen Ersatzschaltbildes muss man sich aber zunächst mit den thermischen Größen vertraut machen.<br />
<br />
Die Temperaturen werden mit dem griechischen Buchstaben Theta <math>\theta</math> gekennzeichnet. Temperaturen werden in Grad Celsius (°C), Temperaturdifferenzen in Kelvin (K) angegeben. (Am Rande: Es existiert auch eine Kelvinskala mit dem absoluten Nullpunkt 0 K=-273,15°C). Die Temperaturen werden außerdem noch mit einem Index gekennzeichnet, abhängig von der mechanischen Stelle, an der sie auftreten:<br />
<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
|-<br />
| Symbol || Index || Bedeutung<br />
|-<br />
| <math>\vartheta_{J}</math> || J=Junction || Sperrschichttemperatur des Halbleiters<br />
|-<br />
| <math>\vartheta_{C}</math> || C=Case || Gehäusetemperatur des Bauteils<br />
|-<br />
| <math>\vartheta_{H}</math> || H=Heat Sink || Temperatur des Kühlkörpers<br />
|-<br />
| <math>\vartheta_{A}</math> || A=Ambient || Umgebungstemperatur<br />
|}<br />
<br />
Die Verlustleistung eines Bauteils beschreibt die Größe <math>P_{V}</math> und wird, wie allgemein bekannt, in Watt angegeben.<br />
<br />
Als neue Größe wird nun der thermische Widerstand eingeführt, dieser wird mit <math>R_{th}</math> beschrieben und bekommt die Einheit <math>\frac{K}{W}</math>. <br />
<br />
Für die thermischen Größen gibt es, ähnlich dem Ohmschen Gesetz, einen linearen Zusammenhang. Dieser lautet<br />
<br />
<math>R_{th}=\frac{\vartheta_{ü}}{P_{V}}</math><br />
<br />
todo<br />
<br />
'''Vergleich elektrischer und thermischer Größen'''<br />
<br />
Insgesamt können wir nun eine Analogie zwischen bekannten elektrischen Größen und den thermischen Größen angeben. Die schon gelernten Prinzipien zur Lösung linearer Netzwerke lässt sich auch bei den thermischen Ersatzschaltbildern anwenden.<br />
<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
|-<br />
| elektrisch || thermisch<br />
|-<br />
| Spannung U || Temperatur <math>\vartheta</math><br />
|-<br />
| Strom I || Verlustleistung <math>P_{V}</math><br />
|-<br />
| Widerstand R || thermischer Widerstand <math>R_{th}</math><br />
|}<br />
<br />
=Statisches Ersatzschaltbild=<br />
Mit den thermischen Zusammenhängen haben wir uns inzwischen vertraut gemacht. Nun können wir damit beginnen, thermische Ersatzschaltbilder von einfachen Anordnungen zu erstellen. Mit solchen Modellen können Temperaturen, wie z.B. die Chiptemperatur, vorab berechnet werden. Für die Berechnung müssen Wärmewiderstände, Umgebungstemperatur und Verlustleistung bekannt sein, da sie in die Berechnung einfließen.<br />
<br />
Bei den thermischen Ersatzschaltbildern kann man ein statisches oder ein dynamisches Ersatzschaltbild erstellen. Bei den statischen Ersatzschaltbilder wird davon ausgegangen, dass alle Größen zeitlich konstant sind, bzw. sofort ihre Solltemperatur entsprechend dem Modell annehmen. In der Realität dauert es natürlich eine gewisse Zeit, bis sich alle beteiligten Materialien aufgeheizt haben. Die Temperaturen des statischen Modells werden dabei erst nach einer bestimmten Zeit erreicht. <br />
<br />
Für die meisten Anwendungen genügt es jedoch, das statische thermische Ersatzschaltbild zu erstellen und den Kühlkörper dem entsprechend zu dimensionieren. Die Kühlung wird z.B. auf die maximale oder die mittlere auftretende Verlustleistung dimensioniert. Es wurde bereits erwähnt, dass sich die Bauteiltemperatur auf dessen Lebensdauer auswirkt. Dabei gilt: je niedriger die Bauteiltemperatur, desto länger die zu erwartende Lebensdauer. Je nach Anwendung und Rahmenbedingungen muss eventuell ein Kompromiss zwischen Kühlkörpergröße/kosten und Gerätelebensdauer gewählt werden. Beispielsweise kann der verfügbare Platz, ein Gesamtgewicht oder eine Kostenvorgabe begrenzender Faktor sein. Für einen dauerhaften sicheren Betrieb muss der Kühlkörper und weitere beteiligte Materialien für den worst case ausgelegt oder sogar überdimensioniert werden.<br />
<br />
==Bauteil ohne Kühlkörper==<br />
Um den Umgang mit den thermischen Ersatzschaltbildern zu lernen, soll zunächst mit einem einfachen Beispiel begonnen werden. In diesem Fall wird der Wärmeübergang von einem einzelnen Bauteil zu Luft betrachet, es kommt zunächst also noch kein Kühlkörper zum Einsatz. Das Ersatzschaltbild sieht in diesem Fall folgendermaßen aus:<br />
<br />
[[Bild:Therm-esb1.png|450px]]<br />
<br />
Die am Bauteil entstehende Verlustleistung ist Ursache der Abwärme und wird im thermischen Ersatzschaltbild als ideale Stromquelle modelliert.<br />
<br />
Die Abwärme gelangt nun über den Weg Sperrschicht (Junction) <math>\rightarrow</math> Bauteilgehäuse (Case) <math>\rightarrow</math> Umgebung (Ambient) nach außen. Im Ersatzschaltbild ist jeder Übergang als thermischer Widerstand modelliert. Die genauen Zahlenwerte der Wärmewiderstände lassen sich in der Regel dem Datenblatt des Bauteils entnehmen. Benötigt werden die Werte für <math>R_{th(jc)}</math> und <math>R_{th(ca)}</math>. In manchen Datenblättern findet man die Angabe <math>R_{th(ja)}</math>, was der Reihenschaltung aus den beiden vorher genannten Werten entspricht, also <math>R_{th(ja)}=R_{th(jc)}+R_{th(ca)}</math>.<br />
<br />
Die Umgebungstemperatur wird als ideale Spannungsquelle modelliert. Sämtliche Spannungen im Ersatzschaltbild entsprechen den auftretenden Temperaturen.<br />
<br />
Da es sich nun um ein lineares Netzwerk handelt, gelten hier ebenfalls die Kirchhoff'schen Gleichungen. Relativ leicht lässt sich nun die Temperatur am Bauteilgehäuse (Case) und der Sperrschicht (Junction) berechnen:<br />
<br />
<math>\vartheta_{c}=\vartheta_{a}+R_{th(ca)} \cdot P_{V}</math><br />
<br />
<math>\vartheta_{j}=\vartheta_{a}+R_{th(jc)} \cdot P_{V}+R_{th(ca)} \cdot P_{V}=\vartheta_{a}+(R_{th(jc)}+R_{th(ca)}) \cdot P_{V}=\vartheta_{a}+R_{th(ja)} \cdot P_{V}</math><br />
<br />
Da die thermischen Widerstände bei der Reihenschaltung auch zusammengefasst werden dürfen, beschreibt folgendes thermisches Ersatzschaltbild den gleichen Zusammenhang. Nachteil ist hier allerdings, dass die Temperatur am Gehäuse nicht modelliert wird.<br />
<br />
[[Bild:Therm-esb0.png|300px]]<br />
<br />
===Derating===<br />
<br />
Die Überlegungen zur Sperrschichttemperatur kann auch anders interpretiert werden. Gibt man die Sperrschichttemperatur vor, kann man die maximal erlaubte Verlustleistung des Bauteils in Abhängigkeit der Umgebungstemperatur bestimmen. Die folgende Formel erhält man aus Umformung der oberen Gleichung:<br />
<br />
<math>P_{V} \leq \frac{\vartheta_{j}-\vartheta_{a}}{R_{th(ja)}}</math><br />
<br />
Bei Halbleitern darf idR. die Sperrschichttemperatur nicht 150°C überschreiten. Der thermische Widerstand wird hauptsächlich durch das Gehäuse vorgegeben. Aus der Formel sieht man nun folgendes: Je höher die Umgebungstemperatur, desto geringer fällt die maximal erlaubte Verlustleistung aus. Diesen Zusammenhang bezeichnet man auch als '''Derating'''. Der typische Verlauf sieht meist so aus:<br />
<br />
[[Bild:Derating.png|300px]]<br />
<br />
Die Derating-Formel gilt im Bereich <math>\vartheta_{1} ... \vartheta_{max}</math>. Für Temperaturen unter <math>\vartheta_{1}</math> darf die Maximalleistung <math>P_{max}</math>des Bauteilgehäuses nicht überschritten werden. <math>\vartheta_{1}</math> liegt bei meist 25°C. Den genauen Verlauf kann man dem Datenblatt des betreffenden Bauteils entnehmen.<br />
<br />
===Beispielrechnung===<br />
<br />
Ein Spannungsregler vom Typ 7805 im TO220-Gehäuse soll ohne Kühlkörper betrieben werden. Wie hoch ist die maximal erlaubte Verlustleistung, wenn die Sperrschichttemperatur 120°C nicht überschreiten soll und die Umgebungstemperatur 25°C beträgt?<br />
<br />
Zunächst werfen wir einen Blick ins Datenblatt des Spannungsreglers und entnehmen die Angaben für die thermischen Widerstände. Dann halten wir alle gegebenen Größen fest:<br />
<br />
*'''Gegeben'''<br />
*:* <math>R_{th(jc)}=5 \frac{K}{W}</math> (aus dem Datenblatt)<br />
*:* <math>R_{th(ja)}=62 \frac{K}{W}</math> (aus dem Datenblatt)<br />
*:* <math>\vartheta_{j}=125°C</math><br />
*:* <math>\vartheta_{a}=25°C</math><br />
*'''Gesucht'''<br />
*:* <math>P_{v,max}</math><br />
*'''Rechnung'''<br />
*:Wir verwenden die Formel von oben und erhalten als Ergebnis<br />
*:<math>P_{V,max} = \frac{\vartheta_{j}-\vartheta_{a}}{R_{th(ja)}} = \frac{120°C-25°C}{62\frac{K}{W}} = \frac{95K}{62\frac{K}{W}} \approx 1,5 Watt</math><br />
*:Die maximal erlaubte Verlustleistung des Spannungsreglers ohne Kühlkörper darf demnach 1,5 Watt nicht überschreiten.<br />
*'''Zusatz'''<br />
*:Mit unserem Ersatzschaltbild können wir außerdem die Temperatur des Gehäuses (Case) des Spannungsreglers angeben. Dafür benötigen wir noch die Angabe <math>R_{th(ca)}</math>, welche allerdings im Datenblatt nicht angegeben ist.<br />
*:Da wir aber wissen, dass <math>R_{th(ja)}=R_{th(jc)}+R_{th(ca)}</math> gilt, können wir die fehlende Größe ausrechnen. Diese ist<br />
*:<math>R_{th(ca)}=R_{th(ja)}-R_{th(jc)}=62\frac{K}{W}-5\frac{K}{W}=57\frac{K}{W}</math>.<br />
*:Nun lässt sich die Gehäusetemperatur berechnen:<br />
*:<math>\vartheta_{c}=\vartheta_{a}+R_{th(ca)} \cdot P_{V}=25°C+57\frac{K}{W} \cdot 1,5 W \approx 111 °C</math><br />
*'''Bemerkung'''<br />
*:In der Praxis wird einem TO220-Gehäuse ungekühlt eine maximale Verlustleistung von 1 Watt zugerechnet. Die Temperaturen sind niedriger, die Lebensdauer des Bauteils höher.<br />
<br />
==Bauteil mit Kühlkörper und T.I.M.==<br />
<br />
Der Betrieb eines ICs ohne Kühlkörper, wie im vorigen Abschnitt beschrieben, funktioniert nur bei kleinen Leistungen und führt meist auch zu einer verringerten Lebensdauer des Bauteils. Viele Bauteile können ihre angegebenen Maximalwerte nur bei vernünftiger Kühlung erreichen. In diesem Abschnitt wird nun ein typisches Szenario mit Kühlkörperberechnung vorgestellt.<br />
<br />
Befassen wir uns zunächst mit der typischen mechanischen Anordnung. Das zu kühlende IC wird thermisch an einen Kühlkörper gekoppelt. In der Praxis wird man das IC aber nicht direkt auf dem Kühlkörper befestigen, sondern über ein sogenanntes ''thermisches Interface-Material'' (T.I.M.), um Unebenheiten und mechanische Abstände auszugleichen oder um für Insolierung zu sorgen. Details zum T.I.M. folgen im Unterabschnitt. Die typische Anordnung zeigt die folgende Abbildung.<br />
<br />
[[Bild:kuehlkoerper-anordnung.png|300px]]<br />
<br />
Folgende thermischen Widerstände treten hier in Kraft:<br />
*<math>R_{th(jc)}</math> für den Übergang Chip zu Bauteilgehäuse<br />
*<math>R_{th(ch)}</math> für den Übergang Bauteilgehäuse zu Kühlkörper (also über das T.I.M.)<br />
*<math>R_{th(ha)}</math> für den Übergang Kühlkörper zur Umgebung<br />
<br />
Aus diesen thermischen Widerständen wird ein thermisches Ersatzschaltbild angefertigt. Dieses zeigt die nächste Abbildung.<br />
<br />
[[Bild:Therm-esb2.png|700px]]<br />
<br />
Zunächst soll die Formel zur Berechnung der Chiptemperatur aufgestellt werden, die Formel erhält man wieder durch die Anwendung der Kirchhoffschen Gleichungen im Ersatzschaltbild.<br />
<br />
<math>\vartheta_{j}=\vartheta_{a}+(R_{th(jc)}+R_{th(ch)}+R_{th(ha)}) \cdot P_{V}</math><br />
<br />
Die Formel wird in der Praxis jedoch in einer anderen Form benötigt. Meist steht man als Entwickler vor der Aufgabe, den erforderlichen thermischen Widerstand <math>R_{th(ha)}</math> des Kühlkörpers zu bestimmen, sofern die Größen Umgebungstemperatur, Sperrschichttemperatur, Verlustleistung sowie die verbleibenden thermischen Widerstände gegeben sind. Anhand des berechneten Wärmewiderstands des Kühlkörpers können dann aus Produktkatalogen geeignete Kühlkörper bestimmt werden.<br />
<br />
Wir müssen dafür also die Gleichung nach <math>R_{th(ha)}</math> auflösen. Wir erhalten die praxisübliche Berechnungsformel:<br />
<br />
<math>R_{th(ha)}=\frac{\vartheta_{j}-\vartheta_{a}}{P_{V}}-R_{th(jc)}-R_{th(ch)}</math><br />
<br />
In manchen Quellen sind enthält diese Formel außerdem Korrekturfaktoren, die z.B. die Einbaulage o.ä. berücksichtigen können.<br />
<br />
===Beispielrechnung===<br />
<br />
Für einen Spannungsregler vom Typ 7805 im TO220-Gehäuse soll ein Kühlkörper dimensioniert werden. Die Eingangsspannung des Reglers beträgt 12V, die Ausgangsspannung von 5V wird mit 500mA belastet. Die Umgebungstemperatur sei 30°C. Der Spannungsregler wird mit Wärmeleitpaste auf dem Kühlkörper montiert, für diesen Wärmewiderstand wird 0,5 K/W angenommen. Welchen Wärmewiderstand darf der Kühlkörper höchstens haben, wenn als maximale Sperrschichttemperatur 110°C angenommen wird?<br />
<br />
Diese Aufgabe kann so durchaus in der Praxis auftreten. Von den vielen Angaben darf man sich zunächst nicht verunsichern lassen. Wir verwenden das gezeigte thermische Ersatzschaltbild. Für die Rechnung benötigen wir außerdem noch den thermischen Widerstand <math>R_{th(jc)}</math> aus dem Datenblatt.<br />
<br />
*'''Gegeben'''<br />
*:<math>R_{th(jc)}=5 \frac{K}{W}</math> (aus dem Datenblatt)<br />
*:<math>R_{th(ch)}=0,5 \frac{K}{W}</math><br />
*:<math>\vartheta_{j}=110°C</math><br />
*:<math>\vartheta_{a}=30°C</math><br />
*:<math>U_{ein}=12V</math><br />
*:<math>U_{aus}=5V</math><br />
*:<math>I=0,5A</math><br />
*'''Gesucht'''<br />
*:<math>R_{th(ha)}</math><br />
*'''Rechnung'''<br />
*:Zunächst muss die Verlustleistung am Regler berechnet werden. Diese beträgt<br />
*:<math>P_V=P_{Ein}-P_{Aus}=12V \cdot 0,5A~-~5V \cdot 0,5A=3,5 W</math>.<br />
*:Nun sind eigentlich auch schon alle Angaben vorhanden, sodass wir die Formel verwenden können.<br />
*:<math>R_{th(ha)}=\frac{\vartheta_{j}-\vartheta_{a}}{P_{V}}-R_{th(jc)}-R_{th(ch)}</math><br />
*:Einsetzen:<br />
*:<math>R_{th(ha)}=\frac{110°C-30°C}{3,5W}-5\frac{K}{W}-0,5\frac{K}{W} \approx 17,4\frac{K}{W}</math><br />
*'''Ergebnis'''<br />
*:Der Wärmewiderstand des Kühlkörpers darf maximal <math>17,4\frac{K}{W}</math> betragen.<br />
*'''Zusatz'''<br />
*:Aus dem Katalog wird ein Kühlkörper mit einem Wärmewiderstand von <math>10\frac{K}{W}</math> gewählt. Welche Temperatur erreicht der Kühlkörper, wenn er bei den gegebenen Bedingungen eingesetzt wird?<br />
*:<math>\vartheta_h=\vartheta_a+P_{V} \cdot R_{th(ha)}=30°C+3,5W \cdot 10 \frac{K}{W} \approx 65°C</math><br />
<br />
==Mehrere Bauteile auf einem gemeinsamen Kühlkörper==<br />
<br />
[[Bild:Therm-esb3.png|700px]]<br />
<br />
Thermisches Ersatzschaltbild: zwei Wärmequellen, gemeinsamer Kühlkörper<br />
<br />
Wird noch ausgebaut ...<br />
<br />
=Thermische Interface-Materialien (T.I.M.) und Montage=<br />
Wie bereits erwähnt, werden ICs in der Praxis nicht direkt auf einen Kühlkörper befestigt. Der Grund dafür ist folgender: Durch Unebenheiten und die rauhe Oberfläche von Kühlkörper und IC berühren sich die betreffenden Flächen unter dem Mikroskop gesehen nur minimal. Durch Lufteinschlüsse und die Tatsache, dass Luft ein schlechter Wärmeleiter ist, fällt in diesem Fall die thermische Anbindung des ICs an den Kühlkörper relativ schlecht aus.<br />
<br />
Zum Ausgleich der Unebenheiten eignet sich Wärmeleitpaste, welche dünn auf die Kontaktfläche aufgetragen wird. Es genügt eine sehr geringe Menge der Wärmeleitpaste, die Schichtdicke liegt in der Größenordnung 0,1mm. Die Aufgabe der Wärmeleitpaste ist, die Unebenheiten der Kontaktflächen auszugleichen. Zu viel Wärmeleitpaste erhöht wiederum den thermischen Übergangswiderstand. <br />
<br />
Ist zusätzlich eine elektrische Isolation zwischen IC und Kühlkörper erforderlich, können Glimmerscheiben (engl. mica) eingesetzt werden. Elektrische Isolation ist erforderlich, falls zum Beispiel mehrere Transistoren auf einen Kühlkörper montiert werden sollen und eine elektrische Verbindung der Kühlfahnen über den Kühlkörper zu Kurzschlüssen führen würde. Werden Glimmerscheiben verwendet, müssen diese beidseitig mit Wärmeleitpaste bestrichen werden, um sämtliche Unebenheiten auszugleichen. Die Glimmerscheiben werden zwischen IC und Kühlkörper eingebaut. Werden die ICs an den Kühlkörper geschraubt, muss auch die Schraube elektrisch isoliert werden. Hierfür sind entsprechende Hülsen aus Kunststoff erhältlich.<br />
<br />
Wärmeleitfolien aus Silikon /Gap-Filler<br />
<br />
BAUSTELLE<br />
<br />
Zur Montage der ICs auf dem Kühlkörper gibt es mehrere Möglichkeiten. Üblich sind Schraubmontage oder die Verwendung von Metallclips aus Federstahl. Der Anpressdruck durch die Montage kann die thermische Kopplung des ICs zum Kühlkörper beeinflussen. Die Metallclips haben den Vorteil, dass der Anpressdruck mit der Zeit nicht nachlässt.<br />
<br />
BAUSTELLE<br />
<br />
=Dynamisches Ersatzschaltbild=<br />
<br />
Bisher haben wir uns mit statischen Ersatzschaltbildern beschäftigt. Diese beinhalten die Wärmequellen, die Umgebungstemperatur sowie alle thermischen Widerstände. Nicht berücksichtigt wurden bislang Wärmekapazitäten. Erfahrungsgemäß dauert es eine gewissen Zeit, bis alle Gegenstände auf die berechnete Temperatur aufgeheizt sind. Um die zeitlichen Temperaturverläufe bestimmen zu können, müssen die thermischen Ersatzschaltbilder noch mit Wärmekapazitäten ergänzt werden. Wärmewiderstände und Wärmekapazitäten ergeben ein Tiefpassfilter mit einer definierten Zeitkonstante. Bei geeigneter Modellierung kommt das Modell kommt dem realen Temperaturverlauf schon sehr nahe. Nun können wir also zeitveränderliche Vorgänge modellieren. Dies ist insbesondere notwendig wenn sich stark ändernde Verlustleistungen (z.B. Impulsbelastung) an den Bauteilen auftreten und die Temperaturen vorab berechnet werden sollen. Im Hobbybereich ist diese Berechnung jedoch häufig nicht erforderlich, in der Regel genügt das statische Ersatzschaltbild.<br />
<br />
Ergänzen wir das bisherige thermische Ersatzschaltbild um Wärmekapazitäten, ergibt sich das folgende thermische Ersatzschaltbild. Dieses Modell wird als Cauer-Typ bezeichnet. Wärmewiderstände und Wärmekapazitäten lassen sich physikalisch bestimmen und eindeutig im Ersatzschaltbild zuordnen. Berechnete Temperaturen entsprechen realen Temperaturen.<br />
<br />
[[Bild:Therm-esb-dyn-cauer.PNG|600px]]<br />
<br />
Den gleichen Sachverhalt kann man auch mit dem sogenannten Foster-Modell darstellen. Dieses Modell scheint weit verbreitet zu sein, ist allerdings nicht mehr besonders anschaulich. Die gezeigten Ersatzschaltbilder lassen sich auch ineinander überführen, allerdings unterscheiden sich die eingetragenen Wärmekapazitäten und Wärmewiderstände.<br />
<br />
[[Bild:Therm-esb-dyn-foster.PNG|600px]]<br />
<br />
Die schwierige Aufgabe besteht nun darin, alle Zahlenwerte der Wärmewiderstände und Wärmekapazitäten zu bestimmen. Erst dann können die Temperaturverläufe in einer Simulation (z.B. mit SPICE) bestimmt werden. Im Hobbybereich ist diese Berechnung jedoch häufig nicht erforderlich.<br />
<br />
=Kühlkörperbauformen=<br />
* Board-Level-Kühlkörper (aufsteckbare/aufklebbare Kühlkörper, auch für SMD, meist 1 Kühlkörper pro IC)<br />
* Strang-/Profilkühlkörper (meist für hohe Leistungen)<br />
* Kühlaggregate (Kanal + Lüfter)<br />
<br />
Wozu eloxierte Oberflächen?<br />
* geringfügig höhere Wärmestrahlung (bei den niedrigen Temperaturen kaum ein Beitrag)<br />
* elektrische Isolation<br />
* Oberflächenschutz<br />
Nachteile:<br />
* erhöhte Wärmeaufnahme aus der unmittelbaren Umgebung!<br />
<br />
Stiftkühlkörper<br />
* hohe Oberfläche<br />
* bei dickem "Rücken"/"Boden" des Kühlkörpers gute Wärmespreizung<br />
* mit erzwungener Konvektion hohe Wärmeübertragung (quer zu den Stiften effektiver als in Stiftrichtung)<br />
* leichter und kompakter als Strangkühlkörper<br />
<br />
todo<br />
<br />
=Lüfter=<br />
Lüfter werden vor allem dann eingesetzt, wenn der Kühlkörper bei rein passiver Kühlung zur groß, zu schwer oder zu teuer wird. Beim Einsatz des Lüfters führt die erzwungene Luftströmung zur besseren Wärmeabgabe an die Luft. Bei gleicher Temperatur kann der Kühlkörper dann kleiner gewählt werden. Bei hohen Leistungen sind der kleinere Kühlkörper mit Lüfter preisgünstiger und kompakter als ein großer, rein passiver Kühlkörper. Um welchen Faktor die Wärmeableitung mit Lüfter verbessert wird, hängt von vielen Parametern ab und kann nicht pauschal angegeben werden.<br />
<br />
Vorteile<br />
* bessere Wärmeabgabe<br />
* Kühlkörper kann bei gleicher Temperatur kleiner, leichter und kostengünstiger werden<br />
* In kleinem Maßstab günstiger als Wasserkühlung o.ä.<br />
<br />
Nachteile<br />
* zusätzlicher Stromverbrauch<br />
* Geräuschentwicklung und Vibrationen<br />
* zusätzliche Kosten für Lüfter und dessen Montage<br />
* Im Falle eines unbemerkten Ausfalls kann die Schaltung überhitzen (Abhilfe: Thermostat, Temperaturfühler oder Tachosignal auswerten)<br />
<br />
Anordnungen:<br />
* Push-Prinzip: Der Lüfter bläst die Luft in den Kühlkörper/-kanal<br />
* Pull-Prinzip: Der Lüfter saugt die Luft aus dem Kühlkörper/-kanal heraus<br />
<br />
Kenngrößen:<br />
* Luftdurchsatz in <math>\frac{m^{3}}{h}</math><br />
* Nennspannung, Nennstrom, Nennleistung<br />
* Typ Axial/Radial<br />
* Größe<br />
* Geräuschpegel<br />
* Art der Lagerung (Kugellager, Sinterbronze-Lager etc.)<br />
* Temperaturbereich<br />
* Lebensdauer, MTBF<br />
<br />
=Entwärmung auf einer Platine=<br />
Beim Leiterplattenentwurf muss bereits in der Designphase abgeschätzt werden, welche Verlustleistungen auftreten und wie die entstehende Wärme abgeführt werden kann. Die Anordnung der Bauteile und die Gestaltung der Leiterbahnen hat Auswirkungen auf das thermische Verhalten. Die Einbaulage der Platine kann die Entwärmung zudem beeinflussen. Erwärmte Umgebungsluft steigt bekanntlich nach oben und kann andere Komponenten oder Platinen aufheizen. Wird die Platine in ein Gehäuse eingebaut, müssen gegebenenfalls Lüftungsschlitze eingebracht werden oder die zu kühlenden Bauteile an der Gehäusewand platziert werden. Bei geschlossenen Gehäusen muss bei der Kühlkörperdimensionierung mit höheren Umgebungstemperaturen gerechnet werden (z.B. 50°C, 60°C), da sich die Wärme zunächst im Gehäuse staut und nur allmählich durch die Gehäusewand abgegeben wird.<br />
<br />
==Bedrahtete Bauteile==<br />
Für bedrahtete Bauteilgehäuse wie z.B. TO-220 sind zahlreiche Kühlkörpervarianten erhältlich. Für Printmontage eignen sich Kühlkörper, die mit Lötstiften oder Schrauben an der Platine befestigt werden. Das Bauteil selbst wird mit einem Federclip oder einer Schraube am Kühlkörper montiert. Die Größe, Bauform und Befestigung des Kühlkörpers muss bereits beim Leiterplattenentwurf berücksichtigt werden. Leistungsdioden und Leistungswiderstände sind in den meisten Fällen für Konvektionskühlung ausgelegt, d.h. durch Luftströmung. Diese werden meist mit etwas Abstand von der Platinenoberfläche montiert, um die gesamte Bauteiloberfläche zur Kühlung nutzen zu können und um die Platine nicht unnötig aufzuheizen.<br />
<br />
Zur Verbesserung der Wärmeableitung kann, abgesehen vom Kühlkörper, auch die Platine bei der Wärmeverteilung helfen:<br />
* Breite Leiterbahnen können Wärme abführen und auf eine große Fläche verteilen<br />
* Eine dickere Kupferkaschierung kann die Wärmeableitung unterstützen (Standard sind 35µm, erhältlich sind auch 70µm und mehr), dies reduziert zudem die elektrischen Leiterbahnwiderstände<br />
* Mit einer großen Zahl von Durchkontaktierungen (vias) kann die Wärme auf andere Kupferlagen verteilt werden (der Platinenkern FR4 allein hat eine schlechte Wärmeleitfähigkeit)<br />
* Einsatz spezieller Platinenmaterialien (Alukern) z.B. bei Platinen für High-Power-LEDs<br />
* Für kleinere ICs mit Wärmeentwicklung eignen sich aufklebbare Kühlkörper<br />
<br />
Beim Entwurf der Platine muss den Bauteilen in der Nähe der Wärmequelle besondere Aufmerksamkeit geschenkt werden. Vor allem sind '''Elektrolytkondensatoren (Elkos)''' betroffen, da diese durch benachbarte Wärmequellen allmählich austrocknen und zum Ausfall der Schaltung führen können! Elkos sollten möglichst so platziert werden, dass sie eine geringe Temperatur und somit eine hohe Lebensdauer erreichen. Jedoch ist dies bei manchen Anwendungen nur eingeschränkt möglich. Beispielsweise sind bei Schaltreglern kurze Leiterschleifen erwünscht, um die elektromagnetische Verträglichkeit zu verbessern (Leiterschleifen wirken als Antenne) und um parasitäre Induktivitäten und Widerstände zu reduzieren. Der Einsatz hochwertiger Elkos mit geringem ESR, hoher Maximaltemperatur und Lebensdauer ist empfehlenswert. Zudem ist auf ausreichende Spannungsfestigkeit und geringe Rippleströme im Betrieb zu achten. Im Laufe der Betriebszeit sinkt die Kapazität des Elkos und die Verluste steigen. Die Lebensdauer der Elkos kann abgeschätzt werden. Die Hersteller geben idR. die Lebensdauer bei der spezifizierten Maximaltemperatur an, z.B. 5000h bei 105°C. Zur Abschätzung der Lebensdauer gilt hier auch die 10°C-Regel (laut Panasonic im Bereich 40°C bis 100°C), d.h. pro 10°C niedrigerer Betriebstemperatur verdoppelt sich die Lebensdauer des Elkos. Die erwartete Lebensdauer kann mit der folgenden Formel (Panasonic) abgeschätzt werden:<br />
<br />
<math>\Large L=L_{Tmax} \cdot 2^{\left( \frac{T_{max} - T}{10} \right)}</math><br />
<br />
'''Beispiel'''<br />
<br />
Ein Elko ist mit 5000h bei 105°C spezifiziert. Welche Lebensdauer wird bei einer Temperatur von 55°C erwartet?<br />
* Gegeben: <math>\large L_{Tmax}=5000h</math> , <math>\large T_{max}=105°C</math> , <math>\large T=55°C</math><br />
* Rechnung: <math>\large L=L_{Tmax} \cdot 2^{\left( \frac{T_{max} - T}{10} \right)}=5000h \cdot 2^{\left( \frac{105°C - 55°C}{10} \right)}=5000h \cdot 2^5=5000h \cdot 32=160000h</math><br />
* Ergebnis: Die Lebensdauer des Elkos beträgt unter diesen Bedingungen etwa 160000h, also über 18 Jahre Dauerbetrieb!<br />
* Bemerkung: Würde man z.B. einen billigen 2000h/85°C-Elko verwenden, würde dieser unter den gleichen Bedingungen keine 2 Jahre durchhalten!<br />
<br />
Liegt das Datenblatt des verwendeten Elkos vor, sollte man sich an die dort genannten Berechnungen und Zahlenwerte halten. Die gezeigte Berechnung ist nur eine Näherungsformel. Für weitere Verwendungshinweise sei auf die ''Application Guidelines'' für ''Radial Lead Type Aluminum Electrolytic Capacitors'' von ''Panasonic'' verwiesen (siehe Quellenangaben und Verweise am Seitenende).<br />
<br />
==SMD-Bauteile==<br />
SMD-Bauteile können meist über die Platine gut entwärmt werden. Dies ist normalerweise nur bei geringen Verlustleistungen möglich. Die Abwärme der Bauteile muss auf eine möglichst große Fläche verteilt werden, durch große Kupferflächen auf der Platine kann dies erreicht werden. Da die Wärmeleitfähigkeit der Kupferauflage deutlich höher ist als die Wärmeleitfähigkeit des Platinenmaterials FR4, wird sich die Wärme hauptsächlich in der Fläche verteilen, jedoch weniger ''durch'' die Platine hindurch. Um die Wärmeleitung durch die Platine (z.B. von Ober- zu Unterseite) zu erhöhen, müssen Durchkontaktierungen gesetzt werden. Sogenannte "Thermal Vias" werden in einer großen Anzahl an das zu entwärmende Bauteil gesetzt und können damit die Wärme zu anderen Kupferlagen der Platine weiterleiten. Die Wärmeleitung durch die Platine hindurch wird verbessert, liegt aber dennoch deutlich unter der Wärmeleitfähigkeit von reinem Kupfer. Thermische Vias können aufgrund ihrer kleinen Masse kaum einen Beitrag zur gesamten "Kühlmasse" beitragen. Ob schließlich eine Entwärmung durch die Platine ausreicht, muss durch Simulation oder Messung gezeigt werden.<br />
<br />
Welche Temperatur das Bauteil auf der Platine erreicht, kann nach dem Aufbau natürlich gemessen werden. Besser wäre es jedoch, die Temperaturen bereits beim Entwurf der Platine zu kennen, um einschätzen zu können, ob die Entwärmung ausreichend ist. Allgemeine Angaben hierfür sind schwer zu finden, jedoch gibt es vereinzelt Angaben in Datenblättern von Halbleitern zur Entwärmung. An den folgenden Zahlenwerten kann man sich orientieren, wenn man ähnliche Bauteile entwärmen möchte. Damit man für die genannten Flächen eine grobe Vorstellung hat, sei noch erwähnt: ein Cent hat eine Fläche von grob <math>200mm^2</math>, ein Euro hat grob <math>400mm^2</math>.<br />
<br />
Für SMD-Bauteile exisitieren Kühlkörper, die sich direkt auf die Platine löten lassen, diese sind auch maschinenbestückbar.<br />
<br />
'''TO263 (=D2PAK)'''<br />
<br />
Im Datenblatt des Schaltreglers LM2576 von ''National Semiconductor'' findet man für das TO263-Gehäuse einige Angaben. Das TO263-Gehäuse gleicht übrigens dem TO220 bis auf die Tatsache, dass die Kühlfahne kürzer ist und das Gehäuse für SMD-Montage vorgesehen ist. Das Datenblatt gibt thermische Widerstände für den Übergang Junction-Ambient an. Die Angabe ist abhängig von der Kupferfläche auf der Platine, die unmittelbar für das Bauteil aus Kühlkörper wirkt. Die Zahlenwerte aus dem Datenblatt wurden in Quadratmillimeter umgerechnet, gerundet und stehen nun in der Tabelle bereit. Keine Angaben macht der Hersteller zu den Rahmenbedingungen, unter denen die thermischen Widerstände ermittelt wurden (Platinendicke, Durchkontaktierungen, Form der Kupferfläche und Dicke der Kupferkaschierung). Dennoch können die Werte zur groben Orientierung dienen.<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
| Kupferfläche || therm. Widerstand<br />
|-<br />
| <math>325 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 50\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>645 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 37\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>1030 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 32\frac{K}{W} </math><br />
|}<br />
<br />
'''TO252 (=DPAK), SOT223'''<br />
<br />
Im Datenblatt des Low-Drop-Spannungsreglers LM1117 von ''National Semiconductor'' sind Angaben zur Entwärmung über die Platine von SOT223 und TO252-Gehäusen vorhanden. Der Hersteller gibt an, für das SOT223-Gehäuse eine 35µm dicke, und für das TO252-Gehäuse eine 70µm dicke Kupferkaschierung der Platine verwendet zu haben. Leider finden sich in diesem Datenblatt keine Informationen zu Durchkontaktierungen, Platinendicke, und ob das IC auf der Ober- oder Unterseite der Platine montiert wurde (Vermutung: oben montiert, da angegebene thermische Widerstände geringer sind). Der Hersteller hat drei Fälle untersucht: Kupferfläche oben, Kupferfläche unten, Kupferfläche beidseitig. Für das thermische Platinendesign kann man diese Zahlenwerte zumindest als Richtwerte verwenden. Das Datenblatt enthält zudem Zeichnungen der Kühlflächen. Die Zahlenwerte wurden wieder in Quadratmillimeter umgerechnet und gerundet und in die folgenden Tabelle eingetragen:<br />
<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
| Kupferfläche top || Kupferfläche bottom || therm. Widerstand SOT223 || therm. Widerstand TO252<br />
|-<br />
| <math> 200mm^2</math> || - || <math>R_{th(ja)}\approx 84\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 60\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math> 350mm^2</math> || - || <math>R_{th(ja)}\approx 75\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 54\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math> 650mm^2</math> || - || <math>R_{th(ja)}\approx 66\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 47\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| - || <math> 250mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 98\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 70\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| - || <math> 400mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 89\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 63\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| - || <math> 650mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 79\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 57\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math> 200mm^2</math> || <math> 200mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 83\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 61\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math> 250mm^2</math> || <math> 250mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 75\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 55\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math> 350mm^2</math> || <math> 350mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 70\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 53\frac{K}{W} </math><br />
|}<br />
<br />
'''SO8'''<br />
<br />
Für das SO8-Gehäuse findet man eine Angabe im Datenblatt des Spannungsreglers 78L05 von ''ST'':<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
| Kupferfläche || therm. Widerstand<br />
|-<br />
| <math>600 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 55\frac{K}{W} </math><br />
|}<br />
<br />
'''SO20'''<br />
<br />
Aus dem Datenblatt des L293DD sind Angaben zum SO20-Gehäuse enthalten. In diesem Falle sind 8 zentrale Pins an die Kühlfläche angebunden, die Kupferkaschierung ist vermutlich einseitig 35µm. Die groben Richtwerte sind:<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
| Kupferfläche || therm. Widerstand<br />
|-<br />
| <math>200 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 60\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>400 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 53\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>600 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 51\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>800 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 50\frac{K}{W} </math><br />
|}<br />
<br />
'''PowerDIP20'''<br />
<br />
Für das DIP20-Gehäuse wird man im Datenblatt des Motortreibers L6202 von ''ST'' fündig. Bei 35µm Kupferkaschierung der Platine ergeben sich die folgenden thermischen Widerstände.<br />
<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
| Kupferfläche || therm. Widerstand<br />
|-<br />
| <math>0 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 58\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>200 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 45\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>400 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 39\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>600 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 38\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>800 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 37\frac{K}{W} </math><br />
|}<br />
<br />
Für die Form der empfohlenen Kühlfläche sei auf das Datenblatt verwiesen. Wird das IC in einem Sockel verwendet, muss man sicherlich von höheren thermischen Widerständen ausgehen.<br />
<br />
'''AN-994'''<br />
<br />
In der ''Application Note AN-994 - Maximizing the Effectiveness of your SMD Assemblies'' von ''International Rectifier (IRF)'' sind weitere Daten vorhanden. Die dort genannten Daten sind jedoch teils drastisch niedriger als die hier genannten. Eine mögliche Erklärung sind z.B. die höhere Kupferauflage (70µm) oder evtl. optimierte Wärmewiderstände innerhalb der Gehäuse.<br />
<br />
'''Große Kupferflächen'''<br />
<br />
Im ''Application Hint 17 - Designing P.C. Board Heat Sinks - by Bob Wolbert (Micrel)'' werden Angaben zu thermischen Widerständen der Platine für vergleichsweise große Flächen gemacht. Die thermischen Widerstände beschreiben den Übergang <math>R_{th(ha)}</math> unter den Bedingungen: Quadratische Kupferfläche, einseitig, horizontal montiert, Lötstopplack, keine Belüftung. Die Dicke der Kupferkaschierung ist nicht angegeben. Hier einige Werte, abgelesen aus dem Diagramm der genannten Application Note:<br />
<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
| Kupferfläche || therm. Widerstand<br />
|-<br />
| <math>500 mm^2</math> || <math>R_{th(ha)}\approx 60\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>1000 mm^2</math> || <math>R_{th(ha)}\approx 45\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>1500 mm^2</math> || <math>R_{th(ha)}\approx 38\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>2000 mm^2</math> || <math>R_{th(ha)}\approx 33\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>2500 mm^2</math> || <math>R_{th(ha)}\approx 30\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>3000 mm^2</math> || <math>R_{th(ha)}\approx 28\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>4000 mm^2</math> || <math>R_{th(ha)}\approx 24\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>5000 mm^2</math> || <math>R_{th(ha)}\approx 22\frac{K}{W} </math><br />
|}<br />
<br />
<br />
'''Abschlusskommentar'''<br />
<br />
An den gezeigten, thermischen Widerständen sieht man leicht: je größer die Kühlfläche, desto geringer der thermische Widerstand. Dieses Verhalten würde man so auch erwarten.<br />
<br />
Ab einer bestimmten Fläche wird die Platine als Kühlkörper jedoch unhandlich, und man wird die Fläche nicht weiter vergrößern. Die mit den Kupferflächen erreichten thermischen Widerstände sind für viele Anwendungen noch deutlich zu hoch. Bei Verlustleistungen von wenigen Watt werden dadurch bereits kritische Chiptemperaturen erreicht. Wie bereits oben erwähnt, funktioniert die Entwärmung von SMD-Komponenten über die Platine also nur für kleine Verlustleistungen. Bei größeren Verlustleistungen müssen zusätzliche Entwärmungsmaßnahmen getroffen werden (z.B. aufklebbarer Kühlkörper, etc.). Zielführend ist auch, die Ursache der Erwärmung, nämlich die Verlustleistung zu verringern. Wird beispielsweise ein Linearregler durch einen effizienteren Schaltregler ersetzt, kann die Entwärmung aufgrund der kleineren Verlustleistung deutlich einfacher gestaltet werden. Ob die Verringerung der Verlustleistung möglich ist, hängt natürlich von der Anwendung ab.<br />
<br />
=Spezielle Kühlkörper=<br />
<br />
todo<br />
<br />
=Autoren=<br />
* BMS<br />
<br />
[[Kategorie:Elektronik]]<br />
[[Kategorie:Mechanik]] <br />
[[Kategorie:Praxis]] <br />
[[Kategorie:Grundlagen]]<br />
<br />
=Quellen und Verweise=<br />
<br />
Printmedien:<br />
<br />
* Best, Siegfried W.: ''Elektronikkühlung und Wärmemanagement von A bis Z''. In: Elektronikpraxis - Sonderheft Elektromechanik, April 2013. S. 20ff.<br />
* Best, Tobias: ''Thermisches Via, die kleine Schwester der Heatpipe''. In: Elektronikpraxis, April 2013. S. 12ff.<br />
* Erdmann, Marc: ''Beste Effizienz auch beim Thermal Management''. In: Elektronikpraxis - Sonderheft Leistungelektronik und Stromversorgung. März 2015. S. 38ff.<br />
* Kerstin, Nils; Schulz, Martin: ''Thermische Widerstände genau messen - eine Herausforderung''. In: Elektronikpraxis, Nr. 17, September 2014. S. 48ff.<br />
* K.R. (Alutronic): ''Stiftkühlkörper für die Leistungselektronik''. In: Elektronikpraxis Nr.9, Mai 2014. S. 50ff.<br />
* Harpain, Jürgen: ''Wärmeleitmaterial kompensiert Lufteinschlüsse''. In: Elektronikpraxis Nr.1, Januar 2014. S. 36ff.<br />
* Harpain, Jürgen: ''Entwärmungskonzepte für Einzelhalbleiter und ICs''. In: Elektronikpraxis - Sonderheft Elektromechanik, April 2014. S. 14ff.<br />
* Schulz, Martin: ''Fünf Fettnäpfchen beim Bestimmen thermischer Größen''. In: Elektronikpraxis, November 2013. S. 36ff.<br />
* Schulz, Martin: ''Mythen und Legenden über Wärmeleitmaterialien''. In: Elektronikpraxis Nr.2., Januar 2014. S. 42ff.<br />
* Specovius, J.: Grundkurs Leistungselektronik: Bauelemente, Schaltungen und Systeme. Wiesbaden 2014. 6. Auflage. S.95-104<br />
----<br />
<br />
Datenblätter, aus denen thermische Widerstände entnommen wurden:<br />
<br />
* [http://pdf.datasheetcatalog.com/datasheet/nationalsemiconductor/DS011476.PDF Datenblatt LM2576 von National Semiconductor]<br />
* [http://pdf.datasheetcatalog.com/datasheet/nationalsemiconductor/LM1117.pdf Datenblatt LM1117 von National Semiconductor]<br />
* [http://pdf.datasheetcatalog.com/datasheets/150/9358_DS.pdf Datenblatt L78Lxx von ST]<br />
* [http://pdf.datasheetcatalog.com/datasheet/stmicroelectronics/1330.pdf Datenblatt L293DD von ST]<br />
* [http://pdf.datasheetcatalog.com/datasheet/stmicroelectronics/1373.pdf Datenblatt L6202 von ST]<br />
* [http://www.irf.com/technical-info/appnotes/an-994.pdf ''Application Note AN994 - Maximizing the Effectiveness of your SMD Assemblies'' - International Rectifier (IRF)]<br />
* [http://www.micrel.com/_PDF/App-Hints/ah-17.pdf ''Application Hint 17 - Designing P.C. Board Heat Sinks - by Bob Wolbert (Micrel)'']<br />
<br />
----<br />
<br />
Weblinks:<br />
<br />
* [http://stegem.de/Elektronik/Kuehlkoerper/ Online-Tool zur Kühlkörperberechnung von Gemmel, S.]<br />
* [http://ludens.cl/Electron/Thermal.html Thermal Design - von Mornhinweg, M.]<br />
* [http://sound.westhost.com/heatsinks.htm The Design of Heatsinks - von Elliot, R.]<br />
* [http://www.giangrandi.ch/electronics/thcalc/thcalc.shtml Calculating Heat sinks - von Giangrandi, I.]<br />
* [http://www.irf.com/technical-info/appnotes/an-1057.pdf Application Note AN-1057: Heatsink Characteristics von International Rectifier (IRF)]<br />
* [http://ww1.microchip.com/downloads/en/AppNotes/00792a.pdf Application Note AN792: A method to determine how much power a sot23 can dissipate in an application (Microchip Technology Inc. 2001)]<br />
* [http://www.fairchildsemi.com/application-notes/AN/AN-1028.pdf Application Note AN1028: Maximum Power Enhancement Techniques for SOT-223 Power MOSFETs (Fairchild Semiconductor 1996)]<br />
* [http://www.industrial.panasonic.com/www-data/pdf/ABA0000/ABA0000PE26.pdf Aluminium Electrolytic Capacitors - Application Guidelines (Panasonic 2015)]</div>BMShttps://rn-wissen.de/wiki/index.php?title=K%C3%BChlk%C3%B6rper&diff=26563Kühlkörper2015-07-25T11:53:49Z<p>BMS: /* Quellen und Verweise */</p>
<hr />
<div>{{Baustelle|BMS}}<br />
<br />
Dieser Artikel behandelt die Grundlagen zu Kühlkörpern.<br />
<br />
[[Bild:kuehlkörper-uebersicht.jpg|thumb|Verschiedene Kühlkörper, links ein TO220-Gehäuse zum Größenvergleich]]<br />
<br />
=Einleitung=<br />
<br />
'''Wieso sind überhaupt Kühlkörper in technischen Geräten erforderlich?'''<br />
<br />
Kein Gerät kann einen 100-prozentigen Wirkungsgrad erzielen und somit tritt Verlustleistung auf. Diese Verlustleistung führt zur Erwärmung der Bauteile. Kühlkörper sollen die Entwärmung verbessern, indem die entstehende Wärme auf eine große Fläche verteilt wird und durch Konvektion an der Luft auskühlen kann. Die Temperatur an den heißen Bauteilen ist mit Kühlkörper geringer als ohne Kühlkörper.<br />
<br />
'''Wieso sind hohe Bauteiltemperaturen ungünstig?'''<br />
<br />
Die Lebensdauer aller elektronischen Bauteile ist stark von der Temperatur abhängig. Als Faustregel gilt: Eine Temperaturerhöhung um 10 Grad führt zur Halbierung der Lebensdauer. Außerdem gibt es Grenztemperaturen, die nicht überschritten werden dürfen. Beispielsweise dürfen Halbleiter keine Temperatur über 150°C erreichen. Extrembeispiele sind die Schmelztemperatur von Isolierungen, Lötzinn etc... sowie Brandgefahr durch hohe Temperaturen. Viele Bauteile können ohne vernünftige Kühlung nicht ihren vollen Funktionsumfang erreichen, liefern dann z.B. geringere Maximalströme oder es greift die Temperaturabschaltung. Anders formuliert: Die maximale Leistung eines Bauteils oder Geräts wird durch seine Entwärmung bestimmt! Zur eigenen Sicherheit bietet es sich zudem an, die Temperaturen niedrig zu halten, sodass man sich am Gerät nicht die Finger verbrennen kann ;)<br />
<br />
=Wärmeübertragung=<br />
Prinzipiell kann Wärmeübertragung über Wärmeleitung, Konvektion und Wärmestrahlung geschehen. In vielen Anwendungen treten mehrere Mechanismen gleichzeitig auf. Welcher Mechanismus hauptsächlich auftritt, ist von der mechanischen Anordnung, den Materialien und der Temperatur abhängig. Wärmeleitung und Konvektion sind die wichtigsten Arten der Wärmeübertragung, die in der Praxis auftreten. Nun zu den einzelnen Effekten:<br />
<br />
*'''Wärmeleitung'''<br />
*: Bei der Wärmeleitung wird die Wärme über einen direkten mechanischen Kontakt (Bsp. IC <math>\rightarrow</math>Kühlkörper) übertragen. Den beteiligten Materialien wird jeweils eine spezifische Wärmeleitfähigkeit <math>\lambda</math> zugeordnet, dazu später mehr.<br />
<br />
*'''Konvektion'''<br />
*: Mit Konvektion wird die Strömungsbewegung in Flüssigkeiten und Gasen bezeichnet. Praxisbeispiele sind die Wärmeabgabe eines Kühlkörpers an die Umgebungsluft oder auch eine Wasserkühlung. Von erzwungener Konvektion spricht man, wenn die Strömung durch z.B. einen Ventilator/Lüfter oder eine Wasserpumpe hervorgerufen wird. Im Vakuum kann keine Konvektion auftreten.<br />
<br />
*'''Wärmestrahlung'''<br />
*: Wärmestrahlung ist elektromagnetische Strahlung (hauptsächlich Infrarot und sichtbares Licht), die vom heißen Festkörper abgestrahlt wird. Sie wird erst bei höheren Temperaturen relevant und ist bei den üblichen Kühlkörpertemperaturen meist zu vernachlässigen. Erwähnt werden soll zudem, dass Wärmestrahlung der einzige Mechanismus der Wärmeleitung ist, welcher im Vakuum auftreten kann. (Für Details zu Wärmestrahlung siehe auch: Plancksches Strahlungsgesetz und Schwarzer Strahler).<br />
<br />
=Materialien=<br />
Jedes Material besitzt eine spezifische Wärmeleitfähigkeit, welche angibt, wie gut dieses Material Wärme weiter transportieren kann. Die spezifische Wärmeleitfähigkeit ist unabhängig von der Geometrie des Materials, wird mit der Größe <math>\lambda</math> (Lambda) ausgedrückt und erhält die Einheit <math>\frac{W}{m \cdot K}</math>.<br />
<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
|-<br />
| '''Material''' || '''<math>\lambda</math> in <math>\left[ \frac{W}{m \cdot K} \right]</math>'''<br />
|-<br />
| Silber || 430<br />
|-<br />
| Kupfer || 400<br />
|-<br />
| Aluminium || 230<br />
|-<br />
| Silizium || 140 <br />
|-<br />
| Wärmeleitpaste || 5 ... 10<br />
|-<br />
| Glas || 0,7<br />
|-<br />
| Wasser || 0,5<br />
|-<br />
| Platinenmaterial FR4 || 0,2 ... 0,5<br />
|-<br />
| Luft || 0,02<br />
|}<br />
<br />
Die meisten Kühlkörper werden aus Aluminiumlegierungen hergestellt. Für Aluminium spricht seine relativ hohe Wärmeleitfähigkeit, die hohe Verfügbarkeit und geringe Dichte. Im Vergleich zu Kupfer und Silber ist Aluminium deutlich kostengünstiger. Darüber hinaus lässt sich Aluminium mechanisch gut verarbeiten. Kupfer wird mit seiner höheren Wärmeleitfähigkeit z.B. bei Heatpipes eingesetzt.<br />
<br />
todo<br />
<br />
Wärmewiderstand <math>R_{th}=\frac{d}{\lambda \cdot A}</math><br />
<br />
d: Materialdicke, welche für die Wärmeleitung relevant ist<br />
<br />
<math>\lambda</math>spezifische Wärmeleitfähigkeit des Materials<br />
<br />
A: Querschnitts-/Kontaktfläche<br />
<br />
=Definitionen=<br />
Um vorauszusagen, wie sich die Temperaturen in einer Schaltung verhalten, bedient sich der Ingenieur - wie auch bei vielen anderen Anwendungen - eines Ersatzschaltbildes (ESB). Zur Erstellung eines thermischen Ersatzschaltbildes muss man sich aber zunächst mit den thermischen Größen vertraut machen.<br />
<br />
Die Temperaturen werden mit dem griechischen Buchstaben Theta <math>\theta</math> gekennzeichnet. Temperaturen werden in Grad Celsius (°C), Temperaturdifferenzen in Kelvin (K) angegeben. (Am Rande: Es existiert auch eine Kelvinskala mit dem absoluten Nullpunkt 0 K=-273,15°C). Die Temperaturen werden außerdem noch mit einem Index gekennzeichnet, abhängig von der mechanischen Stelle, an der sie auftreten:<br />
<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
|-<br />
| Symbol || Index || Bedeutung<br />
|-<br />
| <math>\vartheta_{J}</math> || J=Junction || Sperrschichttemperatur des Halbleiters<br />
|-<br />
| <math>\vartheta_{C}</math> || C=Case || Gehäusetemperatur des Bauteils<br />
|-<br />
| <math>\vartheta_{H}</math> || H=Heat Sink || Temperatur des Kühlkörpers<br />
|-<br />
| <math>\vartheta_{A}</math> || A=Ambient || Umgebungstemperatur<br />
|}<br />
<br />
Die Verlustleistung eines Bauteils beschreibt die Größe <math>P_{V}</math> und wird, wie allgemein bekannt, in Watt angegeben.<br />
<br />
Als neue Größe wird nun der thermische Widerstand eingeführt, dieser wird mit <math>R_{th}</math> beschrieben und bekommt die Einheit <math>\frac{K}{W}</math>. <br />
<br />
Für die thermischen Größen gibt es, ähnlich dem Ohmschen Gesetz, einen linearen Zusammenhang. Dieser lautet<br />
<br />
<math>R_{th}=\frac{\vartheta_{ü}}{P_{V}}</math><br />
<br />
todo<br />
<br />
'''Vergleich elektrischer und thermischer Größen'''<br />
<br />
Insgesamt können wir nun eine Analogie zwischen bekannten elektrischen Größen und den thermischen Größen angeben. Die schon gelernten Prinzipien zur Lösung linearer Netzwerke lässt sich auch bei den thermischen Ersatzschaltbildern anwenden.<br />
<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
|-<br />
| elektrisch || thermisch<br />
|-<br />
| Spannung U || Temperatur <math>\vartheta</math><br />
|-<br />
| Strom I || Verlustleistung <math>P_{V}</math><br />
|-<br />
| Widerstand R || thermischer Widerstand <math>R_{th}</math><br />
|}<br />
<br />
=Statisches Ersatzschaltbild=<br />
Mit den thermischen Zusammenhängen haben wir uns inzwischen vertraut gemacht. Nun können wir damit beginnen, thermische Ersatzschaltbilder von einfachen Anordnungen zu erstellen. Mit solchen Modellen können Temperaturen, wie z.B. die Chiptemperatur, vorab berechnet werden. Für die Berechnung müssen Wärmewiderstände, Umgebungstemperatur und Verlustleistung bekannt sein, da sie in die Berechnung einfließen.<br />
<br />
Bei den thermischen Ersatzschaltbildern kann man ein statisches oder ein dynamisches Ersatzschaltbild erstellen. Bei den statischen Ersatzschaltbilder wird davon ausgegangen, dass alle Größen zeitlich konstant sind, bzw. sofort ihre Solltemperatur entsprechend dem Modell annehmen. In der Realität dauert es natürlich eine gewisse Zeit, bis sich alle beteiligten Materialien aufgeheizt haben. Die Temperaturen des statischen Modells werden dabei erst nach einer bestimmten Zeit erreicht. <br />
<br />
Für die meisten Anwendungen genügt es jedoch, das statische thermische Ersatzschaltbild zu erstellen und den Kühlkörper dem entsprechend zu dimensionieren. Die Kühlung wird z.B. auf die maximale oder die mittlere auftretende Verlustleistung dimensioniert. Es wurde bereits erwähnt, dass sich die Bauteiltemperatur auf dessen Lebensdauer auswirkt. Dabei gilt: je niedriger die Bauteiltemperatur, desto länger die zu erwartende Lebensdauer. Je nach Anwendung und Rahmenbedingungen muss eventuell ein Kompromiss zwischen Kühlkörpergröße/kosten und Gerätelebensdauer gewählt werden. Beispielsweise kann der verfügbare Platz, ein Gesamtgewicht oder eine Kostenvorgabe begrenzender Faktor sein. Für einen dauerhaften sicheren Betrieb muss der Kühlkörper und weitere beteiligte Materialien für den worst case ausgelegt oder sogar überdimensioniert werden.<br />
<br />
==Bauteil ohne Kühlkörper==<br />
Um den Umgang mit den thermischen Ersatzschaltbildern zu lernen, soll zunächst mit einem einfachen Beispiel begonnen werden. In diesem Fall wird der Wärmeübergang von einem einzelnen Bauteil zu Luft betrachet, es kommt zunächst also noch kein Kühlkörper zum Einsatz. Das Ersatzschaltbild sieht in diesem Fall folgendermaßen aus:<br />
<br />
[[Bild:Therm-esb1.png|450px]]<br />
<br />
Die am Bauteil entstehende Verlustleistung ist Ursache der Abwärme und wird im thermischen Ersatzschaltbild als ideale Stromquelle modelliert.<br />
<br />
Die Abwärme gelangt nun über den Weg Sperrschicht (Junction) <math>\rightarrow</math> Bauteilgehäuse (Case) <math>\rightarrow</math> Umgebung (Ambient) nach außen. Im Ersatzschaltbild ist jeder Übergang als thermischer Widerstand modelliert. Die genauen Zahlenwerte der Wärmewiderstände lassen sich in der Regel dem Datenblatt des Bauteils entnehmen. Benötigt werden die Werte für <math>R_{th(jc)}</math> und <math>R_{th(ca)}</math>. In manchen Datenblättern findet man die Angabe <math>R_{th(ja)}</math>, was der Reihenschaltung aus den beiden vorher genannten Werten entspricht, also <math>R_{th(ja)}=R_{th(jc)}+R_{th(ca)}</math>.<br />
<br />
Die Umgebungstemperatur wird als ideale Spannungsquelle modelliert. Sämtliche Spannungen im Ersatzschaltbild entsprechen den auftretenden Temperaturen.<br />
<br />
Da es sich nun um ein lineares Netzwerk handelt, gelten hier ebenfalls die Kirchhoff'schen Gleichungen. Relativ leicht lässt sich nun die Temperatur am Bauteilgehäuse (Case) und der Sperrschicht (Junction) berechnen:<br />
<br />
<math>\vartheta_{c}=\vartheta_{a}+R_{th(ca)} \cdot P_{V}</math><br />
<br />
<math>\vartheta_{j}=\vartheta_{a}+R_{th(jc)} \cdot P_{V}+R_{th(ca)} \cdot P_{V}=\vartheta_{a}+(R_{th(jc)}+R_{th(ca)}) \cdot P_{V}=\vartheta_{a}+R_{th(ja)} \cdot P_{V}</math><br />
<br />
Da die thermischen Widerstände bei der Reihenschaltung auch zusammengefasst werden dürfen, beschreibt folgendes thermisches Ersatzschaltbild den gleichen Zusammenhang. Nachteil ist hier allerdings, dass die Temperatur am Gehäuse nicht modelliert wird.<br />
<br />
[[Bild:Therm-esb0.png|300px]]<br />
<br />
===Derating===<br />
<br />
Die Überlegungen zur Sperrschichttemperatur kann auch anders interpretiert werden. Gibt man die Sperrschichttemperatur vor, kann man die maximal erlaubte Verlustleistung des Bauteils in Abhängigkeit der Umgebungstemperatur bestimmen. Die folgende Formel erhält man aus Umformung der oberen Gleichung:<br />
<br />
<math>P_{V} \leq \frac{\vartheta_{j}-\vartheta_{a}}{R_{th(ja)}}</math><br />
<br />
Bei Halbleitern darf idR. die Sperrschichttemperatur nicht 150°C überschreiten. Der thermische Widerstand wird hauptsächlich durch das Gehäuse vorgegeben. Aus der Formel sieht man nun folgendes: Je höher die Umgebungstemperatur, desto geringer fällt die maximal erlaubte Verlustleistung aus. Diesen Zusammenhang bezeichnet man auch als '''Derating'''. Der typische Verlauf sieht meist so aus:<br />
<br />
[[Bild:Derating.png|300px]]<br />
<br />
Die Derating-Formel gilt im Bereich <math>\vartheta_{1} ... \vartheta_{max}</math>. Für Temperaturen unter <math>\vartheta_{1}</math> darf die Maximalleistung <math>P_{max}</math>des Bauteilgehäuses nicht überschritten werden. <math>\vartheta_{1}</math> liegt bei meist 25°C. Den genauen Verlauf kann man dem Datenblatt des betreffenden Bauteils entnehmen.<br />
<br />
===Beispielrechnung===<br />
<br />
Ein Spannungsregler vom Typ 7805 im TO220-Gehäuse soll ohne Kühlkörper betrieben werden. Wie hoch ist die maximal erlaubte Verlustleistung, wenn die Sperrschichttemperatur 120°C nicht überschreiten soll und die Umgebungstemperatur 25°C beträgt?<br />
<br />
Zunächst werfen wir einen Blick ins Datenblatt des Spannungsreglers und entnehmen die Angaben für die thermischen Widerstände. Dann halten wir alle gegebenen Größen fest:<br />
<br />
*'''Gegeben'''<br />
*:* <math>R_{th(jc)}=5 \frac{K}{W}</math> (aus dem Datenblatt)<br />
*:* <math>R_{th(ja)}=62 \frac{K}{W}</math> (aus dem Datenblatt)<br />
*:* <math>\vartheta_{j}=125°C</math><br />
*:* <math>\vartheta_{a}=25°C</math><br />
*'''Gesucht'''<br />
*:* <math>P_{v,max}</math><br />
*'''Rechnung'''<br />
*:Wir verwenden die Formel von oben und erhalten als Ergebnis<br />
*:<math>P_{V,max} = \frac{\vartheta_{j}-\vartheta_{a}}{R_{th(ja)}} = \frac{120°C-25°C}{62\frac{K}{W}} = \frac{95K}{62\frac{K}{W}} \approx 1,5 Watt</math><br />
*:Die maximal erlaubte Verlustleistung des Spannungsreglers ohne Kühlkörper darf demnach 1,5 Watt nicht überschreiten.<br />
*'''Zusatz'''<br />
*:Mit unserem Ersatzschaltbild können wir außerdem die Temperatur des Gehäuses (Case) des Spannungsreglers angeben. Dafür benötigen wir noch die Angabe <math>R_{th(ca)}</math>, welche allerdings im Datenblatt nicht angegeben ist.<br />
*:Da wir aber wissen, dass <math>R_{th(ja)}=R_{th(jc)}+R_{th(ca)}</math> gilt, können wir die fehlende Größe ausrechnen. Diese ist<br />
*:<math>R_{th(ca)}=R_{th(ja)}-R_{th(jc)}=62\frac{K}{W}-5\frac{K}{W}=57\frac{K}{W}</math>.<br />
*:Nun lässt sich die Gehäusetemperatur berechnen:<br />
*:<math>\vartheta_{c}=\vartheta_{a}+R_{th(ca)} \cdot P_{V}=25°C+57\frac{K}{W} \cdot 1,5 W \approx 111 °C</math><br />
*'''Bemerkung'''<br />
*:In der Praxis wird einem TO220-Gehäuse ungekühlt eine maximale Verlustleistung von 1 Watt zugerechnet. Die Temperaturen sind niedriger, die Lebensdauer des Bauteils höher.<br />
<br />
==Bauteil mit Kühlkörper und T.I.M.==<br />
<br />
Der Betrieb eines ICs ohne Kühlkörper, wie im vorigen Abschnitt beschrieben, funktioniert nur bei kleinen Leistungen und führt meist auch zu einer verringerten Lebensdauer des Bauteils. Viele Bauteile können ihre angegebenen Maximalwerte nur bei vernünftiger Kühlung erreichen. In diesem Abschnitt wird nun ein typisches Szenario mit Kühlkörperberechnung vorgestellt.<br />
<br />
Befassen wir uns zunächst mit der typischen mechanischen Anordnung. Das zu kühlende IC wird thermisch an einen Kühlkörper gekoppelt. In der Praxis wird man das IC aber nicht direkt auf dem Kühlkörper befestigen, sondern über ein sogenanntes ''thermisches Interface-Material'' (T.I.M.), um Unebenheiten und mechanische Abstände auszugleichen oder um für Insolierung zu sorgen. Details zum T.I.M. folgen im Unterabschnitt. Die typische Anordnung zeigt die folgende Abbildung.<br />
<br />
[[Bild:kuehlkoerper-anordnung.png|300px]]<br />
<br />
Folgende thermischen Widerstände treten hier in Kraft:<br />
*<math>R_{th(jc)}</math> für den Übergang Chip zu Bauteilgehäuse<br />
*<math>R_{th(ch)}</math> für den Übergang Bauteilgehäuse zu Kühlkörper (also über das T.I.M.)<br />
*<math>R_{th(ha)}</math> für den Übergang Kühlkörper zur Umgebung<br />
<br />
Aus diesen thermischen Widerständen wird ein thermisches Ersatzschaltbild angefertigt. Dieses zeigt die nächste Abbildung.<br />
<br />
[[Bild:Therm-esb2.png|700px]]<br />
<br />
Zunächst soll die Formel zur Berechnung der Chiptemperatur aufgestellt werden, die Formel erhält man wieder durch die Anwendung der Kirchhoffschen Gleichungen im Ersatzschaltbild.<br />
<br />
<math>\vartheta_{j}=\vartheta_{a}+(R_{th(jc)}+R_{th(ch)}+R_{th(ha)}) \cdot P_{V}</math><br />
<br />
Die Formel wird in der Praxis jedoch in einer anderen Form benötigt. Meist steht man als Entwickler vor der Aufgabe, den erforderlichen thermischen Widerstand <math>R_{th(ha)}</math> des Kühlkörpers zu bestimmen, sofern die Größen Umgebungstemperatur, Sperrschichttemperatur, Verlustleistung sowie die verbleibenden thermischen Widerstände gegeben sind. Anhand des berechneten Wärmewiderstands des Kühlkörpers können dann aus Produktkatalogen geeignete Kühlkörper bestimmt werden.<br />
<br />
Wir müssen dafür also die Gleichung nach <math>R_{th(ha)}</math> auflösen. Wir erhalten die praxisübliche Berechnungsformel:<br />
<br />
<math>R_{th(ha)}=\frac{\vartheta_{j}-\vartheta_{a}}{P_{V}}-R_{th(jc)}-R_{th(ch)}</math><br />
<br />
In manchen Quellen sind enthält diese Formel außerdem Korrekturfaktoren, die z.B. die Einbaulage o.ä. berücksichtigen können.<br />
<br />
===Beispielrechnung===<br />
<br />
Für einen Spannungsregler vom Typ 7805 im TO220-Gehäuse soll ein Kühlkörper dimensioniert werden. Die Eingangsspannung des Reglers beträgt 12V, die Ausgangsspannung von 5V wird mit 500mA belastet. Die Umgebungstemperatur sei 30°C. Der Spannungsregler wird mit Wärmeleitpaste auf dem Kühlkörper montiert, für diesen Wärmewiderstand wird 0,5 K/W angenommen. Welchen Wärmewiderstand darf der Kühlkörper höchstens haben, wenn als maximale Sperrschichttemperatur 110°C angenommen wird?<br />
<br />
Diese Aufgabe kann so durchaus in der Praxis auftreten. Von den vielen Angaben darf man sich zunächst nicht verunsichern lassen. Wir verwenden das gezeigte thermische Ersatzschaltbild. Für die Rechnung benötigen wir außerdem noch den thermischen Widerstand <math>R_{th(jc)}</math> aus dem Datenblatt.<br />
<br />
*'''Gegeben'''<br />
*:<math>R_{th(jc)}=5 \frac{K}{W}</math> (aus dem Datenblatt)<br />
*:<math>R_{th(ch)}=0,5 \frac{K}{W}</math><br />
*:<math>\vartheta_{j}=110°C</math><br />
*:<math>\vartheta_{a}=30°C</math><br />
*:<math>U_{ein}=12V</math><br />
*:<math>U_{aus}=5V</math><br />
*:<math>I=0,5A</math><br />
*'''Gesucht'''<br />
*:<math>R_{th(ha)}</math><br />
*'''Rechnung'''<br />
*:Zunächst muss die Verlustleistung am Regler berechnet werden. Diese beträgt<br />
*:<math>P_V=P_{Ein}-P_{Aus}=12V \cdot 0,5A~-~5V \cdot 0,5A=3,5 W</math>.<br />
*:Nun sind eigentlich auch schon alle Angaben vorhanden, sodass wir die Formel verwenden können.<br />
*:<math>R_{th(ha)}=\frac{\vartheta_{j}-\vartheta_{a}}{P_{V}}-R_{th(jc)}-R_{th(ch)}</math><br />
*:Einsetzen:<br />
*:<math>R_{th(ha)}=\frac{110°C-30°C}{3,5W}-5\frac{K}{W}-0,5\frac{K}{W} \approx 17,4\frac{K}{W}</math><br />
*'''Ergebnis'''<br />
*:Der Wärmewiderstand des Kühlkörpers darf maximal <math>17,4\frac{K}{W}</math> betragen.<br />
*'''Zusatz'''<br />
*:Aus dem Katalog wird ein Kühlkörper mit einem Wärmewiderstand von <math>10\frac{K}{W}</math> gewählt. Welche Temperatur erreicht der Kühlkörper, wenn er bei den gegebenen Bedingungen eingesetzt wird?<br />
*:<math>\vartheta_h=\vartheta_a+P_{V} \cdot R_{th(ha)}=30°C+3,5W \cdot 10 \frac{K}{W} \approx 65°C</math><br />
<br />
==Mehrere Bauteile auf einem gemeinsamen Kühlkörper==<br />
<br />
[[Bild:Therm-esb3.png|700px]]<br />
<br />
Thermisches Ersatzschaltbild: zwei Wärmequellen, gemeinsamer Kühlkörper<br />
<br />
Wird noch ausgebaut ...<br />
<br />
=Thermische Interface-Materialien (T.I.M.) und Montage=<br />
Wie bereits erwähnt, werden ICs in der Praxis nicht direkt auf einen Kühlkörper befestigt. Der Grund dafür ist folgender: Durch Unebenheiten und die rauhe Oberfläche von Kühlkörper und IC berühren sich die betreffenden Flächen unter dem Mikroskop gesehen nur minimal. Durch Lufteinschlüsse und die Tatsache, dass Luft ein schlechter Wärmeleiter ist, fällt in diesem Fall die thermische Anbindung des ICs an den Kühlkörper relativ schlecht aus.<br />
<br />
Zum Ausgleich der Unebenheiten eignet sich Wärmeleitpaste, welche dünn auf die Kontaktfläche aufgetragen wird. Es genügt eine sehr geringe Menge der Wärmeleitpaste, die Schichtdicke liegt in der Größenordnung 0,1mm. Die Aufgabe der Wärmeleitpaste ist, die Unebenheiten der Kontaktflächen auszugleichen. Zu viel Wärmeleitpaste erhöht wiederum den thermischen Übergangswiderstand. <br />
<br />
Ist zusätzlich eine elektrische Isolation zwischen IC und Kühlkörper erforderlich, können Glimmerscheiben (engl. mica) eingesetzt werden. Elektrische Isolation ist erforderlich, falls zum Beispiel mehrere Transistoren auf einen Kühlkörper montiert werden sollen und eine elektrische Verbindung der Kühlfahnen über den Kühlkörper zu Kurzschlüssen führen würde. Werden Glimmerscheiben verwendet, müssen diese beidseitig mit Wärmeleitpaste bestrichen werden, um sämtliche Unebenheiten auszugleichen. Die Glimmerscheiben werden zwischen IC und Kühlkörper eingebaut. Werden die ICs an den Kühlkörper geschraubt, muss auch die Schraube elektrisch isoliert werden. Hierfür sind entsprechende Hülsen aus Kunststoff erhältlich.<br />
<br />
Wärmeleitfolien aus Silikon /Gap-Filler<br />
<br />
BAUSTELLE<br />
<br />
Zur Montage der ICs auf dem Kühlkörper gibt es mehrere Möglichkeiten. Üblich sind Schraubmontage oder die Verwendung von Metallclips aus Federstahl. Der Anpressdruck durch die Montage kann die thermische Kopplung des ICs zum Kühlkörper beeinflussen. Die Metallclips haben den Vorteil, dass der Anpressdruck mit der Zeit nicht nachlässt.<br />
<br />
BAUSTELLE<br />
<br />
=Dynamisches Ersatzschaltbild=<br />
<br />
Bisher haben wir uns mit statischen Ersatzschaltbildern beschäftigt. Diese beinhalten die Wärmequellen, die Umgebungstemperatur sowie alle thermischen Widerstände. Nicht berücksichtigt wurden bislang Wärmekapazitäten. Erfahrungsgemäß dauert es eine gewissen Zeit, bis alle Gegenstände auf die berechnete Temperatur aufgeheizt sind. Um die zeitlichen Temperaturverläufe bestimmen zu können, müssen die thermischen Ersatzschaltbilder noch mit Wärmekapazitäten ergänzt werden. Wärmewiderstände und Wärmekapazitäten ergeben ein Tiefpassfilter mit einer definierten Zeitkonstante. Bei geeigneter Modellierung kommt das Modell kommt dem realen Temperaturverlauf schon sehr nahe. Nun können wir also zeitveränderliche Vorgänge modellieren. Dies ist insbesondere notwendig wenn sich stark ändernde Verlustleistungen (z.B. Impulsbelastung) an den Bauteilen auftreten und die Temperaturen vorab berechnet werden sollen. Im Hobbybereich ist diese Berechnung jedoch häufig nicht erforderlich, in der Regel genügt das statische Ersatzschaltbild.<br />
<br />
Ergänzen wir das bisherige thermische Ersatzschaltbild um Wärmekapazitäten, ergibt sich das folgende thermische Ersatzschaltbild. Dieses Modell wird als Cauer-Typ bezeichnet. Wärmewiderstände und Wärmekapazitäten lassen sich physikalisch bestimmen und eindeutig im Ersatzschaltbild zuordnen. Berechnete Temperaturen entsprechen realen Temperaturen.<br />
<br />
[[Bild:Therm-esb-dyn-cauer.PNG|600px]]<br />
<br />
Den gleichen Sachverhalt kann man auch mit dem sogenannten Foster-Modell darstellen. Dieses Modell scheint weit verbreitet zu sein, ist allerdings nicht mehr besonders anschaulich. Die gezeigten Ersatzschaltbilder lassen sich auch ineinander überführen, allerdings unterscheiden sich die eingetragenen Wärmekapazitäten und Wärmewiderstände.<br />
<br />
[[Bild:Therm-esb-dyn-foster.PNG|600px]]<br />
<br />
Die schwierige Aufgabe besteht nun darin, alle Zahlenwerte der Wärmewiderstände und Wärmekapazitäten zu bestimmen. Erst dann können die Temperaturverläufe in einer Simulation (z.B. mit SPICE) bestimmt werden. Im Hobbybereich ist diese Berechnung jedoch häufig nicht erforderlich.<br />
<br />
=Kühlkörperbauformen=<br />
* Board-Level-Kühlkörper (aufsteckbare/aufklebbare Kühlkörper, auch für SMD, meist 1 Kühlkörper pro IC)<br />
* Strang-/Profilkühlkörper (meist für hohe Leistungen)<br />
* Kühlaggregate (Kanal + Lüfter)<br />
<br />
Wozu eloxierte Oberflächen?<br />
* geringfügig höhere Wärmestrahlung (bei den niedrigen Temperaturen kaum ein Beitrag)<br />
* elektrische Isolation<br />
* Oberflächenschutz<br />
Nachteile:<br />
* erhöhte Wärmeaufnahme aus der unmittelbaren Umgebung!<br />
<br />
Stiftkühlkörper<br />
* hohe Oberfläche<br />
* bei dickem "Rücken"/"Boden" des Kühlkörpers gute Wärmespreizung<br />
* mit erzwungener Konvektion hohe Wärmeübertragung (quer zu den Stiften effektiver als in Stiftrichtung)<br />
* leichter und kompakter als Strangkühlkörper<br />
<br />
todo<br />
<br />
=Lüfter=<br />
Lüfter werden vor allem dann eingesetzt, wenn der Kühlkörper bei rein passiver Kühlung zur groß, zu schwer oder zu teuer wird. Beim Einsatz des Lüfters führt die erzwungene Luftströmung zur besseren Wärmeabgabe an die Luft. Bei gleicher Temperatur kann der Kühlkörper dann kleiner gewählt werden. Bei hohen Leistungen sind der kleinere Kühlkörper mit Lüfter preisgünstiger und kompakter als ein großer, rein passiver Kühlkörper. Um welchen Faktor die Wärmeableitung mit Lüfter verbessert wird, hängt von vielen Parametern ab und kann nicht pauschal angegeben werden.<br />
<br />
Vorteile<br />
* bessere Wärmeabgabe<br />
* Kühlkörper kann bei gleicher Temperatur kleiner, leichter und kostengünstiger werden<br />
* In kleinem Maßstab günstiger als Wasserkühlung o.ä.<br />
<br />
Nachteile<br />
* zusätzlicher Stromverbrauch<br />
* Geräuschentwicklung und Vibrationen<br />
* zusätzliche Kosten für Lüfter und dessen Montage<br />
* Im Falle eines unbemerkten Ausfalls kann die Schaltung überhitzen (Abhilfe: Thermostat, Temperaturfühler oder Tachosignal auswerten)<br />
<br />
Anordnungen:<br />
* Push-Prinzip: Der Lüfter bläst die Luft in den Kühlkörper/-kanal<br />
* Pull-Prinzip: Der Lüfter saugt die Luft aus dem Kühlkörper/-kanal heraus<br />
<br />
Kenngrößen:<br />
* Luftdurchsatz in <math>\frac{m^{3}}{h}</math><br />
* Nennspannung, Nennstrom, Nennleistung<br />
* Typ Axial/Radial<br />
* Größe<br />
* Geräuschpegel<br />
* Art der Lagerung (Kugellager, Sinterbronze-Lager etc.)<br />
* Temperaturbereich<br />
* Lebensdauer, MTBF<br />
<br />
=Entwärmung auf einer Platine=<br />
Beim Leiterplattenentwurf muss bereits in der Designphase abgeschätzt werden, welche Verlustleistungen auftreten und wie die entstehende Wärme abgeführt werden kann. Die Anordnung der Bauteile und die Gestaltung der Leiterbahnen hat Auswirkungen auf das thermische Verhalten. Die Einbaulage der Platine kann die Entwärmung zudem beeinflussen. Erwärmte Umgebungsluft steigt bekanntlich nach oben und kann andere Komponenten oder Platinen aufheizen. Wird die Platine in ein Gehäuse eingebaut, müssen gegebenenfalls Lüftungsschlitze eingebracht werden oder die zu kühlenden Bauteile an der Gehäusewand platziert werden. Bei geschlossenen Gehäusen muss bei der Kühlkörperdimensionierung mit höheren Umgebungstemperaturen gerechnet werden (z.B. 50°C, 60°C), da sich die Wärme zunächst im Gehäuse staut und nur allmählich durch die Gehäusewand abgegeben wird.<br />
<br />
==Bedrahtete Bauteile==<br />
Für bedrahtete Bauteilgehäuse wie z.B. TO-220 sind zahlreiche Kühlkörpervarianten erhältlich. Für Printmontage eignen sich Kühlkörper, die mit Lötstiften oder Schrauben an der Platine befestigt werden. Das Bauteil selbst wird mit einem Federclip oder einer Schraube am Kühlkörper montiert. Die Größe, Bauform und Befestigung des Kühlkörpers muss bereits beim Leiterplattenentwurf berücksichtigt werden. Leistungsdioden und Leistungswiderstände sind in den meisten Fällen für Konvektionskühlung ausgelegt, d.h. durch Luftströmung. Diese werden meist mit etwas Abstand von der Platinenoberfläche montiert, um die gesamte Bauteiloberfläche zur Kühlung nutzen zu können und um die Platine nicht unnötig aufzuheizen.<br />
<br />
Zur Verbesserung der Wärmeableitung kann, abgesehen vom Kühlkörper, auch die Platine bei der Wärmeverteilung helfen:<br />
* Breite Leiterbahnen können Wärme abführen und auf eine große Fläche verteilen<br />
* Eine dickere Kupferkaschierung kann die Wärmeableitung unterstützen (Standard sind 35µm, erhältlich sind auch 70µm und mehr), dies reduziert zudem die elektrischen Leiterbahnwiderstände<br />
* Mit einer großen Zahl von Durchkontaktierungen (vias) kann die Wärme auf andere Kupferlagen verteilt werden (der Platinenkern FR4 allein hat eine schlechte Wärmeleitfähigkeit)<br />
* Einsatz spezieller Platinenmaterialien (Alukern) z.B. bei Platinen für High-Power-LEDs<br />
* Für kleinere ICs mit Wärmeentwicklung eignen sich aufklebbare Kühlkörper<br />
<br />
Beim Entwurf der Platine muss den Bauteilen in der Nähe der Wärmequelle besondere Aufmerksamkeit geschenkt werden. Vor allem sind '''Elektrolytkondensatoren (Elkos)''' betroffen, da diese durch benachbarte Wärmequellen allmählich austrocknen und zum Ausfall der Schaltung führen können! Elkos sollten möglichst so platziert werden, dass sie eine geringe Temperatur und somit eine hohe Lebensdauer erreichen. Jedoch ist dies bei manchen Anwendungen nur eingeschränkt möglich. Beispielsweise sind bei Schaltreglern kurze Leiterschleifen erwünscht, um die elektromagnetische Verträglichkeit zu verbessern (Leiterschleifen wirken als Antenne) und um parasitäre Induktivitäten und Widerstände zu reduzieren. Der Einsatz hochwertiger Elkos mit geringem ESR, hoher Maximaltemperatur und Lebensdauer ist empfehlenswert. Zudem ist auf ausreichende Spannungsfestigkeit und geringe Rippleströme im Betrieb zu achten. Im Laufe der Betriebszeit sinkt die Kapazität des Elkos und die Verluste steigen. Die Lebensdauer der Elkos kann abgeschätzt werden. Die Hersteller geben idR. die Lebensdauer bei der spezifizierten Maximaltemperatur an, z.B. 5000h bei 105°C. Zur Abschätzung der Lebensdauer gilt hier auch die 10°C-Regel (laut Panasonic im Bereich 40°C bis 100°C), d.h. pro 10°C niedrigerer Betriebstemperatur verdoppelt sich die Lebensdauer des Elkos. Die erwartete Lebensdauer kann mit der folgenden Formel (Panasonic) abgeschätzt werden:<br />
<br />
<math>\Large L=L_{Tmax} \cdot 2^{\left( \frac{T_{max} - T}{10} \right)}</math><br />
<br />
'''Beispiel'''<br />
<br />
Ein Elko ist mit 5000h bei 105°C spezifiziert. Welche Lebensdauer wird bei einer Temperatur von 55°C erwartet?<br />
* Gegeben: <math>\large L_{Tmax}=5000h</math> , <math>\large T_{max}=105°C</math> , <math>\large T=55°C</math><br />
* Rechnung: <math>\large L=L_{Tmax} \cdot 2^{\left( \frac{T_{max} - T}{10} \right)}=5000h \cdot 2^{\left( \frac{105°C - 55°C}{10} \right)}=5000h \cdot 2^5=5000h \cdot 32=160000h</math><br />
* Ergebnis: Die Lebensdauer des Elkos beträgt unter diesen Bedingungen etwa 160000h, also über 18 Jahre Dauerbetrieb!<br />
* Bemerkung: Würde man z.B. einen billigen 2000h/85°C-Elko verwenden, würde dieser unter den gleichen Bedingungen keine 2 Jahre durchhalten!<br />
<br />
Liegt das Datenblatt des verwendeten Elkos vor, sollte man sich an die dort genannten Berechnungen und Zahlenwerte halten. Die gezeigte Berechnung ist nur eine Näherungsformel. Für weitere Verwendungshinweise sei auf die ''Application Guidelines'' für ''Radial Lead Type Aluminum Electrolytic Capacitors'' von ''Panasonic'' verwiesen (siehe Quellenangaben und Verweise am Seitenende).<br />
<br />
==SMD-Bauteile==<br />
SMD-Bauteile können meist über die Platine gut entwärmt werden. Dies ist normalerweise nur bei geringen Verlustleistungen möglich. Die Abwärme der Bauteile muss auf eine möglichst große Fläche verteilt werden, durch große Kupferflächen auf der Platine kann dies erreicht werden. Da die Wärmeleitfähigkeit der Kupferauflage deutlich höher ist als die Wärmeleitfähigkeit des Platinenmaterials FR4, wird sich die Wärme hauptsächlich in der Fläche verteilen, jedoch weniger ''durch'' die Platine hindurch. Um die Wärmeleitung durch die Platine (z.B. von Ober- zu Unterseite) zu erhöhen, müssen Durchkontaktierungen gesetzt werden. Sogenannte "Thermal Vias" werden in einer großen Anzahl an das zu entwärmende Bauteil gesetzt und können damit die Wärme zu anderen Kupferlagen der Platine weiterleiten. Die Wärmeleitung durch die Platine hindurch wird verbessert, liegt aber dennoch deutlich unter der Wärmeleitfähigkeit von reinem Kupfer. Thermische Vias können aufgrund ihrer kleinen Masse kaum einen Beitrag zur gesamten "Kühlmasse" beitragen. Ob schließlich eine Entwärmung durch die Platine ausreicht, muss durch Simulation oder Messung gezeigt werden.<br />
<br />
Welche Temperatur das Bauteil auf der Platine erreicht, kann nach dem Aufbau natürlich gemessen werden. Besser wäre es jedoch, die Temperaturen bereits beim Entwurf der Platine zu kennen, um einschätzen zu können, ob die Entwärmung ausreichend ist. Allgemeine Angaben hierfür sind schwer zu finden, jedoch gibt es vereinzelt Angaben in Datenblättern von Halbleitern zur Entwärmung. An den folgenden Zahlenwerten kann man sich orientieren, wenn man ähnliche Bauteile entwärmen möchte. Damit man für die genannten Flächen eine grobe Vorstellung hat, sei noch erwähnt: ein Cent hat eine Fläche von grob <math>200mm^2</math>, ein Euro hat grob <math>400mm^2</math>.<br />
<br />
Für SMD-Bauteile exisitieren Kühlkörper, die sich direkt auf die Platine löten lassen, diese sind auch maschinenbestückbar.<br />
<br />
'''TO263 (=D2PAK)'''<br />
<br />
Im Datenblatt des Schaltreglers LM2576 von ''National Semiconductor'' findet man für das TO263-Gehäuse einige Angaben. Das TO263-Gehäuse gleicht übrigens dem TO220 bis auf die Tatsache, dass die Kühlfahne kürzer ist und das Gehäuse für SMD-Montage vorgesehen ist. Das Datenblatt gibt thermische Widerstände für den Übergang Junction-Ambient an. Die Angabe ist abhängig von der Kupferfläche auf der Platine, die unmittelbar für das Bauteil aus Kühlkörper wirkt. Die Zahlenwerte aus dem Datenblatt wurden in Quadratmillimeter umgerechnet, gerundet und stehen nun in der Tabelle bereit. Keine Angaben macht der Hersteller zu den Rahmenbedingungen, unter denen die thermischen Widerstände ermittelt wurden (Platinendicke, Durchkontaktierungen, Form der Kupferfläche und Dicke der Kupferkaschierung). Dennoch können die Werte zur groben Orientierung dienen.<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
| Kupferfläche || therm. Widerstand<br />
|-<br />
| <math>325 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 50\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>645 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 37\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>1030 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 32\frac{K}{W} </math><br />
|}<br />
<br />
'''TO252 (=DPAK), SOT223'''<br />
<br />
Im Datenblatt des Low-Drop-Spannungsreglers LM1117 von ''National Semiconductor'' sind Angaben zur Entwärmung über die Platine von SOT223 und TO252-Gehäusen vorhanden. Der Hersteller gibt an, für das SOT223-Gehäuse eine 35µm dicke, und für das TO252-Gehäuse eine 70µm dicke Kupferkaschierung der Platine verwendet zu haben. Leider finden sich in diesem Datenblatt keine Informationen zu Durchkontaktierungen, Platinendicke, und ob das IC auf der Ober- oder Unterseite der Platine montiert wurde (Vermutung: oben montiert, da angegebene thermische Widerstände geringer sind). Der Hersteller hat drei Fälle untersucht: Kupferfläche oben, Kupferfläche unten, Kupferfläche beidseitig. Für das thermische Platinendesign kann man diese Zahlenwerte zumindest als Richtwerte verwenden. Das Datenblatt enthält zudem Zeichnungen der Kühlflächen. Die Zahlenwerte wurden wieder in Quadratmillimeter umgerechnet und gerundet und in die folgenden Tabelle eingetragen:<br />
<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
| Kupferfläche top || Kupferfläche bottom || therm. Widerstand SOT223 || therm. Widerstand TO252<br />
|-<br />
| <math> 200mm^2</math> || - || <math>R_{th(ja)}\approx 84\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 60\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math> 350mm^2</math> || - || <math>R_{th(ja)}\approx 75\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 54\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math> 650mm^2</math> || - || <math>R_{th(ja)}\approx 66\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 47\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| - || <math> 250mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 98\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 70\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| - || <math> 400mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 89\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 63\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| - || <math> 650mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 79\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 57\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math> 200mm^2</math> || <math> 200mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 83\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 61\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math> 250mm^2</math> || <math> 250mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 75\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 55\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math> 350mm^2</math> || <math> 350mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 70\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 53\frac{K}{W} </math><br />
|}<br />
<br />
'''SO8'''<br />
<br />
Für das SO8-Gehäuse findet man eine Angabe im Datenblatt des Spannungsreglers 78L05 von ''ST'':<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
| Kupferfläche || therm. Widerstand<br />
|-<br />
| <math>600 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 55\frac{K}{W} </math><br />
|}<br />
<br />
'''SO20'''<br />
<br />
Aus dem Datenblatt des L293DD sind Angaben zum SO20-Gehäuse enthalten. In diesem Falle sind 8 zentrale Pins an die Kühlfläche angebunden, die Kupferkaschierung ist vermutlich einseitig 35µm. Die groben Richtwerte sind:<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
| Kupferfläche || therm. Widerstand<br />
|-<br />
| <math>200 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 60\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>400 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 53\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>600 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 51\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>800 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 50\frac{K}{W} </math><br />
|}<br />
<br />
'''PowerDIP20'''<br />
<br />
Für das DIP20-Gehäuse wird man im Datenblatt des Motortreibers L6202 von ''ST'' fündig. Bei 35µm Kupferkaschierung der Platine ergeben sich die folgenden thermischen Widerstände.<br />
<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
| Kupferfläche || therm. Widerstand<br />
|-<br />
| <math>0 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 58\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>200 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 45\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>400 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 39\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>600 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 38\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>800 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 37\frac{K}{W} </math><br />
|}<br />
<br />
Für die Form der empfohlenen Kühlfläche sei auf das Datenblatt verwiesen. Wird das IC in einem Sockel verwendet, muss man sicherlich von höheren thermischen Widerständen ausgehen.<br />
<br />
'''AN-994'''<br />
<br />
In der ''Application Note AN-994 - Maximizing the Effectiveness of your SMD Assemblies'' von ''International Rectifier (IRF)'' sind weitere Daten vorhanden. Die dort genannten Daten sind jedoch teils drastisch niedriger als die hier genannten. Eine mögliche Erklärung sind z.B. die höhere Kupferauflage (70µm) oder evtl. optimierte Wärmewiderstände innerhalb der Gehäuse.<br />
<br />
'''Große Kupferflächen'''<br />
<br />
Im ''Application Hint 17 - Designing P.C. Board Heat Sinks - by Bob Wolbert (Micrel)'' werden Angaben zu thermischen Widerständen der Platine für vergleichsweise große Flächen gemacht. Die thermischen Widerstände beschreiben den Übergang <math>R_{th(ha)}</math> unter den Bedingungen: Quadratische Kupferfläche, einseitig, horizontal montiert, Lötstopplack, keine Belüftung. Die Dicke der Kupferkaschierung ist nicht angegeben. Hier einige Werte, abgelesen aus dem Diagramm der genannten Application Note:<br />
<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
| Kupferfläche || therm. Widerstand<br />
|-<br />
| <math>500 mm^2</math> || <math>R_{th(ha)}\approx 60\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>1000 mm^2</math> || <math>R_{th(ha)}\approx 45\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>1500 mm^2</math> || <math>R_{th(ha)}\approx 38\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>2000 mm^2</math> || <math>R_{th(ha)}\approx 33\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>2500 mm^2</math> || <math>R_{th(ha)}\approx 30\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>3000 mm^2</math> || <math>R_{th(ha)}\approx 28\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>4000 mm^2</math> || <math>R_{th(ha)}\approx 24\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>5000 mm^2</math> || <math>R_{th(ha)}\approx 22\frac{K}{W} </math><br />
|}<br />
<br />
<br />
'''Abschlusskommentar'''<br />
<br />
An den gezeigten, thermischen Widerständen sieht man leicht: je größer die Kühlfläche, desto geringer der thermische Widerstand. Dieses Verhalten würde man so auch erwarten.<br />
<br />
Ab einer bestimmten Fläche wird die Platine als Kühlkörper jedoch unhandlich, und man wird die Fläche nicht weiter vergrößern. Die mit den Kupferflächen erreichten thermischen Widerstände sind für viele Anwendungen noch deutlich zu hoch. Bei Verlustleistungen von wenigen Watt werden dadurch bereits kritische Chiptemperaturen erreicht. Wie bereits oben erwähnt, funktioniert die Entwärmung von SMD-Komponenten über die Platine also nur für kleine Verlustleistungen. Bei größeren Verlustleistungen müssen zusätzliche Entwärmungsmaßnahmen getroffen werden (z.B. aufklebbarer Kühlkörper, etc.). Zielführend ist auch, die Ursache der Erwärmung, nämlich die Verlustleistung zu verringern. Wird beispielsweise ein Linearregler durch einen effizienteren Schaltregler ersetzt, kann die Entwärmung aufgrund der kleineren Verlustleistung deutlich einfacher gestaltet werden. Ob die Verringerung der Verlustleistung möglich ist, hängt natürlich von der Anwendung ab.<br />
<br />
=Spezielle Kühlkörper=<br />
<br />
todo<br />
<br />
=Autoren=<br />
* BMS<br />
<br />
[[Kategorie:Elektronik]]<br />
[[Kategorie:Mechanik]] <br />
[[Kategorie:Praxis]] <br />
[[Kategorie:Grundlagen]]<br />
<br />
=Quellen und Verweise=<br />
<br />
Printmedien:<br />
<br />
* Best, Siegfried W.: ''Elektronikkühlung und Wärmemanagement von A bis Z''. In: Elektronikpraxis - Sonderheft Elektromechanik, April 2013. S. 20ff.<br />
* Best, Tobias: ''Thermisches Via, die kleine Schwester der Heatpipe''. In: Elektronikpraxis, April 2013. S. 12ff.<br />
* Erdmann, Marc: ''Beste Effizienz auch beim Thermal Management''. In: Elektronikpraxis - Sonderheft Leistungelektronik und Stromversorgung. März 2015. S. 38ff.<br />
* Kerstin, Nils; Schulz, Martin: ''Thermische Widerstände genau messen - eine Herausforderung''. In: Elektronikpraxis, Nr. 17, September 2014. S. 48ff.<br />
* K.R. (Alutronic): ''Stiftkühlkörper für die Leistungselektronik''. In: Elektronikpraxis Nr.9, Mai 2014. S. 50ff.<br />
* Harpain, Jürgen: ''Wärmeleitmaterial kompensiert Lufteinschlüsse''. In: Elektronikpraxis Nr.1, Januar 2014. S. 36ff.<br />
* Harpain, Jürgen: ''Entwärmungskonzepte für Einzelhalbleiter und ICs''. In: Elektronikpraxis - Sonderheft Elektromechanik, April 2014. S. 14ff.<br />
* Schulz, Martin: ''Fünf Fettnäpfchen beim Bestimmen thermischer Größen''. In: Elektronikpraxis, November 2013. S. 36ff.<br />
* Schulz, Martin: ''Mythen und Legenden über Wärmeleitmaterialien''. In: Elektronikpraxis Nr.2., Januar 2014. S. 42ff.<br />
* Specovius, J.: Grundkurs Leistungselektronik: Bauelemente, Schaltungen und Systeme. Wiesbaden 2014. 6. Auflage. S.95-104<br />
----<br />
<br />
Datenblätter, aus denen thermische Widerstände entnommen wurden:<br />
<br />
* [http://pdf.datasheetcatalog.com/datasheet/nationalsemiconductor/DS011476.PDF Datenblatt LM2576 von National Semiconductor]<br />
* [http://pdf.datasheetcatalog.com/datasheet/nationalsemiconductor/LM1117.pdf Datenblatt LM1117 von National Semiconductor]<br />
* [http://pdf.datasheetcatalog.com/datasheets/150/9358_DS.pdf Datenblatt L78Lxx von ST]<br />
* [http://pdf.datasheetcatalog.com/datasheet/stmicroelectronics/1330.pdf Datenblatt L293DD von ST]<br />
* [http://pdf.datasheetcatalog.com/datasheet/stmicroelectronics/1373.pdf Datenblatt L6202 von ST]<br />
* [http://www.irf.com/technical-info/appnotes/an-994.pdf ''Application Note AN994 - Maximizing the Effectiveness of your SMD Assemblies'' - International Rectifier (IRF)]<br />
* [http://www.micrel.com/_PDF/App-Hints/ah-17.pdf ''Application Hint 17 - Designing P.C. Board Heat Sinks - by Bob Wolbert (Micrel)'']<br />
<br />
----<br />
<br />
Weblinks:<br />
<br />
* [http://stegem.de/Elektronik/Kuehlkoerper/ Online-Tool zur Kühlkörperberechnung von Gemmel, S.]<br />
* [http://ludens.cl/Electron/Thermal.html Thermal Design - von Mornhinweg, M.]<br />
* [http://sound.westhost.com/heatsinks.htm The Design of Heatsinks - von Elliot, R.]<br />
* [http://www.giangrandi.ch/electronics/thcalc/thcalc.shtml Calculating Heat sinks - von Giangrandi, I.]<br />
* [http://www.irf.com/technical-info/appnotes/an-1057.pdf Application Note AN-1057: Heatsink Characteristics von International Rectifier (IRF)]<br />
* [http://ww1.microchip.com/downloads/en/AppNotes/00792a.pdf Application Note AN792: A method to determine how much power a sot23 can dissipate in an application (Microchip Technology Inc. 2001)]<br />
* [http://www.fairchildsemi.com/application-notes/AN/AN-1028.pdf Application Note AN1028: Maximum Power Enhancement Techniques for SOT-223 Power MOSFETs (Fairchild Semiconductor 1996)]<br />
* [http://www.industrial.panasonic.com/www-data/pdf/ABA0000/ABA0000PE26.pdf Aluminium Electrolytic Capacitors - Application Guidelines (Panasonic 2015)]</div>BMShttps://rn-wissen.de/wiki/index.php?title=K%C3%BChlk%C3%B6rper&diff=26562Kühlkörper2015-07-25T11:38:42Z<p>BMS: /* Dynamisches Ersatzschaltbild */</p>
<hr />
<div>{{Baustelle|BMS}}<br />
<br />
Dieser Artikel behandelt die Grundlagen zu Kühlkörpern.<br />
<br />
[[Bild:kuehlkörper-uebersicht.jpg|thumb|Verschiedene Kühlkörper, links ein TO220-Gehäuse zum Größenvergleich]]<br />
<br />
=Einleitung=<br />
<br />
'''Wieso sind überhaupt Kühlkörper in technischen Geräten erforderlich?'''<br />
<br />
Kein Gerät kann einen 100-prozentigen Wirkungsgrad erzielen und somit tritt Verlustleistung auf. Diese Verlustleistung führt zur Erwärmung der Bauteile. Kühlkörper sollen die Entwärmung verbessern, indem die entstehende Wärme auf eine große Fläche verteilt wird und durch Konvektion an der Luft auskühlen kann. Die Temperatur an den heißen Bauteilen ist mit Kühlkörper geringer als ohne Kühlkörper.<br />
<br />
'''Wieso sind hohe Bauteiltemperaturen ungünstig?'''<br />
<br />
Die Lebensdauer aller elektronischen Bauteile ist stark von der Temperatur abhängig. Als Faustregel gilt: Eine Temperaturerhöhung um 10 Grad führt zur Halbierung der Lebensdauer. Außerdem gibt es Grenztemperaturen, die nicht überschritten werden dürfen. Beispielsweise dürfen Halbleiter keine Temperatur über 150°C erreichen. Extrembeispiele sind die Schmelztemperatur von Isolierungen, Lötzinn etc... sowie Brandgefahr durch hohe Temperaturen. Viele Bauteile können ohne vernünftige Kühlung nicht ihren vollen Funktionsumfang erreichen, liefern dann z.B. geringere Maximalströme oder es greift die Temperaturabschaltung. Anders formuliert: Die maximale Leistung eines Bauteils oder Geräts wird durch seine Entwärmung bestimmt! Zur eigenen Sicherheit bietet es sich zudem an, die Temperaturen niedrig zu halten, sodass man sich am Gerät nicht die Finger verbrennen kann ;)<br />
<br />
=Wärmeübertragung=<br />
Prinzipiell kann Wärmeübertragung über Wärmeleitung, Konvektion und Wärmestrahlung geschehen. In vielen Anwendungen treten mehrere Mechanismen gleichzeitig auf. Welcher Mechanismus hauptsächlich auftritt, ist von der mechanischen Anordnung, den Materialien und der Temperatur abhängig. Wärmeleitung und Konvektion sind die wichtigsten Arten der Wärmeübertragung, die in der Praxis auftreten. Nun zu den einzelnen Effekten:<br />
<br />
*'''Wärmeleitung'''<br />
*: Bei der Wärmeleitung wird die Wärme über einen direkten mechanischen Kontakt (Bsp. IC <math>\rightarrow</math>Kühlkörper) übertragen. Den beteiligten Materialien wird jeweils eine spezifische Wärmeleitfähigkeit <math>\lambda</math> zugeordnet, dazu später mehr.<br />
<br />
*'''Konvektion'''<br />
*: Mit Konvektion wird die Strömungsbewegung in Flüssigkeiten und Gasen bezeichnet. Praxisbeispiele sind die Wärmeabgabe eines Kühlkörpers an die Umgebungsluft oder auch eine Wasserkühlung. Von erzwungener Konvektion spricht man, wenn die Strömung durch z.B. einen Ventilator/Lüfter oder eine Wasserpumpe hervorgerufen wird. Im Vakuum kann keine Konvektion auftreten.<br />
<br />
*'''Wärmestrahlung'''<br />
*: Wärmestrahlung ist elektromagnetische Strahlung (hauptsächlich Infrarot und sichtbares Licht), die vom heißen Festkörper abgestrahlt wird. Sie wird erst bei höheren Temperaturen relevant und ist bei den üblichen Kühlkörpertemperaturen meist zu vernachlässigen. Erwähnt werden soll zudem, dass Wärmestrahlung der einzige Mechanismus der Wärmeleitung ist, welcher im Vakuum auftreten kann. (Für Details zu Wärmestrahlung siehe auch: Plancksches Strahlungsgesetz und Schwarzer Strahler).<br />
<br />
=Materialien=<br />
Jedes Material besitzt eine spezifische Wärmeleitfähigkeit, welche angibt, wie gut dieses Material Wärme weiter transportieren kann. Die spezifische Wärmeleitfähigkeit ist unabhängig von der Geometrie des Materials, wird mit der Größe <math>\lambda</math> (Lambda) ausgedrückt und erhält die Einheit <math>\frac{W}{m \cdot K}</math>.<br />
<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
|-<br />
| '''Material''' || '''<math>\lambda</math> in <math>\left[ \frac{W}{m \cdot K} \right]</math>'''<br />
|-<br />
| Silber || 430<br />
|-<br />
| Kupfer || 400<br />
|-<br />
| Aluminium || 230<br />
|-<br />
| Silizium || 140 <br />
|-<br />
| Wärmeleitpaste || 5 ... 10<br />
|-<br />
| Glas || 0,7<br />
|-<br />
| Wasser || 0,5<br />
|-<br />
| Platinenmaterial FR4 || 0,2 ... 0,5<br />
|-<br />
| Luft || 0,02<br />
|}<br />
<br />
Die meisten Kühlkörper werden aus Aluminiumlegierungen hergestellt. Für Aluminium spricht seine relativ hohe Wärmeleitfähigkeit, die hohe Verfügbarkeit und geringe Dichte. Im Vergleich zu Kupfer und Silber ist Aluminium deutlich kostengünstiger. Darüber hinaus lässt sich Aluminium mechanisch gut verarbeiten. Kupfer wird mit seiner höheren Wärmeleitfähigkeit z.B. bei Heatpipes eingesetzt.<br />
<br />
todo<br />
<br />
Wärmewiderstand <math>R_{th}=\frac{d}{\lambda \cdot A}</math><br />
<br />
d: Materialdicke, welche für die Wärmeleitung relevant ist<br />
<br />
<math>\lambda</math>spezifische Wärmeleitfähigkeit des Materials<br />
<br />
A: Querschnitts-/Kontaktfläche<br />
<br />
=Definitionen=<br />
Um vorauszusagen, wie sich die Temperaturen in einer Schaltung verhalten, bedient sich der Ingenieur - wie auch bei vielen anderen Anwendungen - eines Ersatzschaltbildes (ESB). Zur Erstellung eines thermischen Ersatzschaltbildes muss man sich aber zunächst mit den thermischen Größen vertraut machen.<br />
<br />
Die Temperaturen werden mit dem griechischen Buchstaben Theta <math>\theta</math> gekennzeichnet. Temperaturen werden in Grad Celsius (°C), Temperaturdifferenzen in Kelvin (K) angegeben. (Am Rande: Es existiert auch eine Kelvinskala mit dem absoluten Nullpunkt 0 K=-273,15°C). Die Temperaturen werden außerdem noch mit einem Index gekennzeichnet, abhängig von der mechanischen Stelle, an der sie auftreten:<br />
<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
|-<br />
| Symbol || Index || Bedeutung<br />
|-<br />
| <math>\vartheta_{J}</math> || J=Junction || Sperrschichttemperatur des Halbleiters<br />
|-<br />
| <math>\vartheta_{C}</math> || C=Case || Gehäusetemperatur des Bauteils<br />
|-<br />
| <math>\vartheta_{H}</math> || H=Heat Sink || Temperatur des Kühlkörpers<br />
|-<br />
| <math>\vartheta_{A}</math> || A=Ambient || Umgebungstemperatur<br />
|}<br />
<br />
Die Verlustleistung eines Bauteils beschreibt die Größe <math>P_{V}</math> und wird, wie allgemein bekannt, in Watt angegeben.<br />
<br />
Als neue Größe wird nun der thermische Widerstand eingeführt, dieser wird mit <math>R_{th}</math> beschrieben und bekommt die Einheit <math>\frac{K}{W}</math>. <br />
<br />
Für die thermischen Größen gibt es, ähnlich dem Ohmschen Gesetz, einen linearen Zusammenhang. Dieser lautet<br />
<br />
<math>R_{th}=\frac{\vartheta_{ü}}{P_{V}}</math><br />
<br />
todo<br />
<br />
'''Vergleich elektrischer und thermischer Größen'''<br />
<br />
Insgesamt können wir nun eine Analogie zwischen bekannten elektrischen Größen und den thermischen Größen angeben. Die schon gelernten Prinzipien zur Lösung linearer Netzwerke lässt sich auch bei den thermischen Ersatzschaltbildern anwenden.<br />
<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
|-<br />
| elektrisch || thermisch<br />
|-<br />
| Spannung U || Temperatur <math>\vartheta</math><br />
|-<br />
| Strom I || Verlustleistung <math>P_{V}</math><br />
|-<br />
| Widerstand R || thermischer Widerstand <math>R_{th}</math><br />
|}<br />
<br />
=Statisches Ersatzschaltbild=<br />
Mit den thermischen Zusammenhängen haben wir uns inzwischen vertraut gemacht. Nun können wir damit beginnen, thermische Ersatzschaltbilder von einfachen Anordnungen zu erstellen. Mit solchen Modellen können Temperaturen, wie z.B. die Chiptemperatur, vorab berechnet werden. Für die Berechnung müssen Wärmewiderstände, Umgebungstemperatur und Verlustleistung bekannt sein, da sie in die Berechnung einfließen.<br />
<br />
Bei den thermischen Ersatzschaltbildern kann man ein statisches oder ein dynamisches Ersatzschaltbild erstellen. Bei den statischen Ersatzschaltbilder wird davon ausgegangen, dass alle Größen zeitlich konstant sind, bzw. sofort ihre Solltemperatur entsprechend dem Modell annehmen. In der Realität dauert es natürlich eine gewisse Zeit, bis sich alle beteiligten Materialien aufgeheizt haben. Die Temperaturen des statischen Modells werden dabei erst nach einer bestimmten Zeit erreicht. <br />
<br />
Für die meisten Anwendungen genügt es jedoch, das statische thermische Ersatzschaltbild zu erstellen und den Kühlkörper dem entsprechend zu dimensionieren. Die Kühlung wird z.B. auf die maximale oder die mittlere auftretende Verlustleistung dimensioniert. Es wurde bereits erwähnt, dass sich die Bauteiltemperatur auf dessen Lebensdauer auswirkt. Dabei gilt: je niedriger die Bauteiltemperatur, desto länger die zu erwartende Lebensdauer. Je nach Anwendung und Rahmenbedingungen muss eventuell ein Kompromiss zwischen Kühlkörpergröße/kosten und Gerätelebensdauer gewählt werden. Beispielsweise kann der verfügbare Platz, ein Gesamtgewicht oder eine Kostenvorgabe begrenzender Faktor sein. Für einen dauerhaften sicheren Betrieb muss der Kühlkörper und weitere beteiligte Materialien für den worst case ausgelegt oder sogar überdimensioniert werden.<br />
<br />
==Bauteil ohne Kühlkörper==<br />
Um den Umgang mit den thermischen Ersatzschaltbildern zu lernen, soll zunächst mit einem einfachen Beispiel begonnen werden. In diesem Fall wird der Wärmeübergang von einem einzelnen Bauteil zu Luft betrachet, es kommt zunächst also noch kein Kühlkörper zum Einsatz. Das Ersatzschaltbild sieht in diesem Fall folgendermaßen aus:<br />
<br />
[[Bild:Therm-esb1.png|450px]]<br />
<br />
Die am Bauteil entstehende Verlustleistung ist Ursache der Abwärme und wird im thermischen Ersatzschaltbild als ideale Stromquelle modelliert.<br />
<br />
Die Abwärme gelangt nun über den Weg Sperrschicht (Junction) <math>\rightarrow</math> Bauteilgehäuse (Case) <math>\rightarrow</math> Umgebung (Ambient) nach außen. Im Ersatzschaltbild ist jeder Übergang als thermischer Widerstand modelliert. Die genauen Zahlenwerte der Wärmewiderstände lassen sich in der Regel dem Datenblatt des Bauteils entnehmen. Benötigt werden die Werte für <math>R_{th(jc)}</math> und <math>R_{th(ca)}</math>. In manchen Datenblättern findet man die Angabe <math>R_{th(ja)}</math>, was der Reihenschaltung aus den beiden vorher genannten Werten entspricht, also <math>R_{th(ja)}=R_{th(jc)}+R_{th(ca)}</math>.<br />
<br />
Die Umgebungstemperatur wird als ideale Spannungsquelle modelliert. Sämtliche Spannungen im Ersatzschaltbild entsprechen den auftretenden Temperaturen.<br />
<br />
Da es sich nun um ein lineares Netzwerk handelt, gelten hier ebenfalls die Kirchhoff'schen Gleichungen. Relativ leicht lässt sich nun die Temperatur am Bauteilgehäuse (Case) und der Sperrschicht (Junction) berechnen:<br />
<br />
<math>\vartheta_{c}=\vartheta_{a}+R_{th(ca)} \cdot P_{V}</math><br />
<br />
<math>\vartheta_{j}=\vartheta_{a}+R_{th(jc)} \cdot P_{V}+R_{th(ca)} \cdot P_{V}=\vartheta_{a}+(R_{th(jc)}+R_{th(ca)}) \cdot P_{V}=\vartheta_{a}+R_{th(ja)} \cdot P_{V}</math><br />
<br />
Da die thermischen Widerstände bei der Reihenschaltung auch zusammengefasst werden dürfen, beschreibt folgendes thermisches Ersatzschaltbild den gleichen Zusammenhang. Nachteil ist hier allerdings, dass die Temperatur am Gehäuse nicht modelliert wird.<br />
<br />
[[Bild:Therm-esb0.png|300px]]<br />
<br />
===Derating===<br />
<br />
Die Überlegungen zur Sperrschichttemperatur kann auch anders interpretiert werden. Gibt man die Sperrschichttemperatur vor, kann man die maximal erlaubte Verlustleistung des Bauteils in Abhängigkeit der Umgebungstemperatur bestimmen. Die folgende Formel erhält man aus Umformung der oberen Gleichung:<br />
<br />
<math>P_{V} \leq \frac{\vartheta_{j}-\vartheta_{a}}{R_{th(ja)}}</math><br />
<br />
Bei Halbleitern darf idR. die Sperrschichttemperatur nicht 150°C überschreiten. Der thermische Widerstand wird hauptsächlich durch das Gehäuse vorgegeben. Aus der Formel sieht man nun folgendes: Je höher die Umgebungstemperatur, desto geringer fällt die maximal erlaubte Verlustleistung aus. Diesen Zusammenhang bezeichnet man auch als '''Derating'''. Der typische Verlauf sieht meist so aus:<br />
<br />
[[Bild:Derating.png|300px]]<br />
<br />
Die Derating-Formel gilt im Bereich <math>\vartheta_{1} ... \vartheta_{max}</math>. Für Temperaturen unter <math>\vartheta_{1}</math> darf die Maximalleistung <math>P_{max}</math>des Bauteilgehäuses nicht überschritten werden. <math>\vartheta_{1}</math> liegt bei meist 25°C. Den genauen Verlauf kann man dem Datenblatt des betreffenden Bauteils entnehmen.<br />
<br />
===Beispielrechnung===<br />
<br />
Ein Spannungsregler vom Typ 7805 im TO220-Gehäuse soll ohne Kühlkörper betrieben werden. Wie hoch ist die maximal erlaubte Verlustleistung, wenn die Sperrschichttemperatur 120°C nicht überschreiten soll und die Umgebungstemperatur 25°C beträgt?<br />
<br />
Zunächst werfen wir einen Blick ins Datenblatt des Spannungsreglers und entnehmen die Angaben für die thermischen Widerstände. Dann halten wir alle gegebenen Größen fest:<br />
<br />
*'''Gegeben'''<br />
*:* <math>R_{th(jc)}=5 \frac{K}{W}</math> (aus dem Datenblatt)<br />
*:* <math>R_{th(ja)}=62 \frac{K}{W}</math> (aus dem Datenblatt)<br />
*:* <math>\vartheta_{j}=125°C</math><br />
*:* <math>\vartheta_{a}=25°C</math><br />
*'''Gesucht'''<br />
*:* <math>P_{v,max}</math><br />
*'''Rechnung'''<br />
*:Wir verwenden die Formel von oben und erhalten als Ergebnis<br />
*:<math>P_{V,max} = \frac{\vartheta_{j}-\vartheta_{a}}{R_{th(ja)}} = \frac{120°C-25°C}{62\frac{K}{W}} = \frac{95K}{62\frac{K}{W}} \approx 1,5 Watt</math><br />
*:Die maximal erlaubte Verlustleistung des Spannungsreglers ohne Kühlkörper darf demnach 1,5 Watt nicht überschreiten.<br />
*'''Zusatz'''<br />
*:Mit unserem Ersatzschaltbild können wir außerdem die Temperatur des Gehäuses (Case) des Spannungsreglers angeben. Dafür benötigen wir noch die Angabe <math>R_{th(ca)}</math>, welche allerdings im Datenblatt nicht angegeben ist.<br />
*:Da wir aber wissen, dass <math>R_{th(ja)}=R_{th(jc)}+R_{th(ca)}</math> gilt, können wir die fehlende Größe ausrechnen. Diese ist<br />
*:<math>R_{th(ca)}=R_{th(ja)}-R_{th(jc)}=62\frac{K}{W}-5\frac{K}{W}=57\frac{K}{W}</math>.<br />
*:Nun lässt sich die Gehäusetemperatur berechnen:<br />
*:<math>\vartheta_{c}=\vartheta_{a}+R_{th(ca)} \cdot P_{V}=25°C+57\frac{K}{W} \cdot 1,5 W \approx 111 °C</math><br />
*'''Bemerkung'''<br />
*:In der Praxis wird einem TO220-Gehäuse ungekühlt eine maximale Verlustleistung von 1 Watt zugerechnet. Die Temperaturen sind niedriger, die Lebensdauer des Bauteils höher.<br />
<br />
==Bauteil mit Kühlkörper und T.I.M.==<br />
<br />
Der Betrieb eines ICs ohne Kühlkörper, wie im vorigen Abschnitt beschrieben, funktioniert nur bei kleinen Leistungen und führt meist auch zu einer verringerten Lebensdauer des Bauteils. Viele Bauteile können ihre angegebenen Maximalwerte nur bei vernünftiger Kühlung erreichen. In diesem Abschnitt wird nun ein typisches Szenario mit Kühlkörperberechnung vorgestellt.<br />
<br />
Befassen wir uns zunächst mit der typischen mechanischen Anordnung. Das zu kühlende IC wird thermisch an einen Kühlkörper gekoppelt. In der Praxis wird man das IC aber nicht direkt auf dem Kühlkörper befestigen, sondern über ein sogenanntes ''thermisches Interface-Material'' (T.I.M.), um Unebenheiten und mechanische Abstände auszugleichen oder um für Insolierung zu sorgen. Details zum T.I.M. folgen im Unterabschnitt. Die typische Anordnung zeigt die folgende Abbildung.<br />
<br />
[[Bild:kuehlkoerper-anordnung.png|300px]]<br />
<br />
Folgende thermischen Widerstände treten hier in Kraft:<br />
*<math>R_{th(jc)}</math> für den Übergang Chip zu Bauteilgehäuse<br />
*<math>R_{th(ch)}</math> für den Übergang Bauteilgehäuse zu Kühlkörper (also über das T.I.M.)<br />
*<math>R_{th(ha)}</math> für den Übergang Kühlkörper zur Umgebung<br />
<br />
Aus diesen thermischen Widerständen wird ein thermisches Ersatzschaltbild angefertigt. Dieses zeigt die nächste Abbildung.<br />
<br />
[[Bild:Therm-esb2.png|700px]]<br />
<br />
Zunächst soll die Formel zur Berechnung der Chiptemperatur aufgestellt werden, die Formel erhält man wieder durch die Anwendung der Kirchhoffschen Gleichungen im Ersatzschaltbild.<br />
<br />
<math>\vartheta_{j}=\vartheta_{a}+(R_{th(jc)}+R_{th(ch)}+R_{th(ha)}) \cdot P_{V}</math><br />
<br />
Die Formel wird in der Praxis jedoch in einer anderen Form benötigt. Meist steht man als Entwickler vor der Aufgabe, den erforderlichen thermischen Widerstand <math>R_{th(ha)}</math> des Kühlkörpers zu bestimmen, sofern die Größen Umgebungstemperatur, Sperrschichttemperatur, Verlustleistung sowie die verbleibenden thermischen Widerstände gegeben sind. Anhand des berechneten Wärmewiderstands des Kühlkörpers können dann aus Produktkatalogen geeignete Kühlkörper bestimmt werden.<br />
<br />
Wir müssen dafür also die Gleichung nach <math>R_{th(ha)}</math> auflösen. Wir erhalten die praxisübliche Berechnungsformel:<br />
<br />
<math>R_{th(ha)}=\frac{\vartheta_{j}-\vartheta_{a}}{P_{V}}-R_{th(jc)}-R_{th(ch)}</math><br />
<br />
In manchen Quellen sind enthält diese Formel außerdem Korrekturfaktoren, die z.B. die Einbaulage o.ä. berücksichtigen können.<br />
<br />
===Beispielrechnung===<br />
<br />
Für einen Spannungsregler vom Typ 7805 im TO220-Gehäuse soll ein Kühlkörper dimensioniert werden. Die Eingangsspannung des Reglers beträgt 12V, die Ausgangsspannung von 5V wird mit 500mA belastet. Die Umgebungstemperatur sei 30°C. Der Spannungsregler wird mit Wärmeleitpaste auf dem Kühlkörper montiert, für diesen Wärmewiderstand wird 0,5 K/W angenommen. Welchen Wärmewiderstand darf der Kühlkörper höchstens haben, wenn als maximale Sperrschichttemperatur 110°C angenommen wird?<br />
<br />
Diese Aufgabe kann so durchaus in der Praxis auftreten. Von den vielen Angaben darf man sich zunächst nicht verunsichern lassen. Wir verwenden das gezeigte thermische Ersatzschaltbild. Für die Rechnung benötigen wir außerdem noch den thermischen Widerstand <math>R_{th(jc)}</math> aus dem Datenblatt.<br />
<br />
*'''Gegeben'''<br />
*:<math>R_{th(jc)}=5 \frac{K}{W}</math> (aus dem Datenblatt)<br />
*:<math>R_{th(ch)}=0,5 \frac{K}{W}</math><br />
*:<math>\vartheta_{j}=110°C</math><br />
*:<math>\vartheta_{a}=30°C</math><br />
*:<math>U_{ein}=12V</math><br />
*:<math>U_{aus}=5V</math><br />
*:<math>I=0,5A</math><br />
*'''Gesucht'''<br />
*:<math>R_{th(ha)}</math><br />
*'''Rechnung'''<br />
*:Zunächst muss die Verlustleistung am Regler berechnet werden. Diese beträgt<br />
*:<math>P_V=P_{Ein}-P_{Aus}=12V \cdot 0,5A~-~5V \cdot 0,5A=3,5 W</math>.<br />
*:Nun sind eigentlich auch schon alle Angaben vorhanden, sodass wir die Formel verwenden können.<br />
*:<math>R_{th(ha)}=\frac{\vartheta_{j}-\vartheta_{a}}{P_{V}}-R_{th(jc)}-R_{th(ch)}</math><br />
*:Einsetzen:<br />
*:<math>R_{th(ha)}=\frac{110°C-30°C}{3,5W}-5\frac{K}{W}-0,5\frac{K}{W} \approx 17,4\frac{K}{W}</math><br />
*'''Ergebnis'''<br />
*:Der Wärmewiderstand des Kühlkörpers darf maximal <math>17,4\frac{K}{W}</math> betragen.<br />
*'''Zusatz'''<br />
*:Aus dem Katalog wird ein Kühlkörper mit einem Wärmewiderstand von <math>10\frac{K}{W}</math> gewählt. Welche Temperatur erreicht der Kühlkörper, wenn er bei den gegebenen Bedingungen eingesetzt wird?<br />
*:<math>\vartheta_h=\vartheta_a+P_{V} \cdot R_{th(ha)}=30°C+3,5W \cdot 10 \frac{K}{W} \approx 65°C</math><br />
<br />
==Mehrere Bauteile auf einem gemeinsamen Kühlkörper==<br />
<br />
[[Bild:Therm-esb3.png|700px]]<br />
<br />
Thermisches Ersatzschaltbild: zwei Wärmequellen, gemeinsamer Kühlkörper<br />
<br />
Wird noch ausgebaut ...<br />
<br />
=Thermische Interface-Materialien (T.I.M.) und Montage=<br />
Wie bereits erwähnt, werden ICs in der Praxis nicht direkt auf einen Kühlkörper befestigt. Der Grund dafür ist folgender: Durch Unebenheiten und die rauhe Oberfläche von Kühlkörper und IC berühren sich die betreffenden Flächen unter dem Mikroskop gesehen nur minimal. Durch Lufteinschlüsse und die Tatsache, dass Luft ein schlechter Wärmeleiter ist, fällt in diesem Fall die thermische Anbindung des ICs an den Kühlkörper relativ schlecht aus.<br />
<br />
Zum Ausgleich der Unebenheiten eignet sich Wärmeleitpaste, welche dünn auf die Kontaktfläche aufgetragen wird. Es genügt eine sehr geringe Menge der Wärmeleitpaste, die Schichtdicke liegt in der Größenordnung 0,1mm. Die Aufgabe der Wärmeleitpaste ist, die Unebenheiten der Kontaktflächen auszugleichen. Zu viel Wärmeleitpaste erhöht wiederum den thermischen Übergangswiderstand. <br />
<br />
Ist zusätzlich eine elektrische Isolation zwischen IC und Kühlkörper erforderlich, können Glimmerscheiben (engl. mica) eingesetzt werden. Elektrische Isolation ist erforderlich, falls zum Beispiel mehrere Transistoren auf einen Kühlkörper montiert werden sollen und eine elektrische Verbindung der Kühlfahnen über den Kühlkörper zu Kurzschlüssen führen würde. Werden Glimmerscheiben verwendet, müssen diese beidseitig mit Wärmeleitpaste bestrichen werden, um sämtliche Unebenheiten auszugleichen. Die Glimmerscheiben werden zwischen IC und Kühlkörper eingebaut. Werden die ICs an den Kühlkörper geschraubt, muss auch die Schraube elektrisch isoliert werden. Hierfür sind entsprechende Hülsen aus Kunststoff erhältlich.<br />
<br />
Wärmeleitfolien aus Silikon /Gap-Filler<br />
<br />
BAUSTELLE<br />
<br />
Zur Montage der ICs auf dem Kühlkörper gibt es mehrere Möglichkeiten. Üblich sind Schraubmontage oder die Verwendung von Metallclips aus Federstahl. Der Anpressdruck durch die Montage kann die thermische Kopplung des ICs zum Kühlkörper beeinflussen. Die Metallclips haben den Vorteil, dass der Anpressdruck mit der Zeit nicht nachlässt.<br />
<br />
BAUSTELLE<br />
<br />
=Dynamisches Ersatzschaltbild=<br />
<br />
Bisher haben wir uns mit statischen Ersatzschaltbildern beschäftigt. Diese beinhalten die Wärmequellen, die Umgebungstemperatur sowie alle thermischen Widerstände. Nicht berücksichtigt wurden bislang Wärmekapazitäten. Erfahrungsgemäß dauert es eine gewissen Zeit, bis alle Gegenstände auf die berechnete Temperatur aufgeheizt sind. Um die zeitlichen Temperaturverläufe bestimmen zu können, müssen die thermischen Ersatzschaltbilder noch mit Wärmekapazitäten ergänzt werden. Wärmewiderstände und Wärmekapazitäten ergeben ein Tiefpassfilter mit einer definierten Zeitkonstante. Bei geeigneter Modellierung kommt das Modell kommt dem realen Temperaturverlauf schon sehr nahe. Nun können wir also zeitveränderliche Vorgänge modellieren. Dies ist insbesondere notwendig wenn sich stark ändernde Verlustleistungen (z.B. Impulsbelastung) an den Bauteilen auftreten und die Temperaturen vorab berechnet werden sollen. Im Hobbybereich ist diese Berechnung jedoch häufig nicht erforderlich, in der Regel genügt das statische Ersatzschaltbild.<br />
<br />
Ergänzen wir das bisherige thermische Ersatzschaltbild um Wärmekapazitäten, ergibt sich das folgende thermische Ersatzschaltbild. Dieses Modell wird als Cauer-Typ bezeichnet. Wärmewiderstände und Wärmekapazitäten lassen sich physikalisch bestimmen und eindeutig im Ersatzschaltbild zuordnen. Berechnete Temperaturen entsprechen realen Temperaturen.<br />
<br />
[[Bild:Therm-esb-dyn-cauer.PNG|600px]]<br />
<br />
Den gleichen Sachverhalt kann man auch mit dem sogenannten Foster-Modell darstellen. Dieses Modell scheint weit verbreitet zu sein, ist allerdings nicht mehr besonders anschaulich. Die gezeigten Ersatzschaltbilder lassen sich auch ineinander überführen, allerdings unterscheiden sich die eingetragenen Wärmekapazitäten und Wärmewiderstände.<br />
<br />
[[Bild:Therm-esb-dyn-foster.PNG|600px]]<br />
<br />
Die schwierige Aufgabe besteht nun darin, alle Zahlenwerte der Wärmewiderstände und Wärmekapazitäten zu bestimmen. Erst dann können die Temperaturverläufe in einer Simulation (z.B. mit SPICE) bestimmt werden. Im Hobbybereich ist diese Berechnung jedoch häufig nicht erforderlich.<br />
<br />
=Kühlkörperbauformen=<br />
* Board-Level-Kühlkörper (aufsteckbare/aufklebbare Kühlkörper, auch für SMD, meist 1 Kühlkörper pro IC)<br />
* Strang-/Profilkühlkörper (meist für hohe Leistungen)<br />
* Kühlaggregate (Kanal + Lüfter)<br />
<br />
Wozu eloxierte Oberflächen?<br />
* geringfügig höhere Wärmestrahlung (bei den niedrigen Temperaturen kaum ein Beitrag)<br />
* elektrische Isolation<br />
* Oberflächenschutz<br />
Nachteile:<br />
* erhöhte Wärmeaufnahme aus der unmittelbaren Umgebung!<br />
<br />
Stiftkühlkörper<br />
* hohe Oberfläche<br />
* bei dickem "Rücken"/"Boden" des Kühlkörpers gute Wärmespreizung<br />
* mit erzwungener Konvektion hohe Wärmeübertragung (quer zu den Stiften effektiver als in Stiftrichtung)<br />
* leichter und kompakter als Strangkühlkörper<br />
<br />
todo<br />
<br />
=Lüfter=<br />
Lüfter werden vor allem dann eingesetzt, wenn der Kühlkörper bei rein passiver Kühlung zur groß, zu schwer oder zu teuer wird. Beim Einsatz des Lüfters führt die erzwungene Luftströmung zur besseren Wärmeabgabe an die Luft. Bei gleicher Temperatur kann der Kühlkörper dann kleiner gewählt werden. Bei hohen Leistungen sind der kleinere Kühlkörper mit Lüfter preisgünstiger und kompakter als ein großer, rein passiver Kühlkörper. Um welchen Faktor die Wärmeableitung mit Lüfter verbessert wird, hängt von vielen Parametern ab und kann nicht pauschal angegeben werden.<br />
<br />
Vorteile<br />
* bessere Wärmeabgabe<br />
* Kühlkörper kann bei gleicher Temperatur kleiner, leichter und kostengünstiger werden<br />
* In kleinem Maßstab günstiger als Wasserkühlung o.ä.<br />
<br />
Nachteile<br />
* zusätzlicher Stromverbrauch<br />
* Geräuschentwicklung und Vibrationen<br />
* zusätzliche Kosten für Lüfter und dessen Montage<br />
* Im Falle eines unbemerkten Ausfalls kann die Schaltung überhitzen (Abhilfe: Thermostat, Temperaturfühler oder Tachosignal auswerten)<br />
<br />
Anordnungen:<br />
* Push-Prinzip: Der Lüfter bläst die Luft in den Kühlkörper/-kanal<br />
* Pull-Prinzip: Der Lüfter saugt die Luft aus dem Kühlkörper/-kanal heraus<br />
<br />
Kenngrößen:<br />
* Luftdurchsatz in <math>\frac{m^{3}}{h}</math><br />
* Nennspannung, Nennstrom, Nennleistung<br />
* Typ Axial/Radial<br />
* Größe<br />
* Geräuschpegel<br />
* Art der Lagerung (Kugellager, Sinterbronze-Lager etc.)<br />
* Temperaturbereich<br />
* Lebensdauer, MTBF<br />
<br />
=Entwärmung auf einer Platine=<br />
Beim Leiterplattenentwurf muss bereits in der Designphase abgeschätzt werden, welche Verlustleistungen auftreten und wie die entstehende Wärme abgeführt werden kann. Die Anordnung der Bauteile und die Gestaltung der Leiterbahnen hat Auswirkungen auf das thermische Verhalten. Die Einbaulage der Platine kann die Entwärmung zudem beeinflussen. Erwärmte Umgebungsluft steigt bekanntlich nach oben und kann andere Komponenten oder Platinen aufheizen. Wird die Platine in ein Gehäuse eingebaut, müssen gegebenenfalls Lüftungsschlitze eingebracht werden oder die zu kühlenden Bauteile an der Gehäusewand platziert werden. Bei geschlossenen Gehäusen muss bei der Kühlkörperdimensionierung mit höheren Umgebungstemperaturen gerechnet werden (z.B. 50°C, 60°C), da sich die Wärme zunächst im Gehäuse staut und nur allmählich durch die Gehäusewand abgegeben wird.<br />
<br />
==Bedrahtete Bauteile==<br />
Für bedrahtete Bauteilgehäuse wie z.B. TO-220 sind zahlreiche Kühlkörpervarianten erhältlich. Für Printmontage eignen sich Kühlkörper, die mit Lötstiften oder Schrauben an der Platine befestigt werden. Das Bauteil selbst wird mit einem Federclip oder einer Schraube am Kühlkörper montiert. Die Größe, Bauform und Befestigung des Kühlkörpers muss bereits beim Leiterplattenentwurf berücksichtigt werden. Leistungsdioden und Leistungswiderstände sind in den meisten Fällen für Konvektionskühlung ausgelegt, d.h. durch Luftströmung. Diese werden meist mit etwas Abstand von der Platinenoberfläche montiert, um die gesamte Bauteiloberfläche zur Kühlung nutzen zu können und um die Platine nicht unnötig aufzuheizen.<br />
<br />
Zur Verbesserung der Wärmeableitung kann, abgesehen vom Kühlkörper, auch die Platine bei der Wärmeverteilung helfen:<br />
* Breite Leiterbahnen können Wärme abführen und auf eine große Fläche verteilen<br />
* Eine dickere Kupferkaschierung kann die Wärmeableitung unterstützen (Standard sind 35µm, erhältlich sind auch 70µm und mehr), dies reduziert zudem die elektrischen Leiterbahnwiderstände<br />
* Mit einer großen Zahl von Durchkontaktierungen (vias) kann die Wärme auf andere Kupferlagen verteilt werden (der Platinenkern FR4 allein hat eine schlechte Wärmeleitfähigkeit)<br />
* Einsatz spezieller Platinenmaterialien (Alukern) z.B. bei Platinen für High-Power-LEDs<br />
* Für kleinere ICs mit Wärmeentwicklung eignen sich aufklebbare Kühlkörper<br />
<br />
Beim Entwurf der Platine muss den Bauteilen in der Nähe der Wärmequelle besondere Aufmerksamkeit geschenkt werden. Vor allem sind '''Elektrolytkondensatoren (Elkos)''' betroffen, da diese durch benachbarte Wärmequellen allmählich austrocknen und zum Ausfall der Schaltung führen können! Elkos sollten möglichst so platziert werden, dass sie eine geringe Temperatur und somit eine hohe Lebensdauer erreichen. Jedoch ist dies bei manchen Anwendungen nur eingeschränkt möglich. Beispielsweise sind bei Schaltreglern kurze Leiterschleifen erwünscht, um die elektromagnetische Verträglichkeit zu verbessern (Leiterschleifen wirken als Antenne) und um parasitäre Induktivitäten und Widerstände zu reduzieren. Der Einsatz hochwertiger Elkos mit geringem ESR, hoher Maximaltemperatur und Lebensdauer ist empfehlenswert. Zudem ist auf ausreichende Spannungsfestigkeit und geringe Rippleströme im Betrieb zu achten. Im Laufe der Betriebszeit sinkt die Kapazität des Elkos und die Verluste steigen. Die Lebensdauer der Elkos kann abgeschätzt werden. Die Hersteller geben idR. die Lebensdauer bei der spezifizierten Maximaltemperatur an, z.B. 5000h bei 105°C. Zur Abschätzung der Lebensdauer gilt hier auch die 10°C-Regel (laut Panasonic im Bereich 40°C bis 100°C), d.h. pro 10°C niedrigerer Betriebstemperatur verdoppelt sich die Lebensdauer des Elkos. Die erwartete Lebensdauer kann mit der folgenden Formel (Panasonic) abgeschätzt werden:<br />
<br />
<math>\Large L=L_{Tmax} \cdot 2^{\left( \frac{T_{max} - T}{10} \right)}</math><br />
<br />
'''Beispiel'''<br />
<br />
Ein Elko ist mit 5000h bei 105°C spezifiziert. Welche Lebensdauer wird bei einer Temperatur von 55°C erwartet?<br />
* Gegeben: <math>\large L_{Tmax}=5000h</math> , <math>\large T_{max}=105°C</math> , <math>\large T=55°C</math><br />
* Rechnung: <math>\large L=L_{Tmax} \cdot 2^{\left( \frac{T_{max} - T}{10} \right)}=5000h \cdot 2^{\left( \frac{105°C - 55°C}{10} \right)}=5000h \cdot 2^5=5000h \cdot 32=160000h</math><br />
* Ergebnis: Die Lebensdauer des Elkos beträgt unter diesen Bedingungen etwa 160000h, also über 18 Jahre Dauerbetrieb!<br />
* Bemerkung: Würde man z.B. einen billigen 2000h/85°C-Elko verwenden, würde dieser unter den gleichen Bedingungen keine 2 Jahre durchhalten!<br />
<br />
Liegt das Datenblatt des verwendeten Elkos vor, sollte man sich an die dort genannten Berechnungen und Zahlenwerte halten. Die gezeigte Berechnung ist nur eine Näherungsformel. Für weitere Verwendungshinweise sei auf die ''Application Guidelines'' für ''Radial Lead Type Aluminum Electrolytic Capacitors'' von ''Panasonic'' verwiesen (siehe Quellenangaben und Verweise am Seitenende).<br />
<br />
==SMD-Bauteile==<br />
SMD-Bauteile können meist über die Platine gut entwärmt werden. Dies ist normalerweise nur bei geringen Verlustleistungen möglich. Die Abwärme der Bauteile muss auf eine möglichst große Fläche verteilt werden, durch große Kupferflächen auf der Platine kann dies erreicht werden. Da die Wärmeleitfähigkeit der Kupferauflage deutlich höher ist als die Wärmeleitfähigkeit des Platinenmaterials FR4, wird sich die Wärme hauptsächlich in der Fläche verteilen, jedoch weniger ''durch'' die Platine hindurch. Um die Wärmeleitung durch die Platine (z.B. von Ober- zu Unterseite) zu erhöhen, müssen Durchkontaktierungen gesetzt werden. Sogenannte "Thermal Vias" werden in einer großen Anzahl an das zu entwärmende Bauteil gesetzt und können damit die Wärme zu anderen Kupferlagen der Platine weiterleiten. Die Wärmeleitung durch die Platine hindurch wird verbessert, liegt aber dennoch deutlich unter der Wärmeleitfähigkeit von reinem Kupfer. Thermische Vias können aufgrund ihrer kleinen Masse kaum einen Beitrag zur gesamten "Kühlmasse" beitragen. Ob schließlich eine Entwärmung durch die Platine ausreicht, muss durch Simulation oder Messung gezeigt werden.<br />
<br />
Welche Temperatur das Bauteil auf der Platine erreicht, kann nach dem Aufbau natürlich gemessen werden. Besser wäre es jedoch, die Temperaturen bereits beim Entwurf der Platine zu kennen, um einschätzen zu können, ob die Entwärmung ausreichend ist. Allgemeine Angaben hierfür sind schwer zu finden, jedoch gibt es vereinzelt Angaben in Datenblättern von Halbleitern zur Entwärmung. An den folgenden Zahlenwerten kann man sich orientieren, wenn man ähnliche Bauteile entwärmen möchte. Damit man für die genannten Flächen eine grobe Vorstellung hat, sei noch erwähnt: ein Cent hat eine Fläche von grob <math>200mm^2</math>, ein Euro hat grob <math>400mm^2</math>.<br />
<br />
Für SMD-Bauteile exisitieren Kühlkörper, die sich direkt auf die Platine löten lassen, diese sind auch maschinenbestückbar.<br />
<br />
'''TO263 (=D2PAK)'''<br />
<br />
Im Datenblatt des Schaltreglers LM2576 von ''National Semiconductor'' findet man für das TO263-Gehäuse einige Angaben. Das TO263-Gehäuse gleicht übrigens dem TO220 bis auf die Tatsache, dass die Kühlfahne kürzer ist und das Gehäuse für SMD-Montage vorgesehen ist. Das Datenblatt gibt thermische Widerstände für den Übergang Junction-Ambient an. Die Angabe ist abhängig von der Kupferfläche auf der Platine, die unmittelbar für das Bauteil aus Kühlkörper wirkt. Die Zahlenwerte aus dem Datenblatt wurden in Quadratmillimeter umgerechnet, gerundet und stehen nun in der Tabelle bereit. Keine Angaben macht der Hersteller zu den Rahmenbedingungen, unter denen die thermischen Widerstände ermittelt wurden (Platinendicke, Durchkontaktierungen, Form der Kupferfläche und Dicke der Kupferkaschierung). Dennoch können die Werte zur groben Orientierung dienen.<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
| Kupferfläche || therm. Widerstand<br />
|-<br />
| <math>325 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 50\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>645 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 37\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>1030 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 32\frac{K}{W} </math><br />
|}<br />
<br />
'''TO252 (=DPAK), SOT223'''<br />
<br />
Im Datenblatt des Low-Drop-Spannungsreglers LM1117 von ''National Semiconductor'' sind Angaben zur Entwärmung über die Platine von SOT223 und TO252-Gehäusen vorhanden. Der Hersteller gibt an, für das SOT223-Gehäuse eine 35µm dicke, und für das TO252-Gehäuse eine 70µm dicke Kupferkaschierung der Platine verwendet zu haben. Leider finden sich in diesem Datenblatt keine Informationen zu Durchkontaktierungen, Platinendicke, und ob das IC auf der Ober- oder Unterseite der Platine montiert wurde (Vermutung: oben montiert, da angegebene thermische Widerstände geringer sind). Der Hersteller hat drei Fälle untersucht: Kupferfläche oben, Kupferfläche unten, Kupferfläche beidseitig. Für das thermische Platinendesign kann man diese Zahlenwerte zumindest als Richtwerte verwenden. Das Datenblatt enthält zudem Zeichnungen der Kühlflächen. Die Zahlenwerte wurden wieder in Quadratmillimeter umgerechnet und gerundet und in die folgenden Tabelle eingetragen:<br />
<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
| Kupferfläche top || Kupferfläche bottom || therm. Widerstand SOT223 || therm. Widerstand TO252<br />
|-<br />
| <math> 200mm^2</math> || - || <math>R_{th(ja)}\approx 84\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 60\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math> 350mm^2</math> || - || <math>R_{th(ja)}\approx 75\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 54\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math> 650mm^2</math> || - || <math>R_{th(ja)}\approx 66\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 47\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| - || <math> 250mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 98\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 70\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| - || <math> 400mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 89\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 63\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| - || <math> 650mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 79\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 57\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math> 200mm^2</math> || <math> 200mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 83\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 61\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math> 250mm^2</math> || <math> 250mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 75\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 55\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math> 350mm^2</math> || <math> 350mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 70\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 53\frac{K}{W} </math><br />
|}<br />
<br />
'''SO8'''<br />
<br />
Für das SO8-Gehäuse findet man eine Angabe im Datenblatt des Spannungsreglers 78L05 von ''ST'':<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
| Kupferfläche || therm. Widerstand<br />
|-<br />
| <math>600 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 55\frac{K}{W} </math><br />
|}<br />
<br />
'''SO20'''<br />
<br />
Aus dem Datenblatt des L293DD sind Angaben zum SO20-Gehäuse enthalten. In diesem Falle sind 8 zentrale Pins an die Kühlfläche angebunden, die Kupferkaschierung ist vermutlich einseitig 35µm. Die groben Richtwerte sind:<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
| Kupferfläche || therm. Widerstand<br />
|-<br />
| <math>200 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 60\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>400 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 53\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>600 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 51\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>800 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 50\frac{K}{W} </math><br />
|}<br />
<br />
'''PowerDIP20'''<br />
<br />
Für das DIP20-Gehäuse wird man im Datenblatt des Motortreibers L6202 von ''ST'' fündig. Bei 35µm Kupferkaschierung der Platine ergeben sich die folgenden thermischen Widerstände.<br />
<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
| Kupferfläche || therm. Widerstand<br />
|-<br />
| <math>0 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 58\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>200 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 45\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>400 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 39\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>600 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 38\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>800 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 37\frac{K}{W} </math><br />
|}<br />
<br />
Für die Form der empfohlenen Kühlfläche sei auf das Datenblatt verwiesen. Wird das IC in einem Sockel verwendet, muss man sicherlich von höheren thermischen Widerständen ausgehen.<br />
<br />
'''AN-994'''<br />
<br />
In der ''Application Note AN-994 - Maximizing the Effectiveness of your SMD Assemblies'' von ''International Rectifier (IRF)'' sind weitere Daten vorhanden. Die dort genannten Daten sind jedoch teils drastisch niedriger als die hier genannten. Eine mögliche Erklärung sind z.B. die höhere Kupferauflage (70µm) oder evtl. optimierte Wärmewiderstände innerhalb der Gehäuse.<br />
<br />
'''Große Kupferflächen'''<br />
<br />
Im ''Application Hint 17 - Designing P.C. Board Heat Sinks - by Bob Wolbert (Micrel)'' werden Angaben zu thermischen Widerständen der Platine für vergleichsweise große Flächen gemacht. Die thermischen Widerstände beschreiben den Übergang <math>R_{th(ha)}</math> unter den Bedingungen: Quadratische Kupferfläche, einseitig, horizontal montiert, Lötstopplack, keine Belüftung. Die Dicke der Kupferkaschierung ist nicht angegeben. Hier einige Werte, abgelesen aus dem Diagramm der genannten Application Note:<br />
<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
| Kupferfläche || therm. Widerstand<br />
|-<br />
| <math>500 mm^2</math> || <math>R_{th(ha)}\approx 60\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>1000 mm^2</math> || <math>R_{th(ha)}\approx 45\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>1500 mm^2</math> || <math>R_{th(ha)}\approx 38\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>2000 mm^2</math> || <math>R_{th(ha)}\approx 33\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>2500 mm^2</math> || <math>R_{th(ha)}\approx 30\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>3000 mm^2</math> || <math>R_{th(ha)}\approx 28\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>4000 mm^2</math> || <math>R_{th(ha)}\approx 24\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>5000 mm^2</math> || <math>R_{th(ha)}\approx 22\frac{K}{W} </math><br />
|}<br />
<br />
<br />
'''Abschlusskommentar'''<br />
<br />
An den gezeigten, thermischen Widerständen sieht man leicht: je größer die Kühlfläche, desto geringer der thermische Widerstand. Dieses Verhalten würde man so auch erwarten.<br />
<br />
Ab einer bestimmten Fläche wird die Platine als Kühlkörper jedoch unhandlich, und man wird die Fläche nicht weiter vergrößern. Die mit den Kupferflächen erreichten thermischen Widerstände sind für viele Anwendungen noch deutlich zu hoch. Bei Verlustleistungen von wenigen Watt werden dadurch bereits kritische Chiptemperaturen erreicht. Wie bereits oben erwähnt, funktioniert die Entwärmung von SMD-Komponenten über die Platine also nur für kleine Verlustleistungen. Bei größeren Verlustleistungen müssen zusätzliche Entwärmungsmaßnahmen getroffen werden (z.B. aufklebbarer Kühlkörper, etc.). Zielführend ist auch, die Ursache der Erwärmung, nämlich die Verlustleistung zu verringern. Wird beispielsweise ein Linearregler durch einen effizienteren Schaltregler ersetzt, kann die Entwärmung aufgrund der kleineren Verlustleistung deutlich einfacher gestaltet werden. Ob die Verringerung der Verlustleistung möglich ist, hängt natürlich von der Anwendung ab.<br />
<br />
=Spezielle Kühlkörper=<br />
<br />
todo<br />
<br />
=Autoren=<br />
* BMS<br />
<br />
[[Kategorie:Elektronik]]<br />
[[Kategorie:Mechanik]] <br />
[[Kategorie:Praxis]] <br />
[[Kategorie:Grundlagen]]<br />
<br />
=Quellen und Verweise=<br />
<br />
Zeitschriftenartikel:<br />
<br />
* Best, Siegfried W.: ''Elektronikkühlung und Wärmemanagement von A bis Z''. In: Elektronikpraxis - Sonderheft Elektromechanik, April 2013. S. 20ff.<br />
* Best, Tobias: ''Thermisches Via, die kleine Schwester der Heatpipe''. In: Elektronikpraxis, April 2013. S. 12ff.<br />
* Erdmann, Marc: ''Beste Effizienz auch beim Thermal Management''. In: Elektronikpraxis - Sonderheft Leistungelektronik und Stromversorgung. März 2015. S. 38ff.<br />
* Kerstin, Nils; Schulz, Martin: ''Thermische Widerstände genau messen - eine Herausforderung''. In: Elektronikpraxis, Nr. 17, September 2014. S. 48ff.<br />
* K.R. (Alutronic): ''Stiftkühlkörper für die Leistungselektronik''. In: Elektronikpraxis Nr.9, Mai 2014. S. 50ff.<br />
* Harpain, Jürgen: ''Wärmeleitmaterial kompensiert Lufteinschlüsse''. In: Elektronikpraxis Nr.1, Januar 2014. S. 36ff.<br />
* Harpain, Jürgen: ''Entwärmungskonzepte für Einzelhalbleiter und ICs''. In: Elektronikpraxis - Sonderheft Elektromechanik, April 2014. S. 14ff.<br />
* Schulz, Martin: ''Fünf Fettnäpfchen beim Bestimmen thermischer Größen''. In: Elektronikpraxis, November 2013. S. 36ff.<br />
* Schulz, Martin: ''Mythen und Legenden über Wärmeleitmaterialien''. In: Elektronikpraxis Nr.2., Januar 2014. S. 42ff.<br />
<br />
----<br />
<br />
Datenblätter, aus denen thermische Widerstände entnommen wurden:<br />
<br />
* [http://pdf.datasheetcatalog.com/datasheet/nationalsemiconductor/DS011476.PDF Datenblatt LM2576 von National Semiconductor]<br />
* [http://pdf.datasheetcatalog.com/datasheet/nationalsemiconductor/LM1117.pdf Datenblatt LM1117 von National Semiconductor]<br />
* [http://pdf.datasheetcatalog.com/datasheets/150/9358_DS.pdf Datenblatt L78Lxx von ST]<br />
* [http://pdf.datasheetcatalog.com/datasheet/stmicroelectronics/1330.pdf Datenblatt L293DD von ST]<br />
* [http://pdf.datasheetcatalog.com/datasheet/stmicroelectronics/1373.pdf Datenblatt L6202 von ST]<br />
* [http://www.irf.com/technical-info/appnotes/an-994.pdf ''Application Note AN994 - Maximizing the Effectiveness of your SMD Assemblies'' - International Rectifier (IRF)]<br />
* [http://www.micrel.com/_PDF/App-Hints/ah-17.pdf ''Application Hint 17 - Designing P.C. Board Heat Sinks - by Bob Wolbert (Micrel)'']<br />
<br />
----<br />
<br />
Weblinks:<br />
<br />
* [http://stegem.de/Elektronik/Kuehlkoerper/ Online-Tool zur Kühlkörperberechnung von Gemmel, S.]<br />
* [http://ludens.cl/Electron/Thermal.html Thermal Design - von Mornhinweg, M.]<br />
* [http://sound.westhost.com/heatsinks.htm The Design of Heatsinks - von Elliot, R.]<br />
* [http://www.giangrandi.ch/electronics/thcalc/thcalc.shtml Calculating Heat sinks - von Giangrandi, I.]<br />
* [http://www.irf.com/technical-info/appnotes/an-1057.pdf Application Note AN-1057: Heatsink Characteristics von International Rectifier (IRF)]<br />
* [http://ww1.microchip.com/downloads/en/AppNotes/00792a.pdf Application Note AN792: A method to determine how much power a sot23 can dissipate in an application (Microchip Technology Inc. 2001)]<br />
* [http://www.fairchildsemi.com/application-notes/AN/AN-1028.pdf Application Note AN1028: Maximum Power Enhancement Techniques for SOT-223 Power MOSFETs (Fairchild Semiconductor 1996)]<br />
* [http://www.industrial.panasonic.com/www-data/pdf/ABA0000/ABA0000PE26.pdf Aluminium Electrolytic Capacitors - Application Guidelines (Panasonic 2015)]</div>BMShttps://rn-wissen.de/wiki/index.php?title=K%C3%BChlk%C3%B6rper&diff=26561Kühlkörper2015-07-25T11:37:20Z<p>BMS: /* Dynamisches Ersatzschaltbild */</p>
<hr />
<div>{{Baustelle|BMS}}<br />
<br />
Dieser Artikel behandelt die Grundlagen zu Kühlkörpern.<br />
<br />
[[Bild:kuehlkörper-uebersicht.jpg|thumb|Verschiedene Kühlkörper, links ein TO220-Gehäuse zum Größenvergleich]]<br />
<br />
=Einleitung=<br />
<br />
'''Wieso sind überhaupt Kühlkörper in technischen Geräten erforderlich?'''<br />
<br />
Kein Gerät kann einen 100-prozentigen Wirkungsgrad erzielen und somit tritt Verlustleistung auf. Diese Verlustleistung führt zur Erwärmung der Bauteile. Kühlkörper sollen die Entwärmung verbessern, indem die entstehende Wärme auf eine große Fläche verteilt wird und durch Konvektion an der Luft auskühlen kann. Die Temperatur an den heißen Bauteilen ist mit Kühlkörper geringer als ohne Kühlkörper.<br />
<br />
'''Wieso sind hohe Bauteiltemperaturen ungünstig?'''<br />
<br />
Die Lebensdauer aller elektronischen Bauteile ist stark von der Temperatur abhängig. Als Faustregel gilt: Eine Temperaturerhöhung um 10 Grad führt zur Halbierung der Lebensdauer. Außerdem gibt es Grenztemperaturen, die nicht überschritten werden dürfen. Beispielsweise dürfen Halbleiter keine Temperatur über 150°C erreichen. Extrembeispiele sind die Schmelztemperatur von Isolierungen, Lötzinn etc... sowie Brandgefahr durch hohe Temperaturen. Viele Bauteile können ohne vernünftige Kühlung nicht ihren vollen Funktionsumfang erreichen, liefern dann z.B. geringere Maximalströme oder es greift die Temperaturabschaltung. Anders formuliert: Die maximale Leistung eines Bauteils oder Geräts wird durch seine Entwärmung bestimmt! Zur eigenen Sicherheit bietet es sich zudem an, die Temperaturen niedrig zu halten, sodass man sich am Gerät nicht die Finger verbrennen kann ;)<br />
<br />
=Wärmeübertragung=<br />
Prinzipiell kann Wärmeübertragung über Wärmeleitung, Konvektion und Wärmestrahlung geschehen. In vielen Anwendungen treten mehrere Mechanismen gleichzeitig auf. Welcher Mechanismus hauptsächlich auftritt, ist von der mechanischen Anordnung, den Materialien und der Temperatur abhängig. Wärmeleitung und Konvektion sind die wichtigsten Arten der Wärmeübertragung, die in der Praxis auftreten. Nun zu den einzelnen Effekten:<br />
<br />
*'''Wärmeleitung'''<br />
*: Bei der Wärmeleitung wird die Wärme über einen direkten mechanischen Kontakt (Bsp. IC <math>\rightarrow</math>Kühlkörper) übertragen. Den beteiligten Materialien wird jeweils eine spezifische Wärmeleitfähigkeit <math>\lambda</math> zugeordnet, dazu später mehr.<br />
<br />
*'''Konvektion'''<br />
*: Mit Konvektion wird die Strömungsbewegung in Flüssigkeiten und Gasen bezeichnet. Praxisbeispiele sind die Wärmeabgabe eines Kühlkörpers an die Umgebungsluft oder auch eine Wasserkühlung. Von erzwungener Konvektion spricht man, wenn die Strömung durch z.B. einen Ventilator/Lüfter oder eine Wasserpumpe hervorgerufen wird. Im Vakuum kann keine Konvektion auftreten.<br />
<br />
*'''Wärmestrahlung'''<br />
*: Wärmestrahlung ist elektromagnetische Strahlung (hauptsächlich Infrarot und sichtbares Licht), die vom heißen Festkörper abgestrahlt wird. Sie wird erst bei höheren Temperaturen relevant und ist bei den üblichen Kühlkörpertemperaturen meist zu vernachlässigen. Erwähnt werden soll zudem, dass Wärmestrahlung der einzige Mechanismus der Wärmeleitung ist, welcher im Vakuum auftreten kann. (Für Details zu Wärmestrahlung siehe auch: Plancksches Strahlungsgesetz und Schwarzer Strahler).<br />
<br />
=Materialien=<br />
Jedes Material besitzt eine spezifische Wärmeleitfähigkeit, welche angibt, wie gut dieses Material Wärme weiter transportieren kann. Die spezifische Wärmeleitfähigkeit ist unabhängig von der Geometrie des Materials, wird mit der Größe <math>\lambda</math> (Lambda) ausgedrückt und erhält die Einheit <math>\frac{W}{m \cdot K}</math>.<br />
<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
|-<br />
| '''Material''' || '''<math>\lambda</math> in <math>\left[ \frac{W}{m \cdot K} \right]</math>'''<br />
|-<br />
| Silber || 430<br />
|-<br />
| Kupfer || 400<br />
|-<br />
| Aluminium || 230<br />
|-<br />
| Silizium || 140 <br />
|-<br />
| Wärmeleitpaste || 5 ... 10<br />
|-<br />
| Glas || 0,7<br />
|-<br />
| Wasser || 0,5<br />
|-<br />
| Platinenmaterial FR4 || 0,2 ... 0,5<br />
|-<br />
| Luft || 0,02<br />
|}<br />
<br />
Die meisten Kühlkörper werden aus Aluminiumlegierungen hergestellt. Für Aluminium spricht seine relativ hohe Wärmeleitfähigkeit, die hohe Verfügbarkeit und geringe Dichte. Im Vergleich zu Kupfer und Silber ist Aluminium deutlich kostengünstiger. Darüber hinaus lässt sich Aluminium mechanisch gut verarbeiten. Kupfer wird mit seiner höheren Wärmeleitfähigkeit z.B. bei Heatpipes eingesetzt.<br />
<br />
todo<br />
<br />
Wärmewiderstand <math>R_{th}=\frac{d}{\lambda \cdot A}</math><br />
<br />
d: Materialdicke, welche für die Wärmeleitung relevant ist<br />
<br />
<math>\lambda</math>spezifische Wärmeleitfähigkeit des Materials<br />
<br />
A: Querschnitts-/Kontaktfläche<br />
<br />
=Definitionen=<br />
Um vorauszusagen, wie sich die Temperaturen in einer Schaltung verhalten, bedient sich der Ingenieur - wie auch bei vielen anderen Anwendungen - eines Ersatzschaltbildes (ESB). Zur Erstellung eines thermischen Ersatzschaltbildes muss man sich aber zunächst mit den thermischen Größen vertraut machen.<br />
<br />
Die Temperaturen werden mit dem griechischen Buchstaben Theta <math>\theta</math> gekennzeichnet. Temperaturen werden in Grad Celsius (°C), Temperaturdifferenzen in Kelvin (K) angegeben. (Am Rande: Es existiert auch eine Kelvinskala mit dem absoluten Nullpunkt 0 K=-273,15°C). Die Temperaturen werden außerdem noch mit einem Index gekennzeichnet, abhängig von der mechanischen Stelle, an der sie auftreten:<br />
<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
|-<br />
| Symbol || Index || Bedeutung<br />
|-<br />
| <math>\vartheta_{J}</math> || J=Junction || Sperrschichttemperatur des Halbleiters<br />
|-<br />
| <math>\vartheta_{C}</math> || C=Case || Gehäusetemperatur des Bauteils<br />
|-<br />
| <math>\vartheta_{H}</math> || H=Heat Sink || Temperatur des Kühlkörpers<br />
|-<br />
| <math>\vartheta_{A}</math> || A=Ambient || Umgebungstemperatur<br />
|}<br />
<br />
Die Verlustleistung eines Bauteils beschreibt die Größe <math>P_{V}</math> und wird, wie allgemein bekannt, in Watt angegeben.<br />
<br />
Als neue Größe wird nun der thermische Widerstand eingeführt, dieser wird mit <math>R_{th}</math> beschrieben und bekommt die Einheit <math>\frac{K}{W}</math>. <br />
<br />
Für die thermischen Größen gibt es, ähnlich dem Ohmschen Gesetz, einen linearen Zusammenhang. Dieser lautet<br />
<br />
<math>R_{th}=\frac{\vartheta_{ü}}{P_{V}}</math><br />
<br />
todo<br />
<br />
'''Vergleich elektrischer und thermischer Größen'''<br />
<br />
Insgesamt können wir nun eine Analogie zwischen bekannten elektrischen Größen und den thermischen Größen angeben. Die schon gelernten Prinzipien zur Lösung linearer Netzwerke lässt sich auch bei den thermischen Ersatzschaltbildern anwenden.<br />
<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
|-<br />
| elektrisch || thermisch<br />
|-<br />
| Spannung U || Temperatur <math>\vartheta</math><br />
|-<br />
| Strom I || Verlustleistung <math>P_{V}</math><br />
|-<br />
| Widerstand R || thermischer Widerstand <math>R_{th}</math><br />
|}<br />
<br />
=Statisches Ersatzschaltbild=<br />
Mit den thermischen Zusammenhängen haben wir uns inzwischen vertraut gemacht. Nun können wir damit beginnen, thermische Ersatzschaltbilder von einfachen Anordnungen zu erstellen. Mit solchen Modellen können Temperaturen, wie z.B. die Chiptemperatur, vorab berechnet werden. Für die Berechnung müssen Wärmewiderstände, Umgebungstemperatur und Verlustleistung bekannt sein, da sie in die Berechnung einfließen.<br />
<br />
Bei den thermischen Ersatzschaltbildern kann man ein statisches oder ein dynamisches Ersatzschaltbild erstellen. Bei den statischen Ersatzschaltbilder wird davon ausgegangen, dass alle Größen zeitlich konstant sind, bzw. sofort ihre Solltemperatur entsprechend dem Modell annehmen. In der Realität dauert es natürlich eine gewisse Zeit, bis sich alle beteiligten Materialien aufgeheizt haben. Die Temperaturen des statischen Modells werden dabei erst nach einer bestimmten Zeit erreicht. <br />
<br />
Für die meisten Anwendungen genügt es jedoch, das statische thermische Ersatzschaltbild zu erstellen und den Kühlkörper dem entsprechend zu dimensionieren. Die Kühlung wird z.B. auf die maximale oder die mittlere auftretende Verlustleistung dimensioniert. Es wurde bereits erwähnt, dass sich die Bauteiltemperatur auf dessen Lebensdauer auswirkt. Dabei gilt: je niedriger die Bauteiltemperatur, desto länger die zu erwartende Lebensdauer. Je nach Anwendung und Rahmenbedingungen muss eventuell ein Kompromiss zwischen Kühlkörpergröße/kosten und Gerätelebensdauer gewählt werden. Beispielsweise kann der verfügbare Platz, ein Gesamtgewicht oder eine Kostenvorgabe begrenzender Faktor sein. Für einen dauerhaften sicheren Betrieb muss der Kühlkörper und weitere beteiligte Materialien für den worst case ausgelegt oder sogar überdimensioniert werden.<br />
<br />
==Bauteil ohne Kühlkörper==<br />
Um den Umgang mit den thermischen Ersatzschaltbildern zu lernen, soll zunächst mit einem einfachen Beispiel begonnen werden. In diesem Fall wird der Wärmeübergang von einem einzelnen Bauteil zu Luft betrachet, es kommt zunächst also noch kein Kühlkörper zum Einsatz. Das Ersatzschaltbild sieht in diesem Fall folgendermaßen aus:<br />
<br />
[[Bild:Therm-esb1.png|450px]]<br />
<br />
Die am Bauteil entstehende Verlustleistung ist Ursache der Abwärme und wird im thermischen Ersatzschaltbild als ideale Stromquelle modelliert.<br />
<br />
Die Abwärme gelangt nun über den Weg Sperrschicht (Junction) <math>\rightarrow</math> Bauteilgehäuse (Case) <math>\rightarrow</math> Umgebung (Ambient) nach außen. Im Ersatzschaltbild ist jeder Übergang als thermischer Widerstand modelliert. Die genauen Zahlenwerte der Wärmewiderstände lassen sich in der Regel dem Datenblatt des Bauteils entnehmen. Benötigt werden die Werte für <math>R_{th(jc)}</math> und <math>R_{th(ca)}</math>. In manchen Datenblättern findet man die Angabe <math>R_{th(ja)}</math>, was der Reihenschaltung aus den beiden vorher genannten Werten entspricht, also <math>R_{th(ja)}=R_{th(jc)}+R_{th(ca)}</math>.<br />
<br />
Die Umgebungstemperatur wird als ideale Spannungsquelle modelliert. Sämtliche Spannungen im Ersatzschaltbild entsprechen den auftretenden Temperaturen.<br />
<br />
Da es sich nun um ein lineares Netzwerk handelt, gelten hier ebenfalls die Kirchhoff'schen Gleichungen. Relativ leicht lässt sich nun die Temperatur am Bauteilgehäuse (Case) und der Sperrschicht (Junction) berechnen:<br />
<br />
<math>\vartheta_{c}=\vartheta_{a}+R_{th(ca)} \cdot P_{V}</math><br />
<br />
<math>\vartheta_{j}=\vartheta_{a}+R_{th(jc)} \cdot P_{V}+R_{th(ca)} \cdot P_{V}=\vartheta_{a}+(R_{th(jc)}+R_{th(ca)}) \cdot P_{V}=\vartheta_{a}+R_{th(ja)} \cdot P_{V}</math><br />
<br />
Da die thermischen Widerstände bei der Reihenschaltung auch zusammengefasst werden dürfen, beschreibt folgendes thermisches Ersatzschaltbild den gleichen Zusammenhang. Nachteil ist hier allerdings, dass die Temperatur am Gehäuse nicht modelliert wird.<br />
<br />
[[Bild:Therm-esb0.png|300px]]<br />
<br />
===Derating===<br />
<br />
Die Überlegungen zur Sperrschichttemperatur kann auch anders interpretiert werden. Gibt man die Sperrschichttemperatur vor, kann man die maximal erlaubte Verlustleistung des Bauteils in Abhängigkeit der Umgebungstemperatur bestimmen. Die folgende Formel erhält man aus Umformung der oberen Gleichung:<br />
<br />
<math>P_{V} \leq \frac{\vartheta_{j}-\vartheta_{a}}{R_{th(ja)}}</math><br />
<br />
Bei Halbleitern darf idR. die Sperrschichttemperatur nicht 150°C überschreiten. Der thermische Widerstand wird hauptsächlich durch das Gehäuse vorgegeben. Aus der Formel sieht man nun folgendes: Je höher die Umgebungstemperatur, desto geringer fällt die maximal erlaubte Verlustleistung aus. Diesen Zusammenhang bezeichnet man auch als '''Derating'''. Der typische Verlauf sieht meist so aus:<br />
<br />
[[Bild:Derating.png|300px]]<br />
<br />
Die Derating-Formel gilt im Bereich <math>\vartheta_{1} ... \vartheta_{max}</math>. Für Temperaturen unter <math>\vartheta_{1}</math> darf die Maximalleistung <math>P_{max}</math>des Bauteilgehäuses nicht überschritten werden. <math>\vartheta_{1}</math> liegt bei meist 25°C. Den genauen Verlauf kann man dem Datenblatt des betreffenden Bauteils entnehmen.<br />
<br />
===Beispielrechnung===<br />
<br />
Ein Spannungsregler vom Typ 7805 im TO220-Gehäuse soll ohne Kühlkörper betrieben werden. Wie hoch ist die maximal erlaubte Verlustleistung, wenn die Sperrschichttemperatur 120°C nicht überschreiten soll und die Umgebungstemperatur 25°C beträgt?<br />
<br />
Zunächst werfen wir einen Blick ins Datenblatt des Spannungsreglers und entnehmen die Angaben für die thermischen Widerstände. Dann halten wir alle gegebenen Größen fest:<br />
<br />
*'''Gegeben'''<br />
*:* <math>R_{th(jc)}=5 \frac{K}{W}</math> (aus dem Datenblatt)<br />
*:* <math>R_{th(ja)}=62 \frac{K}{W}</math> (aus dem Datenblatt)<br />
*:* <math>\vartheta_{j}=125°C</math><br />
*:* <math>\vartheta_{a}=25°C</math><br />
*'''Gesucht'''<br />
*:* <math>P_{v,max}</math><br />
*'''Rechnung'''<br />
*:Wir verwenden die Formel von oben und erhalten als Ergebnis<br />
*:<math>P_{V,max} = \frac{\vartheta_{j}-\vartheta_{a}}{R_{th(ja)}} = \frac{120°C-25°C}{62\frac{K}{W}} = \frac{95K}{62\frac{K}{W}} \approx 1,5 Watt</math><br />
*:Die maximal erlaubte Verlustleistung des Spannungsreglers ohne Kühlkörper darf demnach 1,5 Watt nicht überschreiten.<br />
*'''Zusatz'''<br />
*:Mit unserem Ersatzschaltbild können wir außerdem die Temperatur des Gehäuses (Case) des Spannungsreglers angeben. Dafür benötigen wir noch die Angabe <math>R_{th(ca)}</math>, welche allerdings im Datenblatt nicht angegeben ist.<br />
*:Da wir aber wissen, dass <math>R_{th(ja)}=R_{th(jc)}+R_{th(ca)}</math> gilt, können wir die fehlende Größe ausrechnen. Diese ist<br />
*:<math>R_{th(ca)}=R_{th(ja)}-R_{th(jc)}=62\frac{K}{W}-5\frac{K}{W}=57\frac{K}{W}</math>.<br />
*:Nun lässt sich die Gehäusetemperatur berechnen:<br />
*:<math>\vartheta_{c}=\vartheta_{a}+R_{th(ca)} \cdot P_{V}=25°C+57\frac{K}{W} \cdot 1,5 W \approx 111 °C</math><br />
*'''Bemerkung'''<br />
*:In der Praxis wird einem TO220-Gehäuse ungekühlt eine maximale Verlustleistung von 1 Watt zugerechnet. Die Temperaturen sind niedriger, die Lebensdauer des Bauteils höher.<br />
<br />
==Bauteil mit Kühlkörper und T.I.M.==<br />
<br />
Der Betrieb eines ICs ohne Kühlkörper, wie im vorigen Abschnitt beschrieben, funktioniert nur bei kleinen Leistungen und führt meist auch zu einer verringerten Lebensdauer des Bauteils. Viele Bauteile können ihre angegebenen Maximalwerte nur bei vernünftiger Kühlung erreichen. In diesem Abschnitt wird nun ein typisches Szenario mit Kühlkörperberechnung vorgestellt.<br />
<br />
Befassen wir uns zunächst mit der typischen mechanischen Anordnung. Das zu kühlende IC wird thermisch an einen Kühlkörper gekoppelt. In der Praxis wird man das IC aber nicht direkt auf dem Kühlkörper befestigen, sondern über ein sogenanntes ''thermisches Interface-Material'' (T.I.M.), um Unebenheiten und mechanische Abstände auszugleichen oder um für Insolierung zu sorgen. Details zum T.I.M. folgen im Unterabschnitt. Die typische Anordnung zeigt die folgende Abbildung.<br />
<br />
[[Bild:kuehlkoerper-anordnung.png|300px]]<br />
<br />
Folgende thermischen Widerstände treten hier in Kraft:<br />
*<math>R_{th(jc)}</math> für den Übergang Chip zu Bauteilgehäuse<br />
*<math>R_{th(ch)}</math> für den Übergang Bauteilgehäuse zu Kühlkörper (also über das T.I.M.)<br />
*<math>R_{th(ha)}</math> für den Übergang Kühlkörper zur Umgebung<br />
<br />
Aus diesen thermischen Widerständen wird ein thermisches Ersatzschaltbild angefertigt. Dieses zeigt die nächste Abbildung.<br />
<br />
[[Bild:Therm-esb2.png|700px]]<br />
<br />
Zunächst soll die Formel zur Berechnung der Chiptemperatur aufgestellt werden, die Formel erhält man wieder durch die Anwendung der Kirchhoffschen Gleichungen im Ersatzschaltbild.<br />
<br />
<math>\vartheta_{j}=\vartheta_{a}+(R_{th(jc)}+R_{th(ch)}+R_{th(ha)}) \cdot P_{V}</math><br />
<br />
Die Formel wird in der Praxis jedoch in einer anderen Form benötigt. Meist steht man als Entwickler vor der Aufgabe, den erforderlichen thermischen Widerstand <math>R_{th(ha)}</math> des Kühlkörpers zu bestimmen, sofern die Größen Umgebungstemperatur, Sperrschichttemperatur, Verlustleistung sowie die verbleibenden thermischen Widerstände gegeben sind. Anhand des berechneten Wärmewiderstands des Kühlkörpers können dann aus Produktkatalogen geeignete Kühlkörper bestimmt werden.<br />
<br />
Wir müssen dafür also die Gleichung nach <math>R_{th(ha)}</math> auflösen. Wir erhalten die praxisübliche Berechnungsformel:<br />
<br />
<math>R_{th(ha)}=\frac{\vartheta_{j}-\vartheta_{a}}{P_{V}}-R_{th(jc)}-R_{th(ch)}</math><br />
<br />
In manchen Quellen sind enthält diese Formel außerdem Korrekturfaktoren, die z.B. die Einbaulage o.ä. berücksichtigen können.<br />
<br />
===Beispielrechnung===<br />
<br />
Für einen Spannungsregler vom Typ 7805 im TO220-Gehäuse soll ein Kühlkörper dimensioniert werden. Die Eingangsspannung des Reglers beträgt 12V, die Ausgangsspannung von 5V wird mit 500mA belastet. Die Umgebungstemperatur sei 30°C. Der Spannungsregler wird mit Wärmeleitpaste auf dem Kühlkörper montiert, für diesen Wärmewiderstand wird 0,5 K/W angenommen. Welchen Wärmewiderstand darf der Kühlkörper höchstens haben, wenn als maximale Sperrschichttemperatur 110°C angenommen wird?<br />
<br />
Diese Aufgabe kann so durchaus in der Praxis auftreten. Von den vielen Angaben darf man sich zunächst nicht verunsichern lassen. Wir verwenden das gezeigte thermische Ersatzschaltbild. Für die Rechnung benötigen wir außerdem noch den thermischen Widerstand <math>R_{th(jc)}</math> aus dem Datenblatt.<br />
<br />
*'''Gegeben'''<br />
*:<math>R_{th(jc)}=5 \frac{K}{W}</math> (aus dem Datenblatt)<br />
*:<math>R_{th(ch)}=0,5 \frac{K}{W}</math><br />
*:<math>\vartheta_{j}=110°C</math><br />
*:<math>\vartheta_{a}=30°C</math><br />
*:<math>U_{ein}=12V</math><br />
*:<math>U_{aus}=5V</math><br />
*:<math>I=0,5A</math><br />
*'''Gesucht'''<br />
*:<math>R_{th(ha)}</math><br />
*'''Rechnung'''<br />
*:Zunächst muss die Verlustleistung am Regler berechnet werden. Diese beträgt<br />
*:<math>P_V=P_{Ein}-P_{Aus}=12V \cdot 0,5A~-~5V \cdot 0,5A=3,5 W</math>.<br />
*:Nun sind eigentlich auch schon alle Angaben vorhanden, sodass wir die Formel verwenden können.<br />
*:<math>R_{th(ha)}=\frac{\vartheta_{j}-\vartheta_{a}}{P_{V}}-R_{th(jc)}-R_{th(ch)}</math><br />
*:Einsetzen:<br />
*:<math>R_{th(ha)}=\frac{110°C-30°C}{3,5W}-5\frac{K}{W}-0,5\frac{K}{W} \approx 17,4\frac{K}{W}</math><br />
*'''Ergebnis'''<br />
*:Der Wärmewiderstand des Kühlkörpers darf maximal <math>17,4\frac{K}{W}</math> betragen.<br />
*'''Zusatz'''<br />
*:Aus dem Katalog wird ein Kühlkörper mit einem Wärmewiderstand von <math>10\frac{K}{W}</math> gewählt. Welche Temperatur erreicht der Kühlkörper, wenn er bei den gegebenen Bedingungen eingesetzt wird?<br />
*:<math>\vartheta_h=\vartheta_a+P_{V} \cdot R_{th(ha)}=30°C+3,5W \cdot 10 \frac{K}{W} \approx 65°C</math><br />
<br />
==Mehrere Bauteile auf einem gemeinsamen Kühlkörper==<br />
<br />
[[Bild:Therm-esb3.png|700px]]<br />
<br />
Thermisches Ersatzschaltbild: zwei Wärmequellen, gemeinsamer Kühlkörper<br />
<br />
Wird noch ausgebaut ...<br />
<br />
=Thermische Interface-Materialien (T.I.M.) und Montage=<br />
Wie bereits erwähnt, werden ICs in der Praxis nicht direkt auf einen Kühlkörper befestigt. Der Grund dafür ist folgender: Durch Unebenheiten und die rauhe Oberfläche von Kühlkörper und IC berühren sich die betreffenden Flächen unter dem Mikroskop gesehen nur minimal. Durch Lufteinschlüsse und die Tatsache, dass Luft ein schlechter Wärmeleiter ist, fällt in diesem Fall die thermische Anbindung des ICs an den Kühlkörper relativ schlecht aus.<br />
<br />
Zum Ausgleich der Unebenheiten eignet sich Wärmeleitpaste, welche dünn auf die Kontaktfläche aufgetragen wird. Es genügt eine sehr geringe Menge der Wärmeleitpaste, die Schichtdicke liegt in der Größenordnung 0,1mm. Die Aufgabe der Wärmeleitpaste ist, die Unebenheiten der Kontaktflächen auszugleichen. Zu viel Wärmeleitpaste erhöht wiederum den thermischen Übergangswiderstand. <br />
<br />
Ist zusätzlich eine elektrische Isolation zwischen IC und Kühlkörper erforderlich, können Glimmerscheiben (engl. mica) eingesetzt werden. Elektrische Isolation ist erforderlich, falls zum Beispiel mehrere Transistoren auf einen Kühlkörper montiert werden sollen und eine elektrische Verbindung der Kühlfahnen über den Kühlkörper zu Kurzschlüssen führen würde. Werden Glimmerscheiben verwendet, müssen diese beidseitig mit Wärmeleitpaste bestrichen werden, um sämtliche Unebenheiten auszugleichen. Die Glimmerscheiben werden zwischen IC und Kühlkörper eingebaut. Werden die ICs an den Kühlkörper geschraubt, muss auch die Schraube elektrisch isoliert werden. Hierfür sind entsprechende Hülsen aus Kunststoff erhältlich.<br />
<br />
Wärmeleitfolien aus Silikon /Gap-Filler<br />
<br />
BAUSTELLE<br />
<br />
Zur Montage der ICs auf dem Kühlkörper gibt es mehrere Möglichkeiten. Üblich sind Schraubmontage oder die Verwendung von Metallclips aus Federstahl. Der Anpressdruck durch die Montage kann die thermische Kopplung des ICs zum Kühlkörper beeinflussen. Die Metallclips haben den Vorteil, dass der Anpressdruck mit der Zeit nicht nachlässt.<br />
<br />
BAUSTELLE<br />
<br />
=Dynamisches Ersatzschaltbild=<br />
<br />
Bisher haben wir uns mit statischen Ersatzschaltbildern beschäftigt. Diese beinhalten die Wärmequellen, die Umgebungstemperatur sowie alle thermischen Widerstände. Nicht berücksichtigt wurden bislang Wärmekapazitäten. Erfahrungsgemäß dauert es eine gewissen Zeit, bis alle Gegenstände auf die berechnete Temperatur aufgeheizt sind. Um die zeitlichen Temperaturverläufe bestimmen zu können, müssen die thermischen Ersatzschaltbilder noch mit Wärmekapazitäten ergänzt werden. Wärmewiderstände und Wärmekapazitäten ergeben ein Tiefpassfilter mit einer definierten Zeitkonstante. Bei geeigneter Modellierung kommt das Modell kommt dem realen Temperaturverlauf schon sehr nahe. Nun können wir also zeitveränderliche Vorgänge modellieren. Dies ist insbesondere notwendig wenn sich stark ändernde Verlustleistungen (z.B. Impulsbelastung) an den Bauteilen auftreten und die Temperaturen vorab berechnet werden sollen. Im Hobbybereich ist diese Berechnung jedoch häufig nicht erforderlich, in der Regel genügt das statische Ersatzschaltbild.<br />
<br />
Ergänzen wir das bisherige thermische Ersatzschaltbild um Wärmekapazitäten, ergibt sich das folgende thermische Ersatzschaltbild. Dieses Modell wird als Cauer-Typ bezeichnet. Wärmewiderstände und Wärmekapazitäten lassen sich physikalisch bestimmen und eindeutig im Ersatzschaltbild zuordnen. Berechnete Temperaturen entsprechen realen Temperaturen.<br />
<br />
[[Bild:Therm-esb-dyn-cauer.PNG|600px]]<br />
<br />
Den gleichen Sachverhalt kann man auch mit dem sogenannten Foster-Modell darstellen. Dieses Modell scheint weit verbreitet zu sein. Die gezeigten Ersatzschaltbilder lassen sich auch ineinander überführen, allerdings unterscheiden sich die eingetragenen Wärmekapazitäten und Wärmewiderstände.<br />
<br />
[[Bild:Therm-esb-dyn-foster.PNG|600px]]<br />
<br />
Die schwierige Aufgabe besteht nun darin, alle Zahlenwerte der Wärmewiderstände und Wärmekapazitäten zu bestimmen. Erst dann können die Temperaturverläufe in einer Simulation (z.B. mit SPICE) bestimmt werden. Im Hobbybereich ist diese Berechnung jedoch häufig nicht erforderlich.<br />
<br />
=Kühlkörperbauformen=<br />
* Board-Level-Kühlkörper (aufsteckbare/aufklebbare Kühlkörper, auch für SMD, meist 1 Kühlkörper pro IC)<br />
* Strang-/Profilkühlkörper (meist für hohe Leistungen)<br />
* Kühlaggregate (Kanal + Lüfter)<br />
<br />
Wozu eloxierte Oberflächen?<br />
* geringfügig höhere Wärmestrahlung (bei den niedrigen Temperaturen kaum ein Beitrag)<br />
* elektrische Isolation<br />
* Oberflächenschutz<br />
Nachteile:<br />
* erhöhte Wärmeaufnahme aus der unmittelbaren Umgebung!<br />
<br />
Stiftkühlkörper<br />
* hohe Oberfläche<br />
* bei dickem "Rücken"/"Boden" des Kühlkörpers gute Wärmespreizung<br />
* mit erzwungener Konvektion hohe Wärmeübertragung (quer zu den Stiften effektiver als in Stiftrichtung)<br />
* leichter und kompakter als Strangkühlkörper<br />
<br />
todo<br />
<br />
=Lüfter=<br />
Lüfter werden vor allem dann eingesetzt, wenn der Kühlkörper bei rein passiver Kühlung zur groß, zu schwer oder zu teuer wird. Beim Einsatz des Lüfters führt die erzwungene Luftströmung zur besseren Wärmeabgabe an die Luft. Bei gleicher Temperatur kann der Kühlkörper dann kleiner gewählt werden. Bei hohen Leistungen sind der kleinere Kühlkörper mit Lüfter preisgünstiger und kompakter als ein großer, rein passiver Kühlkörper. Um welchen Faktor die Wärmeableitung mit Lüfter verbessert wird, hängt von vielen Parametern ab und kann nicht pauschal angegeben werden.<br />
<br />
Vorteile<br />
* bessere Wärmeabgabe<br />
* Kühlkörper kann bei gleicher Temperatur kleiner, leichter und kostengünstiger werden<br />
* In kleinem Maßstab günstiger als Wasserkühlung o.ä.<br />
<br />
Nachteile<br />
* zusätzlicher Stromverbrauch<br />
* Geräuschentwicklung und Vibrationen<br />
* zusätzliche Kosten für Lüfter und dessen Montage<br />
* Im Falle eines unbemerkten Ausfalls kann die Schaltung überhitzen (Abhilfe: Thermostat, Temperaturfühler oder Tachosignal auswerten)<br />
<br />
Anordnungen:<br />
* Push-Prinzip: Der Lüfter bläst die Luft in den Kühlkörper/-kanal<br />
* Pull-Prinzip: Der Lüfter saugt die Luft aus dem Kühlkörper/-kanal heraus<br />
<br />
Kenngrößen:<br />
* Luftdurchsatz in <math>\frac{m^{3}}{h}</math><br />
* Nennspannung, Nennstrom, Nennleistung<br />
* Typ Axial/Radial<br />
* Größe<br />
* Geräuschpegel<br />
* Art der Lagerung (Kugellager, Sinterbronze-Lager etc.)<br />
* Temperaturbereich<br />
* Lebensdauer, MTBF<br />
<br />
=Entwärmung auf einer Platine=<br />
Beim Leiterplattenentwurf muss bereits in der Designphase abgeschätzt werden, welche Verlustleistungen auftreten und wie die entstehende Wärme abgeführt werden kann. Die Anordnung der Bauteile und die Gestaltung der Leiterbahnen hat Auswirkungen auf das thermische Verhalten. Die Einbaulage der Platine kann die Entwärmung zudem beeinflussen. Erwärmte Umgebungsluft steigt bekanntlich nach oben und kann andere Komponenten oder Platinen aufheizen. Wird die Platine in ein Gehäuse eingebaut, müssen gegebenenfalls Lüftungsschlitze eingebracht werden oder die zu kühlenden Bauteile an der Gehäusewand platziert werden. Bei geschlossenen Gehäusen muss bei der Kühlkörperdimensionierung mit höheren Umgebungstemperaturen gerechnet werden (z.B. 50°C, 60°C), da sich die Wärme zunächst im Gehäuse staut und nur allmählich durch die Gehäusewand abgegeben wird.<br />
<br />
==Bedrahtete Bauteile==<br />
Für bedrahtete Bauteilgehäuse wie z.B. TO-220 sind zahlreiche Kühlkörpervarianten erhältlich. Für Printmontage eignen sich Kühlkörper, die mit Lötstiften oder Schrauben an der Platine befestigt werden. Das Bauteil selbst wird mit einem Federclip oder einer Schraube am Kühlkörper montiert. Die Größe, Bauform und Befestigung des Kühlkörpers muss bereits beim Leiterplattenentwurf berücksichtigt werden. Leistungsdioden und Leistungswiderstände sind in den meisten Fällen für Konvektionskühlung ausgelegt, d.h. durch Luftströmung. Diese werden meist mit etwas Abstand von der Platinenoberfläche montiert, um die gesamte Bauteiloberfläche zur Kühlung nutzen zu können und um die Platine nicht unnötig aufzuheizen.<br />
<br />
Zur Verbesserung der Wärmeableitung kann, abgesehen vom Kühlkörper, auch die Platine bei der Wärmeverteilung helfen:<br />
* Breite Leiterbahnen können Wärme abführen und auf eine große Fläche verteilen<br />
* Eine dickere Kupferkaschierung kann die Wärmeableitung unterstützen (Standard sind 35µm, erhältlich sind auch 70µm und mehr), dies reduziert zudem die elektrischen Leiterbahnwiderstände<br />
* Mit einer großen Zahl von Durchkontaktierungen (vias) kann die Wärme auf andere Kupferlagen verteilt werden (der Platinenkern FR4 allein hat eine schlechte Wärmeleitfähigkeit)<br />
* Einsatz spezieller Platinenmaterialien (Alukern) z.B. bei Platinen für High-Power-LEDs<br />
* Für kleinere ICs mit Wärmeentwicklung eignen sich aufklebbare Kühlkörper<br />
<br />
Beim Entwurf der Platine muss den Bauteilen in der Nähe der Wärmequelle besondere Aufmerksamkeit geschenkt werden. Vor allem sind '''Elektrolytkondensatoren (Elkos)''' betroffen, da diese durch benachbarte Wärmequellen allmählich austrocknen und zum Ausfall der Schaltung führen können! Elkos sollten möglichst so platziert werden, dass sie eine geringe Temperatur und somit eine hohe Lebensdauer erreichen. Jedoch ist dies bei manchen Anwendungen nur eingeschränkt möglich. Beispielsweise sind bei Schaltreglern kurze Leiterschleifen erwünscht, um die elektromagnetische Verträglichkeit zu verbessern (Leiterschleifen wirken als Antenne) und um parasitäre Induktivitäten und Widerstände zu reduzieren. Der Einsatz hochwertiger Elkos mit geringem ESR, hoher Maximaltemperatur und Lebensdauer ist empfehlenswert. Zudem ist auf ausreichende Spannungsfestigkeit und geringe Rippleströme im Betrieb zu achten. Im Laufe der Betriebszeit sinkt die Kapazität des Elkos und die Verluste steigen. Die Lebensdauer der Elkos kann abgeschätzt werden. Die Hersteller geben idR. die Lebensdauer bei der spezifizierten Maximaltemperatur an, z.B. 5000h bei 105°C. Zur Abschätzung der Lebensdauer gilt hier auch die 10°C-Regel (laut Panasonic im Bereich 40°C bis 100°C), d.h. pro 10°C niedrigerer Betriebstemperatur verdoppelt sich die Lebensdauer des Elkos. Die erwartete Lebensdauer kann mit der folgenden Formel (Panasonic) abgeschätzt werden:<br />
<br />
<math>\Large L=L_{Tmax} \cdot 2^{\left( \frac{T_{max} - T}{10} \right)}</math><br />
<br />
'''Beispiel'''<br />
<br />
Ein Elko ist mit 5000h bei 105°C spezifiziert. Welche Lebensdauer wird bei einer Temperatur von 55°C erwartet?<br />
* Gegeben: <math>\large L_{Tmax}=5000h</math> , <math>\large T_{max}=105°C</math> , <math>\large T=55°C</math><br />
* Rechnung: <math>\large L=L_{Tmax} \cdot 2^{\left( \frac{T_{max} - T}{10} \right)}=5000h \cdot 2^{\left( \frac{105°C - 55°C}{10} \right)}=5000h \cdot 2^5=5000h \cdot 32=160000h</math><br />
* Ergebnis: Die Lebensdauer des Elkos beträgt unter diesen Bedingungen etwa 160000h, also über 18 Jahre Dauerbetrieb!<br />
* Bemerkung: Würde man z.B. einen billigen 2000h/85°C-Elko verwenden, würde dieser unter den gleichen Bedingungen keine 2 Jahre durchhalten!<br />
<br />
Liegt das Datenblatt des verwendeten Elkos vor, sollte man sich an die dort genannten Berechnungen und Zahlenwerte halten. Die gezeigte Berechnung ist nur eine Näherungsformel. Für weitere Verwendungshinweise sei auf die ''Application Guidelines'' für ''Radial Lead Type Aluminum Electrolytic Capacitors'' von ''Panasonic'' verwiesen (siehe Quellenangaben und Verweise am Seitenende).<br />
<br />
==SMD-Bauteile==<br />
SMD-Bauteile können meist über die Platine gut entwärmt werden. Dies ist normalerweise nur bei geringen Verlustleistungen möglich. Die Abwärme der Bauteile muss auf eine möglichst große Fläche verteilt werden, durch große Kupferflächen auf der Platine kann dies erreicht werden. Da die Wärmeleitfähigkeit der Kupferauflage deutlich höher ist als die Wärmeleitfähigkeit des Platinenmaterials FR4, wird sich die Wärme hauptsächlich in der Fläche verteilen, jedoch weniger ''durch'' die Platine hindurch. Um die Wärmeleitung durch die Platine (z.B. von Ober- zu Unterseite) zu erhöhen, müssen Durchkontaktierungen gesetzt werden. Sogenannte "Thermal Vias" werden in einer großen Anzahl an das zu entwärmende Bauteil gesetzt und können damit die Wärme zu anderen Kupferlagen der Platine weiterleiten. Die Wärmeleitung durch die Platine hindurch wird verbessert, liegt aber dennoch deutlich unter der Wärmeleitfähigkeit von reinem Kupfer. Thermische Vias können aufgrund ihrer kleinen Masse kaum einen Beitrag zur gesamten "Kühlmasse" beitragen. Ob schließlich eine Entwärmung durch die Platine ausreicht, muss durch Simulation oder Messung gezeigt werden.<br />
<br />
Welche Temperatur das Bauteil auf der Platine erreicht, kann nach dem Aufbau natürlich gemessen werden. Besser wäre es jedoch, die Temperaturen bereits beim Entwurf der Platine zu kennen, um einschätzen zu können, ob die Entwärmung ausreichend ist. Allgemeine Angaben hierfür sind schwer zu finden, jedoch gibt es vereinzelt Angaben in Datenblättern von Halbleitern zur Entwärmung. An den folgenden Zahlenwerten kann man sich orientieren, wenn man ähnliche Bauteile entwärmen möchte. Damit man für die genannten Flächen eine grobe Vorstellung hat, sei noch erwähnt: ein Cent hat eine Fläche von grob <math>200mm^2</math>, ein Euro hat grob <math>400mm^2</math>.<br />
<br />
Für SMD-Bauteile exisitieren Kühlkörper, die sich direkt auf die Platine löten lassen, diese sind auch maschinenbestückbar.<br />
<br />
'''TO263 (=D2PAK)'''<br />
<br />
Im Datenblatt des Schaltreglers LM2576 von ''National Semiconductor'' findet man für das TO263-Gehäuse einige Angaben. Das TO263-Gehäuse gleicht übrigens dem TO220 bis auf die Tatsache, dass die Kühlfahne kürzer ist und das Gehäuse für SMD-Montage vorgesehen ist. Das Datenblatt gibt thermische Widerstände für den Übergang Junction-Ambient an. Die Angabe ist abhängig von der Kupferfläche auf der Platine, die unmittelbar für das Bauteil aus Kühlkörper wirkt. Die Zahlenwerte aus dem Datenblatt wurden in Quadratmillimeter umgerechnet, gerundet und stehen nun in der Tabelle bereit. Keine Angaben macht der Hersteller zu den Rahmenbedingungen, unter denen die thermischen Widerstände ermittelt wurden (Platinendicke, Durchkontaktierungen, Form der Kupferfläche und Dicke der Kupferkaschierung). Dennoch können die Werte zur groben Orientierung dienen.<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
| Kupferfläche || therm. Widerstand<br />
|-<br />
| <math>325 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 50\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>645 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 37\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>1030 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 32\frac{K}{W} </math><br />
|}<br />
<br />
'''TO252 (=DPAK), SOT223'''<br />
<br />
Im Datenblatt des Low-Drop-Spannungsreglers LM1117 von ''National Semiconductor'' sind Angaben zur Entwärmung über die Platine von SOT223 und TO252-Gehäusen vorhanden. Der Hersteller gibt an, für das SOT223-Gehäuse eine 35µm dicke, und für das TO252-Gehäuse eine 70µm dicke Kupferkaschierung der Platine verwendet zu haben. Leider finden sich in diesem Datenblatt keine Informationen zu Durchkontaktierungen, Platinendicke, und ob das IC auf der Ober- oder Unterseite der Platine montiert wurde (Vermutung: oben montiert, da angegebene thermische Widerstände geringer sind). Der Hersteller hat drei Fälle untersucht: Kupferfläche oben, Kupferfläche unten, Kupferfläche beidseitig. Für das thermische Platinendesign kann man diese Zahlenwerte zumindest als Richtwerte verwenden. Das Datenblatt enthält zudem Zeichnungen der Kühlflächen. Die Zahlenwerte wurden wieder in Quadratmillimeter umgerechnet und gerundet und in die folgenden Tabelle eingetragen:<br />
<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
| Kupferfläche top || Kupferfläche bottom || therm. Widerstand SOT223 || therm. Widerstand TO252<br />
|-<br />
| <math> 200mm^2</math> || - || <math>R_{th(ja)}\approx 84\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 60\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math> 350mm^2</math> || - || <math>R_{th(ja)}\approx 75\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 54\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math> 650mm^2</math> || - || <math>R_{th(ja)}\approx 66\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 47\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| - || <math> 250mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 98\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 70\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| - || <math> 400mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 89\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 63\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| - || <math> 650mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 79\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 57\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math> 200mm^2</math> || <math> 200mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 83\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 61\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math> 250mm^2</math> || <math> 250mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 75\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 55\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math> 350mm^2</math> || <math> 350mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 70\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 53\frac{K}{W} </math><br />
|}<br />
<br />
'''SO8'''<br />
<br />
Für das SO8-Gehäuse findet man eine Angabe im Datenblatt des Spannungsreglers 78L05 von ''ST'':<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
| Kupferfläche || therm. Widerstand<br />
|-<br />
| <math>600 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 55\frac{K}{W} </math><br />
|}<br />
<br />
'''SO20'''<br />
<br />
Aus dem Datenblatt des L293DD sind Angaben zum SO20-Gehäuse enthalten. In diesem Falle sind 8 zentrale Pins an die Kühlfläche angebunden, die Kupferkaschierung ist vermutlich einseitig 35µm. Die groben Richtwerte sind:<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
| Kupferfläche || therm. Widerstand<br />
|-<br />
| <math>200 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 60\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>400 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 53\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>600 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 51\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>800 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 50\frac{K}{W} </math><br />
|}<br />
<br />
'''PowerDIP20'''<br />
<br />
Für das DIP20-Gehäuse wird man im Datenblatt des Motortreibers L6202 von ''ST'' fündig. Bei 35µm Kupferkaschierung der Platine ergeben sich die folgenden thermischen Widerstände.<br />
<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
| Kupferfläche || therm. Widerstand<br />
|-<br />
| <math>0 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 58\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>200 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 45\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>400 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 39\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>600 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 38\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>800 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 37\frac{K}{W} </math><br />
|}<br />
<br />
Für die Form der empfohlenen Kühlfläche sei auf das Datenblatt verwiesen. Wird das IC in einem Sockel verwendet, muss man sicherlich von höheren thermischen Widerständen ausgehen.<br />
<br />
'''AN-994'''<br />
<br />
In der ''Application Note AN-994 - Maximizing the Effectiveness of your SMD Assemblies'' von ''International Rectifier (IRF)'' sind weitere Daten vorhanden. Die dort genannten Daten sind jedoch teils drastisch niedriger als die hier genannten. Eine mögliche Erklärung sind z.B. die höhere Kupferauflage (70µm) oder evtl. optimierte Wärmewiderstände innerhalb der Gehäuse.<br />
<br />
'''Große Kupferflächen'''<br />
<br />
Im ''Application Hint 17 - Designing P.C. Board Heat Sinks - by Bob Wolbert (Micrel)'' werden Angaben zu thermischen Widerständen der Platine für vergleichsweise große Flächen gemacht. Die thermischen Widerstände beschreiben den Übergang <math>R_{th(ha)}</math> unter den Bedingungen: Quadratische Kupferfläche, einseitig, horizontal montiert, Lötstopplack, keine Belüftung. Die Dicke der Kupferkaschierung ist nicht angegeben. Hier einige Werte, abgelesen aus dem Diagramm der genannten Application Note:<br />
<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
| Kupferfläche || therm. Widerstand<br />
|-<br />
| <math>500 mm^2</math> || <math>R_{th(ha)}\approx 60\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>1000 mm^2</math> || <math>R_{th(ha)}\approx 45\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>1500 mm^2</math> || <math>R_{th(ha)}\approx 38\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>2000 mm^2</math> || <math>R_{th(ha)}\approx 33\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>2500 mm^2</math> || <math>R_{th(ha)}\approx 30\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>3000 mm^2</math> || <math>R_{th(ha)}\approx 28\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>4000 mm^2</math> || <math>R_{th(ha)}\approx 24\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>5000 mm^2</math> || <math>R_{th(ha)}\approx 22\frac{K}{W} </math><br />
|}<br />
<br />
<br />
'''Abschlusskommentar'''<br />
<br />
An den gezeigten, thermischen Widerständen sieht man leicht: je größer die Kühlfläche, desto geringer der thermische Widerstand. Dieses Verhalten würde man so auch erwarten.<br />
<br />
Ab einer bestimmten Fläche wird die Platine als Kühlkörper jedoch unhandlich, und man wird die Fläche nicht weiter vergrößern. Die mit den Kupferflächen erreichten thermischen Widerstände sind für viele Anwendungen noch deutlich zu hoch. Bei Verlustleistungen von wenigen Watt werden dadurch bereits kritische Chiptemperaturen erreicht. Wie bereits oben erwähnt, funktioniert die Entwärmung von SMD-Komponenten über die Platine also nur für kleine Verlustleistungen. Bei größeren Verlustleistungen müssen zusätzliche Entwärmungsmaßnahmen getroffen werden (z.B. aufklebbarer Kühlkörper, etc.). Zielführend ist auch, die Ursache der Erwärmung, nämlich die Verlustleistung zu verringern. Wird beispielsweise ein Linearregler durch einen effizienteren Schaltregler ersetzt, kann die Entwärmung aufgrund der kleineren Verlustleistung deutlich einfacher gestaltet werden. Ob die Verringerung der Verlustleistung möglich ist, hängt natürlich von der Anwendung ab.<br />
<br />
=Spezielle Kühlkörper=<br />
<br />
todo<br />
<br />
=Autoren=<br />
* BMS<br />
<br />
[[Kategorie:Elektronik]]<br />
[[Kategorie:Mechanik]] <br />
[[Kategorie:Praxis]] <br />
[[Kategorie:Grundlagen]]<br />
<br />
=Quellen und Verweise=<br />
<br />
Zeitschriftenartikel:<br />
<br />
* Best, Siegfried W.: ''Elektronikkühlung und Wärmemanagement von A bis Z''. In: Elektronikpraxis - Sonderheft Elektromechanik, April 2013. S. 20ff.<br />
* Best, Tobias: ''Thermisches Via, die kleine Schwester der Heatpipe''. In: Elektronikpraxis, April 2013. S. 12ff.<br />
* Erdmann, Marc: ''Beste Effizienz auch beim Thermal Management''. In: Elektronikpraxis - Sonderheft Leistungelektronik und Stromversorgung. März 2015. S. 38ff.<br />
* Kerstin, Nils; Schulz, Martin: ''Thermische Widerstände genau messen - eine Herausforderung''. In: Elektronikpraxis, Nr. 17, September 2014. S. 48ff.<br />
* K.R. (Alutronic): ''Stiftkühlkörper für die Leistungselektronik''. In: Elektronikpraxis Nr.9, Mai 2014. S. 50ff.<br />
* Harpain, Jürgen: ''Wärmeleitmaterial kompensiert Lufteinschlüsse''. In: Elektronikpraxis Nr.1, Januar 2014. S. 36ff.<br />
* Harpain, Jürgen: ''Entwärmungskonzepte für Einzelhalbleiter und ICs''. In: Elektronikpraxis - Sonderheft Elektromechanik, April 2014. S. 14ff.<br />
* Schulz, Martin: ''Fünf Fettnäpfchen beim Bestimmen thermischer Größen''. In: Elektronikpraxis, November 2013. S. 36ff.<br />
* Schulz, Martin: ''Mythen und Legenden über Wärmeleitmaterialien''. In: Elektronikpraxis Nr.2., Januar 2014. S. 42ff.<br />
<br />
----<br />
<br />
Datenblätter, aus denen thermische Widerstände entnommen wurden:<br />
<br />
* [http://pdf.datasheetcatalog.com/datasheet/nationalsemiconductor/DS011476.PDF Datenblatt LM2576 von National Semiconductor]<br />
* [http://pdf.datasheetcatalog.com/datasheet/nationalsemiconductor/LM1117.pdf Datenblatt LM1117 von National Semiconductor]<br />
* [http://pdf.datasheetcatalog.com/datasheets/150/9358_DS.pdf Datenblatt L78Lxx von ST]<br />
* [http://pdf.datasheetcatalog.com/datasheet/stmicroelectronics/1330.pdf Datenblatt L293DD von ST]<br />
* [http://pdf.datasheetcatalog.com/datasheet/stmicroelectronics/1373.pdf Datenblatt L6202 von ST]<br />
* [http://www.irf.com/technical-info/appnotes/an-994.pdf ''Application Note AN994 - Maximizing the Effectiveness of your SMD Assemblies'' - International Rectifier (IRF)]<br />
* [http://www.micrel.com/_PDF/App-Hints/ah-17.pdf ''Application Hint 17 - Designing P.C. Board Heat Sinks - by Bob Wolbert (Micrel)'']<br />
<br />
----<br />
<br />
Weblinks:<br />
<br />
* [http://stegem.de/Elektronik/Kuehlkoerper/ Online-Tool zur Kühlkörperberechnung von Gemmel, S.]<br />
* [http://ludens.cl/Electron/Thermal.html Thermal Design - von Mornhinweg, M.]<br />
* [http://sound.westhost.com/heatsinks.htm The Design of Heatsinks - von Elliot, R.]<br />
* [http://www.giangrandi.ch/electronics/thcalc/thcalc.shtml Calculating Heat sinks - von Giangrandi, I.]<br />
* [http://www.irf.com/technical-info/appnotes/an-1057.pdf Application Note AN-1057: Heatsink Characteristics von International Rectifier (IRF)]<br />
* [http://ww1.microchip.com/downloads/en/AppNotes/00792a.pdf Application Note AN792: A method to determine how much power a sot23 can dissipate in an application (Microchip Technology Inc. 2001)]<br />
* [http://www.fairchildsemi.com/application-notes/AN/AN-1028.pdf Application Note AN1028: Maximum Power Enhancement Techniques for SOT-223 Power MOSFETs (Fairchild Semiconductor 1996)]<br />
* [http://www.industrial.panasonic.com/www-data/pdf/ABA0000/ABA0000PE26.pdf Aluminium Electrolytic Capacitors - Application Guidelines (Panasonic 2015)]</div>BMShttps://rn-wissen.de/wiki/index.php?title=K%C3%BChlk%C3%B6rper&diff=26560Kühlkörper2015-07-25T11:36:33Z<p>BMS: /* Dynamisches Ersatzschaltbild */</p>
<hr />
<div>{{Baustelle|BMS}}<br />
<br />
Dieser Artikel behandelt die Grundlagen zu Kühlkörpern.<br />
<br />
[[Bild:kuehlkörper-uebersicht.jpg|thumb|Verschiedene Kühlkörper, links ein TO220-Gehäuse zum Größenvergleich]]<br />
<br />
=Einleitung=<br />
<br />
'''Wieso sind überhaupt Kühlkörper in technischen Geräten erforderlich?'''<br />
<br />
Kein Gerät kann einen 100-prozentigen Wirkungsgrad erzielen und somit tritt Verlustleistung auf. Diese Verlustleistung führt zur Erwärmung der Bauteile. Kühlkörper sollen die Entwärmung verbessern, indem die entstehende Wärme auf eine große Fläche verteilt wird und durch Konvektion an der Luft auskühlen kann. Die Temperatur an den heißen Bauteilen ist mit Kühlkörper geringer als ohne Kühlkörper.<br />
<br />
'''Wieso sind hohe Bauteiltemperaturen ungünstig?'''<br />
<br />
Die Lebensdauer aller elektronischen Bauteile ist stark von der Temperatur abhängig. Als Faustregel gilt: Eine Temperaturerhöhung um 10 Grad führt zur Halbierung der Lebensdauer. Außerdem gibt es Grenztemperaturen, die nicht überschritten werden dürfen. Beispielsweise dürfen Halbleiter keine Temperatur über 150°C erreichen. Extrembeispiele sind die Schmelztemperatur von Isolierungen, Lötzinn etc... sowie Brandgefahr durch hohe Temperaturen. Viele Bauteile können ohne vernünftige Kühlung nicht ihren vollen Funktionsumfang erreichen, liefern dann z.B. geringere Maximalströme oder es greift die Temperaturabschaltung. Anders formuliert: Die maximale Leistung eines Bauteils oder Geräts wird durch seine Entwärmung bestimmt! Zur eigenen Sicherheit bietet es sich zudem an, die Temperaturen niedrig zu halten, sodass man sich am Gerät nicht die Finger verbrennen kann ;)<br />
<br />
=Wärmeübertragung=<br />
Prinzipiell kann Wärmeübertragung über Wärmeleitung, Konvektion und Wärmestrahlung geschehen. In vielen Anwendungen treten mehrere Mechanismen gleichzeitig auf. Welcher Mechanismus hauptsächlich auftritt, ist von der mechanischen Anordnung, den Materialien und der Temperatur abhängig. Wärmeleitung und Konvektion sind die wichtigsten Arten der Wärmeübertragung, die in der Praxis auftreten. Nun zu den einzelnen Effekten:<br />
<br />
*'''Wärmeleitung'''<br />
*: Bei der Wärmeleitung wird die Wärme über einen direkten mechanischen Kontakt (Bsp. IC <math>\rightarrow</math>Kühlkörper) übertragen. Den beteiligten Materialien wird jeweils eine spezifische Wärmeleitfähigkeit <math>\lambda</math> zugeordnet, dazu später mehr.<br />
<br />
*'''Konvektion'''<br />
*: Mit Konvektion wird die Strömungsbewegung in Flüssigkeiten und Gasen bezeichnet. Praxisbeispiele sind die Wärmeabgabe eines Kühlkörpers an die Umgebungsluft oder auch eine Wasserkühlung. Von erzwungener Konvektion spricht man, wenn die Strömung durch z.B. einen Ventilator/Lüfter oder eine Wasserpumpe hervorgerufen wird. Im Vakuum kann keine Konvektion auftreten.<br />
<br />
*'''Wärmestrahlung'''<br />
*: Wärmestrahlung ist elektromagnetische Strahlung (hauptsächlich Infrarot und sichtbares Licht), die vom heißen Festkörper abgestrahlt wird. Sie wird erst bei höheren Temperaturen relevant und ist bei den üblichen Kühlkörpertemperaturen meist zu vernachlässigen. Erwähnt werden soll zudem, dass Wärmestrahlung der einzige Mechanismus der Wärmeleitung ist, welcher im Vakuum auftreten kann. (Für Details zu Wärmestrahlung siehe auch: Plancksches Strahlungsgesetz und Schwarzer Strahler).<br />
<br />
=Materialien=<br />
Jedes Material besitzt eine spezifische Wärmeleitfähigkeit, welche angibt, wie gut dieses Material Wärme weiter transportieren kann. Die spezifische Wärmeleitfähigkeit ist unabhängig von der Geometrie des Materials, wird mit der Größe <math>\lambda</math> (Lambda) ausgedrückt und erhält die Einheit <math>\frac{W}{m \cdot K}</math>.<br />
<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
|-<br />
| '''Material''' || '''<math>\lambda</math> in <math>\left[ \frac{W}{m \cdot K} \right]</math>'''<br />
|-<br />
| Silber || 430<br />
|-<br />
| Kupfer || 400<br />
|-<br />
| Aluminium || 230<br />
|-<br />
| Silizium || 140 <br />
|-<br />
| Wärmeleitpaste || 5 ... 10<br />
|-<br />
| Glas || 0,7<br />
|-<br />
| Wasser || 0,5<br />
|-<br />
| Platinenmaterial FR4 || 0,2 ... 0,5<br />
|-<br />
| Luft || 0,02<br />
|}<br />
<br />
Die meisten Kühlkörper werden aus Aluminiumlegierungen hergestellt. Für Aluminium spricht seine relativ hohe Wärmeleitfähigkeit, die hohe Verfügbarkeit und geringe Dichte. Im Vergleich zu Kupfer und Silber ist Aluminium deutlich kostengünstiger. Darüber hinaus lässt sich Aluminium mechanisch gut verarbeiten. Kupfer wird mit seiner höheren Wärmeleitfähigkeit z.B. bei Heatpipes eingesetzt.<br />
<br />
todo<br />
<br />
Wärmewiderstand <math>R_{th}=\frac{d}{\lambda \cdot A}</math><br />
<br />
d: Materialdicke, welche für die Wärmeleitung relevant ist<br />
<br />
<math>\lambda</math>spezifische Wärmeleitfähigkeit des Materials<br />
<br />
A: Querschnitts-/Kontaktfläche<br />
<br />
=Definitionen=<br />
Um vorauszusagen, wie sich die Temperaturen in einer Schaltung verhalten, bedient sich der Ingenieur - wie auch bei vielen anderen Anwendungen - eines Ersatzschaltbildes (ESB). Zur Erstellung eines thermischen Ersatzschaltbildes muss man sich aber zunächst mit den thermischen Größen vertraut machen.<br />
<br />
Die Temperaturen werden mit dem griechischen Buchstaben Theta <math>\theta</math> gekennzeichnet. Temperaturen werden in Grad Celsius (°C), Temperaturdifferenzen in Kelvin (K) angegeben. (Am Rande: Es existiert auch eine Kelvinskala mit dem absoluten Nullpunkt 0 K=-273,15°C). Die Temperaturen werden außerdem noch mit einem Index gekennzeichnet, abhängig von der mechanischen Stelle, an der sie auftreten:<br />
<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
|-<br />
| Symbol || Index || Bedeutung<br />
|-<br />
| <math>\vartheta_{J}</math> || J=Junction || Sperrschichttemperatur des Halbleiters<br />
|-<br />
| <math>\vartheta_{C}</math> || C=Case || Gehäusetemperatur des Bauteils<br />
|-<br />
| <math>\vartheta_{H}</math> || H=Heat Sink || Temperatur des Kühlkörpers<br />
|-<br />
| <math>\vartheta_{A}</math> || A=Ambient || Umgebungstemperatur<br />
|}<br />
<br />
Die Verlustleistung eines Bauteils beschreibt die Größe <math>P_{V}</math> und wird, wie allgemein bekannt, in Watt angegeben.<br />
<br />
Als neue Größe wird nun der thermische Widerstand eingeführt, dieser wird mit <math>R_{th}</math> beschrieben und bekommt die Einheit <math>\frac{K}{W}</math>. <br />
<br />
Für die thermischen Größen gibt es, ähnlich dem Ohmschen Gesetz, einen linearen Zusammenhang. Dieser lautet<br />
<br />
<math>R_{th}=\frac{\vartheta_{ü}}{P_{V}}</math><br />
<br />
todo<br />
<br />
'''Vergleich elektrischer und thermischer Größen'''<br />
<br />
Insgesamt können wir nun eine Analogie zwischen bekannten elektrischen Größen und den thermischen Größen angeben. Die schon gelernten Prinzipien zur Lösung linearer Netzwerke lässt sich auch bei den thermischen Ersatzschaltbildern anwenden.<br />
<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
|-<br />
| elektrisch || thermisch<br />
|-<br />
| Spannung U || Temperatur <math>\vartheta</math><br />
|-<br />
| Strom I || Verlustleistung <math>P_{V}</math><br />
|-<br />
| Widerstand R || thermischer Widerstand <math>R_{th}</math><br />
|}<br />
<br />
=Statisches Ersatzschaltbild=<br />
Mit den thermischen Zusammenhängen haben wir uns inzwischen vertraut gemacht. Nun können wir damit beginnen, thermische Ersatzschaltbilder von einfachen Anordnungen zu erstellen. Mit solchen Modellen können Temperaturen, wie z.B. die Chiptemperatur, vorab berechnet werden. Für die Berechnung müssen Wärmewiderstände, Umgebungstemperatur und Verlustleistung bekannt sein, da sie in die Berechnung einfließen.<br />
<br />
Bei den thermischen Ersatzschaltbildern kann man ein statisches oder ein dynamisches Ersatzschaltbild erstellen. Bei den statischen Ersatzschaltbilder wird davon ausgegangen, dass alle Größen zeitlich konstant sind, bzw. sofort ihre Solltemperatur entsprechend dem Modell annehmen. In der Realität dauert es natürlich eine gewisse Zeit, bis sich alle beteiligten Materialien aufgeheizt haben. Die Temperaturen des statischen Modells werden dabei erst nach einer bestimmten Zeit erreicht. <br />
<br />
Für die meisten Anwendungen genügt es jedoch, das statische thermische Ersatzschaltbild zu erstellen und den Kühlkörper dem entsprechend zu dimensionieren. Die Kühlung wird z.B. auf die maximale oder die mittlere auftretende Verlustleistung dimensioniert. Es wurde bereits erwähnt, dass sich die Bauteiltemperatur auf dessen Lebensdauer auswirkt. Dabei gilt: je niedriger die Bauteiltemperatur, desto länger die zu erwartende Lebensdauer. Je nach Anwendung und Rahmenbedingungen muss eventuell ein Kompromiss zwischen Kühlkörpergröße/kosten und Gerätelebensdauer gewählt werden. Beispielsweise kann der verfügbare Platz, ein Gesamtgewicht oder eine Kostenvorgabe begrenzender Faktor sein. Für einen dauerhaften sicheren Betrieb muss der Kühlkörper und weitere beteiligte Materialien für den worst case ausgelegt oder sogar überdimensioniert werden.<br />
<br />
==Bauteil ohne Kühlkörper==<br />
Um den Umgang mit den thermischen Ersatzschaltbildern zu lernen, soll zunächst mit einem einfachen Beispiel begonnen werden. In diesem Fall wird der Wärmeübergang von einem einzelnen Bauteil zu Luft betrachet, es kommt zunächst also noch kein Kühlkörper zum Einsatz. Das Ersatzschaltbild sieht in diesem Fall folgendermaßen aus:<br />
<br />
[[Bild:Therm-esb1.png|450px]]<br />
<br />
Die am Bauteil entstehende Verlustleistung ist Ursache der Abwärme und wird im thermischen Ersatzschaltbild als ideale Stromquelle modelliert.<br />
<br />
Die Abwärme gelangt nun über den Weg Sperrschicht (Junction) <math>\rightarrow</math> Bauteilgehäuse (Case) <math>\rightarrow</math> Umgebung (Ambient) nach außen. Im Ersatzschaltbild ist jeder Übergang als thermischer Widerstand modelliert. Die genauen Zahlenwerte der Wärmewiderstände lassen sich in der Regel dem Datenblatt des Bauteils entnehmen. Benötigt werden die Werte für <math>R_{th(jc)}</math> und <math>R_{th(ca)}</math>. In manchen Datenblättern findet man die Angabe <math>R_{th(ja)}</math>, was der Reihenschaltung aus den beiden vorher genannten Werten entspricht, also <math>R_{th(ja)}=R_{th(jc)}+R_{th(ca)}</math>.<br />
<br />
Die Umgebungstemperatur wird als ideale Spannungsquelle modelliert. Sämtliche Spannungen im Ersatzschaltbild entsprechen den auftretenden Temperaturen.<br />
<br />
Da es sich nun um ein lineares Netzwerk handelt, gelten hier ebenfalls die Kirchhoff'schen Gleichungen. Relativ leicht lässt sich nun die Temperatur am Bauteilgehäuse (Case) und der Sperrschicht (Junction) berechnen:<br />
<br />
<math>\vartheta_{c}=\vartheta_{a}+R_{th(ca)} \cdot P_{V}</math><br />
<br />
<math>\vartheta_{j}=\vartheta_{a}+R_{th(jc)} \cdot P_{V}+R_{th(ca)} \cdot P_{V}=\vartheta_{a}+(R_{th(jc)}+R_{th(ca)}) \cdot P_{V}=\vartheta_{a}+R_{th(ja)} \cdot P_{V}</math><br />
<br />
Da die thermischen Widerstände bei der Reihenschaltung auch zusammengefasst werden dürfen, beschreibt folgendes thermisches Ersatzschaltbild den gleichen Zusammenhang. Nachteil ist hier allerdings, dass die Temperatur am Gehäuse nicht modelliert wird.<br />
<br />
[[Bild:Therm-esb0.png|300px]]<br />
<br />
===Derating===<br />
<br />
Die Überlegungen zur Sperrschichttemperatur kann auch anders interpretiert werden. Gibt man die Sperrschichttemperatur vor, kann man die maximal erlaubte Verlustleistung des Bauteils in Abhängigkeit der Umgebungstemperatur bestimmen. Die folgende Formel erhält man aus Umformung der oberen Gleichung:<br />
<br />
<math>P_{V} \leq \frac{\vartheta_{j}-\vartheta_{a}}{R_{th(ja)}}</math><br />
<br />
Bei Halbleitern darf idR. die Sperrschichttemperatur nicht 150°C überschreiten. Der thermische Widerstand wird hauptsächlich durch das Gehäuse vorgegeben. Aus der Formel sieht man nun folgendes: Je höher die Umgebungstemperatur, desto geringer fällt die maximal erlaubte Verlustleistung aus. Diesen Zusammenhang bezeichnet man auch als '''Derating'''. Der typische Verlauf sieht meist so aus:<br />
<br />
[[Bild:Derating.png|300px]]<br />
<br />
Die Derating-Formel gilt im Bereich <math>\vartheta_{1} ... \vartheta_{max}</math>. Für Temperaturen unter <math>\vartheta_{1}</math> darf die Maximalleistung <math>P_{max}</math>des Bauteilgehäuses nicht überschritten werden. <math>\vartheta_{1}</math> liegt bei meist 25°C. Den genauen Verlauf kann man dem Datenblatt des betreffenden Bauteils entnehmen.<br />
<br />
===Beispielrechnung===<br />
<br />
Ein Spannungsregler vom Typ 7805 im TO220-Gehäuse soll ohne Kühlkörper betrieben werden. Wie hoch ist die maximal erlaubte Verlustleistung, wenn die Sperrschichttemperatur 120°C nicht überschreiten soll und die Umgebungstemperatur 25°C beträgt?<br />
<br />
Zunächst werfen wir einen Blick ins Datenblatt des Spannungsreglers und entnehmen die Angaben für die thermischen Widerstände. Dann halten wir alle gegebenen Größen fest:<br />
<br />
*'''Gegeben'''<br />
*:* <math>R_{th(jc)}=5 \frac{K}{W}</math> (aus dem Datenblatt)<br />
*:* <math>R_{th(ja)}=62 \frac{K}{W}</math> (aus dem Datenblatt)<br />
*:* <math>\vartheta_{j}=125°C</math><br />
*:* <math>\vartheta_{a}=25°C</math><br />
*'''Gesucht'''<br />
*:* <math>P_{v,max}</math><br />
*'''Rechnung'''<br />
*:Wir verwenden die Formel von oben und erhalten als Ergebnis<br />
*:<math>P_{V,max} = \frac{\vartheta_{j}-\vartheta_{a}}{R_{th(ja)}} = \frac{120°C-25°C}{62\frac{K}{W}} = \frac{95K}{62\frac{K}{W}} \approx 1,5 Watt</math><br />
*:Die maximal erlaubte Verlustleistung des Spannungsreglers ohne Kühlkörper darf demnach 1,5 Watt nicht überschreiten.<br />
*'''Zusatz'''<br />
*:Mit unserem Ersatzschaltbild können wir außerdem die Temperatur des Gehäuses (Case) des Spannungsreglers angeben. Dafür benötigen wir noch die Angabe <math>R_{th(ca)}</math>, welche allerdings im Datenblatt nicht angegeben ist.<br />
*:Da wir aber wissen, dass <math>R_{th(ja)}=R_{th(jc)}+R_{th(ca)}</math> gilt, können wir die fehlende Größe ausrechnen. Diese ist<br />
*:<math>R_{th(ca)}=R_{th(ja)}-R_{th(jc)}=62\frac{K}{W}-5\frac{K}{W}=57\frac{K}{W}</math>.<br />
*:Nun lässt sich die Gehäusetemperatur berechnen:<br />
*:<math>\vartheta_{c}=\vartheta_{a}+R_{th(ca)} \cdot P_{V}=25°C+57\frac{K}{W} \cdot 1,5 W \approx 111 °C</math><br />
*'''Bemerkung'''<br />
*:In der Praxis wird einem TO220-Gehäuse ungekühlt eine maximale Verlustleistung von 1 Watt zugerechnet. Die Temperaturen sind niedriger, die Lebensdauer des Bauteils höher.<br />
<br />
==Bauteil mit Kühlkörper und T.I.M.==<br />
<br />
Der Betrieb eines ICs ohne Kühlkörper, wie im vorigen Abschnitt beschrieben, funktioniert nur bei kleinen Leistungen und führt meist auch zu einer verringerten Lebensdauer des Bauteils. Viele Bauteile können ihre angegebenen Maximalwerte nur bei vernünftiger Kühlung erreichen. In diesem Abschnitt wird nun ein typisches Szenario mit Kühlkörperberechnung vorgestellt.<br />
<br />
Befassen wir uns zunächst mit der typischen mechanischen Anordnung. Das zu kühlende IC wird thermisch an einen Kühlkörper gekoppelt. In der Praxis wird man das IC aber nicht direkt auf dem Kühlkörper befestigen, sondern über ein sogenanntes ''thermisches Interface-Material'' (T.I.M.), um Unebenheiten und mechanische Abstände auszugleichen oder um für Insolierung zu sorgen. Details zum T.I.M. folgen im Unterabschnitt. Die typische Anordnung zeigt die folgende Abbildung.<br />
<br />
[[Bild:kuehlkoerper-anordnung.png|300px]]<br />
<br />
Folgende thermischen Widerstände treten hier in Kraft:<br />
*<math>R_{th(jc)}</math> für den Übergang Chip zu Bauteilgehäuse<br />
*<math>R_{th(ch)}</math> für den Übergang Bauteilgehäuse zu Kühlkörper (also über das T.I.M.)<br />
*<math>R_{th(ha)}</math> für den Übergang Kühlkörper zur Umgebung<br />
<br />
Aus diesen thermischen Widerständen wird ein thermisches Ersatzschaltbild angefertigt. Dieses zeigt die nächste Abbildung.<br />
<br />
[[Bild:Therm-esb2.png|700px]]<br />
<br />
Zunächst soll die Formel zur Berechnung der Chiptemperatur aufgestellt werden, die Formel erhält man wieder durch die Anwendung der Kirchhoffschen Gleichungen im Ersatzschaltbild.<br />
<br />
<math>\vartheta_{j}=\vartheta_{a}+(R_{th(jc)}+R_{th(ch)}+R_{th(ha)}) \cdot P_{V}</math><br />
<br />
Die Formel wird in der Praxis jedoch in einer anderen Form benötigt. Meist steht man als Entwickler vor der Aufgabe, den erforderlichen thermischen Widerstand <math>R_{th(ha)}</math> des Kühlkörpers zu bestimmen, sofern die Größen Umgebungstemperatur, Sperrschichttemperatur, Verlustleistung sowie die verbleibenden thermischen Widerstände gegeben sind. Anhand des berechneten Wärmewiderstands des Kühlkörpers können dann aus Produktkatalogen geeignete Kühlkörper bestimmt werden.<br />
<br />
Wir müssen dafür also die Gleichung nach <math>R_{th(ha)}</math> auflösen. Wir erhalten die praxisübliche Berechnungsformel:<br />
<br />
<math>R_{th(ha)}=\frac{\vartheta_{j}-\vartheta_{a}}{P_{V}}-R_{th(jc)}-R_{th(ch)}</math><br />
<br />
In manchen Quellen sind enthält diese Formel außerdem Korrekturfaktoren, die z.B. die Einbaulage o.ä. berücksichtigen können.<br />
<br />
===Beispielrechnung===<br />
<br />
Für einen Spannungsregler vom Typ 7805 im TO220-Gehäuse soll ein Kühlkörper dimensioniert werden. Die Eingangsspannung des Reglers beträgt 12V, die Ausgangsspannung von 5V wird mit 500mA belastet. Die Umgebungstemperatur sei 30°C. Der Spannungsregler wird mit Wärmeleitpaste auf dem Kühlkörper montiert, für diesen Wärmewiderstand wird 0,5 K/W angenommen. Welchen Wärmewiderstand darf der Kühlkörper höchstens haben, wenn als maximale Sperrschichttemperatur 110°C angenommen wird?<br />
<br />
Diese Aufgabe kann so durchaus in der Praxis auftreten. Von den vielen Angaben darf man sich zunächst nicht verunsichern lassen. Wir verwenden das gezeigte thermische Ersatzschaltbild. Für die Rechnung benötigen wir außerdem noch den thermischen Widerstand <math>R_{th(jc)}</math> aus dem Datenblatt.<br />
<br />
*'''Gegeben'''<br />
*:<math>R_{th(jc)}=5 \frac{K}{W}</math> (aus dem Datenblatt)<br />
*:<math>R_{th(ch)}=0,5 \frac{K}{W}</math><br />
*:<math>\vartheta_{j}=110°C</math><br />
*:<math>\vartheta_{a}=30°C</math><br />
*:<math>U_{ein}=12V</math><br />
*:<math>U_{aus}=5V</math><br />
*:<math>I=0,5A</math><br />
*'''Gesucht'''<br />
*:<math>R_{th(ha)}</math><br />
*'''Rechnung'''<br />
*:Zunächst muss die Verlustleistung am Regler berechnet werden. Diese beträgt<br />
*:<math>P_V=P_{Ein}-P_{Aus}=12V \cdot 0,5A~-~5V \cdot 0,5A=3,5 W</math>.<br />
*:Nun sind eigentlich auch schon alle Angaben vorhanden, sodass wir die Formel verwenden können.<br />
*:<math>R_{th(ha)}=\frac{\vartheta_{j}-\vartheta_{a}}{P_{V}}-R_{th(jc)}-R_{th(ch)}</math><br />
*:Einsetzen:<br />
*:<math>R_{th(ha)}=\frac{110°C-30°C}{3,5W}-5\frac{K}{W}-0,5\frac{K}{W} \approx 17,4\frac{K}{W}</math><br />
*'''Ergebnis'''<br />
*:Der Wärmewiderstand des Kühlkörpers darf maximal <math>17,4\frac{K}{W}</math> betragen.<br />
*'''Zusatz'''<br />
*:Aus dem Katalog wird ein Kühlkörper mit einem Wärmewiderstand von <math>10\frac{K}{W}</math> gewählt. Welche Temperatur erreicht der Kühlkörper, wenn er bei den gegebenen Bedingungen eingesetzt wird?<br />
*:<math>\vartheta_h=\vartheta_a+P_{V} \cdot R_{th(ha)}=30°C+3,5W \cdot 10 \frac{K}{W} \approx 65°C</math><br />
<br />
==Mehrere Bauteile auf einem gemeinsamen Kühlkörper==<br />
<br />
[[Bild:Therm-esb3.png|700px]]<br />
<br />
Thermisches Ersatzschaltbild: zwei Wärmequellen, gemeinsamer Kühlkörper<br />
<br />
Wird noch ausgebaut ...<br />
<br />
=Thermische Interface-Materialien (T.I.M.) und Montage=<br />
Wie bereits erwähnt, werden ICs in der Praxis nicht direkt auf einen Kühlkörper befestigt. Der Grund dafür ist folgender: Durch Unebenheiten und die rauhe Oberfläche von Kühlkörper und IC berühren sich die betreffenden Flächen unter dem Mikroskop gesehen nur minimal. Durch Lufteinschlüsse und die Tatsache, dass Luft ein schlechter Wärmeleiter ist, fällt in diesem Fall die thermische Anbindung des ICs an den Kühlkörper relativ schlecht aus.<br />
<br />
Zum Ausgleich der Unebenheiten eignet sich Wärmeleitpaste, welche dünn auf die Kontaktfläche aufgetragen wird. Es genügt eine sehr geringe Menge der Wärmeleitpaste, die Schichtdicke liegt in der Größenordnung 0,1mm. Die Aufgabe der Wärmeleitpaste ist, die Unebenheiten der Kontaktflächen auszugleichen. Zu viel Wärmeleitpaste erhöht wiederum den thermischen Übergangswiderstand. <br />
<br />
Ist zusätzlich eine elektrische Isolation zwischen IC und Kühlkörper erforderlich, können Glimmerscheiben (engl. mica) eingesetzt werden. Elektrische Isolation ist erforderlich, falls zum Beispiel mehrere Transistoren auf einen Kühlkörper montiert werden sollen und eine elektrische Verbindung der Kühlfahnen über den Kühlkörper zu Kurzschlüssen führen würde. Werden Glimmerscheiben verwendet, müssen diese beidseitig mit Wärmeleitpaste bestrichen werden, um sämtliche Unebenheiten auszugleichen. Die Glimmerscheiben werden zwischen IC und Kühlkörper eingebaut. Werden die ICs an den Kühlkörper geschraubt, muss auch die Schraube elektrisch isoliert werden. Hierfür sind entsprechende Hülsen aus Kunststoff erhältlich.<br />
<br />
Wärmeleitfolien aus Silikon /Gap-Filler<br />
<br />
BAUSTELLE<br />
<br />
Zur Montage der ICs auf dem Kühlkörper gibt es mehrere Möglichkeiten. Üblich sind Schraubmontage oder die Verwendung von Metallclips aus Federstahl. Der Anpressdruck durch die Montage kann die thermische Kopplung des ICs zum Kühlkörper beeinflussen. Die Metallclips haben den Vorteil, dass der Anpressdruck mit der Zeit nicht nachlässt.<br />
<br />
BAUSTELLE<br />
<br />
=Dynamisches Ersatzschaltbild=<br />
<br />
Bisher haben wir uns mit statischen Ersatzschaltbildern beschäftigt. Diese beinhalten die Wärmequellen, die Umgebungstemperatur sowie alle thermischen Widerstände. Nicht berücksichtigt wurden bislang Wärmekapazitäten. Erfahrungsgemäß dauert es eine gewissen Zeit, bis alle Gegenstände auf die berechnete Temperatur aufgeheizt sind. Um die zeitlichen Temperaturverläufe bestimmen zu können, müssen die thermischen Ersatzschaltbilder noch mit Wärmekapazitäten ergänzt werden. Wärmewiderstände und Wärmekapazitäten ergeben ein Tiefpassfilter mit einer definierten Zeitkonstante. Bei geeigneter Modellierung kommt das Modell kommt dem realen Temperaturverlauf schon sehr nahe. Nun können wir also zeitveränderliche Vorgänge modellieren. Dies ist insbesondere notwendig wenn sich stark ändernde Verlustleistungen (z.B. Impulsbelastung) an den Bauteilen auftreten und die Temperaturen vorab berechnet werden sollen. Im Hobbybereich ist diese Berechnung jedoch häufig nicht erforderlich.<br />
<br />
Ergänzen wir das bisherige thermische Ersatzschaltbild um Wärmekapazitäten, ergibt sich das folgende thermische Ersatzschaltbild. Dieses Modell wird als Cauer-Typ bezeichnet. Wärmewiderstände und Wärmekapazitäten lassen sich physikalisch bestimmen und eindeutig im Ersatzschaltbild zuordnen. Berechnete Temperaturen entsprechen realen Temperaturen.<br />
<br />
[[Bild:Therm-esb-dyn-cauer.PNG|600px]]<br />
<br />
Den gleichen Sachverhalt kann man auch mit dem sogenannten Foster-Modell darstellen. Dieses Modell scheint weit verbreitet zu sein. Die gezeigten Ersatzschaltbilder lassen sich auch ineinander überführen, allerdings unterscheiden sich die eingetragenen Wärmekapazitäten und Wärmewiderstände.<br />
<br />
[[Bild:Therm-esb-dyn-foster.PNG|600px]]<br />
<br />
Die schwierige Aufgabe besteht nun darin, alle Zahlenwerte der Wärmewiderstände und Wärmekapazitäten zu bestimmen. Erst dann können die Temperaturverläufe in einer Simulation (z.B. mit SPICE) bestimmt werden. Im Hobbybereich ist diese Berechnung jedoch häufig nicht erforderlich.<br />
<br />
=Kühlkörperbauformen=<br />
* Board-Level-Kühlkörper (aufsteckbare/aufklebbare Kühlkörper, auch für SMD, meist 1 Kühlkörper pro IC)<br />
* Strang-/Profilkühlkörper (meist für hohe Leistungen)<br />
* Kühlaggregate (Kanal + Lüfter)<br />
<br />
Wozu eloxierte Oberflächen?<br />
* geringfügig höhere Wärmestrahlung (bei den niedrigen Temperaturen kaum ein Beitrag)<br />
* elektrische Isolation<br />
* Oberflächenschutz<br />
Nachteile:<br />
* erhöhte Wärmeaufnahme aus der unmittelbaren Umgebung!<br />
<br />
Stiftkühlkörper<br />
* hohe Oberfläche<br />
* bei dickem "Rücken"/"Boden" des Kühlkörpers gute Wärmespreizung<br />
* mit erzwungener Konvektion hohe Wärmeübertragung (quer zu den Stiften effektiver als in Stiftrichtung)<br />
* leichter und kompakter als Strangkühlkörper<br />
<br />
todo<br />
<br />
=Lüfter=<br />
Lüfter werden vor allem dann eingesetzt, wenn der Kühlkörper bei rein passiver Kühlung zur groß, zu schwer oder zu teuer wird. Beim Einsatz des Lüfters führt die erzwungene Luftströmung zur besseren Wärmeabgabe an die Luft. Bei gleicher Temperatur kann der Kühlkörper dann kleiner gewählt werden. Bei hohen Leistungen sind der kleinere Kühlkörper mit Lüfter preisgünstiger und kompakter als ein großer, rein passiver Kühlkörper. Um welchen Faktor die Wärmeableitung mit Lüfter verbessert wird, hängt von vielen Parametern ab und kann nicht pauschal angegeben werden.<br />
<br />
Vorteile<br />
* bessere Wärmeabgabe<br />
* Kühlkörper kann bei gleicher Temperatur kleiner, leichter und kostengünstiger werden<br />
* In kleinem Maßstab günstiger als Wasserkühlung o.ä.<br />
<br />
Nachteile<br />
* zusätzlicher Stromverbrauch<br />
* Geräuschentwicklung und Vibrationen<br />
* zusätzliche Kosten für Lüfter und dessen Montage<br />
* Im Falle eines unbemerkten Ausfalls kann die Schaltung überhitzen (Abhilfe: Thermostat, Temperaturfühler oder Tachosignal auswerten)<br />
<br />
Anordnungen:<br />
* Push-Prinzip: Der Lüfter bläst die Luft in den Kühlkörper/-kanal<br />
* Pull-Prinzip: Der Lüfter saugt die Luft aus dem Kühlkörper/-kanal heraus<br />
<br />
Kenngrößen:<br />
* Luftdurchsatz in <math>\frac{m^{3}}{h}</math><br />
* Nennspannung, Nennstrom, Nennleistung<br />
* Typ Axial/Radial<br />
* Größe<br />
* Geräuschpegel<br />
* Art der Lagerung (Kugellager, Sinterbronze-Lager etc.)<br />
* Temperaturbereich<br />
* Lebensdauer, MTBF<br />
<br />
=Entwärmung auf einer Platine=<br />
Beim Leiterplattenentwurf muss bereits in der Designphase abgeschätzt werden, welche Verlustleistungen auftreten und wie die entstehende Wärme abgeführt werden kann. Die Anordnung der Bauteile und die Gestaltung der Leiterbahnen hat Auswirkungen auf das thermische Verhalten. Die Einbaulage der Platine kann die Entwärmung zudem beeinflussen. Erwärmte Umgebungsluft steigt bekanntlich nach oben und kann andere Komponenten oder Platinen aufheizen. Wird die Platine in ein Gehäuse eingebaut, müssen gegebenenfalls Lüftungsschlitze eingebracht werden oder die zu kühlenden Bauteile an der Gehäusewand platziert werden. Bei geschlossenen Gehäusen muss bei der Kühlkörperdimensionierung mit höheren Umgebungstemperaturen gerechnet werden (z.B. 50°C, 60°C), da sich die Wärme zunächst im Gehäuse staut und nur allmählich durch die Gehäusewand abgegeben wird.<br />
<br />
==Bedrahtete Bauteile==<br />
Für bedrahtete Bauteilgehäuse wie z.B. TO-220 sind zahlreiche Kühlkörpervarianten erhältlich. Für Printmontage eignen sich Kühlkörper, die mit Lötstiften oder Schrauben an der Platine befestigt werden. Das Bauteil selbst wird mit einem Federclip oder einer Schraube am Kühlkörper montiert. Die Größe, Bauform und Befestigung des Kühlkörpers muss bereits beim Leiterplattenentwurf berücksichtigt werden. Leistungsdioden und Leistungswiderstände sind in den meisten Fällen für Konvektionskühlung ausgelegt, d.h. durch Luftströmung. Diese werden meist mit etwas Abstand von der Platinenoberfläche montiert, um die gesamte Bauteiloberfläche zur Kühlung nutzen zu können und um die Platine nicht unnötig aufzuheizen.<br />
<br />
Zur Verbesserung der Wärmeableitung kann, abgesehen vom Kühlkörper, auch die Platine bei der Wärmeverteilung helfen:<br />
* Breite Leiterbahnen können Wärme abführen und auf eine große Fläche verteilen<br />
* Eine dickere Kupferkaschierung kann die Wärmeableitung unterstützen (Standard sind 35µm, erhältlich sind auch 70µm und mehr), dies reduziert zudem die elektrischen Leiterbahnwiderstände<br />
* Mit einer großen Zahl von Durchkontaktierungen (vias) kann die Wärme auf andere Kupferlagen verteilt werden (der Platinenkern FR4 allein hat eine schlechte Wärmeleitfähigkeit)<br />
* Einsatz spezieller Platinenmaterialien (Alukern) z.B. bei Platinen für High-Power-LEDs<br />
* Für kleinere ICs mit Wärmeentwicklung eignen sich aufklebbare Kühlkörper<br />
<br />
Beim Entwurf der Platine muss den Bauteilen in der Nähe der Wärmequelle besondere Aufmerksamkeit geschenkt werden. Vor allem sind '''Elektrolytkondensatoren (Elkos)''' betroffen, da diese durch benachbarte Wärmequellen allmählich austrocknen und zum Ausfall der Schaltung führen können! Elkos sollten möglichst so platziert werden, dass sie eine geringe Temperatur und somit eine hohe Lebensdauer erreichen. Jedoch ist dies bei manchen Anwendungen nur eingeschränkt möglich. Beispielsweise sind bei Schaltreglern kurze Leiterschleifen erwünscht, um die elektromagnetische Verträglichkeit zu verbessern (Leiterschleifen wirken als Antenne) und um parasitäre Induktivitäten und Widerstände zu reduzieren. Der Einsatz hochwertiger Elkos mit geringem ESR, hoher Maximaltemperatur und Lebensdauer ist empfehlenswert. Zudem ist auf ausreichende Spannungsfestigkeit und geringe Rippleströme im Betrieb zu achten. Im Laufe der Betriebszeit sinkt die Kapazität des Elkos und die Verluste steigen. Die Lebensdauer der Elkos kann abgeschätzt werden. Die Hersteller geben idR. die Lebensdauer bei der spezifizierten Maximaltemperatur an, z.B. 5000h bei 105°C. Zur Abschätzung der Lebensdauer gilt hier auch die 10°C-Regel (laut Panasonic im Bereich 40°C bis 100°C), d.h. pro 10°C niedrigerer Betriebstemperatur verdoppelt sich die Lebensdauer des Elkos. Die erwartete Lebensdauer kann mit der folgenden Formel (Panasonic) abgeschätzt werden:<br />
<br />
<math>\Large L=L_{Tmax} \cdot 2^{\left( \frac{T_{max} - T}{10} \right)}</math><br />
<br />
'''Beispiel'''<br />
<br />
Ein Elko ist mit 5000h bei 105°C spezifiziert. Welche Lebensdauer wird bei einer Temperatur von 55°C erwartet?<br />
* Gegeben: <math>\large L_{Tmax}=5000h</math> , <math>\large T_{max}=105°C</math> , <math>\large T=55°C</math><br />
* Rechnung: <math>\large L=L_{Tmax} \cdot 2^{\left( \frac{T_{max} - T}{10} \right)}=5000h \cdot 2^{\left( \frac{105°C - 55°C}{10} \right)}=5000h \cdot 2^5=5000h \cdot 32=160000h</math><br />
* Ergebnis: Die Lebensdauer des Elkos beträgt unter diesen Bedingungen etwa 160000h, also über 18 Jahre Dauerbetrieb!<br />
* Bemerkung: Würde man z.B. einen billigen 2000h/85°C-Elko verwenden, würde dieser unter den gleichen Bedingungen keine 2 Jahre durchhalten!<br />
<br />
Liegt das Datenblatt des verwendeten Elkos vor, sollte man sich an die dort genannten Berechnungen und Zahlenwerte halten. Die gezeigte Berechnung ist nur eine Näherungsformel. Für weitere Verwendungshinweise sei auf die ''Application Guidelines'' für ''Radial Lead Type Aluminum Electrolytic Capacitors'' von ''Panasonic'' verwiesen (siehe Quellenangaben und Verweise am Seitenende).<br />
<br />
==SMD-Bauteile==<br />
SMD-Bauteile können meist über die Platine gut entwärmt werden. Dies ist normalerweise nur bei geringen Verlustleistungen möglich. Die Abwärme der Bauteile muss auf eine möglichst große Fläche verteilt werden, durch große Kupferflächen auf der Platine kann dies erreicht werden. Da die Wärmeleitfähigkeit der Kupferauflage deutlich höher ist als die Wärmeleitfähigkeit des Platinenmaterials FR4, wird sich die Wärme hauptsächlich in der Fläche verteilen, jedoch weniger ''durch'' die Platine hindurch. Um die Wärmeleitung durch die Platine (z.B. von Ober- zu Unterseite) zu erhöhen, müssen Durchkontaktierungen gesetzt werden. Sogenannte "Thermal Vias" werden in einer großen Anzahl an das zu entwärmende Bauteil gesetzt und können damit die Wärme zu anderen Kupferlagen der Platine weiterleiten. Die Wärmeleitung durch die Platine hindurch wird verbessert, liegt aber dennoch deutlich unter der Wärmeleitfähigkeit von reinem Kupfer. Thermische Vias können aufgrund ihrer kleinen Masse kaum einen Beitrag zur gesamten "Kühlmasse" beitragen. Ob schließlich eine Entwärmung durch die Platine ausreicht, muss durch Simulation oder Messung gezeigt werden.<br />
<br />
Welche Temperatur das Bauteil auf der Platine erreicht, kann nach dem Aufbau natürlich gemessen werden. Besser wäre es jedoch, die Temperaturen bereits beim Entwurf der Platine zu kennen, um einschätzen zu können, ob die Entwärmung ausreichend ist. Allgemeine Angaben hierfür sind schwer zu finden, jedoch gibt es vereinzelt Angaben in Datenblättern von Halbleitern zur Entwärmung. An den folgenden Zahlenwerten kann man sich orientieren, wenn man ähnliche Bauteile entwärmen möchte. Damit man für die genannten Flächen eine grobe Vorstellung hat, sei noch erwähnt: ein Cent hat eine Fläche von grob <math>200mm^2</math>, ein Euro hat grob <math>400mm^2</math>.<br />
<br />
Für SMD-Bauteile exisitieren Kühlkörper, die sich direkt auf die Platine löten lassen, diese sind auch maschinenbestückbar.<br />
<br />
'''TO263 (=D2PAK)'''<br />
<br />
Im Datenblatt des Schaltreglers LM2576 von ''National Semiconductor'' findet man für das TO263-Gehäuse einige Angaben. Das TO263-Gehäuse gleicht übrigens dem TO220 bis auf die Tatsache, dass die Kühlfahne kürzer ist und das Gehäuse für SMD-Montage vorgesehen ist. Das Datenblatt gibt thermische Widerstände für den Übergang Junction-Ambient an. Die Angabe ist abhängig von der Kupferfläche auf der Platine, die unmittelbar für das Bauteil aus Kühlkörper wirkt. Die Zahlenwerte aus dem Datenblatt wurden in Quadratmillimeter umgerechnet, gerundet und stehen nun in der Tabelle bereit. Keine Angaben macht der Hersteller zu den Rahmenbedingungen, unter denen die thermischen Widerstände ermittelt wurden (Platinendicke, Durchkontaktierungen, Form der Kupferfläche und Dicke der Kupferkaschierung). Dennoch können die Werte zur groben Orientierung dienen.<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
| Kupferfläche || therm. Widerstand<br />
|-<br />
| <math>325 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 50\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>645 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 37\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>1030 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 32\frac{K}{W} </math><br />
|}<br />
<br />
'''TO252 (=DPAK), SOT223'''<br />
<br />
Im Datenblatt des Low-Drop-Spannungsreglers LM1117 von ''National Semiconductor'' sind Angaben zur Entwärmung über die Platine von SOT223 und TO252-Gehäusen vorhanden. Der Hersteller gibt an, für das SOT223-Gehäuse eine 35µm dicke, und für das TO252-Gehäuse eine 70µm dicke Kupferkaschierung der Platine verwendet zu haben. Leider finden sich in diesem Datenblatt keine Informationen zu Durchkontaktierungen, Platinendicke, und ob das IC auf der Ober- oder Unterseite der Platine montiert wurde (Vermutung: oben montiert, da angegebene thermische Widerstände geringer sind). Der Hersteller hat drei Fälle untersucht: Kupferfläche oben, Kupferfläche unten, Kupferfläche beidseitig. Für das thermische Platinendesign kann man diese Zahlenwerte zumindest als Richtwerte verwenden. Das Datenblatt enthält zudem Zeichnungen der Kühlflächen. Die Zahlenwerte wurden wieder in Quadratmillimeter umgerechnet und gerundet und in die folgenden Tabelle eingetragen:<br />
<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
| Kupferfläche top || Kupferfläche bottom || therm. Widerstand SOT223 || therm. Widerstand TO252<br />
|-<br />
| <math> 200mm^2</math> || - || <math>R_{th(ja)}\approx 84\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 60\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math> 350mm^2</math> || - || <math>R_{th(ja)}\approx 75\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 54\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math> 650mm^2</math> || - || <math>R_{th(ja)}\approx 66\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 47\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| - || <math> 250mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 98\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 70\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| - || <math> 400mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 89\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 63\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| - || <math> 650mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 79\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 57\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math> 200mm^2</math> || <math> 200mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 83\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 61\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math> 250mm^2</math> || <math> 250mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 75\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 55\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math> 350mm^2</math> || <math> 350mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 70\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 53\frac{K}{W} </math><br />
|}<br />
<br />
'''SO8'''<br />
<br />
Für das SO8-Gehäuse findet man eine Angabe im Datenblatt des Spannungsreglers 78L05 von ''ST'':<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
| Kupferfläche || therm. Widerstand<br />
|-<br />
| <math>600 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 55\frac{K}{W} </math><br />
|}<br />
<br />
'''SO20'''<br />
<br />
Aus dem Datenblatt des L293DD sind Angaben zum SO20-Gehäuse enthalten. In diesem Falle sind 8 zentrale Pins an die Kühlfläche angebunden, die Kupferkaschierung ist vermutlich einseitig 35µm. Die groben Richtwerte sind:<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
| Kupferfläche || therm. Widerstand<br />
|-<br />
| <math>200 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 60\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>400 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 53\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>600 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 51\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>800 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 50\frac{K}{W} </math><br />
|}<br />
<br />
'''PowerDIP20'''<br />
<br />
Für das DIP20-Gehäuse wird man im Datenblatt des Motortreibers L6202 von ''ST'' fündig. Bei 35µm Kupferkaschierung der Platine ergeben sich die folgenden thermischen Widerstände.<br />
<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
| Kupferfläche || therm. Widerstand<br />
|-<br />
| <math>0 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 58\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>200 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 45\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>400 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 39\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>600 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 38\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>800 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 37\frac{K}{W} </math><br />
|}<br />
<br />
Für die Form der empfohlenen Kühlfläche sei auf das Datenblatt verwiesen. Wird das IC in einem Sockel verwendet, muss man sicherlich von höheren thermischen Widerständen ausgehen.<br />
<br />
'''AN-994'''<br />
<br />
In der ''Application Note AN-994 - Maximizing the Effectiveness of your SMD Assemblies'' von ''International Rectifier (IRF)'' sind weitere Daten vorhanden. Die dort genannten Daten sind jedoch teils drastisch niedriger als die hier genannten. Eine mögliche Erklärung sind z.B. die höhere Kupferauflage (70µm) oder evtl. optimierte Wärmewiderstände innerhalb der Gehäuse.<br />
<br />
'''Große Kupferflächen'''<br />
<br />
Im ''Application Hint 17 - Designing P.C. Board Heat Sinks - by Bob Wolbert (Micrel)'' werden Angaben zu thermischen Widerständen der Platine für vergleichsweise große Flächen gemacht. Die thermischen Widerstände beschreiben den Übergang <math>R_{th(ha)}</math> unter den Bedingungen: Quadratische Kupferfläche, einseitig, horizontal montiert, Lötstopplack, keine Belüftung. Die Dicke der Kupferkaschierung ist nicht angegeben. Hier einige Werte, abgelesen aus dem Diagramm der genannten Application Note:<br />
<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
| Kupferfläche || therm. Widerstand<br />
|-<br />
| <math>500 mm^2</math> || <math>R_{th(ha)}\approx 60\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>1000 mm^2</math> || <math>R_{th(ha)}\approx 45\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>1500 mm^2</math> || <math>R_{th(ha)}\approx 38\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>2000 mm^2</math> || <math>R_{th(ha)}\approx 33\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>2500 mm^2</math> || <math>R_{th(ha)}\approx 30\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>3000 mm^2</math> || <math>R_{th(ha)}\approx 28\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>4000 mm^2</math> || <math>R_{th(ha)}\approx 24\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>5000 mm^2</math> || <math>R_{th(ha)}\approx 22\frac{K}{W} </math><br />
|}<br />
<br />
<br />
'''Abschlusskommentar'''<br />
<br />
An den gezeigten, thermischen Widerständen sieht man leicht: je größer die Kühlfläche, desto geringer der thermische Widerstand. Dieses Verhalten würde man so auch erwarten.<br />
<br />
Ab einer bestimmten Fläche wird die Platine als Kühlkörper jedoch unhandlich, und man wird die Fläche nicht weiter vergrößern. Die mit den Kupferflächen erreichten thermischen Widerstände sind für viele Anwendungen noch deutlich zu hoch. Bei Verlustleistungen von wenigen Watt werden dadurch bereits kritische Chiptemperaturen erreicht. Wie bereits oben erwähnt, funktioniert die Entwärmung von SMD-Komponenten über die Platine also nur für kleine Verlustleistungen. Bei größeren Verlustleistungen müssen zusätzliche Entwärmungsmaßnahmen getroffen werden (z.B. aufklebbarer Kühlkörper, etc.). Zielführend ist auch, die Ursache der Erwärmung, nämlich die Verlustleistung zu verringern. Wird beispielsweise ein Linearregler durch einen effizienteren Schaltregler ersetzt, kann die Entwärmung aufgrund der kleineren Verlustleistung deutlich einfacher gestaltet werden. Ob die Verringerung der Verlustleistung möglich ist, hängt natürlich von der Anwendung ab.<br />
<br />
=Spezielle Kühlkörper=<br />
<br />
todo<br />
<br />
=Autoren=<br />
* BMS<br />
<br />
[[Kategorie:Elektronik]]<br />
[[Kategorie:Mechanik]] <br />
[[Kategorie:Praxis]] <br />
[[Kategorie:Grundlagen]]<br />
<br />
=Quellen und Verweise=<br />
<br />
Zeitschriftenartikel:<br />
<br />
* Best, Siegfried W.: ''Elektronikkühlung und Wärmemanagement von A bis Z''. In: Elektronikpraxis - Sonderheft Elektromechanik, April 2013. S. 20ff.<br />
* Best, Tobias: ''Thermisches Via, die kleine Schwester der Heatpipe''. In: Elektronikpraxis, April 2013. S. 12ff.<br />
* Erdmann, Marc: ''Beste Effizienz auch beim Thermal Management''. In: Elektronikpraxis - Sonderheft Leistungelektronik und Stromversorgung. März 2015. S. 38ff.<br />
* Kerstin, Nils; Schulz, Martin: ''Thermische Widerstände genau messen - eine Herausforderung''. In: Elektronikpraxis, Nr. 17, September 2014. S. 48ff.<br />
* K.R. (Alutronic): ''Stiftkühlkörper für die Leistungselektronik''. In: Elektronikpraxis Nr.9, Mai 2014. S. 50ff.<br />
* Harpain, Jürgen: ''Wärmeleitmaterial kompensiert Lufteinschlüsse''. In: Elektronikpraxis Nr.1, Januar 2014. S. 36ff.<br />
* Harpain, Jürgen: ''Entwärmungskonzepte für Einzelhalbleiter und ICs''. In: Elektronikpraxis - Sonderheft Elektromechanik, April 2014. S. 14ff.<br />
* Schulz, Martin: ''Fünf Fettnäpfchen beim Bestimmen thermischer Größen''. In: Elektronikpraxis, November 2013. S. 36ff.<br />
* Schulz, Martin: ''Mythen und Legenden über Wärmeleitmaterialien''. In: Elektronikpraxis Nr.2., Januar 2014. S. 42ff.<br />
<br />
----<br />
<br />
Datenblätter, aus denen thermische Widerstände entnommen wurden:<br />
<br />
* [http://pdf.datasheetcatalog.com/datasheet/nationalsemiconductor/DS011476.PDF Datenblatt LM2576 von National Semiconductor]<br />
* [http://pdf.datasheetcatalog.com/datasheet/nationalsemiconductor/LM1117.pdf Datenblatt LM1117 von National Semiconductor]<br />
* [http://pdf.datasheetcatalog.com/datasheets/150/9358_DS.pdf Datenblatt L78Lxx von ST]<br />
* [http://pdf.datasheetcatalog.com/datasheet/stmicroelectronics/1330.pdf Datenblatt L293DD von ST]<br />
* [http://pdf.datasheetcatalog.com/datasheet/stmicroelectronics/1373.pdf Datenblatt L6202 von ST]<br />
* [http://www.irf.com/technical-info/appnotes/an-994.pdf ''Application Note AN994 - Maximizing the Effectiveness of your SMD Assemblies'' - International Rectifier (IRF)]<br />
* [http://www.micrel.com/_PDF/App-Hints/ah-17.pdf ''Application Hint 17 - Designing P.C. Board Heat Sinks - by Bob Wolbert (Micrel)'']<br />
<br />
----<br />
<br />
Weblinks:<br />
<br />
* [http://stegem.de/Elektronik/Kuehlkoerper/ Online-Tool zur Kühlkörperberechnung von Gemmel, S.]<br />
* [http://ludens.cl/Electron/Thermal.html Thermal Design - von Mornhinweg, M.]<br />
* [http://sound.westhost.com/heatsinks.htm The Design of Heatsinks - von Elliot, R.]<br />
* [http://www.giangrandi.ch/electronics/thcalc/thcalc.shtml Calculating Heat sinks - von Giangrandi, I.]<br />
* [http://www.irf.com/technical-info/appnotes/an-1057.pdf Application Note AN-1057: Heatsink Characteristics von International Rectifier (IRF)]<br />
* [http://ww1.microchip.com/downloads/en/AppNotes/00792a.pdf Application Note AN792: A method to determine how much power a sot23 can dissipate in an application (Microchip Technology Inc. 2001)]<br />
* [http://www.fairchildsemi.com/application-notes/AN/AN-1028.pdf Application Note AN1028: Maximum Power Enhancement Techniques for SOT-223 Power MOSFETs (Fairchild Semiconductor 1996)]<br />
* [http://www.industrial.panasonic.com/www-data/pdf/ABA0000/ABA0000PE26.pdf Aluminium Electrolytic Capacitors - Application Guidelines (Panasonic 2015)]</div>BMShttps://rn-wissen.de/wiki/index.php?title=Datei:Therm-esb-dyn-foster.PNG&diff=26559Datei:Therm-esb-dyn-foster.PNG2015-07-25T11:10:04Z<p>BMS: Dynamisches thermisches Ersatzschaltbild, Foster-Typ</p>
<hr />
<div>Dynamisches thermisches Ersatzschaltbild, Foster-Typ</div>BMShttps://rn-wissen.de/wiki/index.php?title=Datei:Therm-esb-dyn-cauer.PNG&diff=26558Datei:Therm-esb-dyn-cauer.PNG2015-07-25T11:09:31Z<p>BMS: Dynamisches thermisches Ersatzschaltbild, Cauer-Typ</p>
<hr />
<div>Dynamisches thermisches Ersatzschaltbild, Cauer-Typ</div>BMShttps://rn-wissen.de/wiki/index.php?title=K%C3%BChlk%C3%B6rper&diff=26457Kühlkörper2015-07-05T07:37:30Z<p>BMS: /* SMD-Bauteile */</p>
<hr />
<div>{{Baustelle|BMS}}<br />
<br />
Dieser Artikel behandelt die Grundlagen zu Kühlkörpern.<br />
<br />
[[Bild:kuehlkörper-uebersicht.jpg|thumb|Verschiedene Kühlkörper, links ein TO220-Gehäuse zum Größenvergleich]]<br />
<br />
=Einleitung=<br />
<br />
'''Wieso sind überhaupt Kühlkörper in technischen Geräten erforderlich?'''<br />
<br />
Kein Gerät kann einen 100-prozentigen Wirkungsgrad erzielen und somit tritt Verlustleistung auf. Diese Verlustleistung führt zur Erwärmung der Bauteile. Kühlkörper sollen die Entwärmung verbessern, indem die entstehende Wärme auf eine große Fläche verteilt wird und durch Konvektion an der Luft auskühlen kann. Die Temperatur an den heißen Bauteilen ist mit Kühlkörper geringer als ohne Kühlkörper.<br />
<br />
'''Wieso sind hohe Bauteiltemperaturen ungünstig?'''<br />
<br />
Die Lebensdauer aller elektronischen Bauteile ist stark von der Temperatur abhängig. Als Faustregel gilt: Eine Temperaturerhöhung um 10 Grad führt zur Halbierung der Lebensdauer. Außerdem gibt es Grenztemperaturen, die nicht überschritten werden dürfen. Beispielsweise dürfen Halbleiter keine Temperatur über 150°C erreichen. Extrembeispiele sind die Schmelztemperatur von Isolierungen, Lötzinn etc... sowie Brandgefahr durch hohe Temperaturen. Viele Bauteile können ohne vernünftige Kühlung nicht ihren vollen Funktionsumfang erreichen, liefern dann z.B. geringere Maximalströme oder es greift die Temperaturabschaltung. Anders formuliert: Die maximale Leistung eines Bauteils oder Geräts wird durch seine Entwärmung bestimmt! Zur eigenen Sicherheit bietet es sich zudem an, die Temperaturen niedrig zu halten, sodass man sich am Gerät nicht die Finger verbrennen kann ;)<br />
<br />
=Wärmeübertragung=<br />
Prinzipiell kann Wärmeübertragung über Wärmeleitung, Konvektion und Wärmestrahlung geschehen. In vielen Anwendungen treten mehrere Mechanismen gleichzeitig auf. Welcher Mechanismus hauptsächlich auftritt, ist von der mechanischen Anordnung, den Materialien und der Temperatur abhängig. Wärmeleitung und Konvektion sind die wichtigsten Arten der Wärmeübertragung, die in der Praxis auftreten. Nun zu den einzelnen Effekten:<br />
<br />
*'''Wärmeleitung'''<br />
*: Bei der Wärmeleitung wird die Wärme über einen direkten mechanischen Kontakt (Bsp. IC <math>\rightarrow</math>Kühlkörper) übertragen. Den beteiligten Materialien wird jeweils eine spezifische Wärmeleitfähigkeit <math>\lambda</math> zugeordnet, dazu später mehr.<br />
<br />
*'''Konvektion'''<br />
*: Mit Konvektion wird die Strömungsbewegung in Flüssigkeiten und Gasen bezeichnet. Praxisbeispiele sind die Wärmeabgabe eines Kühlkörpers an die Umgebungsluft oder auch eine Wasserkühlung. Von erzwungener Konvektion spricht man, wenn die Strömung durch z.B. einen Ventilator/Lüfter oder eine Wasserpumpe hervorgerufen wird. Im Vakuum kann keine Konvektion auftreten.<br />
<br />
*'''Wärmestrahlung'''<br />
*: Wärmestrahlung ist elektromagnetische Strahlung (hauptsächlich Infrarot und sichtbares Licht), die vom heißen Festkörper abgestrahlt wird. Sie wird erst bei höheren Temperaturen relevant und ist bei den üblichen Kühlkörpertemperaturen meist zu vernachlässigen. Erwähnt werden soll zudem, dass Wärmestrahlung der einzige Mechanismus der Wärmeleitung ist, welcher im Vakuum auftreten kann. (Für Details zu Wärmestrahlung siehe auch: Plancksches Strahlungsgesetz und Schwarzer Strahler).<br />
<br />
=Materialien=<br />
Jedes Material besitzt eine spezifische Wärmeleitfähigkeit, welche angibt, wie gut dieses Material Wärme weiter transportieren kann. Die spezifische Wärmeleitfähigkeit ist unabhängig von der Geometrie des Materials, wird mit der Größe <math>\lambda</math> (Lambda) ausgedrückt und erhält die Einheit <math>\frac{W}{m \cdot K}</math>.<br />
<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
|-<br />
| '''Material''' || '''<math>\lambda</math> in <math>\left[ \frac{W}{m \cdot K} \right]</math>'''<br />
|-<br />
| Silber || 430<br />
|-<br />
| Kupfer || 400<br />
|-<br />
| Aluminium || 230<br />
|-<br />
| Silizium || 140 <br />
|-<br />
| Wärmeleitpaste || 5 ... 10<br />
|-<br />
| Glas || 0,7<br />
|-<br />
| Wasser || 0,5<br />
|-<br />
| Platinenmaterial FR4 || 0,2 ... 0,5<br />
|-<br />
| Luft || 0,02<br />
|}<br />
<br />
Die meisten Kühlkörper werden aus Aluminiumlegierungen hergestellt. Für Aluminium spricht seine relativ hohe Wärmeleitfähigkeit, die hohe Verfügbarkeit und geringe Dichte. Im Vergleich zu Kupfer und Silber ist Aluminium deutlich kostengünstiger. Darüber hinaus lässt sich Aluminium mechanisch gut verarbeiten. Kupfer wird mit seiner höheren Wärmeleitfähigkeit z.B. bei Heatpipes eingesetzt.<br />
<br />
todo<br />
<br />
Wärmewiderstand <math>R_{th}=\frac{d}{\lambda \cdot A}</math><br />
<br />
d: Materialdicke, welche für die Wärmeleitung relevant ist<br />
<br />
<math>\lambda</math>spezifische Wärmeleitfähigkeit des Materials<br />
<br />
A: Querschnitts-/Kontaktfläche<br />
<br />
=Definitionen=<br />
Um vorauszusagen, wie sich die Temperaturen in einer Schaltung verhalten, bedient sich der Ingenieur - wie auch bei vielen anderen Anwendungen - eines Ersatzschaltbildes (ESB). Zur Erstellung eines thermischen Ersatzschaltbildes muss man sich aber zunächst mit den thermischen Größen vertraut machen.<br />
<br />
Die Temperaturen werden mit dem griechischen Buchstaben Theta <math>\theta</math> gekennzeichnet. Temperaturen werden in Grad Celsius (°C), Temperaturdifferenzen in Kelvin (K) angegeben. (Am Rande: Es existiert auch eine Kelvinskala mit dem absoluten Nullpunkt 0 K=-273,15°C). Die Temperaturen werden außerdem noch mit einem Index gekennzeichnet, abhängig von der mechanischen Stelle, an der sie auftreten:<br />
<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
|-<br />
| Symbol || Index || Bedeutung<br />
|-<br />
| <math>\vartheta_{J}</math> || J=Junction || Sperrschichttemperatur des Halbleiters<br />
|-<br />
| <math>\vartheta_{C}</math> || C=Case || Gehäusetemperatur des Bauteils<br />
|-<br />
| <math>\vartheta_{H}</math> || H=Heat Sink || Temperatur des Kühlkörpers<br />
|-<br />
| <math>\vartheta_{A}</math> || A=Ambient || Umgebungstemperatur<br />
|}<br />
<br />
Die Verlustleistung eines Bauteils beschreibt die Größe <math>P_{V}</math> und wird, wie allgemein bekannt, in Watt angegeben.<br />
<br />
Als neue Größe wird nun der thermische Widerstand eingeführt, dieser wird mit <math>R_{th}</math> beschrieben und bekommt die Einheit <math>\frac{K}{W}</math>. <br />
<br />
Für die thermischen Größen gibt es, ähnlich dem Ohmschen Gesetz, einen linearen Zusammenhang. Dieser lautet<br />
<br />
<math>R_{th}=\frac{\vartheta_{ü}}{P_{V}}</math><br />
<br />
todo<br />
<br />
'''Vergleich elektrischer und thermischer Größen'''<br />
<br />
Insgesamt können wir nun eine Analogie zwischen bekannten elektrischen Größen und den thermischen Größen angeben. Die schon gelernten Prinzipien zur Lösung linearer Netzwerke lässt sich auch bei den thermischen Ersatzschaltbildern anwenden.<br />
<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
|-<br />
| elektrisch || thermisch<br />
|-<br />
| Spannung U || Temperatur <math>\vartheta</math><br />
|-<br />
| Strom I || Verlustleistung <math>P_{V}</math><br />
|-<br />
| Widerstand R || thermischer Widerstand <math>R_{th}</math><br />
|}<br />
<br />
=Statisches Ersatzschaltbild=<br />
Mit den thermischen Zusammenhängen haben wir uns inzwischen vertraut gemacht. Nun können wir damit beginnen, thermische Ersatzschaltbilder von einfachen Anordnungen zu erstellen. Mit solchen Modellen können Temperaturen, wie z.B. die Chiptemperatur, vorab berechnet werden. Für die Berechnung müssen Wärmewiderstände, Umgebungstemperatur und Verlustleistung bekannt sein, da sie in die Berechnung einfließen.<br />
<br />
Bei den thermischen Ersatzschaltbildern kann man ein statisches oder ein dynamisches Ersatzschaltbild erstellen. Bei den statischen Ersatzschaltbilder wird davon ausgegangen, dass alle Größen zeitlich konstant sind, bzw. sofort ihre Solltemperatur entsprechend dem Modell annehmen. In der Realität dauert es natürlich eine gewisse Zeit, bis sich alle beteiligten Materialien aufgeheizt haben. Die Temperaturen des statischen Modells werden dabei erst nach einer bestimmten Zeit erreicht. <br />
<br />
Für die meisten Anwendungen genügt es jedoch, das statische thermische Ersatzschaltbild zu erstellen und den Kühlkörper dem entsprechend zu dimensionieren. Die Kühlung wird z.B. auf die maximale oder die mittlere auftretende Verlustleistung dimensioniert. Es wurde bereits erwähnt, dass sich die Bauteiltemperatur auf dessen Lebensdauer auswirkt. Dabei gilt: je niedriger die Bauteiltemperatur, desto länger die zu erwartende Lebensdauer. Je nach Anwendung und Rahmenbedingungen muss eventuell ein Kompromiss zwischen Kühlkörpergröße/kosten und Gerätelebensdauer gewählt werden. Beispielsweise kann der verfügbare Platz, ein Gesamtgewicht oder eine Kostenvorgabe begrenzender Faktor sein. Für einen dauerhaften sicheren Betrieb muss der Kühlkörper und weitere beteiligte Materialien für den worst case ausgelegt oder sogar überdimensioniert werden.<br />
<br />
==Bauteil ohne Kühlkörper==<br />
Um den Umgang mit den thermischen Ersatzschaltbildern zu lernen, soll zunächst mit einem einfachen Beispiel begonnen werden. In diesem Fall wird der Wärmeübergang von einem einzelnen Bauteil zu Luft betrachet, es kommt zunächst also noch kein Kühlkörper zum Einsatz. Das Ersatzschaltbild sieht in diesem Fall folgendermaßen aus:<br />
<br />
[[Bild:Therm-esb1.png|450px]]<br />
<br />
Die am Bauteil entstehende Verlustleistung ist Ursache der Abwärme und wird im thermischen Ersatzschaltbild als ideale Stromquelle modelliert.<br />
<br />
Die Abwärme gelangt nun über den Weg Sperrschicht (Junction) <math>\rightarrow</math> Bauteilgehäuse (Case) <math>\rightarrow</math> Umgebung (Ambient) nach außen. Im Ersatzschaltbild ist jeder Übergang als thermischer Widerstand modelliert. Die genauen Zahlenwerte der Wärmewiderstände lassen sich in der Regel dem Datenblatt des Bauteils entnehmen. Benötigt werden die Werte für <math>R_{th(jc)}</math> und <math>R_{th(ca)}</math>. In manchen Datenblättern findet man die Angabe <math>R_{th(ja)}</math>, was der Reihenschaltung aus den beiden vorher genannten Werten entspricht, also <math>R_{th(ja)}=R_{th(jc)}+R_{th(ca)}</math>.<br />
<br />
Die Umgebungstemperatur wird als ideale Spannungsquelle modelliert. Sämtliche Spannungen im Ersatzschaltbild entsprechen den auftretenden Temperaturen.<br />
<br />
Da es sich nun um ein lineares Netzwerk handelt, gelten hier ebenfalls die Kirchhoff'schen Gleichungen. Relativ leicht lässt sich nun die Temperatur am Bauteilgehäuse (Case) und der Sperrschicht (Junction) berechnen:<br />
<br />
<math>\vartheta_{c}=\vartheta_{a}+R_{th(ca)} \cdot P_{V}</math><br />
<br />
<math>\vartheta_{j}=\vartheta_{a}+R_{th(jc)} \cdot P_{V}+R_{th(ca)} \cdot P_{V}=\vartheta_{a}+(R_{th(jc)}+R_{th(ca)}) \cdot P_{V}=\vartheta_{a}+R_{th(ja)} \cdot P_{V}</math><br />
<br />
Da die thermischen Widerstände bei der Reihenschaltung auch zusammengefasst werden dürfen, beschreibt folgendes thermisches Ersatzschaltbild den gleichen Zusammenhang. Nachteil ist hier allerdings, dass die Temperatur am Gehäuse nicht modelliert wird.<br />
<br />
[[Bild:Therm-esb0.png|300px]]<br />
<br />
===Derating===<br />
<br />
Die Überlegungen zur Sperrschichttemperatur kann auch anders interpretiert werden. Gibt man die Sperrschichttemperatur vor, kann man die maximal erlaubte Verlustleistung des Bauteils in Abhängigkeit der Umgebungstemperatur bestimmen. Die folgende Formel erhält man aus Umformung der oberen Gleichung:<br />
<br />
<math>P_{V} \leq \frac{\vartheta_{j}-\vartheta_{a}}{R_{th(ja)}}</math><br />
<br />
Bei Halbleitern darf idR. die Sperrschichttemperatur nicht 150°C überschreiten. Der thermische Widerstand wird hauptsächlich durch das Gehäuse vorgegeben. Aus der Formel sieht man nun folgendes: Je höher die Umgebungstemperatur, desto geringer fällt die maximal erlaubte Verlustleistung aus. Diesen Zusammenhang bezeichnet man auch als '''Derating'''. Der typische Verlauf sieht meist so aus:<br />
<br />
[[Bild:Derating.png|300px]]<br />
<br />
Die Derating-Formel gilt im Bereich <math>\vartheta_{1} ... \vartheta_{max}</math>. Für Temperaturen unter <math>\vartheta_{1}</math> darf die Maximalleistung <math>P_{max}</math>des Bauteilgehäuses nicht überschritten werden. <math>\vartheta_{1}</math> liegt bei meist 25°C. Den genauen Verlauf kann man dem Datenblatt des betreffenden Bauteils entnehmen.<br />
<br />
===Beispielrechnung===<br />
<br />
Ein Spannungsregler vom Typ 7805 im TO220-Gehäuse soll ohne Kühlkörper betrieben werden. Wie hoch ist die maximal erlaubte Verlustleistung, wenn die Sperrschichttemperatur 120°C nicht überschreiten soll und die Umgebungstemperatur 25°C beträgt?<br />
<br />
Zunächst werfen wir einen Blick ins Datenblatt des Spannungsreglers und entnehmen die Angaben für die thermischen Widerstände. Dann halten wir alle gegebenen Größen fest:<br />
<br />
*'''Gegeben'''<br />
*:* <math>R_{th(jc)}=5 \frac{K}{W}</math> (aus dem Datenblatt)<br />
*:* <math>R_{th(ja)}=62 \frac{K}{W}</math> (aus dem Datenblatt)<br />
*:* <math>\vartheta_{j}=125°C</math><br />
*:* <math>\vartheta_{a}=25°C</math><br />
*'''Gesucht'''<br />
*:* <math>P_{v,max}</math><br />
*'''Rechnung'''<br />
*:Wir verwenden die Formel von oben und erhalten als Ergebnis<br />
*:<math>P_{V,max} = \frac{\vartheta_{j}-\vartheta_{a}}{R_{th(ja)}} = \frac{120°C-25°C}{62\frac{K}{W}} = \frac{95K}{62\frac{K}{W}} \approx 1,5 Watt</math><br />
*:Die maximal erlaubte Verlustleistung des Spannungsreglers ohne Kühlkörper darf demnach 1,5 Watt nicht überschreiten.<br />
*'''Zusatz'''<br />
*:Mit unserem Ersatzschaltbild können wir außerdem die Temperatur des Gehäuses (Case) des Spannungsreglers angeben. Dafür benötigen wir noch die Angabe <math>R_{th(ca)}</math>, welche allerdings im Datenblatt nicht angegeben ist.<br />
*:Da wir aber wissen, dass <math>R_{th(ja)}=R_{th(jc)}+R_{th(ca)}</math> gilt, können wir die fehlende Größe ausrechnen. Diese ist<br />
*:<math>R_{th(ca)}=R_{th(ja)}-R_{th(jc)}=62\frac{K}{W}-5\frac{K}{W}=57\frac{K}{W}</math>.<br />
*:Nun lässt sich die Gehäusetemperatur berechnen:<br />
*:<math>\vartheta_{c}=\vartheta_{a}+R_{th(ca)} \cdot P_{V}=25°C+57\frac{K}{W} \cdot 1,5 W \approx 111 °C</math><br />
*'''Bemerkung'''<br />
*:In der Praxis wird einem TO220-Gehäuse ungekühlt eine maximale Verlustleistung von 1 Watt zugerechnet. Die Temperaturen sind niedriger, die Lebensdauer des Bauteils höher.<br />
<br />
==Bauteil mit Kühlkörper und T.I.M.==<br />
<br />
Der Betrieb eines ICs ohne Kühlkörper, wie im vorigen Abschnitt beschrieben, funktioniert nur bei kleinen Leistungen und führt meist auch zu einer verringerten Lebensdauer des Bauteils. Viele Bauteile können ihre angegebenen Maximalwerte nur bei vernünftiger Kühlung erreichen. In diesem Abschnitt wird nun ein typisches Szenario mit Kühlkörperberechnung vorgestellt.<br />
<br />
Befassen wir uns zunächst mit der typischen mechanischen Anordnung. Das zu kühlende IC wird thermisch an einen Kühlkörper gekoppelt. In der Praxis wird man das IC aber nicht direkt auf dem Kühlkörper befestigen, sondern über ein sogenanntes ''thermisches Interface-Material'' (T.I.M.), um Unebenheiten und mechanische Abstände auszugleichen oder um für Insolierung zu sorgen. Details zum T.I.M. folgen im Unterabschnitt. Die typische Anordnung zeigt die folgende Abbildung.<br />
<br />
[[Bild:kuehlkoerper-anordnung.png|300px]]<br />
<br />
Folgende thermischen Widerstände treten hier in Kraft:<br />
*<math>R_{th(jc)}</math> für den Übergang Chip zu Bauteilgehäuse<br />
*<math>R_{th(ch)}</math> für den Übergang Bauteilgehäuse zu Kühlkörper (also über das T.I.M.)<br />
*<math>R_{th(ha)}</math> für den Übergang Kühlkörper zur Umgebung<br />
<br />
Aus diesen thermischen Widerständen wird ein thermisches Ersatzschaltbild angefertigt. Dieses zeigt die nächste Abbildung.<br />
<br />
[[Bild:Therm-esb2.png|700px]]<br />
<br />
Zunächst soll die Formel zur Berechnung der Chiptemperatur aufgestellt werden, die Formel erhält man wieder durch die Anwendung der Kirchhoffschen Gleichungen im Ersatzschaltbild.<br />
<br />
<math>\vartheta_{j}=\vartheta_{a}+(R_{th(jc)}+R_{th(ch)}+R_{th(ha)}) \cdot P_{V}</math><br />
<br />
Die Formel wird in der Praxis jedoch in einer anderen Form benötigt. Meist steht man als Entwickler vor der Aufgabe, den erforderlichen thermischen Widerstand <math>R_{th(ha)}</math> des Kühlkörpers zu bestimmen, sofern die Größen Umgebungstemperatur, Sperrschichttemperatur, Verlustleistung sowie die verbleibenden thermischen Widerstände gegeben sind. Anhand des berechneten Wärmewiderstands des Kühlkörpers können dann aus Produktkatalogen geeignete Kühlkörper bestimmt werden.<br />
<br />
Wir müssen dafür also die Gleichung nach <math>R_{th(ha)}</math> auflösen. Wir erhalten die praxisübliche Berechnungsformel:<br />
<br />
<math>R_{th(ha)}=\frac{\vartheta_{j}-\vartheta_{a}}{P_{V}}-R_{th(jc)}-R_{th(ch)}</math><br />
<br />
In manchen Quellen sind enthält diese Formel außerdem Korrekturfaktoren, die z.B. die Einbaulage o.ä. berücksichtigen können.<br />
<br />
===Beispielrechnung===<br />
<br />
Für einen Spannungsregler vom Typ 7805 im TO220-Gehäuse soll ein Kühlkörper dimensioniert werden. Die Eingangsspannung des Reglers beträgt 12V, die Ausgangsspannung von 5V wird mit 500mA belastet. Die Umgebungstemperatur sei 30°C. Der Spannungsregler wird mit Wärmeleitpaste auf dem Kühlkörper montiert, für diesen Wärmewiderstand wird 0,5 K/W angenommen. Welchen Wärmewiderstand darf der Kühlkörper höchstens haben, wenn als maximale Sperrschichttemperatur 110°C angenommen wird?<br />
<br />
Diese Aufgabe kann so durchaus in der Praxis auftreten. Von den vielen Angaben darf man sich zunächst nicht verunsichern lassen. Wir verwenden das gezeigte thermische Ersatzschaltbild. Für die Rechnung benötigen wir außerdem noch den thermischen Widerstand <math>R_{th(jc)}</math> aus dem Datenblatt.<br />
<br />
*'''Gegeben'''<br />
*:<math>R_{th(jc)}=5 \frac{K}{W}</math> (aus dem Datenblatt)<br />
*:<math>R_{th(ch)}=0,5 \frac{K}{W}</math><br />
*:<math>\vartheta_{j}=110°C</math><br />
*:<math>\vartheta_{a}=30°C</math><br />
*:<math>U_{ein}=12V</math><br />
*:<math>U_{aus}=5V</math><br />
*:<math>I=0,5A</math><br />
*'''Gesucht'''<br />
*:<math>R_{th(ha)}</math><br />
*'''Rechnung'''<br />
*:Zunächst muss die Verlustleistung am Regler berechnet werden. Diese beträgt<br />
*:<math>P_V=P_{Ein}-P_{Aus}=12V \cdot 0,5A~-~5V \cdot 0,5A=3,5 W</math>.<br />
*:Nun sind eigentlich auch schon alle Angaben vorhanden, sodass wir die Formel verwenden können.<br />
*:<math>R_{th(ha)}=\frac{\vartheta_{j}-\vartheta_{a}}{P_{V}}-R_{th(jc)}-R_{th(ch)}</math><br />
*:Einsetzen:<br />
*:<math>R_{th(ha)}=\frac{110°C-30°C}{3,5W}-5\frac{K}{W}-0,5\frac{K}{W} \approx 17,4\frac{K}{W}</math><br />
*'''Ergebnis'''<br />
*:Der Wärmewiderstand des Kühlkörpers darf maximal <math>17,4\frac{K}{W}</math> betragen.<br />
*'''Zusatz'''<br />
*:Aus dem Katalog wird ein Kühlkörper mit einem Wärmewiderstand von <math>10\frac{K}{W}</math> gewählt. Welche Temperatur erreicht der Kühlkörper, wenn er bei den gegebenen Bedingungen eingesetzt wird?<br />
*:<math>\vartheta_h=\vartheta_a+P_{V} \cdot R_{th(ha)}=30°C+3,5W \cdot 10 \frac{K}{W} \approx 65°C</math><br />
<br />
==Mehrere Bauteile auf einem gemeinsamen Kühlkörper==<br />
<br />
[[Bild:Therm-esb3.png|700px]]<br />
<br />
Thermisches Ersatzschaltbild: zwei Wärmequellen, gemeinsamer Kühlkörper<br />
<br />
Wird noch ausgebaut ...<br />
<br />
=Thermische Interface-Materialien (T.I.M.) und Montage=<br />
Wie bereits erwähnt, werden ICs in der Praxis nicht direkt auf einen Kühlkörper befestigt. Der Grund dafür ist folgender: Durch Unebenheiten und die rauhe Oberfläche von Kühlkörper und IC berühren sich die betreffenden Flächen unter dem Mikroskop gesehen nur minimal. Durch Lufteinschlüsse und die Tatsache, dass Luft ein schlechter Wärmeleiter ist, fällt in diesem Fall die thermische Anbindung des ICs an den Kühlkörper relativ schlecht aus.<br />
<br />
Zum Ausgleich der Unebenheiten eignet sich Wärmeleitpaste, welche dünn auf die Kontaktfläche aufgetragen wird. Es genügt eine sehr geringe Menge der Wärmeleitpaste, die Schichtdicke liegt in der Größenordnung 0,1mm. Die Aufgabe der Wärmeleitpaste ist, die Unebenheiten der Kontaktflächen auszugleichen. Zu viel Wärmeleitpaste erhöht wiederum den thermischen Übergangswiderstand. <br />
<br />
Ist zusätzlich eine elektrische Isolation zwischen IC und Kühlkörper erforderlich, können Glimmerscheiben (engl. mica) eingesetzt werden. Elektrische Isolation ist erforderlich, falls zum Beispiel mehrere Transistoren auf einen Kühlkörper montiert werden sollen und eine elektrische Verbindung der Kühlfahnen über den Kühlkörper zu Kurzschlüssen führen würde. Werden Glimmerscheiben verwendet, müssen diese beidseitig mit Wärmeleitpaste bestrichen werden, um sämtliche Unebenheiten auszugleichen. Die Glimmerscheiben werden zwischen IC und Kühlkörper eingebaut. Werden die ICs an den Kühlkörper geschraubt, muss auch die Schraube elektrisch isoliert werden. Hierfür sind entsprechende Hülsen aus Kunststoff erhältlich.<br />
<br />
Wärmeleitfolien aus Silikon /Gap-Filler<br />
<br />
BAUSTELLE<br />
<br />
Zur Montage der ICs auf dem Kühlkörper gibt es mehrere Möglichkeiten. Üblich sind Schraubmontage oder die Verwendung von Metallclips aus Federstahl. Der Anpressdruck durch die Montage kann die thermische Kopplung des ICs zum Kühlkörper beeinflussen. Die Metallclips haben den Vorteil, dass der Anpressdruck mit der Zeit nicht nachlässt.<br />
<br />
BAUSTELLE<br />
<br />
=Dynamisches Ersatzschaltbild=<br />
<br />
Bei den statischen Ersatzschaltbildern können zeitveränderliche Vorgänge nicht modelliert werden. Um auch den zeitlichen Verlauf der Temperaturen bei z.B. wechselnder Verlustleistung der Bauteile vorhersagen zu können, bedient man sich dem dynamischen Ersatzschaltbild. Dieses enthält neben den thermischen Widerständen auch Wärmekapazitäten. Durch thermische Widerstände und Wärmekapazitäten ergeben sich Zeitkonstanten bei der Erwärmung, sodass das Modell der Realität sehr nahe kommt.<br />
<br />
BAUSTELLE<br />
<br />
=Kühlkörperbauformen=<br />
* Board-Level-Kühlkörper (aufsteckbare/aufklebbare Kühlkörper, auch für SMD, meist 1 Kühlkörper pro IC)<br />
* Strang-/Profilkühlkörper (meist für hohe Leistungen)<br />
* Kühlaggregate (Kanal + Lüfter)<br />
<br />
Wozu eloxierte Oberflächen?<br />
* geringfügig höhere Wärmestrahlung (bei den niedrigen Temperaturen kaum ein Beitrag)<br />
* elektrische Isolation<br />
* Oberflächenschutz<br />
Nachteile:<br />
* erhöhte Wärmeaufnahme aus der unmittelbaren Umgebung!<br />
<br />
Stiftkühlkörper<br />
* hohe Oberfläche<br />
* bei dickem "Rücken"/"Boden" des Kühlkörpers gute Wärmespreizung<br />
* mit erzwungener Konvektion hohe Wärmeübertragung (quer zu den Stiften effektiver als in Stiftrichtung)<br />
* leichter und kompakter als Strangkühlkörper<br />
<br />
todo<br />
<br />
=Lüfter=<br />
Lüfter werden vor allem dann eingesetzt, wenn der Kühlkörper bei rein passiver Kühlung zur groß, zu schwer oder zu teuer wird. Beim Einsatz des Lüfters führt die erzwungene Luftströmung zur besseren Wärmeabgabe an die Luft. Bei gleicher Temperatur kann der Kühlkörper dann kleiner gewählt werden. Bei hohen Leistungen sind der kleinere Kühlkörper mit Lüfter preisgünstiger und kompakter als ein großer, rein passiver Kühlkörper. Um welchen Faktor die Wärmeableitung mit Lüfter verbessert wird, hängt von vielen Parametern ab und kann nicht pauschal angegeben werden.<br />
<br />
Vorteile<br />
* bessere Wärmeabgabe<br />
* Kühlkörper kann bei gleicher Temperatur kleiner, leichter und kostengünstiger werden<br />
* In kleinem Maßstab günstiger als Wasserkühlung o.ä.<br />
<br />
Nachteile<br />
* zusätzlicher Stromverbrauch<br />
* Geräuschentwicklung und Vibrationen<br />
* zusätzliche Kosten für Lüfter und dessen Montage<br />
* Im Falle eines unbemerkten Ausfalls kann die Schaltung überhitzen (Abhilfe: Thermostat, Temperaturfühler oder Tachosignal auswerten)<br />
<br />
Anordnungen:<br />
* Push-Prinzip: Der Lüfter bläst die Luft in den Kühlkörper/-kanal<br />
* Pull-Prinzip: Der Lüfter saugt die Luft aus dem Kühlkörper/-kanal heraus<br />
<br />
Kenngrößen:<br />
* Luftdurchsatz in <math>\frac{m^{3}}{h}</math><br />
* Nennspannung, Nennstrom, Nennleistung<br />
* Typ Axial/Radial<br />
* Größe<br />
* Geräuschpegel<br />
* Art der Lagerung (Kugellager, Sinterbronze-Lager etc.)<br />
* Temperaturbereich<br />
* Lebensdauer, MTBF<br />
<br />
=Entwärmung auf einer Platine=<br />
Beim Leiterplattenentwurf muss bereits in der Designphase abgeschätzt werden, welche Verlustleistungen auftreten und wie die entstehende Wärme abgeführt werden kann. Die Anordnung der Bauteile und die Gestaltung der Leiterbahnen hat Auswirkungen auf das thermische Verhalten. Die Einbaulage der Platine kann die Entwärmung zudem beeinflussen. Erwärmte Umgebungsluft steigt bekanntlich nach oben und kann andere Komponenten oder Platinen aufheizen. Wird die Platine in ein Gehäuse eingebaut, müssen gegebenenfalls Lüftungsschlitze eingebracht werden oder die zu kühlenden Bauteile an der Gehäusewand platziert werden. Bei geschlossenen Gehäusen muss bei der Kühlkörperdimensionierung mit höheren Umgebungstemperaturen gerechnet werden (z.B. 50°C, 60°C), da sich die Wärme zunächst im Gehäuse staut und nur allmählich durch die Gehäusewand abgegeben wird.<br />
<br />
==Bedrahtete Bauteile==<br />
Für bedrahtete Bauteilgehäuse wie z.B. TO-220 sind zahlreiche Kühlkörpervarianten erhältlich. Für Printmontage eignen sich Kühlkörper, die mit Lötstiften oder Schrauben an der Platine befestigt werden. Das Bauteil selbst wird mit einem Federclip oder einer Schraube am Kühlkörper montiert. Die Größe, Bauform und Befestigung des Kühlkörpers muss bereits beim Leiterplattenentwurf berücksichtigt werden. Leistungsdioden und Leistungswiderstände sind in den meisten Fällen für Konvektionskühlung ausgelegt, d.h. durch Luftströmung. Diese werden meist mit etwas Abstand von der Platinenoberfläche montiert, um die gesamte Bauteiloberfläche zur Kühlung nutzen zu können und um die Platine nicht unnötig aufzuheizen.<br />
<br />
Zur Verbesserung der Wärmeableitung kann, abgesehen vom Kühlkörper, auch die Platine bei der Wärmeverteilung helfen:<br />
* Breite Leiterbahnen können Wärme abführen und auf eine große Fläche verteilen<br />
* Eine dickere Kupferkaschierung kann die Wärmeableitung unterstützen (Standard sind 35µm, erhältlich sind auch 70µm und mehr), dies reduziert zudem die elektrischen Leiterbahnwiderstände<br />
* Mit einer großen Zahl von Durchkontaktierungen (vias) kann die Wärme auf andere Kupferlagen verteilt werden (der Platinenkern FR4 allein hat eine schlechte Wärmeleitfähigkeit)<br />
* Einsatz spezieller Platinenmaterialien (Alukern) z.B. bei Platinen für High-Power-LEDs<br />
* Für kleinere ICs mit Wärmeentwicklung eignen sich aufklebbare Kühlkörper<br />
<br />
Beim Entwurf der Platine muss den Bauteilen in der Nähe der Wärmequelle besondere Aufmerksamkeit geschenkt werden. Vor allem sind '''Elektrolytkondensatoren (Elkos)''' betroffen, da diese durch benachbarte Wärmequellen allmählich austrocknen und zum Ausfall der Schaltung führen können! Elkos sollten möglichst so platziert werden, dass sie eine geringe Temperatur und somit eine hohe Lebensdauer erreichen. Jedoch ist dies bei manchen Anwendungen nur eingeschränkt möglich. Beispielsweise sind bei Schaltreglern kurze Leiterschleifen erwünscht, um die elektromagnetische Verträglichkeit zu verbessern (Leiterschleifen wirken als Antenne) und um parasitäre Induktivitäten und Widerstände zu reduzieren. Der Einsatz hochwertiger Elkos mit geringem ESR, hoher Maximaltemperatur und Lebensdauer ist empfehlenswert. Zudem ist auf ausreichende Spannungsfestigkeit und geringe Rippleströme im Betrieb zu achten. Im Laufe der Betriebszeit sinkt die Kapazität des Elkos und die Verluste steigen. Die Lebensdauer der Elkos kann abgeschätzt werden. Die Hersteller geben idR. die Lebensdauer bei der spezifizierten Maximaltemperatur an, z.B. 5000h bei 105°C. Zur Abschätzung der Lebensdauer gilt hier auch die 10°C-Regel (laut Panasonic im Bereich 40°C bis 100°C), d.h. pro 10°C niedrigerer Betriebstemperatur verdoppelt sich die Lebensdauer des Elkos. Die erwartete Lebensdauer kann mit der folgenden Formel (Panasonic) abgeschätzt werden:<br />
<br />
<math>\Large L=L_{Tmax} \cdot 2^{\left( \frac{T_{max} - T}{10} \right)}</math><br />
<br />
'''Beispiel'''<br />
<br />
Ein Elko ist mit 5000h bei 105°C spezifiziert. Welche Lebensdauer wird bei einer Temperatur von 55°C erwartet?<br />
* Gegeben: <math>\large L_{Tmax}=5000h</math> , <math>\large T_{max}=105°C</math> , <math>\large T=55°C</math><br />
* Rechnung: <math>\large L=L_{Tmax} \cdot 2^{\left( \frac{T_{max} - T}{10} \right)}=5000h \cdot 2^{\left( \frac{105°C - 55°C}{10} \right)}=5000h \cdot 2^5=5000h \cdot 32=160000h</math><br />
* Ergebnis: Die Lebensdauer des Elkos beträgt unter diesen Bedingungen etwa 160000h, also über 18 Jahre Dauerbetrieb!<br />
* Bemerkung: Würde man z.B. einen billigen 2000h/85°C-Elko verwenden, würde dieser unter den gleichen Bedingungen keine 2 Jahre durchhalten!<br />
<br />
Liegt das Datenblatt des verwendeten Elkos vor, sollte man sich an die dort genannten Berechnungen und Zahlenwerte halten. Die gezeigte Berechnung ist nur eine Näherungsformel. Für weitere Verwendungshinweise sei auf die ''Application Guidelines'' für ''Radial Lead Type Aluminum Electrolytic Capacitors'' von ''Panasonic'' verwiesen (siehe Quellenangaben und Verweise am Seitenende).<br />
<br />
==SMD-Bauteile==<br />
SMD-Bauteile können meist über die Platine gut entwärmt werden. Dies ist normalerweise nur bei geringen Verlustleistungen möglich. Die Abwärme der Bauteile muss auf eine möglichst große Fläche verteilt werden, durch große Kupferflächen auf der Platine kann dies erreicht werden. Da die Wärmeleitfähigkeit der Kupferauflage deutlich höher ist als die Wärmeleitfähigkeit des Platinenmaterials FR4, wird sich die Wärme hauptsächlich in der Fläche verteilen, jedoch weniger ''durch'' die Platine hindurch. Um die Wärmeleitung durch die Platine (z.B. von Ober- zu Unterseite) zu erhöhen, müssen Durchkontaktierungen gesetzt werden. Sogenannte "Thermal Vias" werden in einer großen Anzahl an das zu entwärmende Bauteil gesetzt und können damit die Wärme zu anderen Kupferlagen der Platine weiterleiten. Die Wärmeleitung durch die Platine hindurch wird verbessert, liegt aber dennoch deutlich unter der Wärmeleitfähigkeit von reinem Kupfer. Thermische Vias können aufgrund ihrer kleinen Masse kaum einen Beitrag zur gesamten "Kühlmasse" beitragen. Ob schließlich eine Entwärmung durch die Platine ausreicht, muss durch Simulation oder Messung gezeigt werden.<br />
<br />
Welche Temperatur das Bauteil auf der Platine erreicht, kann nach dem Aufbau natürlich gemessen werden. Besser wäre es jedoch, die Temperaturen bereits beim Entwurf der Platine zu kennen, um einschätzen zu können, ob die Entwärmung ausreichend ist. Allgemeine Angaben hierfür sind schwer zu finden, jedoch gibt es vereinzelt Angaben in Datenblättern von Halbleitern zur Entwärmung. An den folgenden Zahlenwerten kann man sich orientieren, wenn man ähnliche Bauteile entwärmen möchte. Damit man für die genannten Flächen eine grobe Vorstellung hat, sei noch erwähnt: ein Cent hat eine Fläche von grob <math>200mm^2</math>, ein Euro hat grob <math>400mm^2</math>.<br />
<br />
Für SMD-Bauteile exisitieren Kühlkörper, die sich direkt auf die Platine löten lassen, diese sind auch maschinenbestückbar.<br />
<br />
'''TO263 (=D2PAK)'''<br />
<br />
Im Datenblatt des Schaltreglers LM2576 von ''National Semiconductor'' findet man für das TO263-Gehäuse einige Angaben. Das TO263-Gehäuse gleicht übrigens dem TO220 bis auf die Tatsache, dass die Kühlfahne kürzer ist und das Gehäuse für SMD-Montage vorgesehen ist. Das Datenblatt gibt thermische Widerstände für den Übergang Junction-Ambient an. Die Angabe ist abhängig von der Kupferfläche auf der Platine, die unmittelbar für das Bauteil aus Kühlkörper wirkt. Die Zahlenwerte aus dem Datenblatt wurden in Quadratmillimeter umgerechnet, gerundet und stehen nun in der Tabelle bereit. Keine Angaben macht der Hersteller zu den Rahmenbedingungen, unter denen die thermischen Widerstände ermittelt wurden (Platinendicke, Durchkontaktierungen, Form der Kupferfläche und Dicke der Kupferkaschierung). Dennoch können die Werte zur groben Orientierung dienen.<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
| Kupferfläche || therm. Widerstand<br />
|-<br />
| <math>325 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 50\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>645 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 37\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>1030 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 32\frac{K}{W} </math><br />
|}<br />
<br />
'''TO252 (=DPAK), SOT223'''<br />
<br />
Im Datenblatt des Low-Drop-Spannungsreglers LM1117 von ''National Semiconductor'' sind Angaben zur Entwärmung über die Platine von SOT223 und TO252-Gehäusen vorhanden. Der Hersteller gibt an, für das SOT223-Gehäuse eine 35µm dicke, und für das TO252-Gehäuse eine 70µm dicke Kupferkaschierung der Platine verwendet zu haben. Leider finden sich in diesem Datenblatt keine Informationen zu Durchkontaktierungen, Platinendicke, und ob das IC auf der Ober- oder Unterseite der Platine montiert wurde (Vermutung: oben montiert, da angegebene thermische Widerstände geringer sind). Der Hersteller hat drei Fälle untersucht: Kupferfläche oben, Kupferfläche unten, Kupferfläche beidseitig. Für das thermische Platinendesign kann man diese Zahlenwerte zumindest als Richtwerte verwenden. Das Datenblatt enthält zudem Zeichnungen der Kühlflächen. Die Zahlenwerte wurden wieder in Quadratmillimeter umgerechnet und gerundet und in die folgenden Tabelle eingetragen:<br />
<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
| Kupferfläche top || Kupferfläche bottom || therm. Widerstand SOT223 || therm. Widerstand TO252<br />
|-<br />
| <math> 200mm^2</math> || - || <math>R_{th(ja)}\approx 84\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 60\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math> 350mm^2</math> || - || <math>R_{th(ja)}\approx 75\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 54\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math> 650mm^2</math> || - || <math>R_{th(ja)}\approx 66\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 47\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| - || <math> 250mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 98\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 70\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| - || <math> 400mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 89\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 63\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| - || <math> 650mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 79\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 57\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math> 200mm^2</math> || <math> 200mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 83\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 61\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math> 250mm^2</math> || <math> 250mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 75\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 55\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math> 350mm^2</math> || <math> 350mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 70\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 53\frac{K}{W} </math><br />
|}<br />
<br />
'''SO8'''<br />
<br />
Für das SO8-Gehäuse findet man eine Angabe im Datenblatt des Spannungsreglers 78L05 von ''ST'':<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
| Kupferfläche || therm. Widerstand<br />
|-<br />
| <math>600 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 55\frac{K}{W} </math><br />
|}<br />
<br />
'''SO20'''<br />
<br />
Aus dem Datenblatt des L293DD sind Angaben zum SO20-Gehäuse enthalten. In diesem Falle sind 8 zentrale Pins an die Kühlfläche angebunden, die Kupferkaschierung ist vermutlich einseitig 35µm. Die groben Richtwerte sind:<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
| Kupferfläche || therm. Widerstand<br />
|-<br />
| <math>200 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 60\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>400 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 53\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>600 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 51\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>800 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 50\frac{K}{W} </math><br />
|}<br />
<br />
'''PowerDIP20'''<br />
<br />
Für das DIP20-Gehäuse wird man im Datenblatt des Motortreibers L6202 von ''ST'' fündig. Bei 35µm Kupferkaschierung der Platine ergeben sich die folgenden thermischen Widerstände.<br />
<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
| Kupferfläche || therm. Widerstand<br />
|-<br />
| <math>0 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 58\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>200 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 45\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>400 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 39\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>600 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 38\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>800 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 37\frac{K}{W} </math><br />
|}<br />
<br />
Für die Form der empfohlenen Kühlfläche sei auf das Datenblatt verwiesen. Wird das IC in einem Sockel verwendet, muss man sicherlich von höheren thermischen Widerständen ausgehen.<br />
<br />
'''AN-994'''<br />
<br />
In der ''Application Note AN-994 - Maximizing the Effectiveness of your SMD Assemblies'' von ''International Rectifier (IRF)'' sind weitere Daten vorhanden. Die dort genannten Daten sind jedoch teils drastisch niedriger als die hier genannten. Eine mögliche Erklärung sind z.B. die höhere Kupferauflage (70µm) oder evtl. optimierte Wärmewiderstände innerhalb der Gehäuse.<br />
<br />
'''Große Kupferflächen'''<br />
<br />
Im ''Application Hint 17 - Designing P.C. Board Heat Sinks - by Bob Wolbert (Micrel)'' werden Angaben zu thermischen Widerständen der Platine für vergleichsweise große Flächen gemacht. Die thermischen Widerstände beschreiben den Übergang <math>R_{th(ha)}</math> unter den Bedingungen: Quadratische Kupferfläche, einseitig, horizontal montiert, Lötstopplack, keine Belüftung. Die Dicke der Kupferkaschierung ist nicht angegeben. Hier einige Werte, abgelesen aus dem Diagramm der genannten Application Note:<br />
<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
| Kupferfläche || therm. Widerstand<br />
|-<br />
| <math>500 mm^2</math> || <math>R_{th(ha)}\approx 60\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>1000 mm^2</math> || <math>R_{th(ha)}\approx 45\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>1500 mm^2</math> || <math>R_{th(ha)}\approx 38\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>2000 mm^2</math> || <math>R_{th(ha)}\approx 33\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>2500 mm^2</math> || <math>R_{th(ha)}\approx 30\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>3000 mm^2</math> || <math>R_{th(ha)}\approx 28\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>4000 mm^2</math> || <math>R_{th(ha)}\approx 24\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>5000 mm^2</math> || <math>R_{th(ha)}\approx 22\frac{K}{W} </math><br />
|}<br />
<br />
<br />
'''Abschlusskommentar'''<br />
<br />
An den gezeigten, thermischen Widerständen sieht man leicht: je größer die Kühlfläche, desto geringer der thermische Widerstand. Dieses Verhalten würde man so auch erwarten.<br />
<br />
Ab einer bestimmten Fläche wird die Platine als Kühlkörper jedoch unhandlich, und man wird die Fläche nicht weiter vergrößern. Die mit den Kupferflächen erreichten thermischen Widerstände sind für viele Anwendungen noch deutlich zu hoch. Bei Verlustleistungen von wenigen Watt werden dadurch bereits kritische Chiptemperaturen erreicht. Wie bereits oben erwähnt, funktioniert die Entwärmung von SMD-Komponenten über die Platine also nur für kleine Verlustleistungen. Bei größeren Verlustleistungen müssen zusätzliche Entwärmungsmaßnahmen getroffen werden (z.B. aufklebbarer Kühlkörper, etc.). Zielführend ist auch, die Ursache der Erwärmung, nämlich die Verlustleistung zu verringern. Wird beispielsweise ein Linearregler durch einen effizienteren Schaltregler ersetzt, kann die Entwärmung aufgrund der kleineren Verlustleistung deutlich einfacher gestaltet werden. Ob die Verringerung der Verlustleistung möglich ist, hängt natürlich von der Anwendung ab.<br />
<br />
=Spezielle Kühlkörper=<br />
<br />
todo<br />
<br />
=Autoren=<br />
* BMS<br />
<br />
[[Kategorie:Elektronik]]<br />
[[Kategorie:Mechanik]] <br />
[[Kategorie:Praxis]] <br />
[[Kategorie:Grundlagen]]<br />
<br />
=Quellen und Verweise=<br />
<br />
Zeitschriftenartikel:<br />
<br />
* Best, Siegfried W.: ''Elektronikkühlung und Wärmemanagement von A bis Z''. In: Elektronikpraxis - Sonderheft Elektromechanik, April 2013. S. 20ff.<br />
* Best, Tobias: ''Thermisches Via, die kleine Schwester der Heatpipe''. In: Elektronikpraxis, April 2013. S. 12ff.<br />
* Erdmann, Marc: ''Beste Effizienz auch beim Thermal Management''. In: Elektronikpraxis - Sonderheft Leistungelektronik und Stromversorgung. März 2015. S. 38ff.<br />
* Kerstin, Nils; Schulz, Martin: ''Thermische Widerstände genau messen - eine Herausforderung''. In: Elektronikpraxis, Nr. 17, September 2014. S. 48ff.<br />
* K.R. (Alutronic): ''Stiftkühlkörper für die Leistungselektronik''. In: Elektronikpraxis Nr.9, Mai 2014. S. 50ff.<br />
* Harpain, Jürgen: ''Wärmeleitmaterial kompensiert Lufteinschlüsse''. In: Elektronikpraxis Nr.1, Januar 2014. S. 36ff.<br />
* Harpain, Jürgen: ''Entwärmungskonzepte für Einzelhalbleiter und ICs''. In: Elektronikpraxis - Sonderheft Elektromechanik, April 2014. S. 14ff.<br />
* Schulz, Martin: ''Fünf Fettnäpfchen beim Bestimmen thermischer Größen''. In: Elektronikpraxis, November 2013. S. 36ff.<br />
* Schulz, Martin: ''Mythen und Legenden über Wärmeleitmaterialien''. In: Elektronikpraxis Nr.2., Januar 2014. S. 42ff.<br />
<br />
----<br />
<br />
Datenblätter, aus denen thermische Widerstände entnommen wurden:<br />
<br />
* [http://pdf.datasheetcatalog.com/datasheet/nationalsemiconductor/DS011476.PDF Datenblatt LM2576 von National Semiconductor]<br />
* [http://pdf.datasheetcatalog.com/datasheet/nationalsemiconductor/LM1117.pdf Datenblatt LM1117 von National Semiconductor]<br />
* [http://pdf.datasheetcatalog.com/datasheets/150/9358_DS.pdf Datenblatt L78Lxx von ST]<br />
* [http://pdf.datasheetcatalog.com/datasheet/stmicroelectronics/1330.pdf Datenblatt L293DD von ST]<br />
* [http://pdf.datasheetcatalog.com/datasheet/stmicroelectronics/1373.pdf Datenblatt L6202 von ST]<br />
* [http://www.irf.com/technical-info/appnotes/an-994.pdf ''Application Note AN994 - Maximizing the Effectiveness of your SMD Assemblies'' - International Rectifier (IRF)]<br />
* [http://www.micrel.com/_PDF/App-Hints/ah-17.pdf ''Application Hint 17 - Designing P.C. Board Heat Sinks - by Bob Wolbert (Micrel)'']<br />
<br />
----<br />
<br />
Weblinks:<br />
<br />
* [http://stegem.de/Elektronik/Kuehlkoerper/ Online-Tool zur Kühlkörperberechnung von Gemmel, S.]<br />
* [http://ludens.cl/Electron/Thermal.html Thermal Design - von Mornhinweg, M.]<br />
* [http://sound.westhost.com/heatsinks.htm The Design of Heatsinks - von Elliot, R.]<br />
* [http://www.giangrandi.ch/electronics/thcalc/thcalc.shtml Calculating Heat sinks - von Giangrandi, I.]<br />
* [http://www.irf.com/technical-info/appnotes/an-1057.pdf Application Note AN-1057: Heatsink Characteristics von International Rectifier (IRF)]<br />
* [http://ww1.microchip.com/downloads/en/AppNotes/00792a.pdf Application Note AN792: A method to determine how much power a sot23 can dissipate in an application (Microchip Technology Inc. 2001)]<br />
* [http://www.fairchildsemi.com/application-notes/AN/AN-1028.pdf Application Note AN1028: Maximum Power Enhancement Techniques for SOT-223 Power MOSFETs (Fairchild Semiconductor 1996)]<br />
* [http://www.industrial.panasonic.com/www-data/pdf/ABA0000/ABA0000PE26.pdf Aluminium Electrolytic Capacitors - Application Guidelines (Panasonic 2015)]</div>BMShttps://rn-wissen.de/wiki/index.php?title=K%C3%BChlk%C3%B6rper&diff=26456Kühlkörper2015-07-05T07:33:42Z<p>BMS: Derating</p>
<hr />
<div>{{Baustelle|BMS}}<br />
<br />
Dieser Artikel behandelt die Grundlagen zu Kühlkörpern.<br />
<br />
[[Bild:kuehlkörper-uebersicht.jpg|thumb|Verschiedene Kühlkörper, links ein TO220-Gehäuse zum Größenvergleich]]<br />
<br />
=Einleitung=<br />
<br />
'''Wieso sind überhaupt Kühlkörper in technischen Geräten erforderlich?'''<br />
<br />
Kein Gerät kann einen 100-prozentigen Wirkungsgrad erzielen und somit tritt Verlustleistung auf. Diese Verlustleistung führt zur Erwärmung der Bauteile. Kühlkörper sollen die Entwärmung verbessern, indem die entstehende Wärme auf eine große Fläche verteilt wird und durch Konvektion an der Luft auskühlen kann. Die Temperatur an den heißen Bauteilen ist mit Kühlkörper geringer als ohne Kühlkörper.<br />
<br />
'''Wieso sind hohe Bauteiltemperaturen ungünstig?'''<br />
<br />
Die Lebensdauer aller elektronischen Bauteile ist stark von der Temperatur abhängig. Als Faustregel gilt: Eine Temperaturerhöhung um 10 Grad führt zur Halbierung der Lebensdauer. Außerdem gibt es Grenztemperaturen, die nicht überschritten werden dürfen. Beispielsweise dürfen Halbleiter keine Temperatur über 150°C erreichen. Extrembeispiele sind die Schmelztemperatur von Isolierungen, Lötzinn etc... sowie Brandgefahr durch hohe Temperaturen. Viele Bauteile können ohne vernünftige Kühlung nicht ihren vollen Funktionsumfang erreichen, liefern dann z.B. geringere Maximalströme oder es greift die Temperaturabschaltung. Anders formuliert: Die maximale Leistung eines Bauteils oder Geräts wird durch seine Entwärmung bestimmt! Zur eigenen Sicherheit bietet es sich zudem an, die Temperaturen niedrig zu halten, sodass man sich am Gerät nicht die Finger verbrennen kann ;)<br />
<br />
=Wärmeübertragung=<br />
Prinzipiell kann Wärmeübertragung über Wärmeleitung, Konvektion und Wärmestrahlung geschehen. In vielen Anwendungen treten mehrere Mechanismen gleichzeitig auf. Welcher Mechanismus hauptsächlich auftritt, ist von der mechanischen Anordnung, den Materialien und der Temperatur abhängig. Wärmeleitung und Konvektion sind die wichtigsten Arten der Wärmeübertragung, die in der Praxis auftreten. Nun zu den einzelnen Effekten:<br />
<br />
*'''Wärmeleitung'''<br />
*: Bei der Wärmeleitung wird die Wärme über einen direkten mechanischen Kontakt (Bsp. IC <math>\rightarrow</math>Kühlkörper) übertragen. Den beteiligten Materialien wird jeweils eine spezifische Wärmeleitfähigkeit <math>\lambda</math> zugeordnet, dazu später mehr.<br />
<br />
*'''Konvektion'''<br />
*: Mit Konvektion wird die Strömungsbewegung in Flüssigkeiten und Gasen bezeichnet. Praxisbeispiele sind die Wärmeabgabe eines Kühlkörpers an die Umgebungsluft oder auch eine Wasserkühlung. Von erzwungener Konvektion spricht man, wenn die Strömung durch z.B. einen Ventilator/Lüfter oder eine Wasserpumpe hervorgerufen wird. Im Vakuum kann keine Konvektion auftreten.<br />
<br />
*'''Wärmestrahlung'''<br />
*: Wärmestrahlung ist elektromagnetische Strahlung (hauptsächlich Infrarot und sichtbares Licht), die vom heißen Festkörper abgestrahlt wird. Sie wird erst bei höheren Temperaturen relevant und ist bei den üblichen Kühlkörpertemperaturen meist zu vernachlässigen. Erwähnt werden soll zudem, dass Wärmestrahlung der einzige Mechanismus der Wärmeleitung ist, welcher im Vakuum auftreten kann. (Für Details zu Wärmestrahlung siehe auch: Plancksches Strahlungsgesetz und Schwarzer Strahler).<br />
<br />
=Materialien=<br />
Jedes Material besitzt eine spezifische Wärmeleitfähigkeit, welche angibt, wie gut dieses Material Wärme weiter transportieren kann. Die spezifische Wärmeleitfähigkeit ist unabhängig von der Geometrie des Materials, wird mit der Größe <math>\lambda</math> (Lambda) ausgedrückt und erhält die Einheit <math>\frac{W}{m \cdot K}</math>.<br />
<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
|-<br />
| '''Material''' || '''<math>\lambda</math> in <math>\left[ \frac{W}{m \cdot K} \right]</math>'''<br />
|-<br />
| Silber || 430<br />
|-<br />
| Kupfer || 400<br />
|-<br />
| Aluminium || 230<br />
|-<br />
| Silizium || 140 <br />
|-<br />
| Wärmeleitpaste || 5 ... 10<br />
|-<br />
| Glas || 0,7<br />
|-<br />
| Wasser || 0,5<br />
|-<br />
| Platinenmaterial FR4 || 0,2 ... 0,5<br />
|-<br />
| Luft || 0,02<br />
|}<br />
<br />
Die meisten Kühlkörper werden aus Aluminiumlegierungen hergestellt. Für Aluminium spricht seine relativ hohe Wärmeleitfähigkeit, die hohe Verfügbarkeit und geringe Dichte. Im Vergleich zu Kupfer und Silber ist Aluminium deutlich kostengünstiger. Darüber hinaus lässt sich Aluminium mechanisch gut verarbeiten. Kupfer wird mit seiner höheren Wärmeleitfähigkeit z.B. bei Heatpipes eingesetzt.<br />
<br />
todo<br />
<br />
Wärmewiderstand <math>R_{th}=\frac{d}{\lambda \cdot A}</math><br />
<br />
d: Materialdicke, welche für die Wärmeleitung relevant ist<br />
<br />
<math>\lambda</math>spezifische Wärmeleitfähigkeit des Materials<br />
<br />
A: Querschnitts-/Kontaktfläche<br />
<br />
=Definitionen=<br />
Um vorauszusagen, wie sich die Temperaturen in einer Schaltung verhalten, bedient sich der Ingenieur - wie auch bei vielen anderen Anwendungen - eines Ersatzschaltbildes (ESB). Zur Erstellung eines thermischen Ersatzschaltbildes muss man sich aber zunächst mit den thermischen Größen vertraut machen.<br />
<br />
Die Temperaturen werden mit dem griechischen Buchstaben Theta <math>\theta</math> gekennzeichnet. Temperaturen werden in Grad Celsius (°C), Temperaturdifferenzen in Kelvin (K) angegeben. (Am Rande: Es existiert auch eine Kelvinskala mit dem absoluten Nullpunkt 0 K=-273,15°C). Die Temperaturen werden außerdem noch mit einem Index gekennzeichnet, abhängig von der mechanischen Stelle, an der sie auftreten:<br />
<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
|-<br />
| Symbol || Index || Bedeutung<br />
|-<br />
| <math>\vartheta_{J}</math> || J=Junction || Sperrschichttemperatur des Halbleiters<br />
|-<br />
| <math>\vartheta_{C}</math> || C=Case || Gehäusetemperatur des Bauteils<br />
|-<br />
| <math>\vartheta_{H}</math> || H=Heat Sink || Temperatur des Kühlkörpers<br />
|-<br />
| <math>\vartheta_{A}</math> || A=Ambient || Umgebungstemperatur<br />
|}<br />
<br />
Die Verlustleistung eines Bauteils beschreibt die Größe <math>P_{V}</math> und wird, wie allgemein bekannt, in Watt angegeben.<br />
<br />
Als neue Größe wird nun der thermische Widerstand eingeführt, dieser wird mit <math>R_{th}</math> beschrieben und bekommt die Einheit <math>\frac{K}{W}</math>. <br />
<br />
Für die thermischen Größen gibt es, ähnlich dem Ohmschen Gesetz, einen linearen Zusammenhang. Dieser lautet<br />
<br />
<math>R_{th}=\frac{\vartheta_{ü}}{P_{V}}</math><br />
<br />
todo<br />
<br />
'''Vergleich elektrischer und thermischer Größen'''<br />
<br />
Insgesamt können wir nun eine Analogie zwischen bekannten elektrischen Größen und den thermischen Größen angeben. Die schon gelernten Prinzipien zur Lösung linearer Netzwerke lässt sich auch bei den thermischen Ersatzschaltbildern anwenden.<br />
<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
|-<br />
| elektrisch || thermisch<br />
|-<br />
| Spannung U || Temperatur <math>\vartheta</math><br />
|-<br />
| Strom I || Verlustleistung <math>P_{V}</math><br />
|-<br />
| Widerstand R || thermischer Widerstand <math>R_{th}</math><br />
|}<br />
<br />
=Statisches Ersatzschaltbild=<br />
Mit den thermischen Zusammenhängen haben wir uns inzwischen vertraut gemacht. Nun können wir damit beginnen, thermische Ersatzschaltbilder von einfachen Anordnungen zu erstellen. Mit solchen Modellen können Temperaturen, wie z.B. die Chiptemperatur, vorab berechnet werden. Für die Berechnung müssen Wärmewiderstände, Umgebungstemperatur und Verlustleistung bekannt sein, da sie in die Berechnung einfließen.<br />
<br />
Bei den thermischen Ersatzschaltbildern kann man ein statisches oder ein dynamisches Ersatzschaltbild erstellen. Bei den statischen Ersatzschaltbilder wird davon ausgegangen, dass alle Größen zeitlich konstant sind, bzw. sofort ihre Solltemperatur entsprechend dem Modell annehmen. In der Realität dauert es natürlich eine gewisse Zeit, bis sich alle beteiligten Materialien aufgeheizt haben. Die Temperaturen des statischen Modells werden dabei erst nach einer bestimmten Zeit erreicht. <br />
<br />
Für die meisten Anwendungen genügt es jedoch, das statische thermische Ersatzschaltbild zu erstellen und den Kühlkörper dem entsprechend zu dimensionieren. Die Kühlung wird z.B. auf die maximale oder die mittlere auftretende Verlustleistung dimensioniert. Es wurde bereits erwähnt, dass sich die Bauteiltemperatur auf dessen Lebensdauer auswirkt. Dabei gilt: je niedriger die Bauteiltemperatur, desto länger die zu erwartende Lebensdauer. Je nach Anwendung und Rahmenbedingungen muss eventuell ein Kompromiss zwischen Kühlkörpergröße/kosten und Gerätelebensdauer gewählt werden. Beispielsweise kann der verfügbare Platz, ein Gesamtgewicht oder eine Kostenvorgabe begrenzender Faktor sein. Für einen dauerhaften sicheren Betrieb muss der Kühlkörper und weitere beteiligte Materialien für den worst case ausgelegt oder sogar überdimensioniert werden.<br />
<br />
==Bauteil ohne Kühlkörper==<br />
Um den Umgang mit den thermischen Ersatzschaltbildern zu lernen, soll zunächst mit einem einfachen Beispiel begonnen werden. In diesem Fall wird der Wärmeübergang von einem einzelnen Bauteil zu Luft betrachet, es kommt zunächst also noch kein Kühlkörper zum Einsatz. Das Ersatzschaltbild sieht in diesem Fall folgendermaßen aus:<br />
<br />
[[Bild:Therm-esb1.png|450px]]<br />
<br />
Die am Bauteil entstehende Verlustleistung ist Ursache der Abwärme und wird im thermischen Ersatzschaltbild als ideale Stromquelle modelliert.<br />
<br />
Die Abwärme gelangt nun über den Weg Sperrschicht (Junction) <math>\rightarrow</math> Bauteilgehäuse (Case) <math>\rightarrow</math> Umgebung (Ambient) nach außen. Im Ersatzschaltbild ist jeder Übergang als thermischer Widerstand modelliert. Die genauen Zahlenwerte der Wärmewiderstände lassen sich in der Regel dem Datenblatt des Bauteils entnehmen. Benötigt werden die Werte für <math>R_{th(jc)}</math> und <math>R_{th(ca)}</math>. In manchen Datenblättern findet man die Angabe <math>R_{th(ja)}</math>, was der Reihenschaltung aus den beiden vorher genannten Werten entspricht, also <math>R_{th(ja)}=R_{th(jc)}+R_{th(ca)}</math>.<br />
<br />
Die Umgebungstemperatur wird als ideale Spannungsquelle modelliert. Sämtliche Spannungen im Ersatzschaltbild entsprechen den auftretenden Temperaturen.<br />
<br />
Da es sich nun um ein lineares Netzwerk handelt, gelten hier ebenfalls die Kirchhoff'schen Gleichungen. Relativ leicht lässt sich nun die Temperatur am Bauteilgehäuse (Case) und der Sperrschicht (Junction) berechnen:<br />
<br />
<math>\vartheta_{c}=\vartheta_{a}+R_{th(ca)} \cdot P_{V}</math><br />
<br />
<math>\vartheta_{j}=\vartheta_{a}+R_{th(jc)} \cdot P_{V}+R_{th(ca)} \cdot P_{V}=\vartheta_{a}+(R_{th(jc)}+R_{th(ca)}) \cdot P_{V}=\vartheta_{a}+R_{th(ja)} \cdot P_{V}</math><br />
<br />
Da die thermischen Widerstände bei der Reihenschaltung auch zusammengefasst werden dürfen, beschreibt folgendes thermisches Ersatzschaltbild den gleichen Zusammenhang. Nachteil ist hier allerdings, dass die Temperatur am Gehäuse nicht modelliert wird.<br />
<br />
[[Bild:Therm-esb0.png|300px]]<br />
<br />
===Derating===<br />
<br />
Die Überlegungen zur Sperrschichttemperatur kann auch anders interpretiert werden. Gibt man die Sperrschichttemperatur vor, kann man die maximal erlaubte Verlustleistung des Bauteils in Abhängigkeit der Umgebungstemperatur bestimmen. Die folgende Formel erhält man aus Umformung der oberen Gleichung:<br />
<br />
<math>P_{V} \leq \frac{\vartheta_{j}-\vartheta_{a}}{R_{th(ja)}}</math><br />
<br />
Bei Halbleitern darf idR. die Sperrschichttemperatur nicht 150°C überschreiten. Der thermische Widerstand wird hauptsächlich durch das Gehäuse vorgegeben. Aus der Formel sieht man nun folgendes: Je höher die Umgebungstemperatur, desto geringer fällt die maximal erlaubte Verlustleistung aus. Diesen Zusammenhang bezeichnet man auch als '''Derating'''. Der typische Verlauf sieht meist so aus:<br />
<br />
[[Bild:Derating.png|300px]]<br />
<br />
Die Derating-Formel gilt im Bereich <math>\vartheta_{1} ... \vartheta_{max}</math>. Für Temperaturen unter <math>\vartheta_{1}</math> darf die Maximalleistung <math>P_{max}</math>des Bauteilgehäuses nicht überschritten werden. <math>\vartheta_{1}</math> liegt bei meist 25°C. Den genauen Verlauf kann man dem Datenblatt des betreffenden Bauteils entnehmen.<br />
<br />
===Beispielrechnung===<br />
<br />
Ein Spannungsregler vom Typ 7805 im TO220-Gehäuse soll ohne Kühlkörper betrieben werden. Wie hoch ist die maximal erlaubte Verlustleistung, wenn die Sperrschichttemperatur 120°C nicht überschreiten soll und die Umgebungstemperatur 25°C beträgt?<br />
<br />
Zunächst werfen wir einen Blick ins Datenblatt des Spannungsreglers und entnehmen die Angaben für die thermischen Widerstände. Dann halten wir alle gegebenen Größen fest:<br />
<br />
*'''Gegeben'''<br />
*:* <math>R_{th(jc)}=5 \frac{K}{W}</math> (aus dem Datenblatt)<br />
*:* <math>R_{th(ja)}=62 \frac{K}{W}</math> (aus dem Datenblatt)<br />
*:* <math>\vartheta_{j}=125°C</math><br />
*:* <math>\vartheta_{a}=25°C</math><br />
*'''Gesucht'''<br />
*:* <math>P_{v,max}</math><br />
*'''Rechnung'''<br />
*:Wir verwenden die Formel von oben und erhalten als Ergebnis<br />
*:<math>P_{V,max} = \frac{\vartheta_{j}-\vartheta_{a}}{R_{th(ja)}} = \frac{120°C-25°C}{62\frac{K}{W}} = \frac{95K}{62\frac{K}{W}} \approx 1,5 Watt</math><br />
*:Die maximal erlaubte Verlustleistung des Spannungsreglers ohne Kühlkörper darf demnach 1,5 Watt nicht überschreiten.<br />
*'''Zusatz'''<br />
*:Mit unserem Ersatzschaltbild können wir außerdem die Temperatur des Gehäuses (Case) des Spannungsreglers angeben. Dafür benötigen wir noch die Angabe <math>R_{th(ca)}</math>, welche allerdings im Datenblatt nicht angegeben ist.<br />
*:Da wir aber wissen, dass <math>R_{th(ja)}=R_{th(jc)}+R_{th(ca)}</math> gilt, können wir die fehlende Größe ausrechnen. Diese ist<br />
*:<math>R_{th(ca)}=R_{th(ja)}-R_{th(jc)}=62\frac{K}{W}-5\frac{K}{W}=57\frac{K}{W}</math>.<br />
*:Nun lässt sich die Gehäusetemperatur berechnen:<br />
*:<math>\vartheta_{c}=\vartheta_{a}+R_{th(ca)} \cdot P_{V}=25°C+57\frac{K}{W} \cdot 1,5 W \approx 111 °C</math><br />
*'''Bemerkung'''<br />
*:In der Praxis wird einem TO220-Gehäuse ungekühlt eine maximale Verlustleistung von 1 Watt zugerechnet. Die Temperaturen sind niedriger, die Lebensdauer des Bauteils höher.<br />
<br />
==Bauteil mit Kühlkörper und T.I.M.==<br />
<br />
Der Betrieb eines ICs ohne Kühlkörper, wie im vorigen Abschnitt beschrieben, funktioniert nur bei kleinen Leistungen und führt meist auch zu einer verringerten Lebensdauer des Bauteils. Viele Bauteile können ihre angegebenen Maximalwerte nur bei vernünftiger Kühlung erreichen. In diesem Abschnitt wird nun ein typisches Szenario mit Kühlkörperberechnung vorgestellt.<br />
<br />
Befassen wir uns zunächst mit der typischen mechanischen Anordnung. Das zu kühlende IC wird thermisch an einen Kühlkörper gekoppelt. In der Praxis wird man das IC aber nicht direkt auf dem Kühlkörper befestigen, sondern über ein sogenanntes ''thermisches Interface-Material'' (T.I.M.), um Unebenheiten und mechanische Abstände auszugleichen oder um für Insolierung zu sorgen. Details zum T.I.M. folgen im Unterabschnitt. Die typische Anordnung zeigt die folgende Abbildung.<br />
<br />
[[Bild:kuehlkoerper-anordnung.png|300px]]<br />
<br />
Folgende thermischen Widerstände treten hier in Kraft:<br />
*<math>R_{th(jc)}</math> für den Übergang Chip zu Bauteilgehäuse<br />
*<math>R_{th(ch)}</math> für den Übergang Bauteilgehäuse zu Kühlkörper (also über das T.I.M.)<br />
*<math>R_{th(ha)}</math> für den Übergang Kühlkörper zur Umgebung<br />
<br />
Aus diesen thermischen Widerständen wird ein thermisches Ersatzschaltbild angefertigt. Dieses zeigt die nächste Abbildung.<br />
<br />
[[Bild:Therm-esb2.png|700px]]<br />
<br />
Zunächst soll die Formel zur Berechnung der Chiptemperatur aufgestellt werden, die Formel erhält man wieder durch die Anwendung der Kirchhoffschen Gleichungen im Ersatzschaltbild.<br />
<br />
<math>\vartheta_{j}=\vartheta_{a}+(R_{th(jc)}+R_{th(ch)}+R_{th(ha)}) \cdot P_{V}</math><br />
<br />
Die Formel wird in der Praxis jedoch in einer anderen Form benötigt. Meist steht man als Entwickler vor der Aufgabe, den erforderlichen thermischen Widerstand <math>R_{th(ha)}</math> des Kühlkörpers zu bestimmen, sofern die Größen Umgebungstemperatur, Sperrschichttemperatur, Verlustleistung sowie die verbleibenden thermischen Widerstände gegeben sind. Anhand des berechneten Wärmewiderstands des Kühlkörpers können dann aus Produktkatalogen geeignete Kühlkörper bestimmt werden.<br />
<br />
Wir müssen dafür also die Gleichung nach <math>R_{th(ha)}</math> auflösen. Wir erhalten die praxisübliche Berechnungsformel:<br />
<br />
<math>R_{th(ha)}=\frac{\vartheta_{j}-\vartheta_{a}}{P_{V}}-R_{th(jc)}-R_{th(ch)}</math><br />
<br />
In manchen Quellen sind enthält diese Formel außerdem Korrekturfaktoren, die z.B. die Einbaulage o.ä. berücksichtigen können.<br />
<br />
===Beispielrechnung===<br />
<br />
Für einen Spannungsregler vom Typ 7805 im TO220-Gehäuse soll ein Kühlkörper dimensioniert werden. Die Eingangsspannung des Reglers beträgt 12V, die Ausgangsspannung von 5V wird mit 500mA belastet. Die Umgebungstemperatur sei 30°C. Der Spannungsregler wird mit Wärmeleitpaste auf dem Kühlkörper montiert, für diesen Wärmewiderstand wird 0,5 K/W angenommen. Welchen Wärmewiderstand darf der Kühlkörper höchstens haben, wenn als maximale Sperrschichttemperatur 110°C angenommen wird?<br />
<br />
Diese Aufgabe kann so durchaus in der Praxis auftreten. Von den vielen Angaben darf man sich zunächst nicht verunsichern lassen. Wir verwenden das gezeigte thermische Ersatzschaltbild. Für die Rechnung benötigen wir außerdem noch den thermischen Widerstand <math>R_{th(jc)}</math> aus dem Datenblatt.<br />
<br />
*'''Gegeben'''<br />
*:<math>R_{th(jc)}=5 \frac{K}{W}</math> (aus dem Datenblatt)<br />
*:<math>R_{th(ch)}=0,5 \frac{K}{W}</math><br />
*:<math>\vartheta_{j}=110°C</math><br />
*:<math>\vartheta_{a}=30°C</math><br />
*:<math>U_{ein}=12V</math><br />
*:<math>U_{aus}=5V</math><br />
*:<math>I=0,5A</math><br />
*'''Gesucht'''<br />
*:<math>R_{th(ha)}</math><br />
*'''Rechnung'''<br />
*:Zunächst muss die Verlustleistung am Regler berechnet werden. Diese beträgt<br />
*:<math>P_V=P_{Ein}-P_{Aus}=12V \cdot 0,5A~-~5V \cdot 0,5A=3,5 W</math>.<br />
*:Nun sind eigentlich auch schon alle Angaben vorhanden, sodass wir die Formel verwenden können.<br />
*:<math>R_{th(ha)}=\frac{\vartheta_{j}-\vartheta_{a}}{P_{V}}-R_{th(jc)}-R_{th(ch)}</math><br />
*:Einsetzen:<br />
*:<math>R_{th(ha)}=\frac{110°C-30°C}{3,5W}-5\frac{K}{W}-0,5\frac{K}{W} \approx 17,4\frac{K}{W}</math><br />
*'''Ergebnis'''<br />
*:Der Wärmewiderstand des Kühlkörpers darf maximal <math>17,4\frac{K}{W}</math> betragen.<br />
*'''Zusatz'''<br />
*:Aus dem Katalog wird ein Kühlkörper mit einem Wärmewiderstand von <math>10\frac{K}{W}</math> gewählt. Welche Temperatur erreicht der Kühlkörper, wenn er bei den gegebenen Bedingungen eingesetzt wird?<br />
*:<math>\vartheta_h=\vartheta_a+P_{V} \cdot R_{th(ha)}=30°C+3,5W \cdot 10 \frac{K}{W} \approx 65°C</math><br />
<br />
==Mehrere Bauteile auf einem gemeinsamen Kühlkörper==<br />
<br />
[[Bild:Therm-esb3.png|700px]]<br />
<br />
Thermisches Ersatzschaltbild: zwei Wärmequellen, gemeinsamer Kühlkörper<br />
<br />
Wird noch ausgebaut ...<br />
<br />
=Thermische Interface-Materialien (T.I.M.) und Montage=<br />
Wie bereits erwähnt, werden ICs in der Praxis nicht direkt auf einen Kühlkörper befestigt. Der Grund dafür ist folgender: Durch Unebenheiten und die rauhe Oberfläche von Kühlkörper und IC berühren sich die betreffenden Flächen unter dem Mikroskop gesehen nur minimal. Durch Lufteinschlüsse und die Tatsache, dass Luft ein schlechter Wärmeleiter ist, fällt in diesem Fall die thermische Anbindung des ICs an den Kühlkörper relativ schlecht aus.<br />
<br />
Zum Ausgleich der Unebenheiten eignet sich Wärmeleitpaste, welche dünn auf die Kontaktfläche aufgetragen wird. Es genügt eine sehr geringe Menge der Wärmeleitpaste, die Schichtdicke liegt in der Größenordnung 0,1mm. Die Aufgabe der Wärmeleitpaste ist, die Unebenheiten der Kontaktflächen auszugleichen. Zu viel Wärmeleitpaste erhöht wiederum den thermischen Übergangswiderstand. <br />
<br />
Ist zusätzlich eine elektrische Isolation zwischen IC und Kühlkörper erforderlich, können Glimmerscheiben (engl. mica) eingesetzt werden. Elektrische Isolation ist erforderlich, falls zum Beispiel mehrere Transistoren auf einen Kühlkörper montiert werden sollen und eine elektrische Verbindung der Kühlfahnen über den Kühlkörper zu Kurzschlüssen führen würde. Werden Glimmerscheiben verwendet, müssen diese beidseitig mit Wärmeleitpaste bestrichen werden, um sämtliche Unebenheiten auszugleichen. Die Glimmerscheiben werden zwischen IC und Kühlkörper eingebaut. Werden die ICs an den Kühlkörper geschraubt, muss auch die Schraube elektrisch isoliert werden. Hierfür sind entsprechende Hülsen aus Kunststoff erhältlich.<br />
<br />
Wärmeleitfolien aus Silikon /Gap-Filler<br />
<br />
BAUSTELLE<br />
<br />
Zur Montage der ICs auf dem Kühlkörper gibt es mehrere Möglichkeiten. Üblich sind Schraubmontage oder die Verwendung von Metallclips aus Federstahl. Der Anpressdruck durch die Montage kann die thermische Kopplung des ICs zum Kühlkörper beeinflussen. Die Metallclips haben den Vorteil, dass der Anpressdruck mit der Zeit nicht nachlässt.<br />
<br />
BAUSTELLE<br />
<br />
=Dynamisches Ersatzschaltbild=<br />
<br />
Bei den statischen Ersatzschaltbildern können zeitveränderliche Vorgänge nicht modelliert werden. Um auch den zeitlichen Verlauf der Temperaturen bei z.B. wechselnder Verlustleistung der Bauteile vorhersagen zu können, bedient man sich dem dynamischen Ersatzschaltbild. Dieses enthält neben den thermischen Widerständen auch Wärmekapazitäten. Durch thermische Widerstände und Wärmekapazitäten ergeben sich Zeitkonstanten bei der Erwärmung, sodass das Modell der Realität sehr nahe kommt.<br />
<br />
BAUSTELLE<br />
<br />
=Kühlkörperbauformen=<br />
* Board-Level-Kühlkörper (aufsteckbare/aufklebbare Kühlkörper, auch für SMD, meist 1 Kühlkörper pro IC)<br />
* Strang-/Profilkühlkörper (meist für hohe Leistungen)<br />
* Kühlaggregate (Kanal + Lüfter)<br />
<br />
Wozu eloxierte Oberflächen?<br />
* geringfügig höhere Wärmestrahlung (bei den niedrigen Temperaturen kaum ein Beitrag)<br />
* elektrische Isolation<br />
* Oberflächenschutz<br />
Nachteile:<br />
* erhöhte Wärmeaufnahme aus der unmittelbaren Umgebung!<br />
<br />
Stiftkühlkörper<br />
* hohe Oberfläche<br />
* bei dickem "Rücken"/"Boden" des Kühlkörpers gute Wärmespreizung<br />
* mit erzwungener Konvektion hohe Wärmeübertragung (quer zu den Stiften effektiver als in Stiftrichtung)<br />
* leichter und kompakter als Strangkühlkörper<br />
<br />
todo<br />
<br />
=Lüfter=<br />
Lüfter werden vor allem dann eingesetzt, wenn der Kühlkörper bei rein passiver Kühlung zur groß, zu schwer oder zu teuer wird. Beim Einsatz des Lüfters führt die erzwungene Luftströmung zur besseren Wärmeabgabe an die Luft. Bei gleicher Temperatur kann der Kühlkörper dann kleiner gewählt werden. Bei hohen Leistungen sind der kleinere Kühlkörper mit Lüfter preisgünstiger und kompakter als ein großer, rein passiver Kühlkörper. Um welchen Faktor die Wärmeableitung mit Lüfter verbessert wird, hängt von vielen Parametern ab und kann nicht pauschal angegeben werden.<br />
<br />
Vorteile<br />
* bessere Wärmeabgabe<br />
* Kühlkörper kann bei gleicher Temperatur kleiner, leichter und kostengünstiger werden<br />
* In kleinem Maßstab günstiger als Wasserkühlung o.ä.<br />
<br />
Nachteile<br />
* zusätzlicher Stromverbrauch<br />
* Geräuschentwicklung und Vibrationen<br />
* zusätzliche Kosten für Lüfter und dessen Montage<br />
* Im Falle eines unbemerkten Ausfalls kann die Schaltung überhitzen (Abhilfe: Thermostat, Temperaturfühler oder Tachosignal auswerten)<br />
<br />
Anordnungen:<br />
* Push-Prinzip: Der Lüfter bläst die Luft in den Kühlkörper/-kanal<br />
* Pull-Prinzip: Der Lüfter saugt die Luft aus dem Kühlkörper/-kanal heraus<br />
<br />
Kenngrößen:<br />
* Luftdurchsatz in <math>\frac{m^{3}}{h}</math><br />
* Nennspannung, Nennstrom, Nennleistung<br />
* Typ Axial/Radial<br />
* Größe<br />
* Geräuschpegel<br />
* Art der Lagerung (Kugellager, Sinterbronze-Lager etc.)<br />
* Temperaturbereich<br />
* Lebensdauer, MTBF<br />
<br />
=Entwärmung auf einer Platine=<br />
Beim Leiterplattenentwurf muss bereits in der Designphase abgeschätzt werden, welche Verlustleistungen auftreten und wie die entstehende Wärme abgeführt werden kann. Die Anordnung der Bauteile und die Gestaltung der Leiterbahnen hat Auswirkungen auf das thermische Verhalten. Die Einbaulage der Platine kann die Entwärmung zudem beeinflussen. Erwärmte Umgebungsluft steigt bekanntlich nach oben und kann andere Komponenten oder Platinen aufheizen. Wird die Platine in ein Gehäuse eingebaut, müssen gegebenenfalls Lüftungsschlitze eingebracht werden oder die zu kühlenden Bauteile an der Gehäusewand platziert werden. Bei geschlossenen Gehäusen muss bei der Kühlkörperdimensionierung mit höheren Umgebungstemperaturen gerechnet werden (z.B. 50°C, 60°C), da sich die Wärme zunächst im Gehäuse staut und nur allmählich durch die Gehäusewand abgegeben wird.<br />
<br />
==Bedrahtete Bauteile==<br />
Für bedrahtete Bauteilgehäuse wie z.B. TO-220 sind zahlreiche Kühlkörpervarianten erhältlich. Für Printmontage eignen sich Kühlkörper, die mit Lötstiften oder Schrauben an der Platine befestigt werden. Das Bauteil selbst wird mit einem Federclip oder einer Schraube am Kühlkörper montiert. Die Größe, Bauform und Befestigung des Kühlkörpers muss bereits beim Leiterplattenentwurf berücksichtigt werden. Leistungsdioden und Leistungswiderstände sind in den meisten Fällen für Konvektionskühlung ausgelegt, d.h. durch Luftströmung. Diese werden meist mit etwas Abstand von der Platinenoberfläche montiert, um die gesamte Bauteiloberfläche zur Kühlung nutzen zu können und um die Platine nicht unnötig aufzuheizen.<br />
<br />
Zur Verbesserung der Wärmeableitung kann, abgesehen vom Kühlkörper, auch die Platine bei der Wärmeverteilung helfen:<br />
* Breite Leiterbahnen können Wärme abführen und auf eine große Fläche verteilen<br />
* Eine dickere Kupferkaschierung kann die Wärmeableitung unterstützen (Standard sind 35µm, erhältlich sind auch 70µm und mehr), dies reduziert zudem die elektrischen Leiterbahnwiderstände<br />
* Mit einer großen Zahl von Durchkontaktierungen (vias) kann die Wärme auf andere Kupferlagen verteilt werden (der Platinenkern FR4 allein hat eine schlechte Wärmeleitfähigkeit)<br />
* Einsatz spezieller Platinenmaterialien (Alukern) z.B. bei Platinen für High-Power-LEDs<br />
* Für kleinere ICs mit Wärmeentwicklung eignen sich aufklebbare Kühlkörper<br />
<br />
Beim Entwurf der Platine muss den Bauteilen in der Nähe der Wärmequelle besondere Aufmerksamkeit geschenkt werden. Vor allem sind '''Elektrolytkondensatoren (Elkos)''' betroffen, da diese durch benachbarte Wärmequellen allmählich austrocknen und zum Ausfall der Schaltung führen können! Elkos sollten möglichst so platziert werden, dass sie eine geringe Temperatur und somit eine hohe Lebensdauer erreichen. Jedoch ist dies bei manchen Anwendungen nur eingeschränkt möglich. Beispielsweise sind bei Schaltreglern kurze Leiterschleifen erwünscht, um die elektromagnetische Verträglichkeit zu verbessern (Leiterschleifen wirken als Antenne) und um parasitäre Induktivitäten und Widerstände zu reduzieren. Der Einsatz hochwertiger Elkos mit geringem ESR, hoher Maximaltemperatur und Lebensdauer ist empfehlenswert. Zudem ist auf ausreichende Spannungsfestigkeit und geringe Rippleströme im Betrieb zu achten. Im Laufe der Betriebszeit sinkt die Kapazität des Elkos und die Verluste steigen. Die Lebensdauer der Elkos kann abgeschätzt werden. Die Hersteller geben idR. die Lebensdauer bei der spezifizierten Maximaltemperatur an, z.B. 5000h bei 105°C. Zur Abschätzung der Lebensdauer gilt hier auch die 10°C-Regel (laut Panasonic im Bereich 40°C bis 100°C), d.h. pro 10°C niedrigerer Betriebstemperatur verdoppelt sich die Lebensdauer des Elkos. Die erwartete Lebensdauer kann mit der folgenden Formel (Panasonic) abgeschätzt werden:<br />
<br />
<math>\Large L=L_{Tmax} \cdot 2^{\left( \frac{T_{max} - T}{10} \right)}</math><br />
<br />
'''Beispiel'''<br />
<br />
Ein Elko ist mit 5000h bei 105°C spezifiziert. Welche Lebensdauer wird bei einer Temperatur von 55°C erwartet?<br />
* Gegeben: <math>\large L_{Tmax}=5000h</math> , <math>\large T_{max}=105°C</math> , <math>\large T=55°C</math><br />
* Rechnung: <math>\large L=L_{Tmax} \cdot 2^{\left( \frac{T_{max} - T}{10} \right)}=5000h \cdot 2^{\left( \frac{105°C - 55°C}{10} \right)}=5000h \cdot 2^5=5000h \cdot 32=160000h</math><br />
* Ergebnis: Die Lebensdauer des Elkos beträgt unter diesen Bedingungen etwa 160000h, also über 18 Jahre Dauerbetrieb!<br />
* Bemerkung: Würde man z.B. einen billigen 2000h/85°C-Elko verwenden, würde dieser unter den gleichen Bedingungen keine 2 Jahre durchhalten!<br />
<br />
Liegt das Datenblatt des verwendeten Elkos vor, sollte man sich an die dort genannten Berechnungen und Zahlenwerte halten. Die gezeigte Berechnung ist nur eine Näherungsformel. Für weitere Verwendungshinweise sei auf die ''Application Guidelines'' für ''Radial Lead Type Aluminum Electrolytic Capacitors'' von ''Panasonic'' verwiesen (siehe Quellenangaben und Verweise am Seitenende).<br />
<br />
==SMD-Bauteile==<br />
SMD-Bauteile können meist über die Platine gut entwärmt werden. Dies ist normalerweise nur bei geringen Verlustleistungen möglich. Die Abwärme der Bauteile muss auf eine möglichst große Fläche verteilt werden, durch große Kupferflächen auf der Platine kann dies erreicht werden. Da die Wärmeleitfähigkeit der Kupferauflage deutlich höher ist als die Wärmeleitfähigkeit des Platinenmaterials FR4, wird sich die Wärme hauptsächlich in der Fläche verteilen, jedoch weniger ''durch'' die Platine hindurch. Um die Wärmeleitung durch die Platine (z.B. von Ober- zu Unterseite) zu erhöhen, müssen Durchkontaktierungen gesetzt werden. Sogenannte "Thermal Vias" werden in einer großen Anzahl an das zu entwärmende Bauteil gesetzt und können damit die Wärme zu anderen Kupferlagen der Platine weiterleiten. Die Wärmeleitung durch die Platine hindurch wird verbessert, liegt aber dennoch deutlich unter der Wärmeleitfähigkeit von reinem Kupfer. Thermische Vias können aufgrund ihrer kleinen Masse kaum einen Beitrag zur gesamten "Kühlmasse" beitragen. Ob schließlich eine Entwärmung durch die Platine ausreicht, muss durch Simulation oder Messung gezeigt werden.<br />
<br />
Welche Temperatur das Bauteil auf der Platine erreicht, kann nach dem Aufbau natürlich gemessen werden. Besser wäre es jedoch, die Temperaturen bereits beim Entwurf der Platine zu kennen, um einschätzen zu können, ob die Entwärmung ausreichend ist. Allgemeine Angaben hierfür sind schwer zu finden, jedoch gibt es vereinzelt Angaben in Datenblättern von Halbleitern zur Entwärmung. An den folgenden Zahlenwerten kann man sich orientieren, wenn man ähnliche Bauteile entwärmen möchte. Damit man für die genannten Flächen eine grobe Vorstellung hat, sei noch erwähnt: ein Cent hat eine Fläche von grob <math>200mm^2</math>, ein Euro hat grob <math>400mm^2</math>.<br />
<br />
Für SMD-Bauteile exisitieren Kühlkörper, die sich direkt auf die Platine löten lassen, diese sind auch maschinenbestückbar.<br />
<br />
'''TO263 (=D2PAK)'''<br />
<br />
Im Datenblatt des Schaltreglers LM2576 von ''National Semiconductor'' findet man für das TO263-Gehäuse einige Angaben. Das TO263-Gehäuse gleicht übrigens dem TO220 bis auf die Tatsache, dass die Kühlfahne kürzer ist und das Gehäuse für SMD-Montage vorgesehen ist. Das Datenblatt gibt thermische Widerstände für den Übergang Junction-Ambient an. Die Angabe ist abhängig von der Kupferfläche auf der Platine, die unmittelbar für das Bauteil aus Kühlkörper wirkt. Die Zahlenwerte aus dem Datenblatt wurden in Quadratmillimeter umgerechnet, gerundet und stehen nun in der Tabelle bereit. Keine Angaben macht der Hersteller zu den Rahmenbedingungen, unter denen die thermischen Widerstände ermittelt wurden (Platinendicke, Durchkontaktierungen, Form der Kupferfläche und Dicke der Kupferkaschierung). Dennoch können die Werte zur groben Orientierung dienen.<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
| Kupferfläche || therm. Widerstand<br />
|-<br />
| <math>325 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 50\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>645 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 37\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>1030 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 32\frac{K}{W} </math><br />
|}<br />
<br />
'''TO252 (=DPAK), SOT223'''<br />
<br />
Im Datenblatt des Low-Drop-Spannungsreglers LM1117 von ''National Semiconductor'' sind Angaben zur Entwärmung über die Platine von SOT223 und TO252-Gehäusen vorhanden. Der Hersteller gibt an, für das SOT223-Gehäuse eine 35µm dicke, und für das TO252-Gehäuse eine 70µm dicke Kupferkaschierung der Platine verwendet zu haben. Leider finden sich in diesem Datenblatt keine Informationen zu Durchkontaktierungen, Platinendicke, und ob das IC auf der Ober- oder Unterseite der Platine montiert wurde (Vermutung: oben montiert, da angegebene thermische Widerstände geringer sind). Der Hersteller hat drei Fälle untersucht: Kupferfläche oben, Kupferfläche unten, Kupferfläche beidseitig. Für das thermische Platinendesign kann man diese Zahlenwerte zumindest als Richtwerte verwenden. Das Datenblatt enthält zudem Zeichnungen der Kühlflächen. Die Zahlenwerte wurden wieder in Quadratmillimeter umgerechnet und gerundet und in die folgenden Tabelle eingetragen:<br />
<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
| Kupferfläche top || Kupferfläche bottom || therm. Widerstand SOT223 || therm. Widerstand TO252<br />
|-<br />
| <math> 200mm^2</math> || - || <math>R_{th(ja)}\approx 84\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 60\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math> 350mm^2</math> || - || <math>R_{th(ja)}\approx 75\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 54\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math> 650mm^2</math> || - || <math>R_{th(ja)}\approx 66\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 47\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| - || <math> 250mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 98\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 70\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| - || <math> 400mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 89\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 63\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| - || <math> 650mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 79\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 57\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math> 200mm^2</math> || <math> 200mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 83\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 61\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math> 250mm^2</math> || <math> 250mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 75\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 55\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math> 350mm^2</math> || <math> 350mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 70\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 53\frac{K}{W} </math><br />
|}<br />
<br />
Bei gleicher (projizierter) Fläche bring die beidseitige Kupferauflage erstaunlicherweise keinen niedrigeren thermischen Widerstand als wenn die Kupferauflage nur auf der Oberseite vorhanden ist. Vermutlich wurden bei der Messung keine Durchkontaktierungen (Vias) eingebracht oder die Fläche ist insgesamt zu klein, als dass sich ein Effekt zeigen würde.<br />
<br />
'''SO8'''<br />
<br />
Für das SO8-Gehäuse findet man eine Angabe im Datenblatt des Spannungsreglers 78L05 von ''ST'':<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
| Kupferfläche || therm. Widerstand<br />
|-<br />
| <math>600 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 55\frac{K}{W} </math><br />
|}<br />
<br />
'''SO20'''<br />
<br />
Aus dem Datenblatt des L293DD sind Angaben zum SO20-Gehäuse enthalten. In diesem Falle sind 8 zentrale Pins an die Kühlfläche angebunden, die Kupferkaschierung ist vermutlich einseitig 35µm. Die groben Richtwerte sind:<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
| Kupferfläche || therm. Widerstand<br />
|-<br />
| <math>200 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 60\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>400 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 53\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>600 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 51\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>800 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 50\frac{K}{W} </math><br />
|}<br />
<br />
'''PowerDIP20'''<br />
<br />
Für das DIP20-Gehäuse wird man im Datenblatt des Motortreibers L6202 von ''ST'' fündig. Bei 35µm Kupferkaschierung der Platine ergeben sich die folgenden thermischen Widerstände.<br />
<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
| Kupferfläche || therm. Widerstand<br />
|-<br />
| <math>0 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 58\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>200 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 45\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>400 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 39\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>600 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 38\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>800 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 37\frac{K}{W} </math><br />
|}<br />
<br />
Für die Form der empfohlenen Kühlfläche sei auf das Datenblatt verwiesen. Wird das IC in einem Sockel verwendet, muss man sicherlich von höheren thermischen Widerständen ausgehen.<br />
<br />
'''AN-994'''<br />
<br />
In der ''Application Note AN-994 - Maximizing the Effectiveness of your SMD Assemblies'' von ''International Rectifier (IRF)'' sind weitere Daten vorhanden. Die dort genannten Daten sind jedoch teils drastisch niedriger als die hier genannten. Eine mögliche Erklärung sind z.B. die höhere Kupferauflage (70µm) oder evtl. optimierte Wärmewiderstände innerhalb der Gehäuse.<br />
<br />
'''Große Kupferflächen'''<br />
<br />
Im ''Application Hint 17 - Designing P.C. Board Heat Sinks - by Bob Wolbert (Micrel)'' werden Angaben zu thermischen Widerständen der Platine für vergleichsweise große Flächen gemacht. Die thermischen Widerstände beschreiben den Übergang <math>R_{th(ha)}</math> unter den Bedingungen: Quadratische Kupferfläche, einseitig, horizontal montiert, Lötstopplack, keine Belüftung. Die Dicke der Kupferkaschierung ist nicht angegeben. Hier einige Werte, abgelesen aus dem Diagramm der genannten Application Note:<br />
<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
| Kupferfläche || therm. Widerstand<br />
|-<br />
| <math>500 mm^2</math> || <math>R_{th(ha)}\approx 60\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>1000 mm^2</math> || <math>R_{th(ha)}\approx 45\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>1500 mm^2</math> || <math>R_{th(ha)}\approx 38\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>2000 mm^2</math> || <math>R_{th(ha)}\approx 33\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>2500 mm^2</math> || <math>R_{th(ha)}\approx 30\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>3000 mm^2</math> || <math>R_{th(ha)}\approx 28\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>4000 mm^2</math> || <math>R_{th(ha)}\approx 24\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>5000 mm^2</math> || <math>R_{th(ha)}\approx 22\frac{K}{W} </math><br />
|}<br />
<br />
<br />
'''Abschlusskommentar'''<br />
<br />
An den gezeigten, thermischen Widerständen sieht man leicht: je größer die Kühlfläche, desto geringer der thermische Widerstand. Dieses Verhalten würde man so auch erwarten.<br />
<br />
Ab einer bestimmten Fläche wird die Platine als Kühlkörper jedoch unhandlich, und man wird die Fläche nicht weiter vergrößern. Die mit den Kupferflächen erreichten thermischen Widerstände sind für viele Anwendungen noch deutlich zu hoch. Bei Verlustleistungen von wenigen Watt werden dadurch bereits kritische Chiptemperaturen erreicht. Wie bereits oben erwähnt, funktioniert die Entwärmung von SMD-Komponenten über die Platine also nur für kleine Verlustleistungen. Bei größeren Verlustleistungen müssen zusätzliche Entwärmungsmaßnahmen getroffen werden (z.B. aufklebbarer Kühlkörper, etc.). Zielführend ist auch, die Ursache der Erwärmung, nämlich die Verlustleistung zu verringern. Wird beispielsweise ein Linearregler durch einen effizienteren Schaltregler ersetzt, kann die Entwärmung aufgrund der kleineren Verlustleistung deutlich einfacher gestaltet werden. Ob die Verringerung der Verlustleistung möglich ist, hängt natürlich von der Anwendung ab.<br />
<br />
=Spezielle Kühlkörper=<br />
<br />
todo<br />
<br />
=Autoren=<br />
* BMS<br />
<br />
[[Kategorie:Elektronik]]<br />
[[Kategorie:Mechanik]] <br />
[[Kategorie:Praxis]] <br />
[[Kategorie:Grundlagen]]<br />
<br />
=Quellen und Verweise=<br />
<br />
Zeitschriftenartikel:<br />
<br />
* Best, Siegfried W.: ''Elektronikkühlung und Wärmemanagement von A bis Z''. In: Elektronikpraxis - Sonderheft Elektromechanik, April 2013. S. 20ff.<br />
* Best, Tobias: ''Thermisches Via, die kleine Schwester der Heatpipe''. In: Elektronikpraxis, April 2013. S. 12ff.<br />
* Erdmann, Marc: ''Beste Effizienz auch beim Thermal Management''. In: Elektronikpraxis - Sonderheft Leistungelektronik und Stromversorgung. März 2015. S. 38ff.<br />
* Kerstin, Nils; Schulz, Martin: ''Thermische Widerstände genau messen - eine Herausforderung''. In: Elektronikpraxis, Nr. 17, September 2014. S. 48ff.<br />
* K.R. (Alutronic): ''Stiftkühlkörper für die Leistungselektronik''. In: Elektronikpraxis Nr.9, Mai 2014. S. 50ff.<br />
* Harpain, Jürgen: ''Wärmeleitmaterial kompensiert Lufteinschlüsse''. In: Elektronikpraxis Nr.1, Januar 2014. S. 36ff.<br />
* Harpain, Jürgen: ''Entwärmungskonzepte für Einzelhalbleiter und ICs''. In: Elektronikpraxis - Sonderheft Elektromechanik, April 2014. S. 14ff.<br />
* Schulz, Martin: ''Fünf Fettnäpfchen beim Bestimmen thermischer Größen''. In: Elektronikpraxis, November 2013. S. 36ff.<br />
* Schulz, Martin: ''Mythen und Legenden über Wärmeleitmaterialien''. In: Elektronikpraxis Nr.2., Januar 2014. S. 42ff.<br />
<br />
----<br />
<br />
Datenblätter, aus denen thermische Widerstände entnommen wurden:<br />
<br />
* [http://pdf.datasheetcatalog.com/datasheet/nationalsemiconductor/DS011476.PDF Datenblatt LM2576 von National Semiconductor]<br />
* [http://pdf.datasheetcatalog.com/datasheet/nationalsemiconductor/LM1117.pdf Datenblatt LM1117 von National Semiconductor]<br />
* [http://pdf.datasheetcatalog.com/datasheets/150/9358_DS.pdf Datenblatt L78Lxx von ST]<br />
* [http://pdf.datasheetcatalog.com/datasheet/stmicroelectronics/1330.pdf Datenblatt L293DD von ST]<br />
* [http://pdf.datasheetcatalog.com/datasheet/stmicroelectronics/1373.pdf Datenblatt L6202 von ST]<br />
* [http://www.irf.com/technical-info/appnotes/an-994.pdf ''Application Note AN994 - Maximizing the Effectiveness of your SMD Assemblies'' - International Rectifier (IRF)]<br />
* [http://www.micrel.com/_PDF/App-Hints/ah-17.pdf ''Application Hint 17 - Designing P.C. Board Heat Sinks - by Bob Wolbert (Micrel)'']<br />
<br />
----<br />
<br />
Weblinks:<br />
<br />
* [http://stegem.de/Elektronik/Kuehlkoerper/ Online-Tool zur Kühlkörperberechnung von Gemmel, S.]<br />
* [http://ludens.cl/Electron/Thermal.html Thermal Design - von Mornhinweg, M.]<br />
* [http://sound.westhost.com/heatsinks.htm The Design of Heatsinks - von Elliot, R.]<br />
* [http://www.giangrandi.ch/electronics/thcalc/thcalc.shtml Calculating Heat sinks - von Giangrandi, I.]<br />
* [http://www.irf.com/technical-info/appnotes/an-1057.pdf Application Note AN-1057: Heatsink Characteristics von International Rectifier (IRF)]<br />
* [http://ww1.microchip.com/downloads/en/AppNotes/00792a.pdf Application Note AN792: A method to determine how much power a sot23 can dissipate in an application (Microchip Technology Inc. 2001)]<br />
* [http://www.fairchildsemi.com/application-notes/AN/AN-1028.pdf Application Note AN1028: Maximum Power Enhancement Techniques for SOT-223 Power MOSFETs (Fairchild Semiconductor 1996)]<br />
* [http://www.industrial.panasonic.com/www-data/pdf/ABA0000/ABA0000PE26.pdf Aluminium Electrolytic Capacitors - Application Guidelines (Panasonic 2015)]</div>BMShttps://rn-wissen.de/wiki/index.php?title=Datei:Derating.png&diff=26455Datei:Derating.png2015-07-05T07:25:55Z<p>BMS: typische Derating-Kurve; eigene Zeichnung (BMS)</p>
<hr />
<div>typische Derating-Kurve; eigene Zeichnung (BMS)</div>BMShttps://rn-wissen.de/wiki/index.php?title=K%C3%BChlk%C3%B6rper&diff=26454Kühlkörper2015-07-05T07:24:53Z<p>BMS: Bild ist verschwunden, neu hochgeladen und eingebaut</p>
<hr />
<div>{{Baustelle|BMS}}<br />
<br />
Dieser Artikel behandelt die Grundlagen zu Kühlkörpern.<br />
<br />
[[Bild:kuehlkörper-uebersicht.jpg|thumb|Verschiedene Kühlkörper, links ein TO220-Gehäuse zum Größenvergleich]]<br />
<br />
=Einleitung=<br />
<br />
'''Wieso sind überhaupt Kühlkörper in technischen Geräten erforderlich?'''<br />
<br />
Kein Gerät kann einen 100-prozentigen Wirkungsgrad erzielen und somit tritt Verlustleistung auf. Diese Verlustleistung führt zur Erwärmung der Bauteile. Kühlkörper sollen die Entwärmung verbessern, indem die entstehende Wärme auf eine große Fläche verteilt wird und durch Konvektion an der Luft auskühlen kann. Die Temperatur an den heißen Bauteilen ist mit Kühlkörper geringer als ohne Kühlkörper.<br />
<br />
'''Wieso sind hohe Bauteiltemperaturen ungünstig?'''<br />
<br />
Die Lebensdauer aller elektronischen Bauteile ist stark von der Temperatur abhängig. Als Faustregel gilt: Eine Temperaturerhöhung um 10 Grad führt zur Halbierung der Lebensdauer. Außerdem gibt es Grenztemperaturen, die nicht überschritten werden dürfen. Beispielsweise dürfen Halbleiter keine Temperatur über 150°C erreichen. Extrembeispiele sind die Schmelztemperatur von Isolierungen, Lötzinn etc... sowie Brandgefahr durch hohe Temperaturen. Viele Bauteile können ohne vernünftige Kühlung nicht ihren vollen Funktionsumfang erreichen, liefern dann z.B. geringere Maximalströme oder es greift die Temperaturabschaltung. Anders formuliert: Die maximale Leistung eines Bauteils oder Geräts wird durch seine Entwärmung bestimmt! Zur eigenen Sicherheit bietet es sich zudem an, die Temperaturen niedrig zu halten, sodass man sich am Gerät nicht die Finger verbrennen kann ;)<br />
<br />
=Wärmeübertragung=<br />
Prinzipiell kann Wärmeübertragung über Wärmeleitung, Konvektion und Wärmestrahlung geschehen. In vielen Anwendungen treten mehrere Mechanismen gleichzeitig auf. Welcher Mechanismus hauptsächlich auftritt, ist von der mechanischen Anordnung, den Materialien und der Temperatur abhängig. Wärmeleitung und Konvektion sind die wichtigsten Arten der Wärmeübertragung, die in der Praxis auftreten. Nun zu den einzelnen Effekten:<br />
<br />
*'''Wärmeleitung'''<br />
*: Bei der Wärmeleitung wird die Wärme über einen direkten mechanischen Kontakt (Bsp. IC <math>\rightarrow</math>Kühlkörper) übertragen. Den beteiligten Materialien wird jeweils eine spezifische Wärmeleitfähigkeit <math>\lambda</math> zugeordnet, dazu später mehr.<br />
<br />
*'''Konvektion'''<br />
*: Mit Konvektion wird die Strömungsbewegung in Flüssigkeiten und Gasen bezeichnet. Praxisbeispiele sind die Wärmeabgabe eines Kühlkörpers an die Umgebungsluft oder auch eine Wasserkühlung. Von erzwungener Konvektion spricht man, wenn die Strömung durch z.B. einen Ventilator/Lüfter oder eine Wasserpumpe hervorgerufen wird. Im Vakuum kann keine Konvektion auftreten.<br />
<br />
*'''Wärmestrahlung'''<br />
*: Wärmestrahlung ist elektromagnetische Strahlung (hauptsächlich Infrarot und sichtbares Licht), die vom heißen Festkörper abgestrahlt wird. Sie wird erst bei höheren Temperaturen relevant und ist bei den üblichen Kühlkörpertemperaturen meist zu vernachlässigen. Erwähnt werden soll zudem, dass Wärmestrahlung der einzige Mechanismus der Wärmeleitung ist, welcher im Vakuum auftreten kann. (Für Details zu Wärmestrahlung siehe auch: Plancksches Strahlungsgesetz und Schwarzer Strahler).<br />
<br />
=Materialien=<br />
Jedes Material besitzt eine spezifische Wärmeleitfähigkeit, welche angibt, wie gut dieses Material Wärme weiter transportieren kann. Die spezifische Wärmeleitfähigkeit ist unabhängig von der Geometrie des Materials, wird mit der Größe <math>\lambda</math> (Lambda) ausgedrückt und erhält die Einheit <math>\frac{W}{m \cdot K}</math>.<br />
<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
|-<br />
| '''Material''' || '''<math>\lambda</math> in <math>\left[ \frac{W}{m \cdot K} \right]</math>'''<br />
|-<br />
| Silber || 430<br />
|-<br />
| Kupfer || 400<br />
|-<br />
| Aluminium || 230<br />
|-<br />
| Silizium || 140 <br />
|-<br />
| Wärmeleitpaste || 5 ... 10<br />
|-<br />
| Glas || 0,7<br />
|-<br />
| Wasser || 0,5<br />
|-<br />
| Platinenmaterial FR4 || 0,2 ... 0,5<br />
|-<br />
| Luft || 0,02<br />
|}<br />
<br />
Die meisten Kühlkörper werden aus Aluminiumlegierungen hergestellt. Für Aluminium spricht seine relativ hohe Wärmeleitfähigkeit, die hohe Verfügbarkeit und geringe Dichte. Im Vergleich zu Kupfer und Silber ist Aluminium deutlich kostengünstiger. Darüber hinaus lässt sich Aluminium mechanisch gut verarbeiten. Kupfer wird mit seiner höheren Wärmeleitfähigkeit z.B. bei Heatpipes eingesetzt.<br />
<br />
todo<br />
<br />
Wärmewiderstand <math>R_{th}=\frac{d}{\lambda \cdot A}</math><br />
<br />
d: Materialdicke, welche für die Wärmeleitung relevant ist<br />
<br />
<math>\lambda</math>spezifische Wärmeleitfähigkeit des Materials<br />
<br />
A: Querschnitts-/Kontaktfläche<br />
<br />
=Definitionen=<br />
Um vorauszusagen, wie sich die Temperaturen in einer Schaltung verhalten, bedient sich der Ingenieur - wie auch bei vielen anderen Anwendungen - eines Ersatzschaltbildes (ESB). Zur Erstellung eines thermischen Ersatzschaltbildes muss man sich aber zunächst mit den thermischen Größen vertraut machen.<br />
<br />
Die Temperaturen werden mit dem griechischen Buchstaben Theta <math>\theta</math> gekennzeichnet. Temperaturen werden in Grad Celsius (°C), Temperaturdifferenzen in Kelvin (K) angegeben. (Am Rande: Es existiert auch eine Kelvinskala mit dem absoluten Nullpunkt 0 K=-273,15°C). Die Temperaturen werden außerdem noch mit einem Index gekennzeichnet, abhängig von der mechanischen Stelle, an der sie auftreten:<br />
<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
|-<br />
| Symbol || Index || Bedeutung<br />
|-<br />
| <math>\vartheta_{J}</math> || J=Junction || Sperrschichttemperatur des Halbleiters<br />
|-<br />
| <math>\vartheta_{C}</math> || C=Case || Gehäusetemperatur des Bauteils<br />
|-<br />
| <math>\vartheta_{H}</math> || H=Heat Sink || Temperatur des Kühlkörpers<br />
|-<br />
| <math>\vartheta_{A}</math> || A=Ambient || Umgebungstemperatur<br />
|}<br />
<br />
Die Verlustleistung eines Bauteils beschreibt die Größe <math>P_{V}</math> und wird, wie allgemein bekannt, in Watt angegeben.<br />
<br />
Als neue Größe wird nun der thermische Widerstand eingeführt, dieser wird mit <math>R_{th}</math> beschrieben und bekommt die Einheit <math>\frac{K}{W}</math>. <br />
<br />
Für die thermischen Größen gibt es, ähnlich dem Ohmschen Gesetz, einen linearen Zusammenhang. Dieser lautet<br />
<br />
<math>R_{th}=\frac{\vartheta_{ü}}{P_{V}}</math><br />
<br />
todo<br />
<br />
'''Vergleich elektrischer und thermischer Größen'''<br />
<br />
Insgesamt können wir nun eine Analogie zwischen bekannten elektrischen Größen und den thermischen Größen angeben. Die schon gelernten Prinzipien zur Lösung linearer Netzwerke lässt sich auch bei den thermischen Ersatzschaltbildern anwenden.<br />
<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
|-<br />
| elektrisch || thermisch<br />
|-<br />
| Spannung U || Temperatur <math>\vartheta</math><br />
|-<br />
| Strom I || Verlustleistung <math>P_{V}</math><br />
|-<br />
| Widerstand R || thermischer Widerstand <math>R_{th}</math><br />
|}<br />
<br />
=Statisches Ersatzschaltbild=<br />
Mit den thermischen Zusammenhängen haben wir uns inzwischen vertraut gemacht. Nun können wir damit beginnen, thermische Ersatzschaltbilder von einfachen Anordnungen zu erstellen. Mit solchen Modellen können Temperaturen, wie z.B. die Chiptemperatur, vorab berechnet werden. Für die Berechnung müssen Wärmewiderstände, Umgebungstemperatur und Verlustleistung bekannt sein, da sie in die Berechnung einfließen.<br />
<br />
Bei den thermischen Ersatzschaltbildern kann man ein statisches oder ein dynamisches Ersatzschaltbild erstellen. Bei den statischen Ersatzschaltbilder wird davon ausgegangen, dass alle Größen zeitlich konstant sind, bzw. sofort ihre Solltemperatur entsprechend dem Modell annehmen. In der Realität dauert es natürlich eine gewisse Zeit, bis sich alle beteiligten Materialien aufgeheizt haben. Die Temperaturen des statischen Modells werden dabei erst nach einer bestimmten Zeit erreicht. <br />
<br />
Für die meisten Anwendungen genügt es jedoch, das statische thermische Ersatzschaltbild zu erstellen und den Kühlkörper dem entsprechend zu dimensionieren. Die Kühlung wird z.B. auf die maximale oder die mittlere auftretende Verlustleistung dimensioniert. Es wurde bereits erwähnt, dass sich die Bauteiltemperatur auf dessen Lebensdauer auswirkt. Dabei gilt: je niedriger die Bauteiltemperatur, desto länger die zu erwartende Lebensdauer. Je nach Anwendung und Rahmenbedingungen muss eventuell ein Kompromiss zwischen Kühlkörpergröße/kosten und Gerätelebensdauer gewählt werden. Beispielsweise kann der verfügbare Platz, ein Gesamtgewicht oder eine Kostenvorgabe begrenzender Faktor sein. Für einen dauerhaften sicheren Betrieb muss der Kühlkörper und weitere beteiligte Materialien für den worst case ausgelegt oder sogar überdimensioniert werden.<br />
<br />
==Bauteil ohne Kühlkörper==<br />
Um den Umgang mit den thermischen Ersatzschaltbildern zu lernen, soll zunächst mit einem einfachen Beispiel begonnen werden. In diesem Fall wird der Wärmeübergang von einem einzelnen Bauteil zu Luft betrachet, es kommt zunächst also noch kein Kühlkörper zum Einsatz. Das Ersatzschaltbild sieht in diesem Fall folgendermaßen aus:<br />
<br />
[[Bild:Therm-esb1.png|450px]]<br />
<br />
Die am Bauteil entstehende Verlustleistung ist Ursache der Abwärme und wird im thermischen Ersatzschaltbild als ideale Stromquelle modelliert.<br />
<br />
Die Abwärme gelangt nun über den Weg Sperrschicht (Junction) <math>\rightarrow</math> Bauteilgehäuse (Case) <math>\rightarrow</math> Umgebung (Ambient) nach außen. Im Ersatzschaltbild ist jeder Übergang als thermischer Widerstand modelliert. Die genauen Zahlenwerte der Wärmewiderstände lassen sich in der Regel dem Datenblatt des Bauteils entnehmen. Benötigt werden die Werte für <math>R_{th(jc)}</math> und <math>R_{th(ca)}</math>. In manchen Datenblättern findet man die Angabe <math>R_{th(ja)}</math>, was der Reihenschaltung aus den beiden vorher genannten Werten entspricht, also <math>R_{th(ja)}=R_{th(jc)}+R_{th(ca)}</math>.<br />
<br />
Die Umgebungstemperatur wird als ideale Spannungsquelle modelliert. Sämtliche Spannungen im Ersatzschaltbild entsprechen den auftretenden Temperaturen.<br />
<br />
Da es sich nun um ein lineares Netzwerk handelt, gelten hier ebenfalls die Kirchhoff'schen Gleichungen. Relativ leicht lässt sich nun die Temperatur am Bauteilgehäuse (Case) und der Sperrschicht (Junction) berechnen:<br />
<br />
<math>\vartheta_{c}=\vartheta_{a}+R_{th(ca)} \cdot P_{V}</math><br />
<br />
<math>\vartheta_{j}=\vartheta_{a}+R_{th(jc)} \cdot P_{V}+R_{th(ca)} \cdot P_{V}=\vartheta_{a}+(R_{th(jc)}+R_{th(ca)}) \cdot P_{V}=\vartheta_{a}+R_{th(ja)} \cdot P_{V}</math><br />
<br />
Da die thermischen Widerstände bei der Reihenschaltung auch zusammengefasst werden dürfen, beschreibt folgendes thermisches Ersatzschaltbild den gleichen Zusammenhang. Nachteil ist hier allerdings, dass die Temperatur am Gehäuse nicht modelliert wird.<br />
<br />
[[Bild:Therm-esb0.png|300px]]<br />
<br />
Die Überlegungen zur Sperrschichttemperatur kann auch anders interpretiert werden. Gibt man die Sperrschichttemperatur vor, kann man die maximal erlaubte Verlustleistung des Bauteils in Abhängigkeit der Umgebungstemperatur bestimmen. Die folgende Formel erhält man aus Umformung der oberen Gleichung:<br />
<br />
<math>P_{V} \leq \frac{\vartheta_{j}-\vartheta_{a}}{R_{th(ja)}}</math><br />
<br />
Bei Halbleitern darf idR. die Sperrschichttemperatur nicht 150°C überschreiten. Der thermische Widerstand wird hauptsächlich durch das Gehäuse vorgegeben. Aus der Formel sieht man nun folgendes: Je höher die Umgebungstemperatur, desto geringer fällt die maximal erlaubte Verlustleistung aus. Diesen Zusammenhang bezeichnet man auch als '''Derating'''.<br />
<br />
===Beispielrechnung===<br />
<br />
Ein Spannungsregler vom Typ 7805 im TO220-Gehäuse soll ohne Kühlkörper betrieben werden. Wie hoch ist die maximal erlaubte Verlustleistung, wenn die Sperrschichttemperatur 120°C nicht überschreiten soll und die Umgebungstemperatur 25°C beträgt?<br />
<br />
Zunächst werfen wir einen Blick ins Datenblatt des Spannungsreglers und entnehmen die Angaben für die thermischen Widerstände. Dann halten wir alle gegebenen Größen fest:<br />
<br />
*'''Gegeben'''<br />
*:* <math>R_{th(jc)}=5 \frac{K}{W}</math> (aus dem Datenblatt)<br />
*:* <math>R_{th(ja)}=62 \frac{K}{W}</math> (aus dem Datenblatt)<br />
*:* <math>\vartheta_{j}=125°C</math><br />
*:* <math>\vartheta_{a}=25°C</math><br />
*'''Gesucht'''<br />
*:* <math>P_{v,max}</math><br />
*'''Rechnung'''<br />
*:Wir verwenden die Formel von oben und erhalten als Ergebnis<br />
*:<math>P_{V,max} = \frac{\vartheta_{j}-\vartheta_{a}}{R_{th(ja)}} = \frac{120°C-25°C}{62\frac{K}{W}} = \frac{95K}{62\frac{K}{W}} \approx 1,5 Watt</math><br />
*:Die maximal erlaubte Verlustleistung des Spannungsreglers ohne Kühlkörper darf demnach 1,5 Watt nicht überschreiten.<br />
*'''Zusatz'''<br />
*:Mit unserem Ersatzschaltbild können wir außerdem die Temperatur des Gehäuses (Case) des Spannungsreglers angeben. Dafür benötigen wir noch die Angabe <math>R_{th(ca)}</math>, welche allerdings im Datenblatt nicht angegeben ist.<br />
*:Da wir aber wissen, dass <math>R_{th(ja)}=R_{th(jc)}+R_{th(ca)}</math> gilt, können wir die fehlende Größe ausrechnen. Diese ist<br />
*:<math>R_{th(ca)}=R_{th(ja)}-R_{th(jc)}=62\frac{K}{W}-5\frac{K}{W}=57\frac{K}{W}</math>.<br />
*:Nun lässt sich die Gehäusetemperatur berechnen:<br />
*:<math>\vartheta_{c}=\vartheta_{a}+R_{th(ca)} \cdot P_{V}=25°C+57\frac{K}{W} \cdot 1,5 W \approx 111 °C</math><br />
*'''Bemerkung'''<br />
*:In der Praxis wird einem TO220-Gehäuse ungekühlt eine maximale Verlustleistung von 1 Watt zugerechnet. Die Temperaturen sind niedriger, die Lebensdauer des Bauteils höher.<br />
<br />
==Bauteil mit Kühlkörper und T.I.M.==<br />
<br />
Der Betrieb eines ICs ohne Kühlkörper, wie im vorigen Abschnitt beschrieben, funktioniert nur bei kleinen Leistungen und führt meist auch zu einer verringerten Lebensdauer des Bauteils. Viele Bauteile können ihre angegebenen Maximalwerte nur bei vernünftiger Kühlung erreichen. In diesem Abschnitt wird nun ein typisches Szenario mit Kühlkörperberechnung vorgestellt.<br />
<br />
Befassen wir uns zunächst mit der typischen mechanischen Anordnung. Das zu kühlende IC wird thermisch an einen Kühlkörper gekoppelt. In der Praxis wird man das IC aber nicht direkt auf dem Kühlkörper befestigen, sondern über ein sogenanntes ''thermisches Interface-Material'' (T.I.M.), um Unebenheiten und mechanische Abstände auszugleichen oder um für Insolierung zu sorgen. Details zum T.I.M. folgen im Unterabschnitt. Die typische Anordnung zeigt die folgende Abbildung.<br />
<br />
[[Bild:kuehlkoerper-anordnung.png|300px]]<br />
<br />
Folgende thermischen Widerstände treten hier in Kraft:<br />
*<math>R_{th(jc)}</math> für den Übergang Chip zu Bauteilgehäuse<br />
*<math>R_{th(ch)}</math> für den Übergang Bauteilgehäuse zu Kühlkörper (also über das T.I.M.)<br />
*<math>R_{th(ha)}</math> für den Übergang Kühlkörper zur Umgebung<br />
<br />
Aus diesen thermischen Widerständen wird ein thermisches Ersatzschaltbild angefertigt. Dieses zeigt die nächste Abbildung.<br />
<br />
[[Bild:Therm-esb2.png|700px]]<br />
<br />
Zunächst soll die Formel zur Berechnung der Chiptemperatur aufgestellt werden, die Formel erhält man wieder durch die Anwendung der Kirchhoffschen Gleichungen im Ersatzschaltbild.<br />
<br />
<math>\vartheta_{j}=\vartheta_{a}+(R_{th(jc)}+R_{th(ch)}+R_{th(ha)}) \cdot P_{V}</math><br />
<br />
Die Formel wird in der Praxis jedoch in einer anderen Form benötigt. Meist steht man als Entwickler vor der Aufgabe, den erforderlichen thermischen Widerstand <math>R_{th(ha)}</math> des Kühlkörpers zu bestimmen, sofern die Größen Umgebungstemperatur, Sperrschichttemperatur, Verlustleistung sowie die verbleibenden thermischen Widerstände gegeben sind. Anhand des berechneten Wärmewiderstands des Kühlkörpers können dann aus Produktkatalogen geeignete Kühlkörper bestimmt werden.<br />
<br />
Wir müssen dafür also die Gleichung nach <math>R_{th(ha)}</math> auflösen. Wir erhalten die praxisübliche Berechnungsformel:<br />
<br />
<math>R_{th(ha)}=\frac{\vartheta_{j}-\vartheta_{a}}{P_{V}}-R_{th(jc)}-R_{th(ch)}</math><br />
<br />
In manchen Quellen sind enthält diese Formel außerdem Korrekturfaktoren, die z.B. die Einbaulage o.ä. berücksichtigen können.<br />
<br />
===Beispielrechnung===<br />
<br />
Für einen Spannungsregler vom Typ 7805 im TO220-Gehäuse soll ein Kühlkörper dimensioniert werden. Die Eingangsspannung des Reglers beträgt 12V, die Ausgangsspannung von 5V wird mit 500mA belastet. Die Umgebungstemperatur sei 30°C. Der Spannungsregler wird mit Wärmeleitpaste auf dem Kühlkörper montiert, für diesen Wärmewiderstand wird 0,5 K/W angenommen. Welchen Wärmewiderstand darf der Kühlkörper höchstens haben, wenn als maximale Sperrschichttemperatur 110°C angenommen wird?<br />
<br />
Diese Aufgabe kann so durchaus in der Praxis auftreten. Von den vielen Angaben darf man sich zunächst nicht verunsichern lassen. Wir verwenden das gezeigte thermische Ersatzschaltbild. Für die Rechnung benötigen wir außerdem noch den thermischen Widerstand <math>R_{th(jc)}</math> aus dem Datenblatt.<br />
<br />
*'''Gegeben'''<br />
*:<math>R_{th(jc)}=5 \frac{K}{W}</math> (aus dem Datenblatt)<br />
*:<math>R_{th(ch)}=0,5 \frac{K}{W}</math><br />
*:<math>\vartheta_{j}=110°C</math><br />
*:<math>\vartheta_{a}=30°C</math><br />
*:<math>U_{ein}=12V</math><br />
*:<math>U_{aus}=5V</math><br />
*:<math>I=0,5A</math><br />
*'''Gesucht'''<br />
*:<math>R_{th(ha)}</math><br />
*'''Rechnung'''<br />
*:Zunächst muss die Verlustleistung am Regler berechnet werden. Diese beträgt<br />
*:<math>P_V=P_{Ein}-P_{Aus}=12V \cdot 0,5A~-~5V \cdot 0,5A=3,5 W</math>.<br />
*:Nun sind eigentlich auch schon alle Angaben vorhanden, sodass wir die Formel verwenden können.<br />
*:<math>R_{th(ha)}=\frac{\vartheta_{j}-\vartheta_{a}}{P_{V}}-R_{th(jc)}-R_{th(ch)}</math><br />
*:Einsetzen:<br />
*:<math>R_{th(ha)}=\frac{110°C-30°C}{3,5W}-5\frac{K}{W}-0,5\frac{K}{W} \approx 17,4\frac{K}{W}</math><br />
*'''Ergebnis'''<br />
*:Der Wärmewiderstand des Kühlkörpers darf maximal <math>17,4\frac{K}{W}</math> betragen.<br />
*'''Zusatz'''<br />
*:Aus dem Katalog wird ein Kühlkörper mit einem Wärmewiderstand von <math>10\frac{K}{W}</math> gewählt. Welche Temperatur erreicht der Kühlkörper, wenn er bei den gegebenen Bedingungen eingesetzt wird?<br />
*:<math>\vartheta_h=\vartheta_a+P_{V} \cdot R_{th(ha)}=30°C+3,5W \cdot 10 \frac{K}{W} \approx 65°C</math><br />
<br />
==Mehrere Bauteile auf einem gemeinsamen Kühlkörper==<br />
<br />
[[Bild:Therm-esb3.png|700px]]<br />
<br />
Thermisches Ersatzschaltbild: zwei Wärmequellen, gemeinsamer Kühlkörper<br />
<br />
Wird noch ausgebaut ...<br />
<br />
=Thermische Interface-Materialien (T.I.M.) und Montage=<br />
Wie bereits erwähnt, werden ICs in der Praxis nicht direkt auf einen Kühlkörper befestigt. Der Grund dafür ist folgender: Durch Unebenheiten und die rauhe Oberfläche von Kühlkörper und IC berühren sich die betreffenden Flächen unter dem Mikroskop gesehen nur minimal. Durch Lufteinschlüsse und die Tatsache, dass Luft ein schlechter Wärmeleiter ist, fällt in diesem Fall die thermische Anbindung des ICs an den Kühlkörper relativ schlecht aus.<br />
<br />
Zum Ausgleich der Unebenheiten eignet sich Wärmeleitpaste, welche dünn auf die Kontaktfläche aufgetragen wird. Es genügt eine sehr geringe Menge der Wärmeleitpaste, die Schichtdicke liegt in der Größenordnung 0,1mm. Die Aufgabe der Wärmeleitpaste ist, die Unebenheiten der Kontaktflächen auszugleichen. Zu viel Wärmeleitpaste erhöht wiederum den thermischen Übergangswiderstand. <br />
<br />
Ist zusätzlich eine elektrische Isolation zwischen IC und Kühlkörper erforderlich, können Glimmerscheiben (engl. mica) eingesetzt werden. Elektrische Isolation ist erforderlich, falls zum Beispiel mehrere Transistoren auf einen Kühlkörper montiert werden sollen und eine elektrische Verbindung der Kühlfahnen über den Kühlkörper zu Kurzschlüssen führen würde. Werden Glimmerscheiben verwendet, müssen diese beidseitig mit Wärmeleitpaste bestrichen werden, um sämtliche Unebenheiten auszugleichen. Die Glimmerscheiben werden zwischen IC und Kühlkörper eingebaut. Werden die ICs an den Kühlkörper geschraubt, muss auch die Schraube elektrisch isoliert werden. Hierfür sind entsprechende Hülsen aus Kunststoff erhältlich.<br />
<br />
Wärmeleitfolien aus Silikon /Gap-Filler<br />
<br />
BAUSTELLE<br />
<br />
Zur Montage der ICs auf dem Kühlkörper gibt es mehrere Möglichkeiten. Üblich sind Schraubmontage oder die Verwendung von Metallclips aus Federstahl. Der Anpressdruck durch die Montage kann die thermische Kopplung des ICs zum Kühlkörper beeinflussen. Die Metallclips haben den Vorteil, dass der Anpressdruck mit der Zeit nicht nachlässt.<br />
<br />
BAUSTELLE<br />
<br />
=Dynamisches Ersatzschaltbild=<br />
<br />
Bei den statischen Ersatzschaltbildern können zeitveränderliche Vorgänge nicht modelliert werden. Um auch den zeitlichen Verlauf der Temperaturen bei z.B. wechselnder Verlustleistung der Bauteile vorhersagen zu können, bedient man sich dem dynamischen Ersatzschaltbild. Dieses enthält neben den thermischen Widerständen auch Wärmekapazitäten. Durch thermische Widerstände und Wärmekapazitäten ergeben sich Zeitkonstanten bei der Erwärmung, sodass das Modell der Realität sehr nahe kommt.<br />
<br />
BAUSTELLE<br />
<br />
=Kühlkörperbauformen=<br />
* Board-Level-Kühlkörper (aufsteckbare/aufklebbare Kühlkörper, auch für SMD, meist 1 Kühlkörper pro IC)<br />
* Strang-/Profilkühlkörper (meist für hohe Leistungen)<br />
* Kühlaggregate (Kanal + Lüfter)<br />
<br />
Wozu eloxierte Oberflächen?<br />
* geringfügig höhere Wärmestrahlung (bei den niedrigen Temperaturen kaum ein Beitrag)<br />
* elektrische Isolation<br />
* Oberflächenschutz<br />
Nachteile:<br />
* erhöhte Wärmeaufnahme aus der unmittelbaren Umgebung!<br />
<br />
Stiftkühlkörper<br />
* hohe Oberfläche<br />
* bei dickem "Rücken"/"Boden" des Kühlkörpers gute Wärmespreizung<br />
* mit erzwungener Konvektion hohe Wärmeübertragung (quer zu den Stiften effektiver als in Stiftrichtung)<br />
* leichter und kompakter als Strangkühlkörper<br />
<br />
todo<br />
<br />
=Lüfter=<br />
Lüfter werden vor allem dann eingesetzt, wenn der Kühlkörper bei rein passiver Kühlung zur groß, zu schwer oder zu teuer wird. Beim Einsatz des Lüfters führt die erzwungene Luftströmung zur besseren Wärmeabgabe an die Luft. Bei gleicher Temperatur kann der Kühlkörper dann kleiner gewählt werden. Bei hohen Leistungen sind der kleinere Kühlkörper mit Lüfter preisgünstiger und kompakter als ein großer, rein passiver Kühlkörper. Um welchen Faktor die Wärmeableitung mit Lüfter verbessert wird, hängt von vielen Parametern ab und kann nicht pauschal angegeben werden.<br />
<br />
Vorteile<br />
* bessere Wärmeabgabe<br />
* Kühlkörper kann bei gleicher Temperatur kleiner, leichter und kostengünstiger werden<br />
* In kleinem Maßstab günstiger als Wasserkühlung o.ä.<br />
<br />
Nachteile<br />
* zusätzlicher Stromverbrauch<br />
* Geräuschentwicklung und Vibrationen<br />
* zusätzliche Kosten für Lüfter und dessen Montage<br />
* Im Falle eines unbemerkten Ausfalls kann die Schaltung überhitzen (Abhilfe: Thermostat, Temperaturfühler oder Tachosignal auswerten)<br />
<br />
Anordnungen:<br />
* Push-Prinzip: Der Lüfter bläst die Luft in den Kühlkörper/-kanal<br />
* Pull-Prinzip: Der Lüfter saugt die Luft aus dem Kühlkörper/-kanal heraus<br />
<br />
Kenngrößen:<br />
* Luftdurchsatz in <math>\frac{m^{3}}{h}</math><br />
* Nennspannung, Nennstrom, Nennleistung<br />
* Typ Axial/Radial<br />
* Größe<br />
* Geräuschpegel<br />
* Art der Lagerung (Kugellager, Sinterbronze-Lager etc.)<br />
* Temperaturbereich<br />
* Lebensdauer, MTBF<br />
<br />
=Entwärmung auf einer Platine=<br />
Beim Leiterplattenentwurf muss bereits in der Designphase abgeschätzt werden, welche Verlustleistungen auftreten und wie die entstehende Wärme abgeführt werden kann. Die Anordnung der Bauteile und die Gestaltung der Leiterbahnen hat Auswirkungen auf das thermische Verhalten. Die Einbaulage der Platine kann die Entwärmung zudem beeinflussen. Erwärmte Umgebungsluft steigt bekanntlich nach oben und kann andere Komponenten oder Platinen aufheizen. Wird die Platine in ein Gehäuse eingebaut, müssen gegebenenfalls Lüftungsschlitze eingebracht werden oder die zu kühlenden Bauteile an der Gehäusewand platziert werden. Bei geschlossenen Gehäusen muss bei der Kühlkörperdimensionierung mit höheren Umgebungstemperaturen gerechnet werden (z.B. 50°C, 60°C), da sich die Wärme zunächst im Gehäuse staut und nur allmählich durch die Gehäusewand abgegeben wird.<br />
<br />
==Bedrahtete Bauteile==<br />
Für bedrahtete Bauteilgehäuse wie z.B. TO-220 sind zahlreiche Kühlkörpervarianten erhältlich. Für Printmontage eignen sich Kühlkörper, die mit Lötstiften oder Schrauben an der Platine befestigt werden. Das Bauteil selbst wird mit einem Federclip oder einer Schraube am Kühlkörper montiert. Die Größe, Bauform und Befestigung des Kühlkörpers muss bereits beim Leiterplattenentwurf berücksichtigt werden. Leistungsdioden und Leistungswiderstände sind in den meisten Fällen für Konvektionskühlung ausgelegt, d.h. durch Luftströmung. Diese werden meist mit etwas Abstand von der Platinenoberfläche montiert, um die gesamte Bauteiloberfläche zur Kühlung nutzen zu können und um die Platine nicht unnötig aufzuheizen.<br />
<br />
Zur Verbesserung der Wärmeableitung kann, abgesehen vom Kühlkörper, auch die Platine bei der Wärmeverteilung helfen:<br />
* Breite Leiterbahnen können Wärme abführen und auf eine große Fläche verteilen<br />
* Eine dickere Kupferkaschierung kann die Wärmeableitung unterstützen (Standard sind 35µm, erhältlich sind auch 70µm und mehr), dies reduziert zudem die elektrischen Leiterbahnwiderstände<br />
* Mit einer großen Zahl von Durchkontaktierungen (vias) kann die Wärme auf andere Kupferlagen verteilt werden (der Platinenkern FR4 allein hat eine schlechte Wärmeleitfähigkeit)<br />
* Einsatz spezieller Platinenmaterialien (Alukern) z.B. bei Platinen für High-Power-LEDs<br />
* Für kleinere ICs mit Wärmeentwicklung eignen sich aufklebbare Kühlkörper<br />
<br />
Beim Entwurf der Platine muss den Bauteilen in der Nähe der Wärmequelle besondere Aufmerksamkeit geschenkt werden. Vor allem sind '''Elektrolytkondensatoren (Elkos)''' betroffen, da diese durch benachbarte Wärmequellen allmählich austrocknen und zum Ausfall der Schaltung führen können! Elkos sollten möglichst so platziert werden, dass sie eine geringe Temperatur und somit eine hohe Lebensdauer erreichen. Jedoch ist dies bei manchen Anwendungen nur eingeschränkt möglich. Beispielsweise sind bei Schaltreglern kurze Leiterschleifen erwünscht, um die elektromagnetische Verträglichkeit zu verbessern (Leiterschleifen wirken als Antenne) und um parasitäre Induktivitäten und Widerstände zu reduzieren. Der Einsatz hochwertiger Elkos mit geringem ESR, hoher Maximaltemperatur und Lebensdauer ist empfehlenswert. Zudem ist auf ausreichende Spannungsfestigkeit und geringe Rippleströme im Betrieb zu achten. Im Laufe der Betriebszeit sinkt die Kapazität des Elkos und die Verluste steigen. Die Lebensdauer der Elkos kann abgeschätzt werden. Die Hersteller geben idR. die Lebensdauer bei der spezifizierten Maximaltemperatur an, z.B. 5000h bei 105°C. Zur Abschätzung der Lebensdauer gilt hier auch die 10°C-Regel (laut Panasonic im Bereich 40°C bis 100°C), d.h. pro 10°C niedrigerer Betriebstemperatur verdoppelt sich die Lebensdauer des Elkos. Die erwartete Lebensdauer kann mit der folgenden Formel (Panasonic) abgeschätzt werden:<br />
<br />
<math>\Large L=L_{Tmax} \cdot 2^{\left( \frac{T_{max} - T}{10} \right)}</math><br />
<br />
'''Beispiel'''<br />
<br />
Ein Elko ist mit 5000h bei 105°C spezifiziert. Welche Lebensdauer wird bei einer Temperatur von 55°C erwartet?<br />
* Gegeben: <math>\large L_{Tmax}=5000h</math> , <math>\large T_{max}=105°C</math> , <math>\large T=55°C</math><br />
* Rechnung: <math>\large L=L_{Tmax} \cdot 2^{\left( \frac{T_{max} - T}{10} \right)}=5000h \cdot 2^{\left( \frac{105°C - 55°C}{10} \right)}=5000h \cdot 2^5=5000h \cdot 32=160000h</math><br />
* Ergebnis: Die Lebensdauer des Elkos beträgt unter diesen Bedingungen etwa 160000h, also über 18 Jahre Dauerbetrieb!<br />
* Bemerkung: Würde man z.B. einen billigen 2000h/85°C-Elko verwenden, würde dieser unter den gleichen Bedingungen keine 2 Jahre durchhalten!<br />
<br />
Liegt das Datenblatt des verwendeten Elkos vor, sollte man sich an die dort genannten Berechnungen und Zahlenwerte halten. Die gezeigte Berechnung ist nur eine Näherungsformel. Für weitere Verwendungshinweise sei auf die ''Application Guidelines'' für ''Radial Lead Type Aluminum Electrolytic Capacitors'' von ''Panasonic'' verwiesen (siehe Quellenangaben und Verweise am Seitenende).<br />
<br />
==SMD-Bauteile==<br />
SMD-Bauteile können meist über die Platine gut entwärmt werden. Dies ist normalerweise nur bei geringen Verlustleistungen möglich. Die Abwärme der Bauteile muss auf eine möglichst große Fläche verteilt werden, durch große Kupferflächen auf der Platine kann dies erreicht werden. Da die Wärmeleitfähigkeit der Kupferauflage deutlich höher ist als die Wärmeleitfähigkeit des Platinenmaterials FR4, wird sich die Wärme hauptsächlich in der Fläche verteilen, jedoch weniger ''durch'' die Platine hindurch. Um die Wärmeleitung durch die Platine (z.B. von Ober- zu Unterseite) zu erhöhen, müssen Durchkontaktierungen gesetzt werden. Sogenannte "Thermal Vias" werden in einer großen Anzahl an das zu entwärmende Bauteil gesetzt und können damit die Wärme zu anderen Kupferlagen der Platine weiterleiten. Die Wärmeleitung durch die Platine hindurch wird verbessert, liegt aber dennoch deutlich unter der Wärmeleitfähigkeit von reinem Kupfer. Thermische Vias können aufgrund ihrer kleinen Masse kaum einen Beitrag zur gesamten "Kühlmasse" beitragen. Ob schließlich eine Entwärmung durch die Platine ausreicht, muss durch Simulation oder Messung gezeigt werden.<br />
<br />
Welche Temperatur das Bauteil auf der Platine erreicht, kann nach dem Aufbau natürlich gemessen werden. Besser wäre es jedoch, die Temperaturen bereits beim Entwurf der Platine zu kennen, um einschätzen zu können, ob die Entwärmung ausreichend ist. Allgemeine Angaben hierfür sind schwer zu finden, jedoch gibt es vereinzelt Angaben in Datenblättern von Halbleitern zur Entwärmung. An den folgenden Zahlenwerten kann man sich orientieren, wenn man ähnliche Bauteile entwärmen möchte. Damit man für die genannten Flächen eine grobe Vorstellung hat, sei noch erwähnt: ein Cent hat eine Fläche von grob <math>200mm^2</math>, ein Euro hat grob <math>400mm^2</math>.<br />
<br />
Für SMD-Bauteile exisitieren Kühlkörper, die sich direkt auf die Platine löten lassen, diese sind auch maschinenbestückbar.<br />
<br />
'''TO263 (=D2PAK)'''<br />
<br />
Im Datenblatt des Schaltreglers LM2576 von ''National Semiconductor'' findet man für das TO263-Gehäuse einige Angaben. Das TO263-Gehäuse gleicht übrigens dem TO220 bis auf die Tatsache, dass die Kühlfahne kürzer ist und das Gehäuse für SMD-Montage vorgesehen ist. Das Datenblatt gibt thermische Widerstände für den Übergang Junction-Ambient an. Die Angabe ist abhängig von der Kupferfläche auf der Platine, die unmittelbar für das Bauteil aus Kühlkörper wirkt. Die Zahlenwerte aus dem Datenblatt wurden in Quadratmillimeter umgerechnet, gerundet und stehen nun in der Tabelle bereit. Keine Angaben macht der Hersteller zu den Rahmenbedingungen, unter denen die thermischen Widerstände ermittelt wurden (Platinendicke, Durchkontaktierungen, Form der Kupferfläche und Dicke der Kupferkaschierung). Dennoch können die Werte zur groben Orientierung dienen.<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
| Kupferfläche || therm. Widerstand<br />
|-<br />
| <math>325 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 50\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>645 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 37\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>1030 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 32\frac{K}{W} </math><br />
|}<br />
<br />
'''TO252 (=DPAK), SOT223'''<br />
<br />
Im Datenblatt des Low-Drop-Spannungsreglers LM1117 von ''National Semiconductor'' sind Angaben zur Entwärmung über die Platine von SOT223 und TO252-Gehäusen vorhanden. Der Hersteller gibt an, für das SOT223-Gehäuse eine 35µm dicke, und für das TO252-Gehäuse eine 70µm dicke Kupferkaschierung der Platine verwendet zu haben. Leider finden sich in diesem Datenblatt keine Informationen zu Durchkontaktierungen, Platinendicke, und ob das IC auf der Ober- oder Unterseite der Platine montiert wurde (Vermutung: oben montiert, da angegebene thermische Widerstände geringer sind). Der Hersteller hat drei Fälle untersucht: Kupferfläche oben, Kupferfläche unten, Kupferfläche beidseitig. Für das thermische Platinendesign kann man diese Zahlenwerte zumindest als Richtwerte verwenden. Das Datenblatt enthält zudem Zeichnungen der Kühlflächen. Die Zahlenwerte wurden wieder in Quadratmillimeter umgerechnet und gerundet und in die folgenden Tabelle eingetragen:<br />
<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
| Kupferfläche top || Kupferfläche bottom || therm. Widerstand SOT223 || therm. Widerstand TO252<br />
|-<br />
| <math> 200mm^2</math> || - || <math>R_{th(ja)}\approx 84\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 60\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math> 350mm^2</math> || - || <math>R_{th(ja)}\approx 75\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 54\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math> 650mm^2</math> || - || <math>R_{th(ja)}\approx 66\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 47\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| - || <math> 250mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 98\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 70\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| - || <math> 400mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 89\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 63\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| - || <math> 650mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 79\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 57\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math> 200mm^2</math> || <math> 200mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 83\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 61\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math> 250mm^2</math> || <math> 250mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 75\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 55\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math> 350mm^2</math> || <math> 350mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 70\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 53\frac{K}{W} </math><br />
|}<br />
<br />
Bei gleicher (projizierter) Fläche bring die beidseitige Kupferauflage erstaunlicherweise keinen niedrigeren thermischen Widerstand als wenn die Kupferauflage nur auf der Oberseite vorhanden ist. Vermutlich wurden bei der Messung keine Durchkontaktierungen (Vias) eingebracht oder die Fläche ist insgesamt zu klein, als dass sich ein Effekt zeigen würde.<br />
<br />
'''SO8'''<br />
<br />
Für das SO8-Gehäuse findet man eine Angabe im Datenblatt des Spannungsreglers 78L05 von ''ST'':<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
| Kupferfläche || therm. Widerstand<br />
|-<br />
| <math>600 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 55\frac{K}{W} </math><br />
|}<br />
<br />
'''SO20'''<br />
<br />
Aus dem Datenblatt des L293DD sind Angaben zum SO20-Gehäuse enthalten. In diesem Falle sind 8 zentrale Pins an die Kühlfläche angebunden, die Kupferkaschierung ist vermutlich einseitig 35µm. Die groben Richtwerte sind:<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
| Kupferfläche || therm. Widerstand<br />
|-<br />
| <math>200 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 60\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>400 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 53\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>600 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 51\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>800 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 50\frac{K}{W} </math><br />
|}<br />
<br />
'''PowerDIP20'''<br />
<br />
Für das DIP20-Gehäuse wird man im Datenblatt des Motortreibers L6202 von ''ST'' fündig. Bei 35µm Kupferkaschierung der Platine ergeben sich die folgenden thermischen Widerstände.<br />
<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
| Kupferfläche || therm. Widerstand<br />
|-<br />
| <math>0 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 58\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>200 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 45\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>400 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 39\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>600 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 38\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>800 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 37\frac{K}{W} </math><br />
|}<br />
<br />
Für die Form der empfohlenen Kühlfläche sei auf das Datenblatt verwiesen. Wird das IC in einem Sockel verwendet, muss man sicherlich von höheren thermischen Widerständen ausgehen.<br />
<br />
'''AN-994'''<br />
<br />
In der ''Application Note AN-994 - Maximizing the Effectiveness of your SMD Assemblies'' von ''International Rectifier (IRF)'' sind weitere Daten vorhanden. Die dort genannten Daten sind jedoch teils drastisch niedriger als die hier genannten. Eine mögliche Erklärung sind z.B. die höhere Kupferauflage (70µm) oder evtl. optimierte Wärmewiderstände innerhalb der Gehäuse.<br />
<br />
'''Große Kupferflächen'''<br />
<br />
Im ''Application Hint 17 - Designing P.C. Board Heat Sinks - by Bob Wolbert (Micrel)'' werden Angaben zu thermischen Widerständen der Platine für vergleichsweise große Flächen gemacht. Die thermischen Widerstände beschreiben den Übergang <math>R_{th(ha)}</math> unter den Bedingungen: Quadratische Kupferfläche, einseitig, horizontal montiert, Lötstopplack, keine Belüftung. Die Dicke der Kupferkaschierung ist nicht angegeben. Hier einige Werte, abgelesen aus dem Diagramm der genannten Application Note:<br />
<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
| Kupferfläche || therm. Widerstand<br />
|-<br />
| <math>500 mm^2</math> || <math>R_{th(ha)}\approx 60\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>1000 mm^2</math> || <math>R_{th(ha)}\approx 45\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>1500 mm^2</math> || <math>R_{th(ha)}\approx 38\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>2000 mm^2</math> || <math>R_{th(ha)}\approx 33\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>2500 mm^2</math> || <math>R_{th(ha)}\approx 30\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>3000 mm^2</math> || <math>R_{th(ha)}\approx 28\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>4000 mm^2</math> || <math>R_{th(ha)}\approx 24\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>5000 mm^2</math> || <math>R_{th(ha)}\approx 22\frac{K}{W} </math><br />
|}<br />
<br />
<br />
'''Abschlusskommentar'''<br />
<br />
An den gezeigten, thermischen Widerständen sieht man leicht: je größer die Kühlfläche, desto geringer der thermische Widerstand. Dieses Verhalten würde man so auch erwarten.<br />
<br />
Ab einer bestimmten Fläche wird die Platine als Kühlkörper jedoch unhandlich, und man wird die Fläche nicht weiter vergrößern. Die mit den Kupferflächen erreichten thermischen Widerstände sind für viele Anwendungen noch deutlich zu hoch. Bei Verlustleistungen von wenigen Watt werden dadurch bereits kritische Chiptemperaturen erreicht. Wie bereits oben erwähnt, funktioniert die Entwärmung von SMD-Komponenten über die Platine also nur für kleine Verlustleistungen. Bei größeren Verlustleistungen müssen zusätzliche Entwärmungsmaßnahmen getroffen werden (z.B. aufklebbarer Kühlkörper, etc.). Zielführend ist auch, die Ursache der Erwärmung, nämlich die Verlustleistung zu verringern. Wird beispielsweise ein Linearregler durch einen effizienteren Schaltregler ersetzt, kann die Entwärmung aufgrund der kleineren Verlustleistung deutlich einfacher gestaltet werden. Ob die Verringerung der Verlustleistung möglich ist, hängt natürlich von der Anwendung ab.<br />
<br />
=Spezielle Kühlkörper=<br />
<br />
todo<br />
<br />
=Autoren=<br />
* BMS<br />
<br />
[[Kategorie:Elektronik]]<br />
[[Kategorie:Mechanik]] <br />
[[Kategorie:Praxis]] <br />
[[Kategorie:Grundlagen]]<br />
<br />
=Quellen und Verweise=<br />
<br />
Zeitschriftenartikel:<br />
<br />
* Best, Siegfried W.: ''Elektronikkühlung und Wärmemanagement von A bis Z''. In: Elektronikpraxis - Sonderheft Elektromechanik, April 2013. S. 20ff.<br />
* Best, Tobias: ''Thermisches Via, die kleine Schwester der Heatpipe''. In: Elektronikpraxis, April 2013. S. 12ff.<br />
* Erdmann, Marc: ''Beste Effizienz auch beim Thermal Management''. In: Elektronikpraxis - Sonderheft Leistungelektronik und Stromversorgung. März 2015. S. 38ff.<br />
* Kerstin, Nils; Schulz, Martin: ''Thermische Widerstände genau messen - eine Herausforderung''. In: Elektronikpraxis, Nr. 17, September 2014. S. 48ff.<br />
* K.R. (Alutronic): ''Stiftkühlkörper für die Leistungselektronik''. In: Elektronikpraxis Nr.9, Mai 2014. S. 50ff.<br />
* Harpain, Jürgen: ''Wärmeleitmaterial kompensiert Lufteinschlüsse''. In: Elektronikpraxis Nr.1, Januar 2014. S. 36ff.<br />
* Harpain, Jürgen: ''Entwärmungskonzepte für Einzelhalbleiter und ICs''. In: Elektronikpraxis - Sonderheft Elektromechanik, April 2014. S. 14ff.<br />
* Schulz, Martin: ''Fünf Fettnäpfchen beim Bestimmen thermischer Größen''. In: Elektronikpraxis, November 2013. S. 36ff.<br />
* Schulz, Martin: ''Mythen und Legenden über Wärmeleitmaterialien''. In: Elektronikpraxis Nr.2., Januar 2014. S. 42ff.<br />
<br />
----<br />
<br />
Datenblätter, aus denen thermische Widerstände entnommen wurden:<br />
<br />
* [http://pdf.datasheetcatalog.com/datasheet/nationalsemiconductor/DS011476.PDF Datenblatt LM2576 von National Semiconductor]<br />
* [http://pdf.datasheetcatalog.com/datasheet/nationalsemiconductor/LM1117.pdf Datenblatt LM1117 von National Semiconductor]<br />
* [http://pdf.datasheetcatalog.com/datasheets/150/9358_DS.pdf Datenblatt L78Lxx von ST]<br />
* [http://pdf.datasheetcatalog.com/datasheet/stmicroelectronics/1330.pdf Datenblatt L293DD von ST]<br />
* [http://pdf.datasheetcatalog.com/datasheet/stmicroelectronics/1373.pdf Datenblatt L6202 von ST]<br />
* [http://www.irf.com/technical-info/appnotes/an-994.pdf ''Application Note AN994 - Maximizing the Effectiveness of your SMD Assemblies'' - International Rectifier (IRF)]<br />
* [http://www.micrel.com/_PDF/App-Hints/ah-17.pdf ''Application Hint 17 - Designing P.C. Board Heat Sinks - by Bob Wolbert (Micrel)'']<br />
<br />
----<br />
<br />
Weblinks:<br />
<br />
* [http://stegem.de/Elektronik/Kuehlkoerper/ Online-Tool zur Kühlkörperberechnung von Gemmel, S.]<br />
* [http://ludens.cl/Electron/Thermal.html Thermal Design - von Mornhinweg, M.]<br />
* [http://sound.westhost.com/heatsinks.htm The Design of Heatsinks - von Elliot, R.]<br />
* [http://www.giangrandi.ch/electronics/thcalc/thcalc.shtml Calculating Heat sinks - von Giangrandi, I.]<br />
* [http://www.irf.com/technical-info/appnotes/an-1057.pdf Application Note AN-1057: Heatsink Characteristics von International Rectifier (IRF)]<br />
* [http://ww1.microchip.com/downloads/en/AppNotes/00792a.pdf Application Note AN792: A method to determine how much power a sot23 can dissipate in an application (Microchip Technology Inc. 2001)]<br />
* [http://www.fairchildsemi.com/application-notes/AN/AN-1028.pdf Application Note AN1028: Maximum Power Enhancement Techniques for SOT-223 Power MOSFETs (Fairchild Semiconductor 1996)]<br />
* [http://www.industrial.panasonic.com/www-data/pdf/ABA0000/ABA0000PE26.pdf Aluminium Electrolytic Capacitors - Application Guidelines (Panasonic 2015)]</div>BMShttps://rn-wissen.de/wiki/index.php?title=Datei:Kuehlkoerper-anordnung.png&diff=26453Datei:Kuehlkoerper-anordnung.png2015-07-05T07:24:01Z<p>BMS: typische Anordnung Bauteil-TIM-Kühlkörper; eigene Zeichnung (BMS)</p>
<hr />
<div>typische Anordnung Bauteil-TIM-Kühlkörper; eigene Zeichnung (BMS)</div>BMShttps://rn-wissen.de/wiki/index.php?title=K%C3%BChlk%C3%B6rper&diff=26383Kühlkörper2015-05-21T19:10:11Z<p>BMS: /* Statisches Ersatzschaltbild */</p>
<hr />
<div>{{Baustelle|BMS}}<br />
<br />
Dieser Artikel behandelt die Grundlagen zu Kühlkörpern.<br />
<br />
[[Bild:kühlkörper-übersicht.jpg|thumb|Verschiedene Kühlkörper, links ein TO220-Gehäuse zum Größenvergleich]]<br />
<br />
=Einleitung=<br />
<br />
'''Wieso sind überhaupt Kühlkörper in technischen Geräten erforderlich?'''<br />
<br />
Kein Gerät kann einen 100-prozentigen Wirkungsgrad erzielen und somit tritt Verlustleistung auf. Diese Verlustleistung führt zur Erwärmung der Bauteile. Kühlkörper sollen die Entwärmung verbessern, indem die entstehende Wärme auf eine große Fläche verteilt wird und durch Konvektion an der Luft auskühlen kann. Die Temperatur an den heißen Bauteilen ist mit Kühlkörper geringer als ohne Kühlkörper.<br />
<br />
'''Wieso sind hohe Bauteiltemperaturen ungünstig?'''<br />
<br />
Die Lebensdauer aller elektronischen Bauteile ist stark von der Temperatur abhängig. Als Faustregel gilt: Eine Temperaturerhöhung um 10 Grad führt zur Halbierung der Lebensdauer. Außerdem gibt es Grenztemperaturen, die nicht überschritten werden dürfen. Beispielsweise dürfen Halbleiter keine Temperatur über 150°C erreichen. Extrembeispiele sind die Schmelztemperatur von Isolierungen, Lötzinn etc... sowie Brandgefahr durch hohe Temperaturen. Viele Bauteile können ohne vernünftige Kühlung nicht ihren vollen Funktionsumfang erreichen, liefern dann z.B. geringere Maximalströme oder es greift die Temperaturabschaltung. Anders formuliert: Die maximale Leistung eines Bauteils oder Geräts wird durch seine Entwärmung bestimmt! Zur eigenen Sicherheit bietet es sich zudem an, die Temperaturen niedrig zu halten, sodass man sich am Gerät nicht die Finger verbrennen kann ;)<br />
<br />
=Wärmeübertragung=<br />
Prinzipiell kann Wärmeübertragung über Wärmeleitung, Konvektion und Wärmestrahlung geschehen. In vielen Anwendungen treten mehrere Mechanismen gleichzeitig auf. Welcher Mechanismus hauptsächlich auftritt, ist von der mechanischen Anordnung, den Materialien und der Temperatur abhängig. Wärmeleitung und Konvektion sind die wichtigsten Arten der Wärmeübertragung, die in der Praxis auftreten. Nun zu den einzelnen Effekten:<br />
<br />
*'''Wärmeleitung'''<br />
*: Bei der Wärmeleitung wird die Wärme über einen direkten mechanischen Kontakt (Bsp. IC <math>\rightarrow</math>Kühlkörper) übertragen. Den beteiligten Materialien wird jeweils eine spezifische Wärmeleitfähigkeit <math>\lambda</math> zugeordnet, dazu später mehr.<br />
<br />
*'''Konvektion'''<br />
*: Mit Konvektion wird die Strömungsbewegung in Flüssigkeiten und Gasen bezeichnet. Praxisbeispiele sind die Wärmeabgabe eines Kühlkörpers an die Umgebungsluft oder auch eine Wasserkühlung. Von erzwungener Konvektion spricht man, wenn die Strömung durch z.B. einen Ventilator/Lüfter oder eine Wasserpumpe hervorgerufen wird. Im Vakuum kann keine Konvektion auftreten.<br />
<br />
*'''Wärmestrahlung'''<br />
*: Wärmestrahlung ist elektromagnetische Strahlung (hauptsächlich Infrarot und sichtbares Licht), die vom heißen Festkörper abgestrahlt wird. Sie wird erst bei höheren Temperaturen relevant und ist bei den üblichen Kühlkörpertemperaturen meist zu vernachlässigen. Erwähnt werden soll zudem, dass Wärmestrahlung der einzige Mechanismus der Wärmeleitung ist, welcher im Vakuum auftreten kann. (Für Details zu Wärmestrahlung siehe auch: Plancksches Strahlungsgesetz und Schwarzer Strahler).<br />
<br />
=Materialien=<br />
Jedes Material besitzt eine spezifische Wärmeleitfähigkeit, welche angibt, wie gut dieses Material Wärme weiter transportieren kann. Die spezifische Wärmeleitfähigkeit ist unabhängig von der Geometrie des Materials, wird mit der Größe <math>\lambda</math> (Lambda) ausgedrückt und erhält die Einheit <math>\frac{W}{m \cdot K}</math>.<br />
<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
|-<br />
| '''Material''' || '''<math>\lambda</math> in <math>\left[ \frac{W}{m \cdot K} \right]</math>'''<br />
|-<br />
| Silber || 430<br />
|-<br />
| Kupfer || 400<br />
|-<br />
| Aluminium || 230<br />
|-<br />
| Silizium || 140 <br />
|-<br />
| Wärmeleitpaste || 5 ... 10<br />
|-<br />
| Glas || 0,7<br />
|-<br />
| Wasser || 0,5<br />
|-<br />
| Platinenmaterial FR4 || 0,2 ... 0,5<br />
|-<br />
| Luft || 0,02<br />
|}<br />
<br />
Die meisten Kühlkörper werden aus Aluminiumlegierungen hergestellt. Für Aluminium spricht seine relativ hohe Wärmeleitfähigkeit, die hohe Verfügbarkeit und geringe Dichte. Im Vergleich zu Kupfer und Silber ist Aluminium deutlich kostengünstiger. Darüber hinaus lässt sich Aluminium mechanisch gut verarbeiten. Kupfer wird mit seiner höheren Wärmeleitfähigkeit z.B. bei Heatpipes eingesetzt.<br />
<br />
todo<br />
<br />
Wärmewiderstand <math>R_{th}=\frac{d}{\lambda \cdot A}</math><br />
<br />
d: Materialdicke, welche für die Wärmeleitung relevant ist<br />
<br />
<math>\lambda</math>spezifische Wärmeleitfähigkeit des Materials<br />
<br />
A: Querschnitts-/Kontaktfläche<br />
<br />
=Definitionen=<br />
Um vorauszusagen, wie sich die Temperaturen in einer Schaltung verhalten, bedient sich der Ingenieur - wie auch bei vielen anderen Anwendungen - eines Ersatzschaltbildes (ESB). Zur Erstellung eines thermischen Ersatzschaltbildes muss man sich aber zunächst mit den thermischen Größen vertraut machen.<br />
<br />
Die Temperaturen werden mit dem griechischen Buchstaben Theta <math>\theta</math> gekennzeichnet. Temperaturen werden in Grad Celsius (°C), Temperaturdifferenzen in Kelvin (K) angegeben. (Am Rande: Es existiert auch eine Kelvinskala mit dem absoluten Nullpunkt 0 K=-273,15°C). Die Temperaturen werden außerdem noch mit einem Index gekennzeichnet, abhängig von der mechanischen Stelle, an der sie auftreten:<br />
<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
|-<br />
| Symbol || Index || Bedeutung<br />
|-<br />
| <math>\vartheta_{J}</math> || J=Junction || Sperrschichttemperatur des Halbleiters<br />
|-<br />
| <math>\vartheta_{C}</math> || C=Case || Gehäusetemperatur des Bauteils<br />
|-<br />
| <math>\vartheta_{H}</math> || H=Heat Sink || Temperatur des Kühlkörpers<br />
|-<br />
| <math>\vartheta_{A}</math> || A=Ambient || Umgebungstemperatur<br />
|}<br />
<br />
Die Verlustleistung eines Bauteils beschreibt die Größe <math>P_{V}</math> und wird, wie allgemein bekannt, in Watt angegeben.<br />
<br />
Als neue Größe wird nun der thermische Widerstand eingeführt, dieser wird mit <math>R_{th}</math> beschrieben und bekommt die Einheit <math>\frac{K}{W}</math>. <br />
<br />
Für die thermischen Größen gibt es, ähnlich dem Ohmschen Gesetz, einen linearen Zusammenhang. Dieser lautet<br />
<br />
<math>R_{th}=\frac{\vartheta_{ü}}{P_{V}}</math><br />
<br />
todo<br />
<br />
'''Vergleich elektrischer und thermischer Größen'''<br />
<br />
Insgesamt können wir nun eine Analogie zwischen bekannten elektrischen Größen und den thermischen Größen angeben. Die schon gelernten Prinzipien zur Lösung linearer Netzwerke lässt sich auch bei den thermischen Ersatzschaltbildern anwenden.<br />
<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
|-<br />
| elektrisch || thermisch<br />
|-<br />
| Spannung U || Temperatur <math>\vartheta</math><br />
|-<br />
| Strom I || Verlustleistung <math>P_{V}</math><br />
|-<br />
| Widerstand R || thermischer Widerstand <math>R_{th}</math><br />
|}<br />
<br />
=Statisches Ersatzschaltbild=<br />
Mit den thermischen Zusammenhängen haben wir uns inzwischen vertraut gemacht. Nun können wir damit beginnen, thermische Ersatzschaltbilder von einfachen Anordnungen zu erstellen. Mit solchen Modellen können Temperaturen, wie z.B. die Chiptemperatur, vorab berechnet werden. Für die Berechnung müssen Wärmewiderstände, Umgebungstemperatur und Verlustleistung bekannt sein, da sie in die Berechnung einfließen.<br />
<br />
Bei den thermischen Ersatzschaltbildern kann man ein statisches oder ein dynamisches Ersatzschaltbild erstellen. Bei den statischen Ersatzschaltbilder wird davon ausgegangen, dass alle Größen zeitlich konstant sind, bzw. sofort ihre Solltemperatur entsprechend dem Modell annehmen. In der Realität dauert es natürlich eine gewisse Zeit, bis sich alle beteiligten Materialien aufgeheizt haben. Die Temperaturen des statischen Modells werden dabei erst nach einer bestimmten Zeit erreicht. <br />
<br />
Für die meisten Anwendungen genügt es jedoch, das statische thermische Ersatzschaltbild zu erstellen und den Kühlkörper dem entsprechend zu dimensionieren. Die Kühlung wird z.B. auf die maximale oder die mittlere auftretende Verlustleistung dimensioniert. Es wurde bereits erwähnt, dass sich die Bauteiltemperatur auf dessen Lebensdauer auswirkt. Dabei gilt: je niedriger die Bauteiltemperatur, desto länger die zu erwartende Lebensdauer. Je nach Anwendung und Rahmenbedingungen muss eventuell ein Kompromiss zwischen Kühlkörpergröße/kosten und Gerätelebensdauer gewählt werden. Beispielsweise kann der verfügbare Platz, ein Gesamtgewicht oder eine Kostenvorgabe begrenzender Faktor sein. Für einen dauerhaften sicheren Betrieb muss der Kühlkörper und weitere beteiligte Materialien für den worst case ausgelegt oder sogar überdimensioniert werden.<br />
<br />
==Bauteil ohne Kühlkörper==<br />
Um den Umgang mit den thermischen Ersatzschaltbildern zu lernen, soll zunächst mit einem einfachen Beispiel begonnen werden. In diesem Fall wird der Wärmeübergang von einem einzelnen Bauteil zu Luft betrachet, es kommt zunächst also noch kein Kühlkörper zum Einsatz. Das Ersatzschaltbild sieht in diesem Fall folgendermaßen aus:<br />
<br />
[[Bild:Therm-esb1.png|450px]]<br />
<br />
Die am Bauteil entstehende Verlustleistung ist Ursache der Abwärme und wird im thermischen Ersatzschaltbild als ideale Stromquelle modelliert.<br />
<br />
Die Abwärme gelangt nun über den Weg Sperrschicht (Junction) <math>\rightarrow</math> Bauteilgehäuse (Case) <math>\rightarrow</math> Umgebung (Ambient) nach außen. Im Ersatzschaltbild ist jeder Übergang als thermischer Widerstand modelliert. Die genauen Zahlenwerte der Wärmewiderstände lassen sich in der Regel dem Datenblatt des Bauteils entnehmen. Benötigt werden die Werte für <math>R_{th(jc)}</math> und <math>R_{th(ca)}</math>. In manchen Datenblättern findet man die Angabe <math>R_{th(ja)}</math>, was der Reihenschaltung aus den beiden vorher genannten Werten entspricht, also <math>R_{th(ja)}=R_{th(jc)}+R_{th(ca)}</math>.<br />
<br />
Die Umgebungstemperatur wird als ideale Spannungsquelle modelliert. Sämtliche Spannungen im Ersatzschaltbild entsprechen den auftretenden Temperaturen.<br />
<br />
Da es sich nun um ein lineares Netzwerk handelt, gelten hier ebenfalls die Kirchhoff'schen Gleichungen. Relativ leicht lässt sich nun die Temperatur am Bauteilgehäuse (Case) und der Sperrschicht (Junction) berechnen:<br />
<br />
<math>\vartheta_{c}=\vartheta_{a}+R_{th(ca)} \cdot P_{V}</math><br />
<br />
<math>\vartheta_{j}=\vartheta_{a}+R_{th(jc)} \cdot P_{V}+R_{th(ca)} \cdot P_{V}=\vartheta_{a}+(R_{th(jc)}+R_{th(ca)}) \cdot P_{V}=\vartheta_{a}+R_{th(ja)} \cdot P_{V}</math><br />
<br />
Da die thermischen Widerstände bei der Reihenschaltung auch zusammengefasst werden dürfen, beschreibt folgendes thermisches Ersatzschaltbild den gleichen Zusammenhang. Nachteil ist hier allerdings, dass die Temperatur am Gehäuse nicht modelliert wird.<br />
<br />
[[Bild:Therm-esb0.png|300px]]<br />
<br />
Die Überlegungen zur Sperrschichttemperatur kann auch anders interpretiert werden. Gibt man die Sperrschichttemperatur vor, kann man die maximal erlaubte Verlustleistung des Bauteils in Abhängigkeit der Umgebungstemperatur bestimmen. Die folgende Formel erhält man aus Umformung der oberen Gleichung:<br />
<br />
<math>P_{V} \leq \frac{\vartheta_{j}-\vartheta_{a}}{R_{th(ja)}}</math><br />
<br />
Bei Halbleitern darf idR. die Sperrschichttemperatur nicht 150°C überschreiten. Der thermische Widerstand wird hauptsächlich durch das Gehäuse vorgegeben. Aus der Formel sieht man nun folgendes: Je höher die Umgebungstemperatur, desto geringer fällt die maximal erlaubte Verlustleistung aus. Diesen Zusammenhang bezeichnet man auch als '''Derating'''.<br />
<br />
===Beispielrechnung===<br />
<br />
Ein Spannungsregler vom Typ 7805 im TO220-Gehäuse soll ohne Kühlkörper betrieben werden. Wie hoch ist die maximal erlaubte Verlustleistung, wenn die Sperrschichttemperatur 120°C nicht überschreiten soll und die Umgebungstemperatur 25°C beträgt?<br />
<br />
Zunächst werfen wir einen Blick ins Datenblatt des Spannungsreglers und entnehmen die Angaben für die thermischen Widerstände. Dann halten wir alle gegebenen Größen fest:<br />
<br />
*'''Gegeben'''<br />
*:* <math>R_{th(jc)}=5 \frac{K}{W}</math> (aus dem Datenblatt)<br />
*:* <math>R_{th(ja)}=62 \frac{K}{W}</math> (aus dem Datenblatt)<br />
*:* <math>\vartheta_{j}=125°C</math><br />
*:* <math>\vartheta_{a}=25°C</math><br />
*'''Gesucht'''<br />
*:* <math>P_{v,max}</math><br />
*'''Rechnung'''<br />
*:Wir verwenden die Formel von oben und erhalten als Ergebnis<br />
*:<math>P_{V,max} = \frac{\vartheta_{j}-\vartheta_{a}}{R_{th(ja)}} = \frac{120°C-25°C}{62\frac{K}{W}} = \frac{95K}{62\frac{K}{W}} \approx 1,5 Watt</math><br />
*:Die maximal erlaubte Verlustleistung des Spannungsreglers ohne Kühlkörper darf demnach 1,5 Watt nicht überschreiten.<br />
*'''Zusatz'''<br />
*:Mit unserem Ersatzschaltbild können wir außerdem die Temperatur des Gehäuses (Case) des Spannungsreglers angeben. Dafür benötigen wir noch die Angabe <math>R_{th(ca)}</math>, welche allerdings im Datenblatt nicht angegeben ist.<br />
*:Da wir aber wissen, dass <math>R_{th(ja)}=R_{th(jc)}+R_{th(ca)}</math> gilt, können wir die fehlende Größe ausrechnen. Diese ist<br />
*:<math>R_{th(ca)}=R_{th(ja)}-R_{th(jc)}=62\frac{K}{W}-5\frac{K}{W}=57\frac{K}{W}</math>.<br />
*:Nun lässt sich die Gehäusetemperatur berechnen:<br />
*:<math>\vartheta_{c}=\vartheta_{a}+R_{th(ca)} \cdot P_{V}=25°C+57\frac{K}{W} \cdot 1,5 W \approx 111 °C</math><br />
*'''Bemerkung'''<br />
*:In der Praxis wird einem TO220-Gehäuse ungekühlt eine maximale Verlustleistung von 1 Watt zugerechnet. Die Temperaturen sind niedriger, die Lebensdauer des Bauteils höher.<br />
<br />
==Bauteil mit Kühlkörper und T.I.M.==<br />
<br />
Der Betrieb eines ICs ohne Kühlkörper, wie im vorigen Abschnitt beschrieben, funktioniert nur bei kleinen Leistungen und führt meist auch zu einer verringerten Lebensdauer des Bauteils. Viele Bauteile können ihre angegebenen Maximalwerte nur bei vernünftiger Kühlung erreichen. In diesem Abschnitt wird nun ein typisches Szenario mit Kühlkörperberechnung vorgestellt.<br />
<br />
Befassen wir uns zunächst mit der typischen mechanischen Anordnung. Das zu kühlende IC wird thermisch an einen Kühlkörper gekoppelt. In der Praxis wird man das IC aber nicht direkt auf dem Kühlkörper befestigen, sondern über ein sogenanntes ''thermisches Interface-Material'' (T.I.M.), um Unebenheiten und mechanische Abstände auszugleichen oder um für Insolierung zu sorgen. Details zum T.I.M. folgen im Unterabschnitt. Die typische Anordnung zeigt die folgende Abbildung.<br />
<br />
[[Bild:kühlkörper-schichten.png|300px]]<br />
<br />
Folgende thermischen Widerstände treten hier in Kraft:<br />
*<math>R_{th(jc)}</math> für den Übergang Chip zu Bauteilgehäuse<br />
*<math>R_{th(ch)}</math> für den Übergang Bauteilgehäuse zu Kühlkörper (also über das T.I.M.)<br />
*<math>R_{th(ha)}</math> für den Übergang Kühlkörper zur Umgebung<br />
<br />
Aus diesen thermischen Widerständen wird ein thermisches Ersatzschaltbild angefertigt. Dieses zeigt die nächste Abbildung.<br />
<br />
[[Bild:Therm-esb2.png|700px]]<br />
<br />
Zunächst soll die Formel zur Berechnung der Chiptemperatur aufgestellt werden, die Formel erhält man wieder durch die Anwendung der Kirchhoffschen Gleichungen im Ersatzschaltbild.<br />
<br />
<math>\vartheta_{j}=\vartheta_{a}+(R_{th(jc)}+R_{th(ch)}+R_{th(ha)}) \cdot P_{V}</math><br />
<br />
Die Formel wird in der Praxis jedoch in einer anderen Form benötigt. Meist steht man als Entwickler vor der Aufgabe, den erforderlichen thermischen Widerstand <math>R_{th(ha)}</math> des Kühlkörpers zu bestimmen, sofern die Größen Umgebungstemperatur, Sperrschichttemperatur, Verlustleistung sowie die verbleibenden thermischen Widerstände gegeben sind. Anhand des berechneten Wärmewiderstands des Kühlkörpers können dann aus Produktkatalogen geeignete Kühlkörper bestimmt werden.<br />
<br />
Wir müssen dafür also die Gleichung nach <math>R_{th(ha)}</math> auflösen. Wir erhalten die praxisübliche Berechnungsformel:<br />
<br />
<math>R_{th(ha)}=\frac{\vartheta_{j}-\vartheta_{a}}{P_{V}}-R_{th(jc)}-R_{th(ch)}</math><br />
<br />
In manchen Quellen sind enthält diese Formel außerdem Korrekturfaktoren, die z.B. die Einbaulage o.ä. berücksichtigen können.<br />
<br />
===Beispielrechnung===<br />
<br />
Für einen Spannungsregler vom Typ 7805 im TO220-Gehäuse soll ein Kühlkörper dimensioniert werden. Die Eingangsspannung des Reglers beträgt 12V, die Ausgangsspannung von 5V wird mit 500mA belastet. Die Umgebungstemperatur sei 30°C. Der Spannungsregler wird mit Wärmeleitpaste auf dem Kühlkörper montiert, für diesen Wärmewiderstand wird 0,5 K/W angenommen. Welchen Wärmewiderstand darf der Kühlkörper höchstens haben, wenn als maximale Sperrschichttemperatur 110°C angenommen wird?<br />
<br />
Diese Aufgabe kann so durchaus in der Praxis auftreten. Von den vielen Angaben darf man sich zunächst nicht verunsichern lassen. Wir verwenden das gezeigte thermische Ersatzschaltbild. Für die Rechnung benötigen wir außerdem noch den thermischen Widerstand <math>R_{th(jc)}</math> aus dem Datenblatt.<br />
<br />
*'''Gegeben'''<br />
*:<math>R_{th(jc)}=5 \frac{K}{W}</math> (aus dem Datenblatt)<br />
*:<math>R_{th(ch)}=0,5 \frac{K}{W}</math><br />
*:<math>\vartheta_{j}=110°C</math><br />
*:<math>\vartheta_{a}=30°C</math><br />
*:<math>U_{ein}=12V</math><br />
*:<math>U_{aus}=5V</math><br />
*:<math>I=0,5A</math><br />
*'''Gesucht'''<br />
*:<math>R_{th(ha)}</math><br />
*'''Rechnung'''<br />
*:Zunächst muss die Verlustleistung am Regler berechnet werden. Diese beträgt<br />
*:<math>P_V=P_{Ein}-P_{Aus}=12V \cdot 0,5A~-~5V \cdot 0,5A=3,5 W</math>.<br />
*:Nun sind eigentlich auch schon alle Angaben vorhanden, sodass wir die Formel verwenden können.<br />
*:<math>R_{th(ha)}=\frac{\vartheta_{j}-\vartheta_{a}}{P_{V}}-R_{th(jc)}-R_{th(ch)}</math><br />
*:Einsetzen:<br />
*:<math>R_{th(ha)}=\frac{110°C-30°C}{3,5W}-5\frac{K}{W}-0,5\frac{K}{W} \approx 17,4\frac{K}{W}</math><br />
*'''Ergebnis'''<br />
*:Der Wärmewiderstand des Kühlkörpers darf maximal <math>17,4\frac{K}{W}</math> betragen.<br />
*'''Zusatz'''<br />
*:Aus dem Katalog wird ein Kühlkörper mit einem Wärmewiderstand von <math>10\frac{K}{W}</math> gewählt. Welche Temperatur erreicht der Kühlkörper, wenn er bei den gegebenen Bedingungen eingesetzt wird?<br />
*:<math>\vartheta_h=\vartheta_a+P_{V} \cdot R_{th(ha)}=30°C+3,5W \cdot 10 \frac{K}{W} \approx 65°C</math><br />
<br />
==Mehrere Bauteile auf einem gemeinsamen Kühlkörper==<br />
<br />
[[Bild:Therm-esb3.png|700px]]<br />
<br />
Thermisches Ersatzschaltbild: zwei Wärmequellen, gemeinsamer Kühlkörper<br />
<br />
Wird noch ausgebaut ...<br />
<br />
=Thermische Interface-Materialien (T.I.M.) und Montage=<br />
Wie bereits erwähnt, werden ICs in der Praxis nicht direkt auf einen Kühlkörper befestigt. Der Grund dafür ist folgender: Durch Unebenheiten und die rauhe Oberfläche von Kühlkörper und IC berühren sich die betreffenden Flächen unter dem Mikroskop gesehen nur minimal. Durch Lufteinschlüsse und die Tatsache, dass Luft ein schlechter Wärmeleiter ist, fällt in diesem Fall die thermische Anbindung des ICs an den Kühlkörper relativ schlecht aus.<br />
<br />
Zum Ausgleich der Unebenheiten eignet sich Wärmeleitpaste, welche dünn auf die Kontaktfläche aufgetragen wird. Es genügt eine sehr geringe Menge der Wärmeleitpaste, die Schichtdicke liegt in der Größenordnung 0,1mm. Die Aufgabe der Wärmeleitpaste ist, die Unebenheiten der Kontaktflächen auszugleichen. Zu viel Wärmeleitpaste erhöht wiederum den thermischen Übergangswiderstand. <br />
<br />
Ist zusätzlich eine elektrische Isolation zwischen IC und Kühlkörper erforderlich, können Glimmerscheiben (engl. mica) eingesetzt werden. Elektrische Isolation ist erforderlich, falls zum Beispiel mehrere Transistoren auf einen Kühlkörper montiert werden sollen und eine elektrische Verbindung der Kühlfahnen über den Kühlkörper zu Kurzschlüssen führen würde. Werden Glimmerscheiben verwendet, müssen diese beidseitig mit Wärmeleitpaste bestrichen werden, um sämtliche Unebenheiten auszugleichen. Die Glimmerscheiben werden zwischen IC und Kühlkörper eingebaut. Werden die ICs an den Kühlkörper geschraubt, muss auch die Schraube elektrisch isoliert werden. Hierfür sind entsprechende Hülsen aus Kunststoff erhältlich.<br />
<br />
Wärmeleitfolien aus Silikon /Gap-Filler<br />
<br />
BAUSTELLE<br />
<br />
Zur Montage der ICs auf dem Kühlkörper gibt es mehrere Möglichkeiten. Üblich sind Schraubmontage oder die Verwendung von Metallclips aus Federstahl. Der Anpressdruck durch die Montage kann die thermische Kopplung des ICs zum Kühlkörper beeinflussen. Die Metallclips haben den Vorteil, dass der Anpressdruck mit der Zeit nicht nachlässt.<br />
<br />
BAUSTELLE<br />
<br />
=Dynamisches Ersatzschaltbild=<br />
<br />
Bei den statischen Ersatzschaltbildern können zeitveränderliche Vorgänge nicht modelliert werden. Um auch den zeitlichen Verlauf der Temperaturen bei z.B. wechselnder Verlustleistung der Bauteile vorhersagen zu können, bedient man sich dem dynamischen Ersatzschaltbild. Dieses enthält neben den thermischen Widerständen auch Wärmekapazitäten. Durch thermische Widerstände und Wärmekapazitäten ergeben sich Zeitkonstanten bei der Erwärmung, sodass das Modell der Realität sehr nahe kommt.<br />
<br />
BAUSTELLE<br />
<br />
=Kühlkörperbauformen=<br />
* Board-Level-Kühlkörper (aufsteckbare/aufklebbare Kühlkörper, auch für SMD, meist 1 Kühlkörper pro IC)<br />
* Strang-/Profilkühlkörper (meist für hohe Leistungen)<br />
* Kühlaggregate (Kanal + Lüfter)<br />
<br />
Wozu eloxierte Oberflächen?<br />
* geringfügig höhere Wärmestrahlung (bei den niedrigen Temperaturen kaum ein Beitrag)<br />
* elektrische Isolation<br />
* Oberflächenschutz<br />
Nachteile:<br />
* erhöhte Wärmeaufnahme aus der unmittelbaren Umgebung!<br />
<br />
Stiftkühlkörper<br />
* hohe Oberfläche<br />
* bei dickem "Rücken"/"Boden" des Kühlkörpers gute Wärmespreizung<br />
* mit erzwungener Konvektion hohe Wärmeübertragung (quer zu den Stiften effektiver als in Stiftrichtung)<br />
* leichter und kompakter als Strangkühlkörper<br />
<br />
todo<br />
<br />
=Lüfter=<br />
Lüfter werden vor allem dann eingesetzt, wenn der Kühlkörper bei rein passiver Kühlung zur groß, zu schwer oder zu teuer wird. Beim Einsatz des Lüfters führt die erzwungene Luftströmung zur besseren Wärmeabgabe an die Luft. Bei gleicher Temperatur kann der Kühlkörper dann kleiner gewählt werden. Bei hohen Leistungen sind der kleinere Kühlkörper mit Lüfter preisgünstiger und kompakter als ein großer, rein passiver Kühlkörper. Um welchen Faktor die Wärmeableitung mit Lüfter verbessert wird, hängt von vielen Parametern ab und kann nicht pauschal angegeben werden.<br />
<br />
Vorteile<br />
* bessere Wärmeabgabe<br />
* Kühlkörper kann bei gleicher Temperatur kleiner, leichter und kostengünstiger werden<br />
* In kleinem Maßstab günstiger als Wasserkühlung o.ä.<br />
<br />
Nachteile<br />
* zusätzlicher Stromverbrauch<br />
* Geräuschentwicklung und Vibrationen<br />
* zusätzliche Kosten für Lüfter und dessen Montage<br />
* Im Falle eines unbemerkten Ausfalls kann die Schaltung überhitzen (Abhilfe: Thermostat, Temperaturfühler oder Tachosignal auswerten)<br />
<br />
Anordnungen:<br />
* Push-Prinzip: Der Lüfter bläst die Luft in den Kühlkörper/-kanal<br />
* Pull-Prinzip: Der Lüfter saugt die Luft aus dem Kühlkörper/-kanal heraus<br />
<br />
Kenngrößen:<br />
* Luftdurchsatz in <math>\frac{m^{3}}{h}</math><br />
* Nennspannung, Nennstrom, Nennleistung<br />
* Typ Axial/Radial<br />
* Größe<br />
* Geräuschpegel<br />
* Art der Lagerung (Kugellager, Sinterbronze-Lager etc.)<br />
* Temperaturbereich<br />
* Lebensdauer, MTBF<br />
<br />
=Entwärmung auf einer Platine=<br />
Beim Leiterplattenentwurf muss bereits in der Designphase abgeschätzt werden, welche Verlustleistungen auftreten und wie die entstehende Wärme abgeführt werden kann. Die Größe, Bauform und Befestigung des Kühlkörpers muss ebenfalls berücksichtigt werden. Für Printmontage sind Kühlkörper verfügbar, welche mit lötbaren Stiften in die Platine gesteckt und verlötet werden. Alternativ sind Schraubverbindungen möglich.<br />
<br />
SMD-Bauteile können meist über die Platine gut entwärmt werden. Dies ist normalerweise nur bei geringen Verlustleistungen möglich. Die Abwärme der Bauteile muss auf eine möglichst große Fläche verteilt werden, durch große Kupferflächen auf der Platine kann dies erreicht werden. Da die Wärmeleitfähigkeit der Kupferauflage deutlich höher ist als die Wärmeleitfähigkeit des Platinenmaterials FR4, wird sich die Wärme hauptsächlich in der Fläche verteilen, jedoch weniger ''durch'' die Platine hindurch. Um die Wärmeleitung durch die Platine (z.B. von Ober- zu Unterseite) zu erhöhen, müssen Durchkontaktierungen gesetzt werden. Sogenannte "Thermal Vias" werden in einer großen Anzahl an das zu entwärmende Bauteil gesetzt und können damit die Wärme zu anderen Kupferlagen der Platine weiterleiten. Die Wärmeleitung durch die Platine hindurch wird verbessert, liegt aber dennoch deutlich unter der Wärmeleitfähigkeit von reinem Kupfer. Thermische Vias können aufgrund ihrer kleinen Masse kaum einen Beitrag zur gesamten "Kühlmasse" beitragen. Ob schließlich eine Entwärmung durch die Platine ausreicht, muss durch Simulation oder Messung gezeigt werden.<br />
<br />
Die Einbaulage der Platine kann die Entwärmung zudem beeinflussen. Erwärmte Umgebungsluft steigt nach oben und kann andere Komponenten oder Platinen aufheizen.<br />
<br />
Maßnahmen für bessere Entwärmung:<br />
<br />
* Durchkontaktierungen zur Wärmeleitung zwischen mehreren Kupferlagen, da der Platinenkern (bei FR4: glasfaserverstärktes Epoxidharz) idR. eine sehr schlechte Wärmeleitfähigkeit hat<br />
* Breite Leiterbahnen, welche Wärme abführen und auf eine große Fläche verteilen<br />
* Für große bedrahtete ICs (TO220, Multiwatt...) eignen sich Board-Level-Kühlkörper<br />
* Für kleinere ICs mit Wärmeentwicklung eignen sich aufklebbare Kühlkörper<br />
* Für SMD-Bauteile exisitieren auch Kühlkörper, die sich direkt auf die Platine löten lassen, diese sind auch maschinenbestückbar<br />
* Einsatz spezieller Platinenmaterialien (Alukern, Kupfer-Inlay)...<br />
* je nach Schaltung: dickere Kupferkaschierung für bessere Wärmeausbreitung in der Fläche (Standard sind 35µm, erhältlich sind auch 70µm und mehr)<br />
<br />
Welche Temperatur das Bauteil auf der Platine erreicht, kann nach dem Aufbau natürlich gemessen werden. Besser wäre es jedoch, die Temperaturen bereits beim Entwurf der Platine zu kennen, um einschätzen zu können, ob die Entwärmung ausreichend ist. Allgemeine Angaben hierfür sind schwer zu finden, jedoch gibt es vereinzelt Angaben in Datenblättern von Halbleitern zur Entwärmung. An den folgenden Zahlenwerten kann man sich orientieren, wenn man ähnliche Bauteile entwärmen möchte. Damit man für die genannten Flächen eine grobe Vorstellung hat, sei noch erwähnt: ein Cent hat eine Fläche von grob <math>200mm^2</math>, ein Euro hat grob <math>400mm^2</math>.<br />
<br />
'''TO263 (=D2PAK)'''<br />
<br />
Im Datenblatt des Schaltreglers LM2576 von ''National Semiconductor'' findet man für das TO263-Gehäuse einige Angaben. Das TO263-Gehäuse gleicht übrigens dem TO220 bis auf die Tatsache, dass die Kühlfahne kürzer ist und das Gehäuse für SMD-Montage vorgesehen ist. Das Datenblatt gibt thermische Widerstände für den Übergang Junction-Ambient an. Die Angabe ist abhängig von der Kupferfläche auf der Platine, die unmittelbar für das Bauteil aus Kühlkörper wirkt. Die Zahlenwerte aus dem Datenblatt wurden in Quadratmillimeter umgerechnet, gerundet und stehen nun in der Tabelle bereit. Keine Angaben macht der Hersteller zu den Rahmenbedingungen, unter denen die thermischen Widerstände ermittelt wurden (Platinendicke, Durchkontaktierungen, Form der Kupferfläche und Dicke der Kupferkaschierung). Dennoch können die Werte zur groben Orientierung dienen.<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
| Kupferfläche || therm. Widerstand<br />
|-<br />
| <math>325 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 50\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>645 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 37\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>1030 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 32\frac{K}{W} </math><br />
|}<br />
<br />
'''TO252 (=DPAK), SOT223'''<br />
<br />
Im Datenblatt des Low-Drop-Spannungsreglers LM1117 von ''National Semiconductor'' sind Angaben zur Entwärmung über die Platine von SOT223 und TO252-Gehäusen vorhanden. Der Hersteller gibt an, für das SOT223-Gehäuse eine 35µm dicke, und für das TO252-Gehäuse eine 70µm dicke Kupferkaschierung der Platine verwendet zu haben. Leider finden sich in diesem Datenblatt keine Informationen zu Durchkontaktierungen, Platinendicke, und ob das IC auf der Ober- oder Unterseite der Platine montiert wurde (Vermutung: oben montiert, da angegebene thermische Widerstände geringer sind). Der Hersteller hat drei Fälle untersucht: Kupferfläche oben, Kupferfläche unten, Kupferfläche beidseitig. Für das thermische Platinendesign kann man diese Zahlenwerte zumindest als Richtwerte verwenden. Das Datenblatt enthält zudem Zeichnungen der Kühlflächen. Die Zahlenwerte wurden wieder in Quadratmillimeter umgerechnet und gerundet und in die folgenden Tabelle eingetragen:<br />
<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
| Kupferfläche top || Kupferfläche bottom || therm. Widerstand SOT223 || therm. Widerstand TO252<br />
|-<br />
| <math> 200mm^2</math> || - || <math>R_{th(ja)}\approx 84\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 60\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math> 350mm^2</math> || - || <math>R_{th(ja)}\approx 75\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 54\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math> 650mm^2</math> || - || <math>R_{th(ja)}\approx 66\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 47\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| - || <math> 250mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 98\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 70\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| - || <math> 400mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 89\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 63\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| - || <math> 650mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 79\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 57\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math> 200mm^2</math> || <math> 200mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 83\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 61\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math> 250mm^2</math> || <math> 250mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 75\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 55\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math> 350mm^2</math> || <math> 350mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 70\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 53\frac{K}{W} </math><br />
|}<br />
<br />
Bei gleicher (projizierter) Fläche bring die beidseitige Kupferauflage erstaunlicherweise keinen niedrigeren thermischen Widerstand als wenn die Kupferauflage nur auf der Oberseite vorhanden ist. Vermutlich wurden bei der Messung keine Durchkontaktierungen (Vias) eingebracht oder die Fläche ist insgesamt zu klein, als dass sich ein Effekt zeigen würde.<br />
<br />
'''SO8'''<br />
<br />
Für das SO8-Gehäuse findet man eine Angabe im Datenblatt des Spannungsreglers 78L05 von ''ST'':<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
| Kupferfläche || therm. Widerstand<br />
|-<br />
| <math>600 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 55\frac{K}{W} </math><br />
|}<br />
<br />
'''SO20'''<br />
<br />
Aus dem Datenblatt des L293DD sind Angaben zum SO20-Gehäuse enthalten. In diesem Falle sind 8 zentrale Pins an die Kühlfläche angebunden, die Kupferkaschierung ist vermutlich einseitig 35µm. Die groben Richtwerte sind:<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
| Kupferfläche || therm. Widerstand<br />
|-<br />
| <math>200 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 60\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>400 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 53\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>600 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 51\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>800 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 50\frac{K}{W} </math><br />
|}<br />
<br />
'''PowerDIP20'''<br />
<br />
Für das DIP20-Gehäuse wird man im Datenblatt des Motortreibers L6202 von ''ST'' fündig. Bei 35µm Kupferkaschierung der Platine ergeben sich die folgenden thermischen Widerstände.<br />
<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
| Kupferfläche || therm. Widerstand<br />
|-<br />
| <math>0 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 58\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>200 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 45\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>400 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 39\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>600 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 38\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>800 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 37\frac{K}{W} </math><br />
|}<br />
<br />
Für die Form der empfohlenen Kühlfläche sei auf das Datenblatt verwiesen. Wird das IC in einem Sockel verwendet, muss man sicherlich von höheren thermischen Widerständen ausgehen.<br />
<br />
'''AN-994'''<br />
<br />
In der ''Application Note AN-994 - Maximizing the Effectiveness of your SMD Assemblies'' von ''International Rectifier (IRF)'' sind weitere Daten vorhanden. Die dort genannten Daten sind jedoch teils drastisch niedriger als die hier genannten. Eine mögliche Erklärung sind z.B. die höhere Kupferauflage (70µm) oder evtl. optimierte Wärmewiderstände innerhalb der Gehäuse.<br />
<br />
'''Große Kupferflächen'''<br />
<br />
Im ''Application Hint 17 - Designing P.C. Board Heat Sinks - by Bob Wolbert (Micrel)'' werden Angaben zu thermischen Widerständen der Platine für vergleichsweise große Flächen gemacht. Die thermischen Widerstände beschreiben den Übergang <math>R_{th(ha)}</math> unter den Bedingungen: Quadratische Kupferfläche, einseitig, horizontal montiert, Lötstopplack, keine Belüftung. Die Dicke der Kupferkaschierung ist nicht angegeben. Hier einige Werte, abgelesen aus dem Diagramm der genannten Application Note:<br />
<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
| Kupferfläche || therm. Widerstand<br />
|-<br />
| <math>500 mm^2</math> || <math>R_{th(ha)}\approx 60\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>1000 mm^2</math> || <math>R_{th(ha)}\approx 45\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>1500 mm^2</math> || <math>R_{th(ha)}\approx 38\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>2000 mm^2</math> || <math>R_{th(ha)}\approx 33\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>2500 mm^2</math> || <math>R_{th(ha)}\approx 30\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>3000 mm^2</math> || <math>R_{th(ha)}\approx 28\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>4000 mm^2</math> || <math>R_{th(ha)}\approx 24\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>5000 mm^2</math> || <math>R_{th(ha)}\approx 22\frac{K}{W} </math><br />
|}<br />
<br />
<br />
'''Abschlusskommentar'''<br />
<br />
An den gezeigten, thermischen Widerständen sieht man leicht: je größer die Kühlfläche, desto geringer der thermische Widerstand. Dieses Verhalten würde man so auch erwarten.<br />
<br />
Ab einer bestimmten Fläche wird die Platine als Kühlkörper jedoch unhandlich, und man wird die Fläche nicht weiter vergrößern. Die mit den Kupferflächen erreichten thermischen Widerstände sind für viele Anwendungen noch deutlich zu hoch. Bei Verlustleistungen von wenigen Watt werden dadurch bereits kritische Chiptemperaturen erreicht. Wie bereits oben erwähnt, funktioniert die Entwärmung von SMD-Komponenten über die Platine also nur für kleine Verlustleistungen. Bei größeren Verlustleistungen müssen zusätzliche Entwärmungsmaßnahmen getroffen werden (z.B. aufklebbarer Kühlkörper, etc.). Zielführend ist auch, die Ursache der Erwärmung, nämlich die Verlustleistung zu verringern. Wird beispielsweise ein Linearregler durch einen effizienteren Schaltregler ersetzt, kann die Entwärmung aufgrund der kleineren Verlustleistung deutlich einfacher gestaltet werden. Ob die Verringerung der Verlustleistung möglich ist, hängt natürlich von der Anwendung ab.<br />
<br />
=Spezielle Kühlkörper=<br />
<br />
todo<br />
<br />
=Autoren=<br />
* BMS<br />
<br />
[[Kategorie:Elektronik]]<br />
[[Kategorie:Mechanik]] <br />
[[Kategorie:Praxis]] <br />
[[Kategorie:Grundlagen]]<br />
<br />
=Quellen und Verweise=<br />
<br />
Zeitschriftenartikel:<br />
<br />
* Best, Siegfried W.: ''Elektronikkühlung und Wärmemanagement von A bis Z''. In: Elektronikpraxis - Sonderheft Elektromechanik, April 2013. S. 20ff.<br />
* Best, Tobias: ''Thermisches Via, die kleine Schwester der Heatpipe''. In: Elektronikpraxis, April 2013. S. 12ff.<br />
* Erdmann, Marc: ''Beste Effizienz auch beim Thermal Management''. In: Elektronikpraxis - Sonderheft Leistungelektronik und Stromversorgung. März 2015. S. 38ff.<br />
* Kerstin, Nils; Schulz, Martin: ''Thermische Widerstände genau messen - eine Herausforderung''. In: Elektronikpraxis, Nr. 17, September 2014. S. 48ff.<br />
* K.R. (Alutronic): ''Stiftkühlkörper für die Leistungselektronik''. In: Elektronikpraxis Nr.9, Mai 2014. S. 50ff.<br />
* Harpain, Jürgen: ''Wärmeleitmaterial kompensiert Lufteinschlüsse''. In: Elektronikpraxis Nr.1, Januar 2014. S. 36ff.<br />
* Harpain, Jürgen: ''Entwärmungskonzepte für Einzelhalbleiter und ICs''. In: Elektronikpraxis - Sonderheft Elektromechanik, April 2014. S. 14ff.<br />
* Schulz, Martin: ''Fünf Fettnäpfchen beim Bestimmen thermischer Größen''. In: Elektronikpraxis, November 2013. S. 36ff.<br />
* Schulz, Martin: ''Mythen und Legenden über Wärmeleitmaterialien''. In: Elektronikpraxis Nr.2., Januar 2014. S. 42ff.<br />
<br />
----<br />
<br />
Datenblätter, aus denen thermische Widerstände entnommen wurden:<br />
<br />
* [http://pdf.datasheetcatalog.com/datasheet/nationalsemiconductor/DS011476.PDF Datenblatt LM2576 von National Semiconductor]<br />
* [http://pdf.datasheetcatalog.com/datasheet/nationalsemiconductor/LM1117.pdf Datenblatt LM1117 von National Semiconductor]<br />
* [http://pdf.datasheetcatalog.com/datasheets/150/9358_DS.pdf Datenblatt L78Lxx von ST]<br />
* [http://pdf.datasheetcatalog.com/datasheet/stmicroelectronics/1330.pdf Datenblatt L293DD von ST]<br />
* [http://pdf.datasheetcatalog.com/datasheet/stmicroelectronics/1373.pdf Datenblatt L6202 von ST]<br />
* [http://www.irf.com/technical-info/appnotes/an-994.pdf ''Application Note AN994 - Maximizing the Effectiveness of your SMD Assemblies'' - International Rectifier (IRF)]<br />
* [http://www.micrel.com/_PDF/App-Hints/ah-17.pdf ''Application Hint 17 - Designing P.C. Board Heat Sinks - by Bob Wolbert (Micrel)'']<br />
<br />
----<br />
<br />
Weblinks:<br />
<br />
* [http://stegem.de/Elektronik/Kuehlkoerper/ Online-Tool zur Kühlkörperberechnung von Gemmel, S.]<br />
* [http://ludens.cl/Electron/Thermal.html Thermal Design - von Mornhinweg, M.]<br />
* [http://sound.westhost.com/heatsinks.htm The Design of Heatsinks - von Elliot, R.]<br />
* [http://www.giangrandi.ch/electronics/thcalc/thcalc.shtml Calculating Heat sinks - von Giangrandi, I.]<br />
* [http://www.irf.com/technical-info/appnotes/an-1057.pdf Application Note AN-1057: Heatsink Characteristics von International Rectifier (IRF)]<br />
* [http://ww1.microchip.com/downloads/en/AppNotes/00792a.pdf Application Note AN792: A method to determine how much power a sot23 can dissipate in an application (Microchip Technology Inc. 2001)]<br />
* [http://www.fairchildsemi.com/application-notes/AN/AN-1028.pdf Application Note AN1028: Maximum Power Enhancement Techniques for SOT-223 Power MOSFETs (Fairchild Semiconductor 1996)]</div>BMShttps://rn-wissen.de/wiki/index.php?title=Datei:Therm-esb3.png&diff=26382Datei:Therm-esb3.png2015-05-21T19:06:50Z<p>BMS: Thermisches Ersatzschaltbild: zwei Wärmequellen auf gemeinsamem Kühlkörper. Eigene Zeichnung.</p>
<hr />
<div>Thermisches Ersatzschaltbild: zwei Wärmequellen auf gemeinsamem Kühlkörper. Eigene Zeichnung.</div>BMShttps://rn-wissen.de/wiki/index.php?title=K%C3%BChlk%C3%B6rper&diff=26381Kühlkörper2015-05-21T12:52:28Z<p>BMS: Kleinkram</p>
<hr />
<div>{{Baustelle|BMS}}<br />
<br />
Dieser Artikel behandelt die Grundlagen zu Kühlkörpern.<br />
<br />
[[Bild:kühlkörper-übersicht.jpg|thumb|Verschiedene Kühlkörper, links ein TO220-Gehäuse zum Größenvergleich]]<br />
<br />
=Einleitung=<br />
<br />
'''Wieso sind überhaupt Kühlkörper in technischen Geräten erforderlich?'''<br />
<br />
Kein Gerät kann einen 100-prozentigen Wirkungsgrad erzielen und somit tritt Verlustleistung auf. Diese Verlustleistung führt zur Erwärmung der Bauteile. Kühlkörper sollen die Entwärmung verbessern, indem die entstehende Wärme auf eine große Fläche verteilt wird und durch Konvektion an der Luft auskühlen kann. Die Temperatur an den heißen Bauteilen ist mit Kühlkörper geringer als ohne Kühlkörper.<br />
<br />
'''Wieso sind hohe Bauteiltemperaturen ungünstig?'''<br />
<br />
Die Lebensdauer aller elektronischen Bauteile ist stark von der Temperatur abhängig. Als Faustregel gilt: Eine Temperaturerhöhung um 10 Grad führt zur Halbierung der Lebensdauer. Außerdem gibt es Grenztemperaturen, die nicht überschritten werden dürfen. Beispielsweise dürfen Halbleiter keine Temperatur über 150°C erreichen. Extrembeispiele sind die Schmelztemperatur von Isolierungen, Lötzinn etc... sowie Brandgefahr durch hohe Temperaturen. Viele Bauteile können ohne vernünftige Kühlung nicht ihren vollen Funktionsumfang erreichen, liefern dann z.B. geringere Maximalströme oder es greift die Temperaturabschaltung. Anders formuliert: Die maximale Leistung eines Bauteils oder Geräts wird durch seine Entwärmung bestimmt! Zur eigenen Sicherheit bietet es sich zudem an, die Temperaturen niedrig zu halten, sodass man sich am Gerät nicht die Finger verbrennen kann ;)<br />
<br />
=Wärmeübertragung=<br />
Prinzipiell kann Wärmeübertragung über Wärmeleitung, Konvektion und Wärmestrahlung geschehen. In vielen Anwendungen treten mehrere Mechanismen gleichzeitig auf. Welcher Mechanismus hauptsächlich auftritt, ist von der mechanischen Anordnung, den Materialien und der Temperatur abhängig. Wärmeleitung und Konvektion sind die wichtigsten Arten der Wärmeübertragung, die in der Praxis auftreten. Nun zu den einzelnen Effekten:<br />
<br />
*'''Wärmeleitung'''<br />
*: Bei der Wärmeleitung wird die Wärme über einen direkten mechanischen Kontakt (Bsp. IC <math>\rightarrow</math>Kühlkörper) übertragen. Den beteiligten Materialien wird jeweils eine spezifische Wärmeleitfähigkeit <math>\lambda</math> zugeordnet, dazu später mehr.<br />
<br />
*'''Konvektion'''<br />
*: Mit Konvektion wird die Strömungsbewegung in Flüssigkeiten und Gasen bezeichnet. Praxisbeispiele sind die Wärmeabgabe eines Kühlkörpers an die Umgebungsluft oder auch eine Wasserkühlung. Von erzwungener Konvektion spricht man, wenn die Strömung durch z.B. einen Ventilator/Lüfter oder eine Wasserpumpe hervorgerufen wird. Im Vakuum kann keine Konvektion auftreten.<br />
<br />
*'''Wärmestrahlung'''<br />
*: Wärmestrahlung ist elektromagnetische Strahlung (hauptsächlich Infrarot und sichtbares Licht), die vom heißen Festkörper abgestrahlt wird. Sie wird erst bei höheren Temperaturen relevant und ist bei den üblichen Kühlkörpertemperaturen meist zu vernachlässigen. Erwähnt werden soll zudem, dass Wärmestrahlung der einzige Mechanismus der Wärmeleitung ist, welcher im Vakuum auftreten kann. (Für Details zu Wärmestrahlung siehe auch: Plancksches Strahlungsgesetz und Schwarzer Strahler).<br />
<br />
=Materialien=<br />
Jedes Material besitzt eine spezifische Wärmeleitfähigkeit, welche angibt, wie gut dieses Material Wärme weiter transportieren kann. Die spezifische Wärmeleitfähigkeit ist unabhängig von der Geometrie des Materials, wird mit der Größe <math>\lambda</math> (Lambda) ausgedrückt und erhält die Einheit <math>\frac{W}{m \cdot K}</math>.<br />
<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
|-<br />
| '''Material''' || '''<math>\lambda</math> in <math>\left[ \frac{W}{m \cdot K} \right]</math>'''<br />
|-<br />
| Silber || 430<br />
|-<br />
| Kupfer || 400<br />
|-<br />
| Aluminium || 230<br />
|-<br />
| Silizium || 140 <br />
|-<br />
| Wärmeleitpaste || 5 ... 10<br />
|-<br />
| Glas || 0,7<br />
|-<br />
| Wasser || 0,5<br />
|-<br />
| Platinenmaterial FR4 || 0,2 ... 0,5<br />
|-<br />
| Luft || 0,02<br />
|}<br />
<br />
Die meisten Kühlkörper werden aus Aluminiumlegierungen hergestellt. Für Aluminium spricht seine relativ hohe Wärmeleitfähigkeit, die hohe Verfügbarkeit und geringe Dichte. Im Vergleich zu Kupfer und Silber ist Aluminium deutlich kostengünstiger. Darüber hinaus lässt sich Aluminium mechanisch gut verarbeiten. Kupfer wird mit seiner höheren Wärmeleitfähigkeit z.B. bei Heatpipes eingesetzt.<br />
<br />
todo<br />
<br />
Wärmewiderstand <math>R_{th}=\frac{d}{\lambda \cdot A}</math><br />
<br />
d: Materialdicke, welche für die Wärmeleitung relevant ist<br />
<br />
<math>\lambda</math>spezifische Wärmeleitfähigkeit des Materials<br />
<br />
A: Querschnitts-/Kontaktfläche<br />
<br />
=Definitionen=<br />
Um vorauszusagen, wie sich die Temperaturen in einer Schaltung verhalten, bedient sich der Ingenieur - wie auch bei vielen anderen Anwendungen - eines Ersatzschaltbildes (ESB). Zur Erstellung eines thermischen Ersatzschaltbildes muss man sich aber zunächst mit den thermischen Größen vertraut machen.<br />
<br />
Die Temperaturen werden mit dem griechischen Buchstaben Theta <math>\theta</math> gekennzeichnet. Temperaturen werden in Grad Celsius (°C), Temperaturdifferenzen in Kelvin (K) angegeben. (Am Rande: Es existiert auch eine Kelvinskala mit dem absoluten Nullpunkt 0 K=-273,15°C). Die Temperaturen werden außerdem noch mit einem Index gekennzeichnet, abhängig von der mechanischen Stelle, an der sie auftreten:<br />
<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
|-<br />
| Symbol || Index || Bedeutung<br />
|-<br />
| <math>\vartheta_{J}</math> || J=Junction || Sperrschichttemperatur des Halbleiters<br />
|-<br />
| <math>\vartheta_{C}</math> || C=Case || Gehäusetemperatur des Bauteils<br />
|-<br />
| <math>\vartheta_{H}</math> || H=Heat Sink || Temperatur des Kühlkörpers<br />
|-<br />
| <math>\vartheta_{A}</math> || A=Ambient || Umgebungstemperatur<br />
|}<br />
<br />
Die Verlustleistung eines Bauteils beschreibt die Größe <math>P_{V}</math> und wird, wie allgemein bekannt, in Watt angegeben.<br />
<br />
Als neue Größe wird nun der thermische Widerstand eingeführt, dieser wird mit <math>R_{th}</math> beschrieben und bekommt die Einheit <math>\frac{K}{W}</math>. <br />
<br />
Für die thermischen Größen gibt es, ähnlich dem Ohmschen Gesetz, einen linearen Zusammenhang. Dieser lautet<br />
<br />
<math>R_{th}=\frac{\vartheta_{ü}}{P_{V}}</math><br />
<br />
todo<br />
<br />
'''Vergleich elektrischer und thermischer Größen'''<br />
<br />
Insgesamt können wir nun eine Analogie zwischen bekannten elektrischen Größen und den thermischen Größen angeben. Die schon gelernten Prinzipien zur Lösung linearer Netzwerke lässt sich auch bei den thermischen Ersatzschaltbildern anwenden.<br />
<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
|-<br />
| elektrisch || thermisch<br />
|-<br />
| Spannung U || Temperatur <math>\vartheta</math><br />
|-<br />
| Strom I || Verlustleistung <math>P_{V}</math><br />
|-<br />
| Widerstand R || thermischer Widerstand <math>R_{th}</math><br />
|}<br />
<br />
=Statisches Ersatzschaltbild=<br />
Mit den thermischen Zusammenhängen haben wir uns inzwischen vertraut gemacht. Nun können wir damit beginnen, thermische Ersatzschaltbilder von einfachen Anordnungen zu erstellen. Mit solchen Modellen können Temperaturen, wie z.B. die Chiptemperatur, vorab berechnet werden. Für die Berechnung müssen Wärmewiderstände, Umgebungstemperatur und Verlustleistung bekannt sein, da sie in die Berechnung einfließen.<br />
<br />
Bei den thermischen Ersatzschaltbildern kann man ein statisches oder ein dynamisches Ersatzschaltbild erstellen. Bei den statischen Ersatzschaltbilder wird davon ausgegangen, dass alle Größen zeitlich konstant sind, bzw. sofort ihre Solltemperatur entsprechend dem Modell annehmen. In der Realität dauert es natürlich eine gewisse Zeit, bis sich alle beteiligten Materialien aufgeheizt haben. Die Temperaturen des statischen Modells werden dabei erst nach einer bestimmten Zeit erreicht. <br />
<br />
Für die meisten Anwendungen genügt es jedoch, das statische thermische Ersatzschaltbild zu erstellen und den Kühlkörper dem entsprechend zu dimensionieren. Die Kühlung wird z.B. auf die maximale oder die mittlere auftretende Verlustleistung dimensioniert. Es wurde bereits erwähnt, dass sich die Bauteiltemperatur auf dessen Lebensdauer auswirkt. Dabei gilt: je niedriger die Bauteiltemperatur, desto länger die zu erwartende Lebensdauer. Je nach Anwendung und Rahmenbedingungen muss eventuell ein Kompromiss zwischen Kühlkörpergröße/kosten und Gerätelebensdauer gewählt werden. Beispielsweise kann der verfügbare Platz, ein Gesamtgewicht oder eine Kostenvorgabe begrenzender Faktor sein. Für einen dauerhaften sicheren Betrieb muss der Kühlkörper und weitere beteiligte Materialien für den worst case ausgelegt oder sogar überdimensioniert werden.<br />
<br />
==Bauteil ohne Kühlkörper==<br />
Um den Umgang mit den thermischen Ersatzschaltbildern zu lernen, soll zunächst mit einem einfachen Beispiel begonnen werden. In diesem Fall wird der Wärmeübergang von einem einzelnen Bauteil zu Luft betrachet, es kommt zunächst also noch kein Kühlkörper zum Einsatz. Das Ersatzschaltbild sieht in diesem Fall folgendermaßen aus:<br />
<br />
[[Bild:Therm-esb1.png|450px]]<br />
<br />
Die am Bauteil entstehende Verlustleistung ist Ursache der Abwärme und wird im thermischen Ersatzschaltbild als ideale Stromquelle modelliert.<br />
<br />
Die Abwärme gelangt nun über den Weg Sperrschicht (Junction) <math>\rightarrow</math> Bauteilgehäuse (Case) <math>\rightarrow</math> Umgebung (Ambient) nach außen. Im Ersatzschaltbild ist jeder Übergang als thermischer Widerstand modelliert. Die genauen Zahlenwerte der Wärmewiderstände lassen sich in der Regel dem Datenblatt des Bauteils entnehmen. Benötigt werden die Werte für <math>R_{th(jc)}</math> und <math>R_{th(ca)}</math>. In manchen Datenblättern findet man die Angabe <math>R_{th(ja)}</math>, was der Reihenschaltung aus den beiden vorher genannten Werten entspricht, also <math>R_{th(ja)}=R_{th(jc)}+R_{th(ca)}</math>.<br />
<br />
Die Umgebungstemperatur wird als ideale Spannungsquelle modelliert. Sämtliche Spannungen im Ersatzschaltbild entsprechen den auftretenden Temperaturen.<br />
<br />
Da es sich nun um ein lineares Netzwerk handelt, gelten hier ebenfalls die Kirchhoff'schen Gleichungen. Relativ leicht lässt sich nun die Temperatur am Bauteilgehäuse (Case) und der Sperrschicht (Junction) berechnen:<br />
<br />
<math>\vartheta_{c}=\vartheta_{a}+R_{th(ca)} \cdot P_{V}</math><br />
<br />
<math>\vartheta_{j}=\vartheta_{a}+R_{th(jc)} \cdot P_{V}+R_{th(ca)} \cdot P_{V}=\vartheta_{a}+(R_{th(jc)}+R_{th(ca)}) \cdot P_{V}=\vartheta_{a}+R_{th(ja)} \cdot P_{V}</math><br />
<br />
Da die thermischen Widerstände bei der Reihenschaltung auch zusammengefasst werden dürfen, beschreibt folgendes thermisches Ersatzschaltbild den gleichen Zusammenhang. Nachteil ist hier allerdings, dass die Temperatur am Gehäuse nicht modelliert wird.<br />
<br />
[[Bild:Therm-esb0.png|300px]]<br />
<br />
Die Überlegungen zur Sperrschichttemperatur kann auch anders interpretiert werden. Gibt man die Sperrschichttemperatur vor, kann man die maximal erlaubte Verlustleistung des Bauteils in Abhängigkeit der Umgebungstemperatur bestimmen. Die folgende Formel erhält man aus Umformung der oberen Gleichung:<br />
<br />
<math>P_{V} \leq \frac{\vartheta_{j}-\vartheta_{a}}{R_{th(ja)}}</math><br />
<br />
Bei Halbleitern darf idR. die Sperrschichttemperatur nicht 150°C überschreiten. Der thermische Widerstand wird hauptsächlich durch das Gehäuse vorgegeben. Aus der Formel sieht man nun folgendes: Je höher die Umgebungstemperatur, desto geringer fällt die maximal erlaubte Verlustleistung aus. Diesen Zusammenhang bezeichnet man auch als '''Derating'''.<br />
<br />
===Beispielrechnung===<br />
<br />
Ein Spannungsregler vom Typ 7805 im TO220-Gehäuse soll ohne Kühlkörper betrieben werden. Wie hoch ist die maximal erlaubte Verlustleistung, wenn die Sperrschichttemperatur 120°C nicht überschreiten soll und die Umgebungstemperatur 25°C beträgt?<br />
<br />
Zunächst werfen wir einen Blick ins Datenblatt des Spannungsreglers und entnehmen die Angaben für die thermischen Widerstände. Dann halten wir alle gegebenen Größen fest:<br />
<br />
*'''Gegeben'''<br />
*:* <math>R_{th(jc)}=5 \frac{K}{W}</math> (aus dem Datenblatt)<br />
*:* <math>R_{th(ja)}=62 \frac{K}{W}</math> (aus dem Datenblatt)<br />
*:* <math>\vartheta_{j}=125°C</math><br />
*:* <math>\vartheta_{a}=25°C</math><br />
*'''Gesucht'''<br />
*:* <math>P_{v,max}</math><br />
*'''Rechnung'''<br />
*:Wir verwenden die Formel von oben und erhalten als Ergebnis<br />
*:<math>P_{V,max} = \frac{\vartheta_{j}-\vartheta_{a}}{R_{th(ja)}} = \frac{120°C-25°C}{62\frac{K}{W}} = \frac{95K}{62\frac{K}{W}} \approx 1,5 Watt</math><br />
*:Die maximal erlaubte Verlustleistung des Spannungsreglers ohne Kühlkörper darf demnach 1,5 Watt nicht überschreiten.<br />
*'''Zusatz'''<br />
*:Mit unserem Ersatzschaltbild können wir außerdem die Temperatur des Gehäuses (Case) des Spannungsreglers angeben. Dafür benötigen wir noch die Angabe <math>R_{th(ca)}</math>, welche allerdings im Datenblatt nicht angegeben ist.<br />
*:Da wir aber wissen, dass <math>R_{th(ja)}=R_{th(jc)}+R_{th(ca)}</math> gilt, können wir die fehlende Größe ausrechnen. Diese ist<br />
*:<math>R_{th(ca)}=R_{th(ja)}-R_{th(jc)}=62\frac{K}{W}-5\frac{K}{W}=57\frac{K}{W}</math>.<br />
*:Nun lässt sich die Gehäusetemperatur berechnen:<br />
*:<math>\vartheta_{c}=\vartheta_{a}+R_{th(ca)} \cdot P_{V}=25°C+57\frac{K}{W} \cdot 1,5 W \approx 111 °C</math><br />
*'''Bemerkung'''<br />
*:In der Praxis wird einem TO220-Gehäuse ungekühlt eine maximale Verlustleistung von 1 Watt zugerechnet. Die Temperaturen sind niedriger, die Lebensdauer des Bauteils höher.<br />
<br />
==Bauteil mit Kühlkörper und T.I.M.==<br />
<br />
Der Betrieb eines ICs ohne Kühlkörper, wie im vorigen Abschnitt beschrieben, funktioniert nur bei kleinen Leistungen und führt meist auch zu einer verringerten Lebensdauer des Bauteils. Viele Bauteile können ihre angegebenen Maximalwerte nur bei vernünftiger Kühlung erreichen. In diesem Abschnitt wird nun ein typisches Szenario mit Kühlkörperberechnung vorgestellt.<br />
<br />
Befassen wir uns zunächst mit der typischen mechanischen Anordnung. Das zu kühlende IC wird thermisch an einen Kühlkörper gekoppelt. In der Praxis wird man das IC aber nicht direkt auf dem Kühlkörper befestigen, sondern über ein sogenanntes ''thermisches Interface-Material'' (T.I.M.), um Unebenheiten und mechanische Abstände auszugleichen oder um für Insolierung zu sorgen. Details zum T.I.M. folgen im Unterabschnitt. Die typische Anordnung zeigt die folgende Abbildung.<br />
<br />
[[Bild:kühlkörper-schichten.png|300px]]<br />
<br />
Folgende thermischen Widerstände treten hier in Kraft:<br />
*<math>R_{th(jc)}</math> für den Übergang Chip zu Bauteilgehäuse<br />
*<math>R_{th(ch)}</math> für den Übergang Bauteilgehäuse zu Kühlkörper (also über das T.I.M.)<br />
*<math>R_{th(ha)}</math> für den Übergang Kühlkörper zur Umgebung<br />
<br />
Aus diesen thermischen Widerständen wird ein thermisches Ersatzschaltbild angefertigt. Dieses zeigt die nächste Abbildung.<br />
<br />
[[Bild:Therm-esb2.png|700px]]<br />
<br />
Zunächst soll die Formel zur Berechnung der Chiptemperatur aufgestellt werden, die Formel erhält man wieder durch die Anwendung der Kirchhoffschen Gleichungen im Ersatzschaltbild.<br />
<br />
<math>\vartheta_{j}=\vartheta_{a}+(R_{th(jc)}+R_{th(ch)}+R_{th(ha)}) \cdot P_{V}</math><br />
<br />
Die Formel wird in der Praxis jedoch in einer anderen Form benötigt. Meist steht man als Entwickler vor der Aufgabe, den erforderlichen thermischen Widerstand <math>R_{th(ha)}</math> des Kühlkörpers zu bestimmen, sofern die Größen Umgebungstemperatur, Sperrschichttemperatur, Verlustleistung sowie die verbleibenden thermischen Widerstände gegeben sind. Anhand des berechneten Wärmewiderstands des Kühlkörpers können dann aus Produktkatalogen geeignete Kühlkörper bestimmt werden.<br />
<br />
Wir müssen dafür also die Gleichung nach <math>R_{th(ha)}</math> auflösen. Wir erhalten die praxisübliche Berechnungsformel:<br />
<br />
<math>R_{th(ha)}=\frac{\vartheta_{j}-\vartheta_{a}}{P_{V}}-R_{th(jc)}-R_{th(ch)}</math><br />
<br />
In manchen Quellen sind enthält diese Formel außerdem Korrekturfaktoren, die z.B. die Einbaulage o.ä. berücksichtigen können.<br />
<br />
===Beispielrechnung===<br />
<br />
Für einen Spannungsregler vom Typ 7805 im TO220-Gehäuse soll ein Kühlkörper dimensioniert werden. Die Eingangsspannung des Reglers beträgt 12V, die Ausgangsspannung von 5V wird mit 500mA belastet. Die Umgebungstemperatur sei 30°C. Der Spannungsregler wird mit Wärmeleitpaste auf dem Kühlkörper montiert, für diesen Wärmewiderstand wird 0,5 K/W angenommen. Welchen Wärmewiderstand darf der Kühlkörper höchstens haben, wenn als maximale Sperrschichttemperatur 110°C angenommen wird?<br />
<br />
Diese Aufgabe kann so durchaus in der Praxis auftreten. Von den vielen Angaben darf man sich zunächst nicht verunsichern lassen. Wir verwenden das gezeigte thermische Ersatzschaltbild. Für die Rechnung benötigen wir außerdem noch den thermischen Widerstand <math>R_{th(jc)}</math> aus dem Datenblatt.<br />
<br />
*'''Gegeben'''<br />
*:<math>R_{th(jc)}=5 \frac{K}{W}</math> (aus dem Datenblatt)<br />
*:<math>R_{th(ch)}=0,5 \frac{K}{W}</math><br />
*:<math>\vartheta_{j}=110°C</math><br />
*:<math>\vartheta_{a}=30°C</math><br />
*:<math>U_{ein}=12V</math><br />
*:<math>U_{aus}=5V</math><br />
*:<math>I=0,5A</math><br />
*'''Gesucht'''<br />
*:<math>R_{th(ha)}</math><br />
*'''Rechnung'''<br />
*:Zunächst muss die Verlustleistung am Regler berechnet werden. Diese beträgt<br />
*:<math>P_V=P_{Ein}-P_{Aus}=12V \cdot 0,5A~-~5V \cdot 0,5A=3,5 W</math>.<br />
*:Nun sind eigentlich auch schon alle Angaben vorhanden, sodass wir die Formel verwenden können.<br />
*:<math>R_{th(ha)}=\frac{\vartheta_{j}-\vartheta_{a}}{P_{V}}-R_{th(jc)}-R_{th(ch)}</math><br />
*:Einsetzen:<br />
*:<math>R_{th(ha)}=\frac{110°C-30°C}{3,5W}-5\frac{K}{W}-0,5\frac{K}{W} \approx 17,4\frac{K}{W}</math><br />
*'''Ergebnis'''<br />
*:Der Wärmewiderstand des Kühlkörpers darf maximal <math>17,4\frac{K}{W}</math> betragen.<br />
*'''Zusatz'''<br />
*:Aus dem Katalog wird ein Kühlkörper mit einem Wärmewiderstand von <math>10\frac{K}{W}</math> gewählt. Welche Temperatur erreicht der Kühlkörper, wenn er bei den gegebenen Bedingungen eingesetzt wird?<br />
*:<math>\vartheta_h=\vartheta_a+P_{V} \cdot R_{th(ha)}=30°C+3,5W \cdot 10 \frac{K}{W} \approx 65°C</math><br />
<br />
==Mehrere Bauteile auf einem gemeinsamen Kühlkörper==<br />
<br />
Wird noch ausgebaut, Bilder usw.<br />
<br />
=Thermische Interface-Materialien (T.I.M.) und Montage=<br />
Wie bereits erwähnt, werden ICs in der Praxis nicht direkt auf einen Kühlkörper befestigt. Der Grund dafür ist folgender: Durch Unebenheiten und die rauhe Oberfläche von Kühlkörper und IC berühren sich die betreffenden Flächen unter dem Mikroskop gesehen nur minimal. Durch Lufteinschlüsse und die Tatsache, dass Luft ein schlechter Wärmeleiter ist, fällt in diesem Fall die thermische Anbindung des ICs an den Kühlkörper relativ schlecht aus.<br />
<br />
Zum Ausgleich der Unebenheiten eignet sich Wärmeleitpaste, welche dünn auf die Kontaktfläche aufgetragen wird. Es genügt eine sehr geringe Menge der Wärmeleitpaste, die Schichtdicke liegt in der Größenordnung 0,1mm. Die Aufgabe der Wärmeleitpaste ist, die Unebenheiten der Kontaktflächen auszugleichen. Zu viel Wärmeleitpaste erhöht wiederum den thermischen Übergangswiderstand. <br />
<br />
Ist zusätzlich eine elektrische Isolation zwischen IC und Kühlkörper erforderlich, können Glimmerscheiben (engl. mica) eingesetzt werden. Elektrische Isolation ist erforderlich, falls zum Beispiel mehrere Transistoren auf einen Kühlkörper montiert werden sollen und eine elektrische Verbindung der Kühlfahnen über den Kühlkörper zu Kurzschlüssen führen würde. Werden Glimmerscheiben verwendet, müssen diese beidseitig mit Wärmeleitpaste bestrichen werden, um sämtliche Unebenheiten auszugleichen. Die Glimmerscheiben werden zwischen IC und Kühlkörper eingebaut. Werden die ICs an den Kühlkörper geschraubt, muss auch die Schraube elektrisch isoliert werden. Hierfür sind entsprechende Hülsen aus Kunststoff erhältlich.<br />
<br />
Wärmeleitfolien aus Silikon /Gap-Filler<br />
<br />
BAUSTELLE<br />
<br />
Zur Montage der ICs auf dem Kühlkörper gibt es mehrere Möglichkeiten. Üblich sind Schraubmontage oder die Verwendung von Metallclips aus Federstahl. Der Anpressdruck durch die Montage kann die thermische Kopplung des ICs zum Kühlkörper beeinflussen. Die Metallclips haben den Vorteil, dass der Anpressdruck mit der Zeit nicht nachlässt.<br />
<br />
BAUSTELLE<br />
<br />
=Dynamisches Ersatzschaltbild=<br />
<br />
Bei den statischen Ersatzschaltbildern können zeitveränderliche Vorgänge nicht modelliert werden. Um auch den zeitlichen Verlauf der Temperaturen bei z.B. wechselnder Verlustleistung der Bauteile vorhersagen zu können, bedient man sich dem dynamischen Ersatzschaltbild. Dieses enthält neben den thermischen Widerständen auch Wärmekapazitäten. Durch thermische Widerstände und Wärmekapazitäten ergeben sich Zeitkonstanten bei der Erwärmung, sodass das Modell der Realität sehr nahe kommt.<br />
<br />
BAUSTELLE<br />
<br />
=Kühlkörperbauformen=<br />
* Board-Level-Kühlkörper (aufsteckbare/aufklebbare Kühlkörper, auch für SMD, meist 1 Kühlkörper pro IC)<br />
* Strang-/Profilkühlkörper (meist für hohe Leistungen)<br />
* Kühlaggregate (Kanal + Lüfter)<br />
<br />
Wozu eloxierte Oberflächen?<br />
* geringfügig höhere Wärmestrahlung (bei den niedrigen Temperaturen kaum ein Beitrag)<br />
* elektrische Isolation<br />
* Oberflächenschutz<br />
Nachteile:<br />
* erhöhte Wärmeaufnahme aus der unmittelbaren Umgebung!<br />
<br />
Stiftkühlkörper<br />
* hohe Oberfläche<br />
* bei dickem "Rücken"/"Boden" des Kühlkörpers gute Wärmespreizung<br />
* mit erzwungener Konvektion hohe Wärmeübertragung (quer zu den Stiften effektiver als in Stiftrichtung)<br />
* leichter und kompakter als Strangkühlkörper<br />
<br />
todo<br />
<br />
=Lüfter=<br />
Lüfter werden vor allem dann eingesetzt, wenn der Kühlkörper bei rein passiver Kühlung zur groß, zu schwer oder zu teuer wird. Beim Einsatz des Lüfters führt die erzwungene Luftströmung zur besseren Wärmeabgabe an die Luft. Bei gleicher Temperatur kann der Kühlkörper dann kleiner gewählt werden. Bei hohen Leistungen sind der kleinere Kühlkörper mit Lüfter preisgünstiger und kompakter als ein großer, rein passiver Kühlkörper. Um welchen Faktor die Wärmeableitung mit Lüfter verbessert wird, hängt von vielen Parametern ab und kann nicht pauschal angegeben werden.<br />
<br />
Vorteile<br />
* bessere Wärmeabgabe<br />
* Kühlkörper kann bei gleicher Temperatur kleiner, leichter und kostengünstiger werden<br />
* In kleinem Maßstab günstiger als Wasserkühlung o.ä.<br />
<br />
Nachteile<br />
* zusätzlicher Stromverbrauch<br />
* Geräuschentwicklung und Vibrationen<br />
* zusätzliche Kosten für Lüfter und dessen Montage<br />
* Im Falle eines unbemerkten Ausfalls kann die Schaltung überhitzen (Abhilfe: Thermostat, Temperaturfühler oder Tachosignal auswerten)<br />
<br />
Anordnungen:<br />
* Push-Prinzip: Der Lüfter bläst die Luft in den Kühlkörper/-kanal<br />
* Pull-Prinzip: Der Lüfter saugt die Luft aus dem Kühlkörper/-kanal heraus<br />
<br />
Kenngrößen:<br />
* Luftdurchsatz in <math>\frac{m^{3}}{h}</math><br />
* Nennspannung, Nennstrom, Nennleistung<br />
* Typ Axial/Radial<br />
* Größe<br />
* Geräuschpegel<br />
* Art der Lagerung (Kugellager, Sinterbronze-Lager etc.)<br />
* Temperaturbereich<br />
* Lebensdauer, MTBF<br />
<br />
=Entwärmung auf einer Platine=<br />
Beim Leiterplattenentwurf muss bereits in der Designphase abgeschätzt werden, welche Verlustleistungen auftreten und wie die entstehende Wärme abgeführt werden kann. Die Größe, Bauform und Befestigung des Kühlkörpers muss ebenfalls berücksichtigt werden. Für Printmontage sind Kühlkörper verfügbar, welche mit lötbaren Stiften in die Platine gesteckt und verlötet werden. Alternativ sind Schraubverbindungen möglich.<br />
<br />
SMD-Bauteile können meist über die Platine gut entwärmt werden. Dies ist normalerweise nur bei geringen Verlustleistungen möglich. Die Abwärme der Bauteile muss auf eine möglichst große Fläche verteilt werden, durch große Kupferflächen auf der Platine kann dies erreicht werden. Da die Wärmeleitfähigkeit der Kupferauflage deutlich höher ist als die Wärmeleitfähigkeit des Platinenmaterials FR4, wird sich die Wärme hauptsächlich in der Fläche verteilen, jedoch weniger ''durch'' die Platine hindurch. Um die Wärmeleitung durch die Platine (z.B. von Ober- zu Unterseite) zu erhöhen, müssen Durchkontaktierungen gesetzt werden. Sogenannte "Thermal Vias" werden in einer großen Anzahl an das zu entwärmende Bauteil gesetzt und können damit die Wärme zu anderen Kupferlagen der Platine weiterleiten. Die Wärmeleitung durch die Platine hindurch wird verbessert, liegt aber dennoch deutlich unter der Wärmeleitfähigkeit von reinem Kupfer. Thermische Vias können aufgrund ihrer kleinen Masse kaum einen Beitrag zur gesamten "Kühlmasse" beitragen. Ob schließlich eine Entwärmung durch die Platine ausreicht, muss durch Simulation oder Messung gezeigt werden.<br />
<br />
Die Einbaulage der Platine kann die Entwärmung zudem beeinflussen. Erwärmte Umgebungsluft steigt nach oben und kann andere Komponenten oder Platinen aufheizen.<br />
<br />
Maßnahmen für bessere Entwärmung:<br />
<br />
* Durchkontaktierungen zur Wärmeleitung zwischen mehreren Kupferlagen, da der Platinenkern (bei FR4: glasfaserverstärktes Epoxidharz) idR. eine sehr schlechte Wärmeleitfähigkeit hat<br />
* Breite Leiterbahnen, welche Wärme abführen und auf eine große Fläche verteilen<br />
* Für große bedrahtete ICs (TO220, Multiwatt...) eignen sich Board-Level-Kühlkörper<br />
* Für kleinere ICs mit Wärmeentwicklung eignen sich aufklebbare Kühlkörper<br />
* Für SMD-Bauteile exisitieren auch Kühlkörper, die sich direkt auf die Platine löten lassen, diese sind auch maschinenbestückbar<br />
* Einsatz spezieller Platinenmaterialien (Alukern, Kupfer-Inlay)...<br />
* je nach Schaltung: dickere Kupferkaschierung für bessere Wärmeausbreitung in der Fläche (Standard sind 35µm, erhältlich sind auch 70µm und mehr)<br />
<br />
Welche Temperatur das Bauteil auf der Platine erreicht, kann nach dem Aufbau natürlich gemessen werden. Besser wäre es jedoch, die Temperaturen bereits beim Entwurf der Platine zu kennen, um einschätzen zu können, ob die Entwärmung ausreichend ist. Allgemeine Angaben hierfür sind schwer zu finden, jedoch gibt es vereinzelt Angaben in Datenblättern von Halbleitern zur Entwärmung. An den folgenden Zahlenwerten kann man sich orientieren, wenn man ähnliche Bauteile entwärmen möchte. Damit man für die genannten Flächen eine grobe Vorstellung hat, sei noch erwähnt: ein Cent hat eine Fläche von grob <math>200mm^2</math>, ein Euro hat grob <math>400mm^2</math>.<br />
<br />
'''TO263 (=D2PAK)'''<br />
<br />
Im Datenblatt des Schaltreglers LM2576 von ''National Semiconductor'' findet man für das TO263-Gehäuse einige Angaben. Das TO263-Gehäuse gleicht übrigens dem TO220 bis auf die Tatsache, dass die Kühlfahne kürzer ist und das Gehäuse für SMD-Montage vorgesehen ist. Das Datenblatt gibt thermische Widerstände für den Übergang Junction-Ambient an. Die Angabe ist abhängig von der Kupferfläche auf der Platine, die unmittelbar für das Bauteil aus Kühlkörper wirkt. Die Zahlenwerte aus dem Datenblatt wurden in Quadratmillimeter umgerechnet, gerundet und stehen nun in der Tabelle bereit. Keine Angaben macht der Hersteller zu den Rahmenbedingungen, unter denen die thermischen Widerstände ermittelt wurden (Platinendicke, Durchkontaktierungen, Form der Kupferfläche und Dicke der Kupferkaschierung). Dennoch können die Werte zur groben Orientierung dienen.<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
| Kupferfläche || therm. Widerstand<br />
|-<br />
| <math>325 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 50\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>645 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 37\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>1030 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 32\frac{K}{W} </math><br />
|}<br />
<br />
'''TO252 (=DPAK), SOT223'''<br />
<br />
Im Datenblatt des Low-Drop-Spannungsreglers LM1117 von ''National Semiconductor'' sind Angaben zur Entwärmung über die Platine von SOT223 und TO252-Gehäusen vorhanden. Der Hersteller gibt an, für das SOT223-Gehäuse eine 35µm dicke, und für das TO252-Gehäuse eine 70µm dicke Kupferkaschierung der Platine verwendet zu haben. Leider finden sich in diesem Datenblatt keine Informationen zu Durchkontaktierungen, Platinendicke, und ob das IC auf der Ober- oder Unterseite der Platine montiert wurde (Vermutung: oben montiert, da angegebene thermische Widerstände geringer sind). Der Hersteller hat drei Fälle untersucht: Kupferfläche oben, Kupferfläche unten, Kupferfläche beidseitig. Für das thermische Platinendesign kann man diese Zahlenwerte zumindest als Richtwerte verwenden. Das Datenblatt enthält zudem Zeichnungen der Kühlflächen. Die Zahlenwerte wurden wieder in Quadratmillimeter umgerechnet und gerundet und in die folgenden Tabelle eingetragen:<br />
<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
| Kupferfläche top || Kupferfläche bottom || therm. Widerstand SOT223 || therm. Widerstand TO252<br />
|-<br />
| <math> 200mm^2</math> || - || <math>R_{th(ja)}\approx 84\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 60\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math> 350mm^2</math> || - || <math>R_{th(ja)}\approx 75\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 54\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math> 650mm^2</math> || - || <math>R_{th(ja)}\approx 66\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 47\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| - || <math> 250mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 98\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 70\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| - || <math> 400mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 89\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 63\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| - || <math> 650mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 79\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 57\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math> 200mm^2</math> || <math> 200mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 83\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 61\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math> 250mm^2</math> || <math> 250mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 75\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 55\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math> 350mm^2</math> || <math> 350mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 70\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 53\frac{K}{W} </math><br />
|}<br />
<br />
Bei gleicher (projizierter) Fläche bring die beidseitige Kupferauflage erstaunlicherweise keinen niedrigeren thermischen Widerstand als wenn die Kupferauflage nur auf der Oberseite vorhanden ist. Vermutlich wurden bei der Messung keine Durchkontaktierungen (Vias) eingebracht oder die Fläche ist insgesamt zu klein, als dass sich ein Effekt zeigen würde.<br />
<br />
'''SO8'''<br />
<br />
Für das SO8-Gehäuse findet man eine Angabe im Datenblatt des Spannungsreglers 78L05 von ''ST'':<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
| Kupferfläche || therm. Widerstand<br />
|-<br />
| <math>600 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 55\frac{K}{W} </math><br />
|}<br />
<br />
'''SO20'''<br />
<br />
Aus dem Datenblatt des L293DD sind Angaben zum SO20-Gehäuse enthalten. In diesem Falle sind 8 zentrale Pins an die Kühlfläche angebunden, die Kupferkaschierung ist vermutlich einseitig 35µm. Die groben Richtwerte sind:<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
| Kupferfläche || therm. Widerstand<br />
|-<br />
| <math>200 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 60\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>400 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 53\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>600 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 51\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>800 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 50\frac{K}{W} </math><br />
|}<br />
<br />
'''PowerDIP20'''<br />
<br />
Für das DIP20-Gehäuse wird man im Datenblatt des Motortreibers L6202 von ''ST'' fündig. Bei 35µm Kupferkaschierung der Platine ergeben sich die folgenden thermischen Widerstände.<br />
<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
| Kupferfläche || therm. Widerstand<br />
|-<br />
| <math>0 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 58\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>200 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 45\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>400 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 39\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>600 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 38\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>800 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 37\frac{K}{W} </math><br />
|}<br />
<br />
Für die Form der empfohlenen Kühlfläche sei auf das Datenblatt verwiesen. Wird das IC in einem Sockel verwendet, muss man sicherlich von höheren thermischen Widerständen ausgehen.<br />
<br />
'''AN-994'''<br />
<br />
In der ''Application Note AN-994 - Maximizing the Effectiveness of your SMD Assemblies'' von ''International Rectifier (IRF)'' sind weitere Daten vorhanden. Die dort genannten Daten sind jedoch teils drastisch niedriger als die hier genannten. Eine mögliche Erklärung sind z.B. die höhere Kupferauflage (70µm) oder evtl. optimierte Wärmewiderstände innerhalb der Gehäuse.<br />
<br />
'''Große Kupferflächen'''<br />
<br />
Im ''Application Hint 17 - Designing P.C. Board Heat Sinks - by Bob Wolbert (Micrel)'' werden Angaben zu thermischen Widerständen der Platine für vergleichsweise große Flächen gemacht. Die thermischen Widerstände beschreiben den Übergang <math>R_{th(ha)}</math> unter den Bedingungen: Quadratische Kupferfläche, einseitig, horizontal montiert, Lötstopplack, keine Belüftung. Die Dicke der Kupferkaschierung ist nicht angegeben. Hier einige Werte, abgelesen aus dem Diagramm der genannten Application Note:<br />
<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
| Kupferfläche || therm. Widerstand<br />
|-<br />
| <math>500 mm^2</math> || <math>R_{th(ha)}\approx 60\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>1000 mm^2</math> || <math>R_{th(ha)}\approx 45\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>1500 mm^2</math> || <math>R_{th(ha)}\approx 38\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>2000 mm^2</math> || <math>R_{th(ha)}\approx 33\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>2500 mm^2</math> || <math>R_{th(ha)}\approx 30\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>3000 mm^2</math> || <math>R_{th(ha)}\approx 28\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>4000 mm^2</math> || <math>R_{th(ha)}\approx 24\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>5000 mm^2</math> || <math>R_{th(ha)}\approx 22\frac{K}{W} </math><br />
|}<br />
<br />
<br />
'''Abschlusskommentar'''<br />
<br />
An den gezeigten, thermischen Widerständen sieht man leicht: je größer die Kühlfläche, desto geringer der thermische Widerstand. Dieses Verhalten würde man so auch erwarten.<br />
<br />
Ab einer bestimmten Fläche wird die Platine als Kühlkörper jedoch unhandlich, und man wird die Fläche nicht weiter vergrößern. Die mit den Kupferflächen erreichten thermischen Widerstände sind für viele Anwendungen noch deutlich zu hoch. Bei Verlustleistungen von wenigen Watt werden dadurch bereits kritische Chiptemperaturen erreicht. Wie bereits oben erwähnt, funktioniert die Entwärmung von SMD-Komponenten über die Platine also nur für kleine Verlustleistungen. Bei größeren Verlustleistungen müssen zusätzliche Entwärmungsmaßnahmen getroffen werden (z.B. aufklebbarer Kühlkörper, etc.). Zielführend ist auch, die Ursache der Erwärmung, nämlich die Verlustleistung zu verringern. Wird beispielsweise ein Linearregler durch einen effizienteren Schaltregler ersetzt, kann die Entwärmung aufgrund der kleineren Verlustleistung deutlich einfacher gestaltet werden. Ob die Verringerung der Verlustleistung möglich ist, hängt natürlich von der Anwendung ab.<br />
<br />
=Spezielle Kühlkörper=<br />
<br />
todo<br />
<br />
=Autoren=<br />
* BMS<br />
<br />
[[Kategorie:Elektronik]]<br />
[[Kategorie:Mechanik]] <br />
[[Kategorie:Praxis]] <br />
[[Kategorie:Grundlagen]]<br />
<br />
=Quellen und Verweise=<br />
<br />
Zeitschriftenartikel:<br />
<br />
* Best, Siegfried W.: ''Elektronikkühlung und Wärmemanagement von A bis Z''. In: Elektronikpraxis - Sonderheft Elektromechanik, April 2013. S. 20ff.<br />
* Best, Tobias: ''Thermisches Via, die kleine Schwester der Heatpipe''. In: Elektronikpraxis, April 2013. S. 12ff.<br />
* Erdmann, Marc: ''Beste Effizienz auch beim Thermal Management''. In: Elektronikpraxis - Sonderheft Leistungelektronik und Stromversorgung. März 2015. S. 38ff.<br />
* Kerstin, Nils; Schulz, Martin: ''Thermische Widerstände genau messen - eine Herausforderung''. In: Elektronikpraxis, Nr. 17, September 2014. S. 48ff.<br />
* K.R. (Alutronic): ''Stiftkühlkörper für die Leistungselektronik''. In: Elektronikpraxis Nr.9, Mai 2014. S. 50ff.<br />
* Harpain, Jürgen: ''Wärmeleitmaterial kompensiert Lufteinschlüsse''. In: Elektronikpraxis Nr.1, Januar 2014. S. 36ff.<br />
* Harpain, Jürgen: ''Entwärmungskonzepte für Einzelhalbleiter und ICs''. In: Elektronikpraxis - Sonderheft Elektromechanik, April 2014. S. 14ff.<br />
* Schulz, Martin: ''Fünf Fettnäpfchen beim Bestimmen thermischer Größen''. In: Elektronikpraxis, November 2013. S. 36ff.<br />
* Schulz, Martin: ''Mythen und Legenden über Wärmeleitmaterialien''. In: Elektronikpraxis Nr.2., Januar 2014. S. 42ff.<br />
<br />
----<br />
<br />
Datenblätter, aus denen thermische Widerstände entnommen wurden:<br />
<br />
* [http://pdf.datasheetcatalog.com/datasheet/nationalsemiconductor/DS011476.PDF Datenblatt LM2576 von National Semiconductor]<br />
* [http://pdf.datasheetcatalog.com/datasheet/nationalsemiconductor/LM1117.pdf Datenblatt LM1117 von National Semiconductor]<br />
* [http://pdf.datasheetcatalog.com/datasheets/150/9358_DS.pdf Datenblatt L78Lxx von ST]<br />
* [http://pdf.datasheetcatalog.com/datasheet/stmicroelectronics/1330.pdf Datenblatt L293DD von ST]<br />
* [http://pdf.datasheetcatalog.com/datasheet/stmicroelectronics/1373.pdf Datenblatt L6202 von ST]<br />
* [http://www.irf.com/technical-info/appnotes/an-994.pdf ''Application Note AN994 - Maximizing the Effectiveness of your SMD Assemblies'' - International Rectifier (IRF)]<br />
* [http://www.micrel.com/_PDF/App-Hints/ah-17.pdf ''Application Hint 17 - Designing P.C. Board Heat Sinks - by Bob Wolbert (Micrel)'']<br />
<br />
----<br />
<br />
Weblinks:<br />
<br />
* [http://stegem.de/Elektronik/Kuehlkoerper/ Online-Tool zur Kühlkörperberechnung von Gemmel, S.]<br />
* [http://ludens.cl/Electron/Thermal.html Thermal Design - von Mornhinweg, M.]<br />
* [http://sound.westhost.com/heatsinks.htm The Design of Heatsinks - von Elliot, R.]<br />
* [http://www.giangrandi.ch/electronics/thcalc/thcalc.shtml Calculating Heat sinks - von Giangrandi, I.]<br />
* [http://www.irf.com/technical-info/appnotes/an-1057.pdf Application Note AN-1057: Heatsink Characteristics von International Rectifier (IRF)]<br />
* [http://ww1.microchip.com/downloads/en/AppNotes/00792a.pdf Application Note AN792: A method to determine how much power a sot23 can dissipate in an application (Microchip Technology Inc. 2001)]<br />
* [http://www.fairchildsemi.com/application-notes/AN/AN-1028.pdf Application Note AN1028: Maximum Power Enhancement Techniques for SOT-223 Power MOSFETs (Fairchild Semiconductor 1996)]</div>BMShttps://rn-wissen.de/wiki/index.php?title=K%C3%BChlk%C3%B6rper&diff=26380Kühlkörper2015-05-19T09:26:23Z<p>BMS: Zwischen-Überschriften</p>
<hr />
<div>{{Baustelle|BMS}}<br />
<br />
Dieser Artikel behandelt die Grundlagen zu Kühlkörpern.<br />
<br />
[[Bild:kühlkörper-übersicht.jpg|thumb|Verschiedene Kühlkörper, links ein TO220-Gehäuse zum Größenvergleich]]<br />
<br />
=Einleitung=<br />
<br />
'''Wieso sind überhaupt Kühlkörper in technischen Geräten erforderlich?'''<br />
<br />
Kein Gerät kann einen 100-prozentigen Wirkungsgrad erzielen und somit tritt Verlustleistung auf. Diese Verlustleistung führt zur Erwärmung der Bauteile. Kühlkörper sollen die Entwärmung verbessern, indem die entstehende Wärme auf eine große Fläche verteilt wird und durch Konvektion an der Luft auskühlen kann. Die Temperatur an den heißen Bauteilen ist mit Kühlkörper geringer als ohne Kühlkörper.<br />
<br />
'''Wieso sind hohe Bauteiltemperaturen ungünstig?'''<br />
<br />
Die Lebensdauer aller elektronischen Bauteile ist stark von der Temperatur abhängig. Als Faustregel gilt: Eine Temperaturerhöhung um 10 Grad führt zur Halbierung der Lebensdauer. Außerdem gibt es Grenztemperaturen, die nicht überschritten werden dürfen. Beispielsweise dürfen Halbleiter keine Temperatur über 150°C erreichen. Extrembeispiele sind die Schmelztemperatur von Isolierungen, Lötzinn etc... sowie Brandgefahr durch hohe Temperaturen. Viele Bauteile können ohne vernünftige Kühlung nicht ihren vollen Funktionsumfang erreichen, liefern dann z.B. geringere Maximalströme oder es greift die Temperaturabschaltung. Anders formuliert: Die maximale Leistung eines Bauteils oder Geräts wird durch seine Entwärmung bestimmt! Zur eigenen Sicherheit bietet es sich zudem an, die Temperaturen niedrig zu halten, sodass man sich am Gerät nicht die Finger verbrennen kann ;)<br />
<br />
=Wärmeübertragung=<br />
Prinzipiell kann Wärmeübertragung über Wärmeleitung, Konvektion und Wärmestrahlung geschehen. In vielen Anwendungen treten mehrere Mechanismen gleichzeitig auf. Welcher Mechanismus hauptsächlich auftritt, ist von der mechanischen Anordnung, den Materialien und der Temperatur abhängig. Wärmeleitung und Konvektion sind die wichtigsten Arten der Wärmeübertragung, die in der Praxis auftreten. Nun zu den einzelnen Effekten:<br />
<br />
*'''Wärmeleitung'''<br />
*: Bei der Wärmeleitung wird die Wärme über einen direkten mechanischen Kontakt (Bsp. IC <math>\rightarrow</math>Kühlkörper) übertragen. Den beteiligten Materialien wird jeweils eine spezifische Wärmeleitfähigkeit <math>\lambda</math> zugeordnet, dazu später mehr.<br />
<br />
*'''Konvektion'''<br />
*: Mit Konvektion wird die Strömungsbewegung in Flüssigkeiten und Gasen bezeichnet. Praxisbeispiele sind die Wärmeabgabe eines Kühlkörpers an die Umgebungsluft oder auch eine Wasserkühlung. Von erzwungener Konvektion spricht man, wenn die Strömung durch z.B. einen Ventilator/Lüfter oder eine Wasserpumpe hervorgerufen wird. Im Vakuum kann keine Konvektion auftreten.<br />
<br />
*'''Wärmestrahlung'''<br />
*: Wärmestrahlung ist elektromagnetische Strahlung (hauptsächlich Infrarot und sichtbares Licht), die vom heißen Festkörper abgestrahlt wird. Sie wird erst bei höheren Temperaturen relevant und ist bei den üblichen Kühlkörpertemperaturen meist zu vernachlässigen. Erwähnt werden soll zudem, dass Wärmestrahlung der einzige Mechanismus der Wärmeleitung ist, welcher im Vakuum auftreten kann. (Für Details zu Wärmestrahlung siehe auch: Plancksches Strahlungsgesetz und Schwarzer Strahler).<br />
<br />
=Materialien=<br />
Jedes Material besitzt eine spezifische Wärmeleitfähigkeit, welche angibt, wie gut dieses Material Wärme weiter transportieren kann. Die spezifische Wärmeleitfähigkeit ist unabhängig von der Geometrie des Materials, wird mit der Größe <math>\lambda</math> (Lambda) ausgedrückt und erhält die Einheit <math>\frac{W}{m \cdot K}</math>.<br />
<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
|-<br />
| '''Material''' || '''<math>\lambda</math> in <math>\left[ \frac{W}{m \cdot K} \right]</math>'''<br />
|-<br />
| Silber || 430<br />
|-<br />
| Kupfer || 400<br />
|-<br />
| Aluminium || 230<br />
|-<br />
| Silizium || 140 <br />
|-<br />
| Wärmeleitpaste || 5 ... 10<br />
|-<br />
| Glas || 0,7<br />
|-<br />
| Wasser || 0,5<br />
|-<br />
| Platinenmaterial FR4 || 0,2 ... 0,5<br />
|-<br />
| Luft || 0,02<br />
|}<br />
<br />
Die meisten Kühlkörper werden aus Aluminiumlegierungen hergestellt. Für Aluminium spricht seine relativ hohe Wärmeleitfähigkeit, die hohe Verfügbarkeit und geringe Dichte. Im Vergleich zu Kupfer und Silber ist Aluminium deutlich kostengünstiger. Darüber hinaus lässt sich Aluminium mechanisch gut verarbeiten. Kupfer wird mit seiner höheren Wärmeleitfähigkeit z.B. bei Heatpipes eingesetzt.<br />
<br />
todo<br />
<br />
Wärmewiderstand <math>R_{th}=\frac{d}{\lambda \cdot A}</math><br />
<br />
d: Materialdicke, welche für die Wärmeleitung relevant ist<br />
<br />
<math>\lambda</math>spezifische Wärmeleitfähigkeit des Materials<br />
<br />
A: Querschnitts-/Kontaktfläche<br />
<br />
=Definitionen=<br />
Um vorauszusagen, wie sich die Temperaturen in einer Schaltung verhalten, bedient sich der Ingenieur - wie auch bei vielen anderen Anwendungen - eines Ersatzschaltbildes (ESB). Zur Erstellung eines thermischen Ersatzschaltbildes muss man sich aber zunächst mit den thermischen Größen vertraut machen.<br />
<br />
Die Temperaturen werden mit dem griechischen Buchstaben Theta <math>\theta</math> gekennzeichnet. Temperaturen werden in Grad Celsius (°C), Temperaturdifferenzen in Kelvin (K) angegeben. (Am Rande: Es existiert auch eine Kelvinskala mit dem absoluten Nullpunkt 0 K=-273,15°C). Die Temperaturen werden außerdem noch mit einem Index gekennzeichnet, abhängig von der mechanischen Stelle, an der sie auftreten:<br />
<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
|-<br />
| Symbol || Index || Bedeutung<br />
|-<br />
| <math>\vartheta_{J}</math> || J=Junction || Sperrschichttemperatur des Halbleiters<br />
|-<br />
| <math>\vartheta_{C}</math> || C=Case || Gehäusetemperatur des Bauteils<br />
|-<br />
| <math>\vartheta_{H}</math> || H=Heat Sink || Temperatur des Kühlkörpers<br />
|-<br />
| <math>\vartheta_{A}</math> || A=Ambient || Umgebungstemperatur<br />
|}<br />
<br />
Die Verlustleistung eines Bauteils beschreibt die Größe <math>P_{V}</math> und wird, wie allgemein bekannt, in Watt angegeben.<br />
<br />
Als neue Größe wird nun der thermische Widerstand eingeführt, dieser wird mit <math>R_{th}</math> beschrieben und bekommt die Einheit <math>\frac{K}{W}</math>. <br />
<br />
Für die thermischen Größen gibt es, ähnlich dem Ohmschen Gesetz, einen linearen Zusammenhang. Dieser lautet<br />
<br />
<math>R_{th}=\frac{\vartheta_{ü}}{P_{V}}</math><br />
<br />
todo<br />
<br />
'''Vergleich elektrischer und thermischer Größen'''<br />
Insgesamt können wir nun eine Analogie zwischen bekannten elektrischen Größen und den thermischen Größen angeben. Die schon gelernten Prinzipien zur Lösung linearer Netzwerke lässt sich auch bei den thermischen Ersatzschaltbildern anwenden.<br />
<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
|-<br />
| elektrisch || thermisch<br />
|-<br />
| Spannung U || Temperatur <math>\vartheta</math><br />
|-<br />
| Strom I || Verlustleistung <math>P_{V}</math><br />
|-<br />
| Widerstand R || thermischer Widerstand <math>R_{th}</math><br />
|}<br />
<br />
=Statisches Ersatzschaltbild=<br />
Mit den thermischen Zusammenhängen haben wir uns inzwischen vertraut gemacht. Nun können wir damit beginnen, thermische Ersatzschaltbilder von einfachen Anordnungen zu erstellen. Mit solchen Modellen können Temperaturen, wie z.B. die Chiptemperatur, vorab berechnet werden. Für die Berechnung müssen Wärmewiderstände, Umgebungstemperatur und Verlustleistung bekannt sein, da sie in die Berechnung einfließen.<br />
<br />
Bei den thermischen Ersatzschaltbildern kann man ein statisches oder ein dynamisches Ersatzschaltbild erstellen. Bei den statischen Ersatzschaltbilder wird davon ausgegangen, dass alle Größen zeitlich konstant sind, bzw. sofort ihre Solltemperatur entsprechend dem Modell annehmen. In der Realität dauert es natürlich eine gewisse Zeit, bis sich alle beteiligten Materialien aufgeheizt haben. Die Temperaturen des statischen Modells werden dabei erst nach einer bestimmten Zeit erreicht. <br />
<br />
Für die meisten Anwendungen genügt es jedoch, das statische thermische Ersatzschaltbild zu erstellen und den Kühlkörper dem entsprechend zu dimensionieren. Die Kühlung wird z.B. auf die maximale oder die mittlere auftretende Verlustleistung dimensioniert. Es wurde bereits erwähnt, dass sich die Bauteiltemperatur auf dessen Lebensdauer auswirkt. Dabei gilt: je niedriger die Bauteiltemperatur, desto länger die zu erwartende Lebensdauer. Je nach Anwendung und Rahmenbedingungen muss eventuell ein Kompromiss zwischen Kühlkörpergröße/kosten und Gerätelebensdauer gewählt werden. Beispielsweise kann der verfügbare Platz, ein Gesamtgewicht oder eine Kostenvorgabe begrenzender Faktor sein. Für einen dauerhaften sicheren Betrieb muss der Kühlkörper und weitere beteiligte Materialien für den worst case ausgelegt oder sogar überdimensioniert werden.<br />
<br />
==Bauteil ohne Kühlkörper==<br />
Um den Umgang mit den thermischen Ersatzschaltbildern zu lernen, soll zunächst mit einem einfachen Beispiel begonnen werden. In diesem Fall wird der Wärmeübergang von einem einzelnen Bauteil zu Luft betrachet, es kommt zunächst also noch kein Kühlkörper zum Einsatz. Das Ersatzschaltbild sieht in diesem Fall folgendermaßen aus:<br />
<br />
[[Bild:Therm-esb1.png|450px]]<br />
<br />
Die am Bauteil entstehende Verlustleistung ist Ursache der Abwärme und wird im thermischen Ersatzschaltbild als ideale Stromquelle modelliert.<br />
<br />
Die Abwärme gelangt nun über den Weg Sperrschicht (Junction) <math>\rightarrow</math> Bauteilgehäuse (Case) <math>\rightarrow</math> Umgebung (Ambient) nach außen. Im Ersatzschaltbild ist jeder Übergang als thermischer Widerstand modelliert. Die genauen Zahlenwerte der Wärmewiderstände lassen sich in der Regel dem Datenblatt des Bauteils entnehmen. Benötigt werden die Werte für <math>R_{th(jc)}</math> und <math>R_{th(ca)}</math>. In manchen Datenblättern findet man die Angabe <math>R_{th(ja)}</math>, was der Reihenschaltung aus den beiden vorher genannten Werten entspricht, also <math>R_{th(ja)}=R_{th(jc)}+R_{th(ca)}</math>.<br />
<br />
Die Umgebungstemperatur wird als ideale Spannungsquelle modelliert. Sämtliche Spannungen im Ersatzschaltbild entsprechen den auftretenden Temperaturen.<br />
<br />
Da es sich nun um ein lineares Netzwerk handelt, gelten hier ebenfalls die Kirchhoff'schen Gleichungen. Relativ leicht lässt sich nun die Temperatur am Bauteilgehäuse (Case) und der Sperrschicht (Junction) berechnen:<br />
<br />
<math>\vartheta_{c}=\vartheta_{a}+R_{th(ca)} \cdot P_{V}</math><br />
<br />
<math>\vartheta_{j}=\vartheta_{a}+R_{th(jc)} \cdot P_{V}+R_{th(ca)} \cdot P_{V}=\vartheta_{a}+(R_{th(jc)}+R_{th(ca)}) \cdot P_{V}=\vartheta_{a}+R_{th(ja)} \cdot P_{V}</math><br />
<br />
Da die thermischen Widerstände bei der Reihenschaltung auch zusammengefasst werden dürfen, beschreibt folgendes thermisches Ersatzschaltbild den gleichen Zusammenhang. Nachteil ist hier allerdings, dass die Temperatur am Gehäuse nicht modelliert wird.<br />
<br />
[[Bild:Therm-esb0.png|300px]]<br />
<br />
Die Überlegungen zur Sperrschichttemperatur kann auch anders interpretiert werden. Gibt man die Sperrschichttemperatur vor, kann man die maximal erlaubte Verlustleistung des Bauteils in Abhängigkeit der Umgebungstemperatur bestimmen. Die folgende Formel erhält man aus Umformung der oberen Gleichung:<br />
<br />
<math>P_{V} \leq \frac{\vartheta_{j}-\vartheta_{a}}{R_{th(ja)}}</math><br />
<br />
Bei Halbleitern darf idR. die Sperrschichttemperatur nicht 150°C überschreiten. Der thermische Widerstand wird hauptsächlich durch das Gehäuse vorgegeben. Aus der Formel sieht man nun folgendes: Je höher die Umgebungstemperatur, desto geringer fällt die maximal erlaubte Verlustleistung aus. Diesen Zusammenhang bezeichnet man auch als '''Derating'''.<br />
<br />
===Beispielrechnung===<br />
<br />
Ein Spannungsregler vom Typ 7805 im TO220-Gehäuse soll ohne Kühlkörper betrieben werden. Wie hoch ist die maximal erlaubte Verlustleistung, wenn die Sperrschichttemperatur 120°C nicht überschreiten soll und die Umgebungstemperatur 25°C beträgt?<br />
<br />
Zunächst werfen wir einen Blick ins Datenblatt des Spannungsreglers und entnehmen die Angaben für die thermischen Widerstände. Dann halten wir alle gegebenen Größen fest:<br />
<br />
*'''Gegeben'''<br />
*:* <math>R_{th(jc)}=5 \frac{K}{W}</math> (aus dem Datenblatt)<br />
*:* <math>R_{th(ja)}=62 \frac{K}{W}</math> (aus dem Datenblatt)<br />
*:* <math>\vartheta_{j}=125°C</math><br />
*:* <math>\vartheta_{a}=25°C</math><br />
*'''Gesucht'''<br />
*:* <math>P_{v,max}</math><br />
*'''Rechnung'''<br />
*:Wir verwenden die Formel von oben und erhalten als Ergebnis<br />
*:<math>P_{V,max} = \frac{\vartheta_{j}-\vartheta_{a}}{R_{th(ja)}} = \frac{120°C-25°C}{62\frac{K}{W}} = \frac{95K}{62\frac{K}{W}} \approx 1,5 Watt</math><br />
*:Die maximal erlaubte Verlustleistung des Spannungsreglers ohne Kühlkörper darf demnach 1,5 Watt nicht überschreiten.<br />
*'''Zusatz'''<br />
*:Mit unserem Ersatzschaltbild können wir außerdem die Temperatur des Gehäuses (Case) des Spannungsreglers angeben. Dafür benötigen wir noch die Angabe <math>R_{th(ca)}</math>, welche allerdings im Datenblatt nicht angegeben ist.<br />
*:Da wir aber wissen, dass <math>R_{th(ja)}=R_{th(jc)}+R_{th(ca)}</math> gilt, können wir die fehlende Größe ausrechnen. Diese ist<br />
*:<math>R_{th(ca)}=R_{th(ja)}-R_{th(jc)}=62\frac{K}{W}-5\frac{K}{W}=57\frac{K}{W}</math>.<br />
*:Nun lässt sich die Gehäusetemperatur berechnen:<br />
*:<math>\vartheta_{c}=\vartheta_{a}+R_{th(ca)} \cdot P_{V}=25°C+57\frac{K}{W} \cdot 1,5 W \approx 111 °C</math><br />
*'''Bemerkung'''<br />
*:In der Praxis wird einem TO220-Gehäuse ungekühlt eine maximale Verlustleistung von 1 Watt zugerechnet. Die Temperaturen sind niedriger, die Lebensdauer des Bauteils höher.<br />
<br />
==Bauteil mit Kühlkörper und T.I.M.==<br />
<br />
Der Betrieb eines ICs ohne Kühlkörper, wie im vorigen Abschnitt beschrieben, funktioniert nur bei kleinen Leistungen und führt meist auch zu einer verringerten Lebensdauer des Bauteils. Viele Bauteile können ihre angegebenen Maximalwerte nur bei vernünftiger Kühlung erreichen. In diesem Abschnitt wird nun ein typisches Szenario mit Kühlkörperberechnung vorgestellt.<br />
<br />
Befassen wir uns zunächst mit der typischen mechanischen Anordnung. Das zu kühlende IC wird thermisch an einen Kühlkörper gekoppelt. In der Praxis wird man das IC aber nicht direkt auf dem Kühlkörper befestigen, sondern über ein sogenanntes ''thermisches Interface-Material'' (T.I.M.), um Unebenheiten und mechanische Abstände auszugleichen oder um für Insolierung zu sorgen. Details zum T.I.M. folgen im Unterabschnitt. Die typische Anordnung zeigt die folgende Abbildung.<br />
<br />
[[Bild:kühlkörper-schichten.png|300px]]<br />
<br />
Folgende thermischen Widerstände treten hier in Kraft:<br />
*<math>R_{th(jc)}</math> für den Übergang Chip zu Bauteilgehäuse<br />
*<math>R_{th(ch)}</math> für den Übergang Bauteilgehäuse zu Kühlkörper (also über das T.I.M.)<br />
*<math>R_{th(ha)}</math> für den Übergang Kühlkörper zur Umgebung<br />
<br />
Aus diesen thermischen Widerständen wird ein thermisches Ersatzschaltbild angefertigt. Dieses zeigt die nächste Abbildung.<br />
<br />
[[Bild:Therm-esb2.png|700px]]<br />
<br />
Zunächst soll die Formel zur Berechnung der Chiptemperatur aufgestellt werden, die Formel erhält man wieder durch die Anwendung der Kirchhoffschen Gleichungen im Ersatzschaltbild.<br />
<br />
<math>\vartheta_{j}=\vartheta_{a}+(R_{th(jc)}+R_{th(ch)}+R_{th(ha)}) \cdot P_{V}</math><br />
<br />
Die Formel wird in der Praxis jedoch in einer anderen Form benötigt. Meist steht man als Entwickler vor der Aufgabe, den erforderlichen thermischen Widerstand <math>R_{th(ha)}</math> des Kühlkörpers zu bestimmen, sofern die Größen Umgebungstemperatur, Sperrschichttemperatur, Verlustleistung sowie die verbleibenden thermischen Widerstände gegeben sind. Anhand des berechneten Wärmewiderstands des Kühlkörpers können dann aus Produktkatalogen geeignete Kühlkörper bestimmt werden.<br />
<br />
Wir müssen dafür also die Gleichung nach <math>R_{th(ha)}</math> auflösen. Wir erhalten die praxisübliche Berechnungsformel:<br />
<br />
<math>R_{th(ha)}=\frac{\vartheta_{j}-\vartheta_{a}}{P_{V}}-R_{th(jc)}-R_{th(ch)}</math><br />
<br />
In manchen Quellen sind enthält diese Formel außerdem Korrekturfaktoren, die z.B. die Einbaulage o.ä. berücksichtigen können.<br />
<br />
===Beispielrechnung===<br />
<br />
Für einen Spannungsregler vom Typ 7805 im TO220-Gehäuse soll ein Kühlkörper dimensioniert werden. Die Eingangsspannung des Reglers beträgt 12V, die Ausgangsspannung von 5V wird mit 500mA belastet. Die Umgebungstemperatur sei 30°C. Der Spannungsregler wird mit Wärmeleitpaste auf dem Kühlkörper montiert, für diesen Wärmewiderstand wird 0,5 K/W angenommen. Welchen Wärmewiderstand darf der Kühlkörper höchstens haben, wenn als maximale Sperrschichttemperatur 110°C angenommen wird?<br />
<br />
Diese Aufgabe kann so durchaus in der Praxis auftreten. Von den vielen Angaben darf man sich zunächst nicht verunsichern lassen. Wir verwenden das gezeigte thermische Ersatzschaltbild. Für die Rechnung benötigen wir außerdem noch den thermischen Widerstand <math>R_{th(jc)}</math> aus dem Datenblatt.<br />
<br />
*'''Gegeben'''<br />
*:<math>R_{th(jc)}=5 \frac{K}{W}</math> (aus dem Datenblatt)<br />
*:<math>R_{th(ch)}=0,5 \frac{K}{W}</math><br />
*:<math>\vartheta_{j}=110°C</math><br />
*:<math>\vartheta_{a}=30°C</math><br />
*:<math>U_{ein}=12V</math><br />
*:<math>U_{aus}=5V</math><br />
*:<math>I=0,5A</math><br />
*'''Gesucht'''<br />
*:<math>R_{th(ha)}</math><br />
*'''Rechnung'''<br />
*:Zunächst muss die Verlustleistung am Regler berechnet werden. Diese beträgt<br />
*:<math>P_V=P_{Ein}-P_{Aus}=12V \cdot 0,5A~-~5V \cdot 0,5A=3,5 W</math>.<br />
*:Nun sind eigentlich auch schon alle Angaben vorhanden, sodass wir die Formel verwenden können.<br />
*:<math>R_{th(ha)}=\frac{\vartheta_{j}-\vartheta_{a}}{P_{V}}-R_{th(jc)}-R_{th(ch)}</math><br />
*:Einsetzen:<br />
*:<math>R_{th(ha)}=\frac{110°C-30°C}{3,5W}-5\frac{K}{W}-0,5\frac{K}{W} \approx 17,4\frac{K}{W}</math><br />
*'''Ergebnis'''<br />
*:Der Wärmewiderstand des Kühlkörpers darf maximal <math>17,4\frac{K}{W}</math> betragen.<br />
*'''Zusatz'''<br />
*:Aus dem Katalog wird ein Kühlkörper mit einem Wärmewiderstand von <math>10\frac{K}{W}</math> gewählt. Welche Temperatur erreicht der Kühlkörper, wenn er bei den gegebenen Bedingungen eingesetzt wird?<br />
*:<math>\vartheta_h=\vartheta_a+P_{V} \cdot R_{th(ha)}=30°C+3,5W \cdot 10 \frac{K}{W} \approx 65°C</math><br />
<br />
===Thermische Interface-Materialien (T.I.M.) und Montage===<br />
Wie bereits erwähnt, werden ICs in der Praxis nicht direkt auf einen Kühlkörper befestigt. Der Grund dafür ist folgender: Durch Unebenheiten und die rauhe Oberfläche von Kühlkörper und IC berühren sich die betreffenden Flächen unter dem Mikroskop gesehen nur minimal. Durch Lufteinschlüsse und die Tatsache, dass Luft ein schlechter Wärmeleiter ist, fällt in diesem Fall die thermische Anbindung des ICs an den Kühlkörper relativ schlecht aus.<br />
<br />
Zum Ausgleich der Unebenheiten eignet sich Wärmeleitpaste, welche dünn auf die Kontaktfläche aufgetragen wird. Es genügt eine sehr geringe Menge der Wärmeleitpaste, die Schichtdicke liegt in der Größenordnung 0,1mm. Die Aufgabe der Wärmeleitpaste ist, die Unebenheiten der Kontaktflächen auszugleichen. Zu viel Wärmeleitpaste erhöht wiederum den thermischen Übergangswiderstand. <br />
<br />
Ist zusätzlich eine elektrische Isolation zwischen IC und Kühlkörper erforderlich, können Glimmerscheiben (engl. mica) eingesetzt werden. Elektrische Isolation ist erforderlich, falls zum Beispiel mehrere Transistoren auf einen Kühlkörper montiert werden sollen und eine elektrische Verbindung der Kühlfahnen über den Kühlkörper zu Kurzschlüssen führen würde. Werden Glimmerscheiben verwendet, müssen diese beidseitig mit Wärmeleitpaste bestrichen werden, um sämtliche Unebenheiten auszugleichen. Die Glimmerscheiben werden zwischen IC und Kühlkörper eingebaut. Werden die ICs an den Kühlkörper geschraubt, muss auch die Schraube elektrisch isoliert werden. Hierfür sind entsprechende Hülsen aus Kunststoff erhältlich.<br />
<br />
Wärmeleitfolien aus Silikon /Gap-Filler<br />
<br />
BAUSTELLE<br />
<br />
Zur Montage der ICs auf dem Kühlkörper gibt es mehrere Möglichkeiten. Üblich sind Schraubmontage oder die Verwendung von Metallclips aus Federstahl. Der Anpressdruck durch die Montage kann die thermische Kopplung des ICs zum Kühlkörper beeinflussen. Die Metallclips haben den Vorteil, dass der Anpressdruck mit der Zeit nicht nachlässt.<br />
<br />
BAUSTELLE<br />
<br />
=Dynamisches Ersatzschaltbild=<br />
<br />
Bei den statischen Ersatzschaltbildern können zeitveränderliche Vorgänge nicht modelliert werden. Um auch den zeitlichen Verlauf der Temperaturen bei z.B. wechselnder Verlustleistung der Bauteile vorhersagen zu können, bedient man sich dem dynamischen Ersatzschaltbild. Dieses enthält neben den thermischen Widerständen auch Wärmekapazitäten. Durch thermische Widerstände und Wärmekapazitäten ergeben sich Zeitkonstanten bei der Erwärmung, sodass das Modell der Realität sehr nahe kommt.<br />
<br />
BAUSTELLE<br />
<br />
=Kühlkörperbauformen=<br />
* Board-Level-Kühlkörper (aufsteckbare/aufklebbare Kühlkörper, auch für SMD, meist 1 Kühlkörper pro IC)<br />
* Strang-/Profilkühlkörper (meist für hohe Leistungen)<br />
* Kühlaggregate (Kanal + Lüfter)<br />
<br />
Wozu eloxierte Oberflächen?<br />
* geringfügig höhere Wärmestrahlung (bei den niedrigen Temperaturen kaum ein Beitrag)<br />
* elektrische Isolation<br />
* Oberflächenschutz<br />
Nachteile:<br />
* erhöhte Wärmeaufnahme aus der unmittelbaren Umgebung!<br />
<br />
Stiftkühlkörper<br />
* hohe Oberfläche<br />
* bei dickem "Rücken"/"Boden" des Kühlkörpers gute Wärmespreizung<br />
* mit erzwungener Konvektion hohe Wärmeübertragung (quer zu den Stiften effektiver als in Stiftrichtung)<br />
* leichter und kompakter als Strangkühlkörper<br />
<br />
todo<br />
<br />
=Lüfter=<br />
Lüfter werden vor allem dann eingesetzt, wenn der Kühlkörper bei rein passiver Kühlung zur groß, zu schwer oder zu teuer wird. Beim Einsatz des Lüfters führt die erzwungene Luftströmung zur besseren Wärmeabgabe an die Luft. Bei gleicher Temperatur kann der Kühlkörper dann kleiner gewählt werden. Bei hohen Leistungen sind der kleinere Kühlkörper mit Lüfter preisgünstiger und kompakter als ein großer, rein passiver Kühlkörper. Um welchen Faktor die Wärmeableitung mit Lüfter verbessert wird, hängt von vielen Parametern ab und kann nicht pauschal angegeben werden.<br />
<br />
Vorteile<br />
* bessere Wärmeabgabe<br />
* Kühlkörper kann bei gleicher Temperatur kleiner, leichter und kostengünstiger werden<br />
* In kleinem Maßstab günstiger als Wasserkühlung o.ä.<br />
<br />
Nachteile<br />
* zusätzlicher Stromverbrauch<br />
* Geräuschentwicklung und Vibrationen<br />
* zusätzliche Kosten für Lüfter und dessen Montage<br />
* Im Falle eines unbemerkten Ausfalls kann die Schaltung überhitzen (Abhilfe: Thermostat, Temperaturfühler oder Tachosignal auswerten)<br />
<br />
Anordnungen:<br />
* Push-Prinzip: Der Lüfter bläst die Luft in den Kühlkörper/-kanal<br />
* Pull-Prinzip: Der Lüfter saugt die Luft aus dem Kühlkörper/-kanal heraus<br />
<br />
Kenngrößen:<br />
* Luftdurchsatz in <math>\frac{m^{3}}{h}</math><br />
* Nennspannung, Nennstrom, Nennleistung<br />
* Typ Axial/Radial<br />
* Größe<br />
* Geräuschpegel<br />
* Art der Lagerung (Kugellager, Sinterbronze-Lager etc.)<br />
* Temperaturbereich<br />
* Lebensdauer, MTBF<br />
<br />
=Entwärmung auf einer Platine=<br />
Beim Leiterplattenentwurf muss bereits in der Designphase abgeschätzt werden, welche Verlustleistungen auftreten und wie die entstehende Wärme abgeführt werden kann. Die Größe, Bauform und Befestigung des Kühlkörpers muss ebenfalls berücksichtigt werden. Für Printmontage sind Kühlkörper verfügbar, welche mit lötbaren Stiften in die Platine gesteckt und verlötet werden. Alternativ sind Schraubverbindungen möglich.<br />
<br />
SMD-Bauteile können meist über die Platine gut entwärmt werden. Dies ist normalerweise nur bei geringen Verlustleistungen möglich. Die Abwärme der Bauteile muss auf eine möglichst große Fläche verteilt werden, durch große Kupferflächen auf der Platine kann dies erreicht werden. Da die Wärmeleitfähigkeit der Kupferauflage deutlich höher ist als die Wärmeleitfähigkeit des Platinenmaterials FR4, wird sich die Wärme hauptsächlich in der Fläche verteilen, jedoch weniger ''durch'' die Platine hindurch. Um die Wärmeleitung durch die Platine (z.B. von Ober- zu Unterseite) zu erhöhen, müssen Durchkontaktierungen gesetzt werden. Sogenannte "Thermal Vias" werden in einer großen Anzahl an das zu entwärmende Bauteil gesetzt und können damit die Wärme zu anderen Kupferlagen der Platine weiterleiten. Die Wärmeleitung durch die Platine hindurch wird verbessert, liegt aber dennoch deutlich unter der Wärmeleitfähigkeit von reinem Kupfer. Thermische Vias können aufgrund ihrer kleinen Masse kaum einen Beitrag zur gesamten "Kühlmasse" beitragen. Ob schließlich eine Entwärmung durch die Platine ausreicht, muss durch Simulation oder Messung gezeigt werden.<br />
<br />
Die Einbaulage der Platine kann die Entwärmung zudem beeinflussen. Erwärmte Umgebungsluft steigt nach oben und kann andere Komponenten oder Platinen aufheizen.<br />
<br />
Maßnahmen für bessere Entwärmung:<br />
<br />
* Durchkontaktierungen zur Wärmeleitung zwischen mehreren Kupferlagen, da der Platinenkern (bei FR4: glasfaserverstärktes Epoxidharz) idR. eine sehr schlechte Wärmeleitfähigkeit hat<br />
* Breite Leiterbahnen, welche Wärme abführen und auf eine große Fläche verteilen<br />
* Für große bedrahtete ICs (TO220, Multiwatt...) eignen sich Board-Level-Kühlkörper<br />
* Für kleinere ICs mit Wärmeentwicklung eignen sich aufklebbare Kühlkörper<br />
* Für SMD-Bauteile exisitieren auch Kühlkörper, die sich direkt auf die Platine löten lassen, diese sind auch maschinenbestückbar<br />
* Einsatz spezieller Platinenmaterialien (Alukern, Kupfer-Inlay)...<br />
* je nach Schaltung: dickere Kupferkaschierung für bessere Wärmeausbreitung in der Fläche (Standard sind 35µm, erhältlich sind auch 70µm und mehr)<br />
<br />
Welche Temperatur das Bauteil auf der Platine erreicht, kann nach dem Aufbau natürlich gemessen werden. Besser wäre es jedoch, die Temperaturen bereits beim Entwurf der Platine zu kennen, um einschätzen zu können, ob die Entwärmung ausreichend ist. Allgemeine Angaben hierfür sind schwer zu finden, jedoch gibt es vereinzelt Angaben in Datenblättern von Halbleitern zur Entwärmung. An den folgenden Zahlenwerten kann man sich orientieren, wenn man ähnliche Bauteile entwärmen möchte. Damit man für die genannten Flächen eine grobe Vorstellung hat, sei noch erwähnt: ein Cent hat eine Fläche von grob <math>200mm^2</math>, ein Euro hat grob <math>400mm^2</math>.<br />
<br />
'''TO263 (=D2PAK)'''<br />
<br />
Im Datenblatt des Schaltreglers LM2576 von ''National Semiconductor'' findet man für das TO263-Gehäuse einige Angaben. Das TO263-Gehäuse gleicht übrigens dem TO220 bis auf die Tatsache, dass die Kühlfahne kürzer ist und das Gehäuse für SMD-Montage vorgesehen ist. Das Datenblatt gibt thermische Widerstände für den Übergang Junction-Ambient an. Die Angabe ist abhängig von der Kupferfläche auf der Platine, die unmittelbar für das Bauteil aus Kühlkörper wirkt. Die Zahlenwerte aus dem Datenblatt wurden in Quadratmillimeter umgerechnet, gerundet und stehen nun in der Tabelle bereit. Keine Angaben macht der Hersteller zu den Rahmenbedingungen, unter denen die thermischen Widerstände ermittelt wurden (Platinendicke, Durchkontaktierungen, Form der Kupferfläche und Dicke der Kupferkaschierung). Dennoch können die Werte zur groben Orientierung dienen.<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
| Kupferfläche || therm. Widerstand<br />
|-<br />
| <math>325 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 50\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>645 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 37\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>1030 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 32\frac{K}{W} </math><br />
|}<br />
<br />
'''TO252 (=DPAK), SOT223'''<br />
<br />
Im Datenblatt des Low-Drop-Spannungsreglers LM1117 von ''National Semiconductor'' sind Angaben zur Entwärmung über die Platine von SOT223 und TO252-Gehäusen vorhanden. Der Hersteller gibt an, für das SOT223-Gehäuse eine 35µm dicke, und für das TO252-Gehäuse eine 70µm dicke Kupferkaschierung der Platine verwendet zu haben. Leider finden sich in diesem Datenblatt keine Informationen zu Durchkontaktierungen, Platinendicke, und ob das IC auf der Ober- oder Unterseite der Platine montiert wurde (Vermutung: oben montiert, da angegebene thermische Widerstände geringer sind). Der Hersteller hat drei Fälle untersucht: Kupferfläche oben, Kupferfläche unten, Kupferfläche beidseitig. Für das thermische Platinendesign kann man diese Zahlenwerte zumindest als Richtwerte verwenden. Das Datenblatt enthält zudem Zeichnungen der Kühlflächen. Die Zahlenwerte wurden wieder in Quadratmillimeter umgerechnet und gerundet und in die folgenden Tabelle eingetragen:<br />
<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
| Kupferfläche top || Kupferfläche bottom || therm. Widerstand SOT223 || therm. Widerstand TO252<br />
|-<br />
| <math> 200mm^2</math> || - || <math>R_{th(ja)}\approx 84\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 60\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math> 350mm^2</math> || - || <math>R_{th(ja)}\approx 75\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 54\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math> 650mm^2</math> || - || <math>R_{th(ja)}\approx 66\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 47\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| - || <math> 250mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 98\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 70\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| - || <math> 400mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 89\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 63\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| - || <math> 650mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 79\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 57\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math> 200mm^2</math> || <math> 200mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 83\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 61\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math> 250mm^2</math> || <math> 250mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 75\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 55\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math> 350mm^2</math> || <math> 350mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 70\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 53\frac{K}{W} </math><br />
|}<br />
<br />
Bei gleicher (projizierter) Fläche bring die beidseitige Kupferauflage erstaunlicherweise keinen niedrigeren thermischen Widerstand als wenn die Kupferauflage nur auf der Oberseite vorhanden ist. Vermutlich wurden bei der Messung keine Durchkontaktierungen (Vias) eingebracht oder die Fläche ist insgesamt zu klein, als dass sich ein Effekt zeigen würde.<br />
<br />
'''SO8'''<br />
<br />
Für das SO8-Gehäuse findet man eine Angabe im Datenblatt des Spannungsreglers 78L05 von ''ST'':<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
| Kupferfläche || therm. Widerstand<br />
|-<br />
| <math>600 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 55\frac{K}{W} </math><br />
|}<br />
<br />
'''SO20'''<br />
<br />
Aus dem Datenblatt des L293DD sind Angaben zum SO20-Gehäuse enthalten. In diesem Falle sind 8 zentrale Pins an die Kühlfläche angebunden, die Kupferkaschierung ist vermutlich einseitig 35µm. Die groben Richtwerte sind:<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
| Kupferfläche || therm. Widerstand<br />
|-<br />
| <math>200 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 60\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>400 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 53\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>600 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 51\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>800 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 50\frac{K}{W} </math><br />
|}<br />
<br />
'''PowerDIP20'''<br />
<br />
Für das DIP20-Gehäuse wird man im Datenblatt des Motortreibers L6202 von ''ST'' fündig. Bei 35µm Kupferkaschierung der Platine ergeben sich die folgenden thermischen Widerstände.<br />
<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
| Kupferfläche || therm. Widerstand<br />
|-<br />
| <math>0 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 58\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>200 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 45\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>400 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 39\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>600 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 38\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>800 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 37\frac{K}{W} </math><br />
|}<br />
<br />
Für die Form der empfohlenen Kühlfläche sei auf das Datenblatt verwiesen. Wird das IC in einem Sockel verwendet, muss man sicherlich von höheren thermischen Widerständen ausgehen.<br />
<br />
'''AN-994'''<br />
<br />
In der ''Application Note AN-994 - Maximizing the Effectiveness of your SMD Assemblies'' von ''International Rectifier (IRF)'' sind weitere Daten vorhanden. Die dort genannten Daten sind jedoch teils drastisch niedriger als die hier genannten. Eine mögliche Erklärung sind z.B. die höhere Kupferauflage (70µm) oder evtl. optimierte Wärmewiderstände innerhalb der Gehäuse.<br />
<br />
'''Große Kupferflächen'''<br />
<br />
Im ''Application Hint 17 - Designing P.C. Board Heat Sinks - by Bob Wolbert (Micrel)'' werden Angaben zu thermischen Widerständen der Platine für vergleichsweise große Flächen gemacht. Die thermischen Widerstände beschreiben den Übergang <math>R_{th(ha)}</math> unter den Bedingungen: Quadratische Kupferfläche, einseitig, horizontal montiert, Lötstopplack, keine Belüftung. Die Dicke der Kupferkaschierung ist nicht angegeben. Hier einige Werte, abgelesen aus dem Diagramm der genannten Application Note:<br />
<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
| Kupferfläche || therm. Widerstand<br />
|-<br />
| <math>500 mm^2</math> || <math>R_{th(ha)}\approx 60\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>1000 mm^2</math> || <math>R_{th(ha)}\approx 45\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>1500 mm^2</math> || <math>R_{th(ha)}\approx 38\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>2000 mm^2</math> || <math>R_{th(ha)}\approx 33\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>2500 mm^2</math> || <math>R_{th(ha)}\approx 30\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>3000 mm^2</math> || <math>R_{th(ha)}\approx 28\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>4000 mm^2</math> || <math>R_{th(ha)}\approx 24\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>5000 mm^2</math> || <math>R_{th(ha)}\approx 22\frac{K}{W} </math><br />
|}<br />
<br />
<br />
'''Abschlusskommentar'''<br />
<br />
An den gezeigten, thermischen Widerständen sieht man leicht: je größer die Kühlfläche, desto geringer der thermische Widerstand. Dieses Verhalten würde man so auch erwarten.<br />
<br />
Ab einer bestimmten Fläche wird die Platine als Kühlkörper jedoch unhandlich, und man wird die Fläche nicht weiter vergrößern. Die mit den Kupferflächen erreichten thermischen Widerstände sind für viele Anwendungen noch deutlich zu hoch. Bei Verlustleistungen von wenigen Watt werden dadurch bereits kritische Chiptemperaturen erreicht. Wie bereits oben erwähnt, funktioniert die Entwärmung von SMD-Komponenten über die Platine also nur für kleine Verlustleistungen. Bei größeren Verlustleistungen müssen zusätzliche Entwärmungsmaßnahmen getroffen werden (z.B. aufklebbarer Kühlkörper, etc.). Zielführend ist auch, die Ursache der Erwärmung, nämlich die Verlustleistung zu verringern. Wird beispielsweise ein Linearregler durch einen effizienteren Schaltregler ersetzt, kann die Entwärmung aufgrund der kleineren Verlustleistung deutlich einfacher gestaltet werden. Ob die Verringerung der Verlustleistung möglich ist, hängt natürlich von der Anwendung ab.<br />
<br />
=Spezielle Kühlkörper=<br />
<br />
todo<br />
<br />
=Autoren=<br />
* BMS<br />
<br />
[[Kategorie:Elektronik]]<br />
[[Kategorie:Mechanik]] <br />
[[Kategorie:Praxis]] <br />
[[Kategorie:Grundlagen]]<br />
<br />
=Quellen und Verweise=<br />
<br />
Zeitschriftenartikel:<br />
<br />
* Best, Siegfried W.: ''Elektronikkühlung und Wärmemanagement von A bis Z''. In: Elektronikpraxis - Sonderheft Elektromechanik, April 2013. S. 20ff.<br />
* Best, Tobias: ''Thermisches Via, die kleine Schwester der Heatpipe''. In: Elektronikpraxis, April 2013. S. 12ff.<br />
* Erdmann, Marc: ''Beste Effizienz auch beim Thermal Management''. In: Elektronikpraxis - Sonderheft Leistungelektronik und Stromversorgung. März 2015. S. 38ff.<br />
* Kerstin, Nils; Schulz, Martin: ''Thermische Widerstände genau messen - eine Herausforderung''. In: Elektronikpraxis, Nr. 17, September 2014. S. 48ff.<br />
* K.R. (Alutronic): ''Stiftkühlkörper für die Leistungselektronik''. In: Elektronikpraxis Nr.9, Mai 2014. S. 50ff.<br />
* Harpain, Jürgen: ''Wärmeleitmaterial kompensiert Lufteinschlüsse''. In: Elektronikpraxis Nr.1, Januar 2014. S. 36ff.<br />
* Harpain, Jürgen: ''Entwärmungskonzepte für Einzelhalbleiter und ICs''. In: Elektronikpraxis - Sonderheft Elektromechanik, April 2014. S. 14ff.<br />
* Schulz, Martin: ''Fünf Fettnäpfchen beim Bestimmen thermischer Größen''. In: Elektronikpraxis, November 2013. S. 36ff.<br />
* Schulz, Martin: ''Mythen und Legenden über Wärmeleitmaterialien''. In: Elektronikpraxis Nr.2., Januar 2014. S. 42ff.<br />
<br />
----<br />
<br />
Datenblätter, aus denen thermische Widerstände entnommen wurden:<br />
<br />
* [http://pdf.datasheetcatalog.com/datasheet/nationalsemiconductor/DS011476.PDF Datenblatt LM2576 von National Semiconductor]<br />
* [http://pdf.datasheetcatalog.com/datasheet/nationalsemiconductor/LM1117.pdf Datenblatt LM1117 von National Semiconductor]<br />
* [http://pdf.datasheetcatalog.com/datasheets/150/9358_DS.pdf Datenblatt L78Lxx von ST]<br />
* [http://pdf.datasheetcatalog.com/datasheet/stmicroelectronics/1330.pdf Datenblatt L293DD von ST]<br />
* [http://pdf.datasheetcatalog.com/datasheet/stmicroelectronics/1373.pdf Datenblatt L6202 von ST]<br />
* [http://www.irf.com/technical-info/appnotes/an-994.pdf ''Application Note AN994 - Maximizing the Effectiveness of your SMD Assemblies'' - International Rectifier (IRF)]<br />
* [http://www.micrel.com/_PDF/App-Hints/ah-17.pdf ''Application Hint 17 - Designing P.C. Board Heat Sinks - by Bob Wolbert (Micrel)'']<br />
<br />
----<br />
<br />
Weblinks:<br />
<br />
* [http://stegem.de/Elektronik/Kuehlkoerper/ Online-Tool zur Kühlkörperberechnung von Gemmel, S.]<br />
* [http://ludens.cl/Electron/Thermal.html Thermal Design - von Mornhinweg, M.]<br />
* [http://sound.westhost.com/heatsinks.htm The Design of Heatsinks - von Elliot, R.]<br />
* [http://www.giangrandi.ch/electronics/thcalc/thcalc.shtml Calculating Heat sinks - von Giangrandi, I.]<br />
* [http://www.irf.com/technical-info/appnotes/an-1057.pdf Application Note AN-1057: Heatsink Characteristics von International Rectifier (IRF)]</div>BMShttps://rn-wissen.de/wiki/index.php?title=K%C3%BChlk%C3%B6rper&diff=26379Kühlkörper2015-05-19T09:20:44Z<p>BMS: Entwärmung auf einer Platine - große Flächen. AN-17 Micrel</p>
<hr />
<div>{{Baustelle|BMS}}<br />
<br />
Dieser Artikel behandelt die Grundlagen zu Kühlkörpern.<br />
<br />
[[Bild:kühlkörper-übersicht.jpg|thumb|Verschiedene Kühlkörper, links ein TO220-Gehäuse zum Größenvergleich]]<br />
<br />
=Einleitung=<br />
<br />
'''Wieso sind überhaupt Kühlkörper in technischen Geräten erforderlich?'''<br />
<br />
Kein Gerät kann einen 100-prozentigen Wirkungsgrad erzielen und somit tritt Verlustleistung auf. Diese Verlustleistung führt zur Erwärmung der Bauteile. Kühlkörper sollen die Entwärmung verbessern, indem die entstehende Wärme auf eine große Fläche verteilt wird und durch Konvektion an der Luft auskühlen kann. Die Temperatur an den heißen Bauteilen ist mit Kühlkörper geringer als ohne Kühlkörper.<br />
<br />
'''Wieso sind hohe Bauteiltemperaturen ungünstig?'''<br />
<br />
Die Lebensdauer aller elektronischen Bauteile ist stark von der Temperatur abhängig. Als Faustregel gilt: Eine Temperaturerhöhung um 10 Grad führt zur Halbierung der Lebensdauer. Außerdem gibt es Grenztemperaturen, die nicht überschritten werden dürfen. Beispielsweise dürfen Halbleiter keine Temperatur über 150°C erreichen. Extrembeispiele sind die Schmelztemperatur von Isolierungen, Lötzinn etc... sowie Brandgefahr durch hohe Temperaturen. Viele Bauteile können ohne vernünftige Kühlung nicht ihren vollen Funktionsumfang erreichen, liefern dann z.B. geringere Maximalströme oder es greift die Temperaturabschaltung. Anders formuliert: Die maximale Leistung eines Bauteils oder Geräts wird durch seine Entwärmung bestimmt! Zur eigenen Sicherheit bietet es sich zudem an, die Temperaturen niedrig zu halten, sodass man sich am Gerät nicht die Finger verbrennen kann ;)<br />
<br />
=Wärmeübertragung=<br />
Prinzipiell kann Wärmeübertragung über Wärmeleitung, Konvektion und Wärmestrahlung geschehen. In vielen Anwendungen treten mehrere Mechanismen gleichzeitig auf. Welcher Mechanismus hauptsächlich auftritt, ist von der mechanischen Anordnung, den Materialien und der Temperatur abhängig. Wärmeleitung und Konvektion sind die wichtigsten Arten der Wärmeübertragung, die in der Praxis auftreten. Nun zu den einzelnen Effekten:<br />
<br />
*'''Wärmeleitung'''<br />
*: Bei der Wärmeleitung wird die Wärme über einen direkten mechanischen Kontakt (Bsp. IC <math>\rightarrow</math>Kühlkörper) übertragen. Den beteiligten Materialien wird jeweils eine spezifische Wärmeleitfähigkeit <math>\lambda</math> zugeordnet, dazu später mehr.<br />
<br />
*'''Konvektion'''<br />
*: Mit Konvektion wird die Strömungsbewegung in Flüssigkeiten und Gasen bezeichnet. Praxisbeispiele sind die Wärmeabgabe eines Kühlkörpers an die Umgebungsluft oder auch eine Wasserkühlung. Von erzwungener Konvektion spricht man, wenn die Strömung durch z.B. einen Ventilator/Lüfter oder eine Wasserpumpe hervorgerufen wird. Im Vakuum kann keine Konvektion auftreten.<br />
<br />
*'''Wärmestrahlung'''<br />
*: Wärmestrahlung ist elektromagnetische Strahlung (hauptsächlich Infrarot und sichtbares Licht), die vom heißen Festkörper abgestrahlt wird. Sie wird erst bei höheren Temperaturen relevant und ist bei den üblichen Kühlkörpertemperaturen meist zu vernachlässigen. Erwähnt werden soll zudem, dass Wärmestrahlung der einzige Mechanismus der Wärmeleitung ist, welcher im Vakuum auftreten kann. (Für Details zu Wärmestrahlung siehe auch: Plancksches Strahlungsgesetz und Schwarzer Strahler).<br />
<br />
=Materialien=<br />
Jedes Material besitzt eine spezifische Wärmeleitfähigkeit, welche angibt, wie gut dieses Material Wärme weiter transportieren kann. Die spezifische Wärmeleitfähigkeit ist unabhängig von der Geometrie des Materials, wird mit der Größe <math>\lambda</math> (Lambda) ausgedrückt und erhält die Einheit <math>\frac{W}{m \cdot K}</math>.<br />
<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
|-<br />
| '''Material''' || '''<math>\lambda</math> in <math>\left[ \frac{W}{m \cdot K} \right]</math>'''<br />
|-<br />
| Silber || 430<br />
|-<br />
| Kupfer || 400<br />
|-<br />
| Aluminium || 230<br />
|-<br />
| Silizium || 140 <br />
|-<br />
| Wärmeleitpaste || 5 ... 10<br />
|-<br />
| Glas || 0,7<br />
|-<br />
| Wasser || 0,5<br />
|-<br />
| Platinenmaterial FR4 || 0,2 ... 0,5<br />
|-<br />
| Luft || 0,02<br />
|}<br />
<br />
Die meisten Kühlkörper werden aus Aluminiumlegierungen hergestellt. Für Aluminium spricht seine relativ hohe Wärmeleitfähigkeit, die hohe Verfügbarkeit und geringe Dichte. Im Vergleich zu Kupfer und Silber ist Aluminium deutlich kostengünstiger. Darüber hinaus lässt sich Aluminium mechanisch gut verarbeiten. Kupfer wird mit seiner höheren Wärmeleitfähigkeit z.B. bei Heatpipes eingesetzt.<br />
<br />
todo<br />
<br />
Wärmewiderstand <math>R_{th}=\frac{d}{\lambda \cdot A}</math><br />
<br />
d: Materialdicke, welche für die Wärmeleitung relevant ist<br />
<br />
<math>\lambda</math>spezifische Wärmeleitfähigkeit des Materials<br />
<br />
A: Querschnitts-/Kontaktfläche<br />
<br />
=Definitionen=<br />
Um vorauszusagen, wie sich die Temperaturen in einer Schaltung verhalten, bedient sich der Ingenieur - wie auch bei vielen anderen Anwendungen - eines Ersatzschaltbildes (ESB). Zur Erstellung eines thermischen Ersatzschaltbildes muss man sich aber zunächst mit den thermischen Größen vertraut machen.<br />
<br />
Die Temperaturen werden mit dem griechischen Buchstaben Theta <math>\theta</math> gekennzeichnet. Temperaturen werden in Grad Celsius (°C), Temperaturdifferenzen in Kelvin (K) angegeben. (Am Rande: Es existiert auch eine Kelvinskala mit dem absoluten Nullpunkt 0 K=-273,15°C). Die Temperaturen werden außerdem noch mit einem Index gekennzeichnet, abhängig von der mechanischen Stelle, an der sie auftreten:<br />
<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
|-<br />
| Symbol || Index || Bedeutung<br />
|-<br />
| <math>\vartheta_{J}</math> || J=Junction || Sperrschichttemperatur des Halbleiters<br />
|-<br />
| <math>\vartheta_{C}</math> || C=Case || Gehäusetemperatur des Bauteils<br />
|-<br />
| <math>\vartheta_{H}</math> || H=Heat Sink || Temperatur des Kühlkörpers<br />
|-<br />
| <math>\vartheta_{A}</math> || A=Ambient || Umgebungstemperatur<br />
|}<br />
<br />
Die Verlustleistung eines Bauteils beschreibt die Größe <math>P_{V}</math> und wird, wie allgemein bekannt, in Watt angegeben.<br />
<br />
Als neue Größe wird nun der thermische Widerstand eingeführt, dieser wird mit <math>R_{th}</math> beschrieben und bekommt die Einheit <math>\frac{K}{W}</math>. <br />
<br />
Für die thermischen Größen gibt es, ähnlich dem Ohmschen Gesetz, einen linearen Zusammenhang. Dieser lautet<br />
<br />
<math>R_{th}=\frac{\vartheta_{ü}}{P_{V}}</math><br />
<br />
todo<br />
<br />
'''Vergleich elektrischer und thermischer Größen'''<br />
Insgesamt können wir nun eine Analogie zwischen bekannten elektrischen Größen und den thermischen Größen angeben. Die schon gelernten Prinzipien zur Lösung linearer Netzwerke lässt sich auch bei den thermischen Ersatzschaltbildern anwenden.<br />
<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
|-<br />
| elektrisch || thermisch<br />
|-<br />
| Spannung U || Temperatur <math>\vartheta</math><br />
|-<br />
| Strom I || Verlustleistung <math>P_{V}</math><br />
|-<br />
| Widerstand R || thermischer Widerstand <math>R_{th}</math><br />
|}<br />
<br />
=Statisches Ersatzschaltbild=<br />
Mit den thermischen Zusammenhängen haben wir uns inzwischen vertraut gemacht. Nun können wir damit beginnen, thermische Ersatzschaltbilder von einfachen Anordnungen zu erstellen. Mit solchen Modellen können Temperaturen, wie z.B. die Chiptemperatur, vorab berechnet werden. Für die Berechnung müssen Wärmewiderstände, Umgebungstemperatur und Verlustleistung bekannt sein, da sie in die Berechnung einfließen.<br />
<br />
Bei den thermischen Ersatzschaltbildern kann man ein statisches oder ein dynamisches Ersatzschaltbild erstellen. Bei den statischen Ersatzschaltbilder wird davon ausgegangen, dass alle Größen zeitlich konstant sind, bzw. sofort ihre Solltemperatur entsprechend dem Modell annehmen. In der Realität dauert es natürlich eine gewisse Zeit, bis sich alle beteiligten Materialien aufgeheizt haben. Die Temperaturen des statischen Modells werden dabei erst nach einer bestimmten Zeit erreicht. <br />
<br />
Für die meisten Anwendungen genügt es jedoch, das statische thermische Ersatzschaltbild zu erstellen und den Kühlkörper dem entsprechend zu dimensionieren. Die Kühlung wird z.B. auf die maximale oder die mittlere auftretende Verlustleistung dimensioniert. Es wurde bereits erwähnt, dass sich die Bauteiltemperatur auf dessen Lebensdauer auswirkt. Dabei gilt: je niedriger die Bauteiltemperatur, desto länger die zu erwartende Lebensdauer. Je nach Anwendung und Rahmenbedingungen muss eventuell ein Kompromiss zwischen Kühlkörpergröße/kosten und Gerätelebensdauer gewählt werden. Beispielsweise kann der verfügbare Platz, ein Gesamtgewicht oder eine Kostenvorgabe begrenzender Faktor sein. Für einen dauerhaften sicheren Betrieb muss der Kühlkörper und weitere beteiligte Materialien für den worst case ausgelegt oder sogar überdimensioniert werden.<br />
<br />
==Bauteil ohne Kühlkörper==<br />
Um den Umgang mit den thermischen Ersatzschaltbildern zu lernen, soll zunächst mit einem einfachen Beispiel begonnen werden. In diesem Fall wird der Wärmeübergang von einem einzelnen Bauteil zu Luft betrachet, es kommt zunächst also noch kein Kühlkörper zum Einsatz. Das Ersatzschaltbild sieht in diesem Fall folgendermaßen aus:<br />
<br />
[[Bild:Therm-esb1.png|450px]]<br />
<br />
Die am Bauteil entstehende Verlustleistung ist Ursache der Abwärme und wird im thermischen Ersatzschaltbild als ideale Stromquelle modelliert.<br />
<br />
Die Abwärme gelangt nun über den Weg Sperrschicht (Junction) <math>\rightarrow</math> Bauteilgehäuse (Case) <math>\rightarrow</math> Umgebung (Ambient) nach außen. Im Ersatzschaltbild ist jeder Übergang als thermischer Widerstand modelliert. Die genauen Zahlenwerte der Wärmewiderstände lassen sich in der Regel dem Datenblatt des Bauteils entnehmen. Benötigt werden die Werte für <math>R_{th(jc)}</math> und <math>R_{th(ca)}</math>. In manchen Datenblättern findet man die Angabe <math>R_{th(ja)}</math>, was der Reihenschaltung aus den beiden vorher genannten Werten entspricht, also <math>R_{th(ja)}=R_{th(jc)}+R_{th(ca)}</math>.<br />
<br />
Die Umgebungstemperatur wird als ideale Spannungsquelle modelliert. Sämtliche Spannungen im Ersatzschaltbild entsprechen den auftretenden Temperaturen.<br />
<br />
Da es sich nun um ein lineares Netzwerk handelt, gelten hier ebenfalls die Kirchhoff'schen Gleichungen. Relativ leicht lässt sich nun die Temperatur am Bauteilgehäuse (Case) und der Sperrschicht (Junction) berechnen:<br />
<br />
<math>\vartheta_{c}=\vartheta_{a}+R_{th(ca)} \cdot P_{V}</math><br />
<br />
<math>\vartheta_{j}=\vartheta_{a}+R_{th(jc)} \cdot P_{V}+R_{th(ca)} \cdot P_{V}=\vartheta_{a}+(R_{th(jc)}+R_{th(ca)}) \cdot P_{V}=\vartheta_{a}+R_{th(ja)} \cdot P_{V}</math><br />
<br />
Da die thermischen Widerstände bei der Reihenschaltung auch zusammengefasst werden dürfen, beschreibt folgendes thermisches Ersatzschaltbild den gleichen Zusammenhang. Nachteil ist hier allerdings, dass die Temperatur am Gehäuse nicht modelliert wird.<br />
<br />
[[Bild:Therm-esb0.png|300px]]<br />
<br />
Die Überlegungen zur Sperrschichttemperatur kann auch anders interpretiert werden. Gibt man die Sperrschichttemperatur vor, kann man die maximal erlaubte Verlustleistung des Bauteils in Abhängigkeit der Umgebungstemperatur bestimmen. Die folgende Formel erhält man aus Umformung der oberen Gleichung:<br />
<br />
<math>P_{V} \leq \frac{\vartheta_{j}-\vartheta_{a}}{R_{th(ja)}}</math><br />
<br />
Bei Halbleitern darf idR. die Sperrschichttemperatur nicht 150°C überschreiten. Der thermische Widerstand wird hauptsächlich durch das Gehäuse vorgegeben. Aus der Formel sieht man nun folgendes: Je höher die Umgebungstemperatur, desto geringer fällt die maximal erlaubte Verlustleistung aus. Diesen Zusammenhang bezeichnet man auch als '''Derating'''.<br />
<br />
===Beispielrechnung===<br />
<br />
Ein Spannungsregler vom Typ 7805 im TO220-Gehäuse soll ohne Kühlkörper betrieben werden. Wie hoch ist die maximal erlaubte Verlustleistung, wenn die Sperrschichttemperatur 120°C nicht überschreiten soll und die Umgebungstemperatur 25°C beträgt?<br />
<br />
Zunächst werfen wir einen Blick ins Datenblatt des Spannungsreglers und entnehmen die Angaben für die thermischen Widerstände. Dann halten wir alle gegebenen Größen fest:<br />
<br />
*'''Gegeben'''<br />
*:* <math>R_{th(jc)}=5 \frac{K}{W}</math> (aus dem Datenblatt)<br />
*:* <math>R_{th(ja)}=62 \frac{K}{W}</math> (aus dem Datenblatt)<br />
*:* <math>\vartheta_{j}=125°C</math><br />
*:* <math>\vartheta_{a}=25°C</math><br />
*'''Gesucht'''<br />
*:* <math>P_{v,max}</math><br />
*'''Rechnung'''<br />
*:Wir verwenden die Formel von oben und erhalten als Ergebnis<br />
*:<math>P_{V,max} = \frac{\vartheta_{j}-\vartheta_{a}}{R_{th(ja)}} = \frac{120°C-25°C}{62\frac{K}{W}} = \frac{95K}{62\frac{K}{W}} \approx 1,5 Watt</math><br />
*:Die maximal erlaubte Verlustleistung des Spannungsreglers ohne Kühlkörper darf demnach 1,5 Watt nicht überschreiten.<br />
*'''Zusatz'''<br />
*:Mit unserem Ersatzschaltbild können wir außerdem die Temperatur des Gehäuses (Case) des Spannungsreglers angeben. Dafür benötigen wir noch die Angabe <math>R_{th(ca)}</math>, welche allerdings im Datenblatt nicht angegeben ist.<br />
*:Da wir aber wissen, dass <math>R_{th(ja)}=R_{th(jc)}+R_{th(ca)}</math> gilt, können wir die fehlende Größe ausrechnen. Diese ist<br />
*:<math>R_{th(ca)}=R_{th(ja)}-R_{th(jc)}=62\frac{K}{W}-5\frac{K}{W}=57\frac{K}{W}</math>.<br />
*:Nun lässt sich die Gehäusetemperatur berechnen:<br />
*:<math>\vartheta_{c}=\vartheta_{a}+R_{th(ca)} \cdot P_{V}=25°C+57\frac{K}{W} \cdot 1,5 W \approx 111 °C</math><br />
*'''Bemerkung'''<br />
*:In der Praxis wird einem TO220-Gehäuse ungekühlt eine maximale Verlustleistung von 1 Watt zugerechnet. Die Temperaturen sind niedriger, die Lebensdauer des Bauteils höher.<br />
<br />
==Bauteil mit Kühlkörper und T.I.M.==<br />
<br />
Der Betrieb eines ICs ohne Kühlkörper, wie im vorigen Abschnitt beschrieben, funktioniert nur bei kleinen Leistungen und führt meist auch zu einer verringerten Lebensdauer des Bauteils. Viele Bauteile können ihre angegebenen Maximalwerte nur bei vernünftiger Kühlung erreichen. In diesem Abschnitt wird nun ein typisches Szenario mit Kühlkörperberechnung vorgestellt.<br />
<br />
Befassen wir uns zunächst mit der typischen mechanischen Anordnung. Das zu kühlende IC wird thermisch an einen Kühlkörper gekoppelt. In der Praxis wird man das IC aber nicht direkt auf dem Kühlkörper befestigen, sondern über ein sogenanntes ''thermisches Interface-Material'' (T.I.M.), um Unebenheiten und mechanische Abstände auszugleichen oder um für Insolierung zu sorgen. Details zum T.I.M. folgen im Unterabschnitt. Die typische Anordnung zeigt die folgende Abbildung.<br />
<br />
[[Bild:kühlkörper-schichten.png|300px]]<br />
<br />
Folgende thermischen Widerstände treten hier in Kraft:<br />
*<math>R_{th(jc)}</math> für den Übergang Chip zu Bauteilgehäuse<br />
*<math>R_{th(ch)}</math> für den Übergang Bauteilgehäuse zu Kühlkörper (also über das T.I.M.)<br />
*<math>R_{th(ha)}</math> für den Übergang Kühlkörper zur Umgebung<br />
<br />
Aus diesen thermischen Widerständen wird ein thermisches Ersatzschaltbild angefertigt. Dieses zeigt die nächste Abbildung.<br />
<br />
[[Bild:Therm-esb2.png|700px]]<br />
<br />
Zunächst soll die Formel zur Berechnung der Chiptemperatur aufgestellt werden, die Formel erhält man wieder durch die Anwendung der Kirchhoffschen Gleichungen im Ersatzschaltbild.<br />
<br />
<math>\vartheta_{j}=\vartheta_{a}+(R_{th(jc)}+R_{th(ch)}+R_{th(ha)}) \cdot P_{V}</math><br />
<br />
Die Formel wird in der Praxis jedoch in einer anderen Form benötigt. Meist steht man als Entwickler vor der Aufgabe, den erforderlichen thermischen Widerstand <math>R_{th(ha)}</math> des Kühlkörpers zu bestimmen, sofern die Größen Umgebungstemperatur, Sperrschichttemperatur, Verlustleistung sowie die verbleibenden thermischen Widerstände gegeben sind. Anhand des berechneten Wärmewiderstands des Kühlkörpers können dann aus Produktkatalogen geeignete Kühlkörper bestimmt werden.<br />
<br />
Wir müssen dafür also die Gleichung nach <math>R_{th(ha)}</math> auflösen. Wir erhalten die praxisübliche Berechnungsformel:<br />
<br />
<math>R_{th(ha)}=\frac{\vartheta_{j}-\vartheta_{a}}{P_{V}}-R_{th(jc)}-R_{th(ch)}</math><br />
<br />
In manchen Quellen sind enthält diese Formel außerdem Korrekturfaktoren, die z.B. die Einbaulage o.ä. berücksichtigen können.<br />
<br />
===Beispielrechnung===<br />
<br />
Für einen Spannungsregler vom Typ 7805 im TO220-Gehäuse soll ein Kühlkörper dimensioniert werden. Die Eingangsspannung des Reglers beträgt 12V, die Ausgangsspannung von 5V wird mit 500mA belastet. Die Umgebungstemperatur sei 30°C. Der Spannungsregler wird mit Wärmeleitpaste auf dem Kühlkörper montiert, für diesen Wärmewiderstand wird 0,5 K/W angenommen. Welchen Wärmewiderstand darf der Kühlkörper höchstens haben, wenn als maximale Sperrschichttemperatur 110°C angenommen wird?<br />
<br />
Diese Aufgabe kann so durchaus in der Praxis auftreten. Von den vielen Angaben darf man sich zunächst nicht verunsichern lassen. Wir verwenden das gezeigte thermische Ersatzschaltbild. Für die Rechnung benötigen wir außerdem noch den thermischen Widerstand <math>R_{th(jc)}</math> aus dem Datenblatt.<br />
<br />
*'''Gegeben'''<br />
*:<math>R_{th(jc)}=5 \frac{K}{W}</math> (aus dem Datenblatt)<br />
*:<math>R_{th(ch)}=0,5 \frac{K}{W}</math><br />
*:<math>\vartheta_{j}=110°C</math><br />
*:<math>\vartheta_{a}=30°C</math><br />
*:<math>U_{ein}=12V</math><br />
*:<math>U_{aus}=5V</math><br />
*:<math>I=0,5A</math><br />
*'''Gesucht'''<br />
*:<math>R_{th(ha)}</math><br />
*'''Rechnung'''<br />
*:Zunächst muss die Verlustleistung am Regler berechnet werden. Diese beträgt<br />
*:<math>P_V=P_{Ein}-P_{Aus}=12V \cdot 0,5A~-~5V \cdot 0,5A=3,5 W</math>.<br />
*:Nun sind eigentlich auch schon alle Angaben vorhanden, sodass wir die Formel verwenden können.<br />
*:<math>R_{th(ha)}=\frac{\vartheta_{j}-\vartheta_{a}}{P_{V}}-R_{th(jc)}-R_{th(ch)}</math><br />
*:Einsetzen:<br />
*:<math>R_{th(ha)}=\frac{110°C-30°C}{3,5W}-5\frac{K}{W}-0,5\frac{K}{W} \approx 17,4\frac{K}{W}</math><br />
*'''Ergebnis'''<br />
*:Der Wärmewiderstand des Kühlkörpers darf maximal <math>17,4\frac{K}{W}</math> betragen.<br />
*'''Zusatz'''<br />
*:Aus dem Katalog wird ein Kühlkörper mit einem Wärmewiderstand von <math>10\frac{K}{W}</math> gewählt. Welche Temperatur erreicht der Kühlkörper, wenn er bei den gegebenen Bedingungen eingesetzt wird?<br />
*:<math>\vartheta_h=\vartheta_a+P_{V} \cdot R_{th(ha)}=30°C+3,5W \cdot 10 \frac{K}{W} \approx 65°C</math><br />
<br />
===Thermische Interface-Materialien (T.I.M.) und Montage===<br />
Wie bereits erwähnt, werden ICs in der Praxis nicht direkt auf einen Kühlkörper befestigt. Der Grund dafür ist folgender: Durch Unebenheiten und die rauhe Oberfläche von Kühlkörper und IC berühren sich die betreffenden Flächen unter dem Mikroskop gesehen nur minimal. Durch Lufteinschlüsse und die Tatsache, dass Luft ein schlechter Wärmeleiter ist, fällt in diesem Fall die thermische Anbindung des ICs an den Kühlkörper relativ schlecht aus.<br />
<br />
Zum Ausgleich der Unebenheiten eignet sich Wärmeleitpaste, welche dünn auf die Kontaktfläche aufgetragen wird. Es genügt eine sehr geringe Menge der Wärmeleitpaste, die Schichtdicke liegt in der Größenordnung 0,1mm. Die Aufgabe der Wärmeleitpaste ist, die Unebenheiten der Kontaktflächen auszugleichen. Zu viel Wärmeleitpaste erhöht wiederum den thermischen Übergangswiderstand. <br />
<br />
Ist zusätzlich eine elektrische Isolation zwischen IC und Kühlkörper erforderlich, können Glimmerscheiben (engl. mica) eingesetzt werden. Elektrische Isolation ist erforderlich, falls zum Beispiel mehrere Transistoren auf einen Kühlkörper montiert werden sollen und eine elektrische Verbindung der Kühlfahnen über den Kühlkörper zu Kurzschlüssen führen würde. Werden Glimmerscheiben verwendet, müssen diese beidseitig mit Wärmeleitpaste bestrichen werden, um sämtliche Unebenheiten auszugleichen. Die Glimmerscheiben werden zwischen IC und Kühlkörper eingebaut. Werden die ICs an den Kühlkörper geschraubt, muss auch die Schraube elektrisch isoliert werden. Hierfür sind entsprechende Hülsen aus Kunststoff erhältlich.<br />
<br />
Wärmeleitfolien aus Silikon /Gap-Filler<br />
<br />
BAUSTELLE<br />
<br />
Zur Montage der ICs auf dem Kühlkörper gibt es mehrere Möglichkeiten. Üblich sind Schraubmontage oder die Verwendung von Metallclips aus Federstahl. Der Anpressdruck durch die Montage kann die thermische Kopplung des ICs zum Kühlkörper beeinflussen. Die Metallclips haben den Vorteil, dass der Anpressdruck mit der Zeit nicht nachlässt.<br />
<br />
BAUSTELLE<br />
<br />
=Dynamisches Ersatzschaltbild=<br />
<br />
Bei den statischen Ersatzschaltbildern können zeitveränderliche Vorgänge nicht modelliert werden. Um auch den zeitlichen Verlauf der Temperaturen bei z.B. wechselnder Verlustleistung der Bauteile vorhersagen zu können, bedient man sich dem dynamischen Ersatzschaltbild. Dieses enthält neben den thermischen Widerständen auch Wärmekapazitäten. Durch thermische Widerstände und Wärmekapazitäten ergeben sich Zeitkonstanten bei der Erwärmung, sodass das Modell der Realität sehr nahe kommt.<br />
<br />
BAUSTELLE<br />
<br />
=Kühlkörperbauformen=<br />
* Board-Level-Kühlkörper (aufsteckbare/aufklebbare Kühlkörper, auch für SMD, meist 1 Kühlkörper pro IC)<br />
* Strang-/Profilkühlkörper (meist für hohe Leistungen)<br />
* Kühlaggregate (Kanal + Lüfter)<br />
<br />
Wozu eloxierte Oberflächen?<br />
* geringfügig höhere Wärmestrahlung (bei den niedrigen Temperaturen kaum ein Beitrag)<br />
* elektrische Isolation<br />
* Oberflächenschutz<br />
Nachteile:<br />
* erhöhte Wärmeaufnahme aus der unmittelbaren Umgebung!<br />
<br />
Stiftkühlkörper<br />
* hohe Oberfläche<br />
* bei dickem "Rücken"/"Boden" des Kühlkörpers gute Wärmespreizung<br />
* mit erzwungener Konvektion hohe Wärmeübertragung (quer zu den Stiften effektiver als in Stiftrichtung)<br />
* leichter und kompakter als Strangkühlkörper<br />
<br />
todo<br />
<br />
=Lüfter=<br />
Lüfter werden vor allem dann eingesetzt, wenn der Kühlkörper bei rein passiver Kühlung zur groß, zu schwer oder zu teuer wird. Beim Einsatz des Lüfters führt die erzwungene Luftströmung zur besseren Wärmeabgabe an die Luft. Bei gleicher Temperatur kann der Kühlkörper dann kleiner gewählt werden. Bei hohen Leistungen sind der kleinere Kühlkörper mit Lüfter preisgünstiger und kompakter als ein großer, rein passiver Kühlkörper. Um welchen Faktor die Wärmeableitung mit Lüfter verbessert wird, hängt von vielen Parametern ab und kann nicht pauschal angegeben werden.<br />
<br />
Vorteile<br />
* bessere Wärmeabgabe<br />
* Kühlkörper kann bei gleicher Temperatur kleiner, leichter und kostengünstiger werden<br />
* In kleinem Maßstab günstiger als Wasserkühlung o.ä.<br />
<br />
Nachteile<br />
* zusätzlicher Stromverbrauch<br />
* Geräuschentwicklung und Vibrationen<br />
* zusätzliche Kosten für Lüfter und dessen Montage<br />
* Im Falle eines unbemerkten Ausfalls kann die Schaltung überhitzen (Abhilfe: Thermostat, Temperaturfühler oder Tachosignal auswerten)<br />
<br />
Anordnungen:<br />
* Push-Prinzip: Der Lüfter bläst die Luft in den Kühlkörper/-kanal<br />
* Pull-Prinzip: Der Lüfter saugt die Luft aus dem Kühlkörper/-kanal heraus<br />
<br />
Kenngrößen:<br />
* Luftdurchsatz in <math>\frac{m^{3}}{h}</math><br />
* Nennspannung, Nennstrom, Nennleistung<br />
* Typ Axial/Radial<br />
* Größe<br />
* Geräuschpegel<br />
* Art der Lagerung (Kugellager, Sinterbronze-Lager etc.)<br />
* Temperaturbereich<br />
* Lebensdauer, MTBF<br />
<br />
=Entwärmung auf einer Platine=<br />
Beim Leiterplattenentwurf muss bereits in der Designphase abgeschätzt werden, welche Verlustleistungen auftreten und wie die entstehende Wärme abgeführt werden kann. Die Größe, Bauform und Befestigung des Kühlkörpers muss ebenfalls berücksichtigt werden. Für Printmontage sind Kühlkörper verfügbar, welche mit lötbaren Stiften in die Platine gesteckt und verlötet werden. Alternativ sind Schraubverbindungen möglich.<br />
<br />
SMD-Bauteile können meist über die Platine gut entwärmt werden. Dies ist normalerweise nur bei geringen Verlustleistungen möglich. Die Abwärme der Bauteile muss auf eine möglichst große Fläche verteilt werden, durch große Kupferflächen auf der Platine kann dies erreicht werden. Da die Wärmeleitfähigkeit der Kupferauflage deutlich höher ist als die Wärmeleitfähigkeit des Platinenmaterials FR4, wird sich die Wärme hauptsächlich in der Fläche verteilen, jedoch weniger ''durch'' die Platine hindurch. Um die Wärmeleitung durch die Platine (z.B. von Ober- zu Unterseite) zu erhöhen, müssen Durchkontaktierungen gesetzt werden. Sogenannte "Thermal Vias" werden in einer großen Anzahl an das zu entwärmende Bauteil gesetzt und können damit die Wärme zu anderen Kupferlagen der Platine weiterleiten. Die Wärmeleitung durch die Platine hindurch wird verbessert, liegt aber dennoch deutlich unter der Wärmeleitfähigkeit von reinem Kupfer. Thermische Vias können aufgrund ihrer kleinen Masse kaum einen Beitrag zur gesamten "Kühlmasse" beitragen. Ob schließlich eine Entwärmung durch die Platine ausreicht, muss durch Simulation oder Messung gezeigt werden.<br />
<br />
Die Einbaulage der Platine kann die Entwärmung zudem beeinflussen. Erwärmte Umgebungsluft steigt nach oben und kann andere Komponenten oder Platinen aufheizen.<br />
<br />
Maßnahmen für bessere Entwärmung:<br />
<br />
* Durchkontaktierungen zur Wärmeleitung zwischen mehreren Kupferlagen, da der Platinenkern (bei FR4: glasfaserverstärktes Epoxidharz) idR. eine sehr schlechte Wärmeleitfähigkeit hat<br />
* Breite Leiterbahnen, welche Wärme abführen und auf eine große Fläche verteilen<br />
* Für große bedrahtete ICs (TO220, Multiwatt...) eignen sich Board-Level-Kühlkörper<br />
* Für kleinere ICs mit Wärmeentwicklung eignen sich aufklebbare Kühlkörper<br />
* Für SMD-Bauteile exisitieren auch Kühlkörper, die sich direkt auf die Platine löten lassen, diese sind auch maschinenbestückbar<br />
* Einsatz spezieller Platinenmaterialien (Alukern, Kupfer-Inlay)...<br />
* je nach Schaltung: dickere Kupferkaschierung für bessere Wärmeausbreitung in der Fläche (Standard sind 35µm, erhältlich sind auch 70µm und mehr)<br />
<br />
Welche Temperatur das Bauteil auf der Platine erreicht, kann nach dem Aufbau natürlich gemessen werden. Besser wäre es jedoch, die Temperaturen bereits beim Entwurf der Platine zu kennen, um einschätzen zu können, ob die Entwärmung ausreichend ist. Allgemeine Angaben hierfür sind schwer zu finden, jedoch gibt es vereinzelt Angaben in Datenblättern von Halbleitern zur Entwärmung. An den folgenden Zahlenwerten kann man sich orientieren, wenn man ähnliche Bauteile entwärmen möchte. Damit man für die genannten Flächen eine grobe Vorstellung hat, sei noch erwähnt: ein Cent hat eine Fläche von grob <math>200mm^2</math>, ein Euro hat grob <math>400mm^2</math>.<br />
<br />
'''TO263 (=D2PAK)'''<br />
<br />
Im Datenblatt des Schaltreglers LM2576 von ''National Semiconductor'' findet man für das TO263-Gehäuse einige Angaben. Das TO263-Gehäuse gleicht übrigens dem TO220 bis auf die Tatsache, dass die Kühlfahne kürzer ist und das Gehäuse für SMD-Montage vorgesehen ist. Das Datenblatt gibt thermische Widerstände für den Übergang Junction-Ambient an. Die Angabe ist abhängig von der Kupferfläche auf der Platine, die unmittelbar für das Bauteil aus Kühlkörper wirkt. Die Zahlenwerte aus dem Datenblatt wurden in Quadratmillimeter umgerechnet, gerundet und stehen nun in der Tabelle bereit. Keine Angaben macht der Hersteller zu den Rahmenbedingungen, unter denen die thermischen Widerstände ermittelt wurden (Platinendicke, Durchkontaktierungen, Form der Kupferfläche und Dicke der Kupferkaschierung). Dennoch können die Werte zur groben Orientierung dienen.<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
| Kupferfläche || therm. Widerstand<br />
|-<br />
| <math>325 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 50\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>645 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 37\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>1030 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 32\frac{K}{W} </math><br />
|}<br />
<br />
'''TO252 (=DPAK), SOT223'''<br />
<br />
Im Datenblatt des Low-Drop-Spannungsreglers LM1117 von ''National Semiconductor'' sind Angaben zur Entwärmung über die Platine von SOT223 und TO252-Gehäusen vorhanden. Der Hersteller gibt an, für das SOT223-Gehäuse eine 35µm dicke, und für das TO252-Gehäuse eine 70µm dicke Kupferkaschierung der Platine verwendet zu haben. Leider finden sich in diesem Datenblatt keine Informationen zu Durchkontaktierungen, Platinendicke, und ob das IC auf der Ober- oder Unterseite der Platine montiert wurde (Vermutung: oben montiert, da angegebene thermische Widerstände geringer sind). Der Hersteller hat drei Fälle untersucht: Kupferfläche oben, Kupferfläche unten, Kupferfläche beidseitig. Für das thermische Platinendesign kann man diese Zahlenwerte zumindest als Richtwerte verwenden. Das Datenblatt enthält zudem Zeichnungen der Kühlflächen. Die Zahlenwerte wurden wieder in Quadratmillimeter umgerechnet und gerundet und in die folgenden Tabelle eingetragen:<br />
<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
| Kupferfläche top || Kupferfläche bottom || therm. Widerstand SOT223 || therm. Widerstand TO252<br />
|-<br />
| <math> 200mm^2</math> || - || <math>R_{th(ja)}\approx 84\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 60\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math> 350mm^2</math> || - || <math>R_{th(ja)}\approx 75\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 54\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math> 650mm^2</math> || - || <math>R_{th(ja)}\approx 66\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 47\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| - || <math> 250mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 98\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 70\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| - || <math> 400mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 89\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 63\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| - || <math> 650mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 79\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 57\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math> 200mm^2</math> || <math> 200mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 83\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 61\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math> 250mm^2</math> || <math> 250mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 75\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 55\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math> 350mm^2</math> || <math> 350mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 70\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 53\frac{K}{W} </math><br />
|}<br />
<br />
Bei gleicher (projizierter) Fläche bring die beidseitige Kupferauflage erstaunlicherweise keinen niedrigeren thermischen Widerstand als wenn die Kupferauflage nur auf der Oberseite vorhanden ist. Vermutlich wurden bei der Messung keine Durchkontaktierungen (Vias) eingebracht oder die Fläche ist insgesamt zu klein, als dass sich ein Effekt zeigen würde.<br />
<br />
'''SO8'''<br />
<br />
Für das SO8-Gehäuse findet man eine Angabe im Datenblatt des Spannungsreglers 78L05 von ''ST'':<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
| Kupferfläche || therm. Widerstand<br />
|-<br />
| <math>600 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 55\frac{K}{W} </math><br />
|}<br />
<br />
'''SO20'''<br />
<br />
Aus dem Datenblatt des L293DD sind Angaben zum SO20-Gehäuse enthalten. In diesem Falle sind 8 zentrale Pins an die Kühlfläche angebunden, die Kupferkaschierung ist vermutlich einseitig 35µm. Die groben Richtwerte sind:<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
| Kupferfläche || therm. Widerstand<br />
|-<br />
| <math>200 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 60\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>400 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 53\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>600 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 51\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>800 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 50\frac{K}{W} </math><br />
|}<br />
<br />
'''PowerDIP20'''<br />
<br />
Für das DIP20-Gehäuse wird man im Datenblatt des Motortreibers L6202 von ''ST'' fündig. Bei 35µm Kupferkaschierung der Platine ergeben sich die folgenden thermischen Widerstände.<br />
<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
| Kupferfläche || therm. Widerstand<br />
|-<br />
| <math>0 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 58\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>200 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 45\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>400 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 39\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>600 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 38\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>800 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 37\frac{K}{W} </math><br />
|}<br />
<br />
Für die Form der empfohlenen Kühlfläche sei auf das Datenblatt verwiesen. Wird das IC in einem Sockel verwendet, muss man sicherlich von höheren thermischen Widerständen ausgehen.<br />
<br />
In der ''Application Note AN-994 - Maximizing the Effectiveness of your SMD Assemblies'' von ''International Rectifier (IRF)'' sind weitere Daten vorhanden. Die dort genannten Daten sind jedoch teils drastisch niedriger als die hier genannten. Eine mögliche Erklärung sind z.B. die höhere Kupferauflage (70µm) oder evtl. optimierte Wärmewiderstände innerhalb der Gehäuse.<br />
<br />
Im ''Application Hint 17 - Designing P.C. Board Heat Sinks - by Bob Wolbert (Micrel)'' werden Angaben zu thermischen Widerständen der Platine für vergleichsweise große Flächen gemacht. Die thermischen Widerstände beschreiben den Übergang <math>R_{th(ha)}</math> unter den Bedingungen: Quadratische Kupferfläche, einseitig, horizontal montiert, Lötstopplack, keine Belüftung. Die Dicke der Kupferkaschierung ist nicht angegeben. Hier einige Werte, abgelesen aus dem Diagramm der genannten Application Note:<br />
<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
| Kupferfläche || therm. Widerstand<br />
|-<br />
| <math>500 mm^2</math> || <math>R_{th(ha)}\approx 60\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>1000 mm^2</math> || <math>R_{th(ha)}\approx 45\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>1500 mm^2</math> || <math>R_{th(ha)}\approx 38\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>2000 mm^2</math> || <math>R_{th(ha)}\approx 33\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>2500 mm^2</math> || <math>R_{th(ha)}\approx 30\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>3000 mm^2</math> || <math>R_{th(ha)}\approx 28\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>4000 mm^2</math> || <math>R_{th(ha)}\approx 24\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>5000 mm^2</math> || <math>R_{th(ha)}\approx 22\frac{K}{W} </math><br />
|}<br />
<br />
<br />
'''Abschlusskommentar'''<br />
<br />
An den gezeigten, thermischen Widerständen sieht man leicht: je größer die Kühlfläche, desto geringer der thermische Widerstand. Dieses Verhalten würde man so auch erwarten.<br />
<br />
Ab einer bestimmten Fläche wird die Platine als Kühlkörper jedoch unhandlich, und man wird die Fläche nicht weiter vergrößern. Die mit den Kupferflächen erreichten thermischen Widerstände sind für viele Anwendungen noch deutlich zu hoch. Bei Verlustleistungen von wenigen Watt werden dadurch bereits kritische Chiptemperaturen erreicht. Wie bereits oben erwähnt, funktioniert die Entwärmung von SMD-Komponenten über die Platine also nur für kleine Verlustleistungen. Bei größeren Verlustleistungen müssen zusätzliche Entwärmungsmaßnahmen getroffen werden (z.B. aufklebbarer Kühlkörper, etc.). Zielführend ist auch, die Ursache der Erwärmung, nämlich die Verlustleistung zu verringern. Wird beispielsweise ein Linearregler durch einen effizienteren Schaltregler ersetzt, kann die Entwärmung aufgrund der kleineren Verlustleistung deutlich einfacher gestaltet werden. Ob die Verringerung der Verlustleistung möglich ist, hängt natürlich von der Anwendung ab.<br />
<br />
=Spezielle Kühlkörper=<br />
<br />
todo<br />
<br />
=Autoren=<br />
* BMS<br />
<br />
[[Kategorie:Elektronik]]<br />
[[Kategorie:Mechanik]] <br />
[[Kategorie:Praxis]] <br />
[[Kategorie:Grundlagen]]<br />
<br />
=Quellen und Verweise=<br />
<br />
Zeitschriftenartikel:<br />
<br />
* Best, Siegfried W.: ''Elektronikkühlung und Wärmemanagement von A bis Z''. In: Elektronikpraxis - Sonderheft Elektromechanik, April 2013. S. 20ff.<br />
* Best, Tobias: ''Thermisches Via, die kleine Schwester der Heatpipe''. In: Elektronikpraxis, April 2013. S. 12ff.<br />
* Erdmann, Marc: ''Beste Effizienz auch beim Thermal Management''. In: Elektronikpraxis - Sonderheft Leistungelektronik und Stromversorgung. März 2015. S. 38ff.<br />
* Kerstin, Nils; Schulz, Martin: ''Thermische Widerstände genau messen - eine Herausforderung''. In: Elektronikpraxis, Nr. 17, September 2014. S. 48ff.<br />
* K.R. (Alutronic): ''Stiftkühlkörper für die Leistungselektronik''. In: Elektronikpraxis Nr.9, Mai 2014. S. 50ff.<br />
* Harpain, Jürgen: ''Wärmeleitmaterial kompensiert Lufteinschlüsse''. In: Elektronikpraxis Nr.1, Januar 2014. S. 36ff.<br />
* Harpain, Jürgen: ''Entwärmungskonzepte für Einzelhalbleiter und ICs''. In: Elektronikpraxis - Sonderheft Elektromechanik, April 2014. S. 14ff.<br />
* Schulz, Martin: ''Fünf Fettnäpfchen beim Bestimmen thermischer Größen''. In: Elektronikpraxis, November 2013. S. 36ff.<br />
* Schulz, Martin: ''Mythen und Legenden über Wärmeleitmaterialien''. In: Elektronikpraxis Nr.2., Januar 2014. S. 42ff.<br />
<br />
----<br />
<br />
Datenblätter, aus denen thermische Widerstände entnommen wurden:<br />
<br />
* [http://pdf.datasheetcatalog.com/datasheet/nationalsemiconductor/DS011476.PDF Datenblatt LM2576 von National Semiconductor]<br />
* [http://pdf.datasheetcatalog.com/datasheet/nationalsemiconductor/LM1117.pdf Datenblatt LM1117 von National Semiconductor]<br />
* [http://pdf.datasheetcatalog.com/datasheets/150/9358_DS.pdf Datenblatt L78Lxx von ST]<br />
* [http://pdf.datasheetcatalog.com/datasheet/stmicroelectronics/1330.pdf Datenblatt L293DD von ST]<br />
* [http://pdf.datasheetcatalog.com/datasheet/stmicroelectronics/1373.pdf Datenblatt L6202 von ST]<br />
* [http://www.irf.com/technical-info/appnotes/an-994.pdf ''Application Note AN994 - Maximizing the Effectiveness of your SMD Assemblies'' - International Rectifier (IRF)]<br />
* [http://www.micrel.com/_PDF/App-Hints/ah-17.pdf ''Application Hint 17 - Designing P.C. Board Heat Sinks - by Bob Wolbert (Micrel)'']<br />
<br />
----<br />
<br />
Weblinks:<br />
<br />
* [http://stegem.de/Elektronik/Kuehlkoerper/ Online-Tool zur Kühlkörperberechnung von Gemmel, S.]<br />
* [http://ludens.cl/Electron/Thermal.html Thermal Design - von Mornhinweg, M.]<br />
* [http://sound.westhost.com/heatsinks.htm The Design of Heatsinks - von Elliot, R.]<br />
* [http://www.giangrandi.ch/electronics/thcalc/thcalc.shtml Calculating Heat sinks - von Giangrandi, I.]<br />
* [http://www.irf.com/technical-info/appnotes/an-1057.pdf Application Note AN-1057: Heatsink Characteristics von International Rectifier (IRF)]</div>BMShttps://rn-wissen.de/wiki/index.php?title=K%C3%BChlk%C3%B6rper&diff=26378Kühlkörper2015-05-19T09:10:32Z<p>BMS: /* Quellen und Verweise */</p>
<hr />
<div>{{Baustelle|BMS}}<br />
<br />
Dieser Artikel behandelt die Grundlagen zu Kühlkörpern.<br />
<br />
[[Bild:kühlkörper-übersicht.jpg|thumb|Verschiedene Kühlkörper, links ein TO220-Gehäuse zum Größenvergleich]]<br />
<br />
=Einleitung=<br />
<br />
'''Wieso sind überhaupt Kühlkörper in technischen Geräten erforderlich?'''<br />
<br />
Kein Gerät kann einen 100-prozentigen Wirkungsgrad erzielen und somit tritt Verlustleistung auf. Diese Verlustleistung führt zur Erwärmung der Bauteile. Kühlkörper sollen die Entwärmung verbessern, indem die entstehende Wärme auf eine große Fläche verteilt wird und durch Konvektion an der Luft auskühlen kann. Die Temperatur an den heißen Bauteilen ist mit Kühlkörper geringer als ohne Kühlkörper.<br />
<br />
'''Wieso sind hohe Bauteiltemperaturen ungünstig?'''<br />
<br />
Die Lebensdauer aller elektronischen Bauteile ist stark von der Temperatur abhängig. Als Faustregel gilt: Eine Temperaturerhöhung um 10 Grad führt zur Halbierung der Lebensdauer. Außerdem gibt es Grenztemperaturen, die nicht überschritten werden dürfen. Beispielsweise dürfen Halbleiter keine Temperatur über 150°C erreichen. Extrembeispiele sind die Schmelztemperatur von Isolierungen, Lötzinn etc... sowie Brandgefahr durch hohe Temperaturen. Viele Bauteile können ohne vernünftige Kühlung nicht ihren vollen Funktionsumfang erreichen, liefern dann z.B. geringere Maximalströme oder es greift die Temperaturabschaltung. Anders formuliert: Die maximale Leistung eines Bauteils oder Geräts wird durch seine Entwärmung bestimmt! Zur eigenen Sicherheit bietet es sich zudem an, die Temperaturen niedrig zu halten, sodass man sich am Gerät nicht die Finger verbrennen kann ;)<br />
<br />
=Wärmeübertragung=<br />
Prinzipiell kann Wärmeübertragung über Wärmeleitung, Konvektion und Wärmestrahlung geschehen. In vielen Anwendungen treten mehrere Mechanismen gleichzeitig auf. Welcher Mechanismus hauptsächlich auftritt, ist von der mechanischen Anordnung, den Materialien und der Temperatur abhängig. Wärmeleitung und Konvektion sind die wichtigsten Arten der Wärmeübertragung, die in der Praxis auftreten. Nun zu den einzelnen Effekten:<br />
<br />
*'''Wärmeleitung'''<br />
*: Bei der Wärmeleitung wird die Wärme über einen direkten mechanischen Kontakt (Bsp. IC <math>\rightarrow</math>Kühlkörper) übertragen. Den beteiligten Materialien wird jeweils eine spezifische Wärmeleitfähigkeit <math>\lambda</math> zugeordnet, dazu später mehr.<br />
<br />
*'''Konvektion'''<br />
*: Mit Konvektion wird die Strömungsbewegung in Flüssigkeiten und Gasen bezeichnet. Praxisbeispiele sind die Wärmeabgabe eines Kühlkörpers an die Umgebungsluft oder auch eine Wasserkühlung. Von erzwungener Konvektion spricht man, wenn die Strömung durch z.B. einen Ventilator/Lüfter oder eine Wasserpumpe hervorgerufen wird. Im Vakuum kann keine Konvektion auftreten.<br />
<br />
*'''Wärmestrahlung'''<br />
*: Wärmestrahlung ist elektromagnetische Strahlung (hauptsächlich Infrarot und sichtbares Licht), die vom heißen Festkörper abgestrahlt wird. Sie wird erst bei höheren Temperaturen relevant und ist bei den üblichen Kühlkörpertemperaturen meist zu vernachlässigen. Erwähnt werden soll zudem, dass Wärmestrahlung der einzige Mechanismus der Wärmeleitung ist, welcher im Vakuum auftreten kann. (Für Details zu Wärmestrahlung siehe auch: Plancksches Strahlungsgesetz und Schwarzer Strahler).<br />
<br />
=Materialien=<br />
Jedes Material besitzt eine spezifische Wärmeleitfähigkeit, welche angibt, wie gut dieses Material Wärme weiter transportieren kann. Die spezifische Wärmeleitfähigkeit ist unabhängig von der Geometrie des Materials, wird mit der Größe <math>\lambda</math> (Lambda) ausgedrückt und erhält die Einheit <math>\frac{W}{m \cdot K}</math>.<br />
<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
|-<br />
| '''Material''' || '''<math>\lambda</math> in <math>\left[ \frac{W}{m \cdot K} \right]</math>'''<br />
|-<br />
| Silber || 430<br />
|-<br />
| Kupfer || 400<br />
|-<br />
| Aluminium || 230<br />
|-<br />
| Silizium || 140 <br />
|-<br />
| Wärmeleitpaste || 5 ... 10<br />
|-<br />
| Glas || 0,7<br />
|-<br />
| Wasser || 0,5<br />
|-<br />
| Platinenmaterial FR4 || 0,2 ... 0,5<br />
|-<br />
| Luft || 0,02<br />
|}<br />
<br />
Die meisten Kühlkörper werden aus Aluminiumlegierungen hergestellt. Für Aluminium spricht seine relativ hohe Wärmeleitfähigkeit, die hohe Verfügbarkeit und geringe Dichte. Im Vergleich zu Kupfer und Silber ist Aluminium deutlich kostengünstiger. Darüber hinaus lässt sich Aluminium mechanisch gut verarbeiten. Kupfer wird mit seiner höheren Wärmeleitfähigkeit z.B. bei Heatpipes eingesetzt.<br />
<br />
todo<br />
<br />
Wärmewiderstand <math>R_{th}=\frac{d}{\lambda \cdot A}</math><br />
<br />
d: Materialdicke, welche für die Wärmeleitung relevant ist<br />
<br />
<math>\lambda</math>spezifische Wärmeleitfähigkeit des Materials<br />
<br />
A: Querschnitts-/Kontaktfläche<br />
<br />
=Definitionen=<br />
Um vorauszusagen, wie sich die Temperaturen in einer Schaltung verhalten, bedient sich der Ingenieur - wie auch bei vielen anderen Anwendungen - eines Ersatzschaltbildes (ESB). Zur Erstellung eines thermischen Ersatzschaltbildes muss man sich aber zunächst mit den thermischen Größen vertraut machen.<br />
<br />
Die Temperaturen werden mit dem griechischen Buchstaben Theta <math>\theta</math> gekennzeichnet. Temperaturen werden in Grad Celsius (°C), Temperaturdifferenzen in Kelvin (K) angegeben. (Am Rande: Es existiert auch eine Kelvinskala mit dem absoluten Nullpunkt 0 K=-273,15°C). Die Temperaturen werden außerdem noch mit einem Index gekennzeichnet, abhängig von der mechanischen Stelle, an der sie auftreten:<br />
<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
|-<br />
| Symbol || Index || Bedeutung<br />
|-<br />
| <math>\vartheta_{J}</math> || J=Junction || Sperrschichttemperatur des Halbleiters<br />
|-<br />
| <math>\vartheta_{C}</math> || C=Case || Gehäusetemperatur des Bauteils<br />
|-<br />
| <math>\vartheta_{H}</math> || H=Heat Sink || Temperatur des Kühlkörpers<br />
|-<br />
| <math>\vartheta_{A}</math> || A=Ambient || Umgebungstemperatur<br />
|}<br />
<br />
Die Verlustleistung eines Bauteils beschreibt die Größe <math>P_{V}</math> und wird, wie allgemein bekannt, in Watt angegeben.<br />
<br />
Als neue Größe wird nun der thermische Widerstand eingeführt, dieser wird mit <math>R_{th}</math> beschrieben und bekommt die Einheit <math>\frac{K}{W}</math>. <br />
<br />
Für die thermischen Größen gibt es, ähnlich dem Ohmschen Gesetz, einen linearen Zusammenhang. Dieser lautet<br />
<br />
<math>R_{th}=\frac{\vartheta_{ü}}{P_{V}}</math><br />
<br />
todo<br />
<br />
'''Vergleich elektrischer und thermischer Größen'''<br />
Insgesamt können wir nun eine Analogie zwischen bekannten elektrischen Größen und den thermischen Größen angeben. Die schon gelernten Prinzipien zur Lösung linearer Netzwerke lässt sich auch bei den thermischen Ersatzschaltbildern anwenden.<br />
<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
|-<br />
| elektrisch || thermisch<br />
|-<br />
| Spannung U || Temperatur <math>\vartheta</math><br />
|-<br />
| Strom I || Verlustleistung <math>P_{V}</math><br />
|-<br />
| Widerstand R || thermischer Widerstand <math>R_{th}</math><br />
|}<br />
<br />
=Statisches Ersatzschaltbild=<br />
Mit den thermischen Zusammenhängen haben wir uns inzwischen vertraut gemacht. Nun können wir damit beginnen, thermische Ersatzschaltbilder von einfachen Anordnungen zu erstellen. Mit solchen Modellen können Temperaturen, wie z.B. die Chiptemperatur, vorab berechnet werden. Für die Berechnung müssen Wärmewiderstände, Umgebungstemperatur und Verlustleistung bekannt sein, da sie in die Berechnung einfließen.<br />
<br />
Bei den thermischen Ersatzschaltbildern kann man ein statisches oder ein dynamisches Ersatzschaltbild erstellen. Bei den statischen Ersatzschaltbilder wird davon ausgegangen, dass alle Größen zeitlich konstant sind, bzw. sofort ihre Solltemperatur entsprechend dem Modell annehmen. In der Realität dauert es natürlich eine gewisse Zeit, bis sich alle beteiligten Materialien aufgeheizt haben. Die Temperaturen des statischen Modells werden dabei erst nach einer bestimmten Zeit erreicht. <br />
<br />
Für die meisten Anwendungen genügt es jedoch, das statische thermische Ersatzschaltbild zu erstellen und den Kühlkörper dem entsprechend zu dimensionieren. Die Kühlung wird z.B. auf die maximale oder die mittlere auftretende Verlustleistung dimensioniert. Es wurde bereits erwähnt, dass sich die Bauteiltemperatur auf dessen Lebensdauer auswirkt. Dabei gilt: je niedriger die Bauteiltemperatur, desto länger die zu erwartende Lebensdauer. Je nach Anwendung und Rahmenbedingungen muss eventuell ein Kompromiss zwischen Kühlkörpergröße/kosten und Gerätelebensdauer gewählt werden. Beispielsweise kann der verfügbare Platz, ein Gesamtgewicht oder eine Kostenvorgabe begrenzender Faktor sein. Für einen dauerhaften sicheren Betrieb muss der Kühlkörper und weitere beteiligte Materialien für den worst case ausgelegt oder sogar überdimensioniert werden.<br />
<br />
==Bauteil ohne Kühlkörper==<br />
Um den Umgang mit den thermischen Ersatzschaltbildern zu lernen, soll zunächst mit einem einfachen Beispiel begonnen werden. In diesem Fall wird der Wärmeübergang von einem einzelnen Bauteil zu Luft betrachet, es kommt zunächst also noch kein Kühlkörper zum Einsatz. Das Ersatzschaltbild sieht in diesem Fall folgendermaßen aus:<br />
<br />
[[Bild:Therm-esb1.png|450px]]<br />
<br />
Die am Bauteil entstehende Verlustleistung ist Ursache der Abwärme und wird im thermischen Ersatzschaltbild als ideale Stromquelle modelliert.<br />
<br />
Die Abwärme gelangt nun über den Weg Sperrschicht (Junction) <math>\rightarrow</math> Bauteilgehäuse (Case) <math>\rightarrow</math> Umgebung (Ambient) nach außen. Im Ersatzschaltbild ist jeder Übergang als thermischer Widerstand modelliert. Die genauen Zahlenwerte der Wärmewiderstände lassen sich in der Regel dem Datenblatt des Bauteils entnehmen. Benötigt werden die Werte für <math>R_{th(jc)}</math> und <math>R_{th(ca)}</math>. In manchen Datenblättern findet man die Angabe <math>R_{th(ja)}</math>, was der Reihenschaltung aus den beiden vorher genannten Werten entspricht, also <math>R_{th(ja)}=R_{th(jc)}+R_{th(ca)}</math>.<br />
<br />
Die Umgebungstemperatur wird als ideale Spannungsquelle modelliert. Sämtliche Spannungen im Ersatzschaltbild entsprechen den auftretenden Temperaturen.<br />
<br />
Da es sich nun um ein lineares Netzwerk handelt, gelten hier ebenfalls die Kirchhoff'schen Gleichungen. Relativ leicht lässt sich nun die Temperatur am Bauteilgehäuse (Case) und der Sperrschicht (Junction) berechnen:<br />
<br />
<math>\vartheta_{c}=\vartheta_{a}+R_{th(ca)} \cdot P_{V}</math><br />
<br />
<math>\vartheta_{j}=\vartheta_{a}+R_{th(jc)} \cdot P_{V}+R_{th(ca)} \cdot P_{V}=\vartheta_{a}+(R_{th(jc)}+R_{th(ca)}) \cdot P_{V}=\vartheta_{a}+R_{th(ja)} \cdot P_{V}</math><br />
<br />
Da die thermischen Widerstände bei der Reihenschaltung auch zusammengefasst werden dürfen, beschreibt folgendes thermisches Ersatzschaltbild den gleichen Zusammenhang. Nachteil ist hier allerdings, dass die Temperatur am Gehäuse nicht modelliert wird.<br />
<br />
[[Bild:Therm-esb0.png|300px]]<br />
<br />
Die Überlegungen zur Sperrschichttemperatur kann auch anders interpretiert werden. Gibt man die Sperrschichttemperatur vor, kann man die maximal erlaubte Verlustleistung des Bauteils in Abhängigkeit der Umgebungstemperatur bestimmen. Die folgende Formel erhält man aus Umformung der oberen Gleichung:<br />
<br />
<math>P_{V} \leq \frac{\vartheta_{j}-\vartheta_{a}}{R_{th(ja)}}</math><br />
<br />
Bei Halbleitern darf idR. die Sperrschichttemperatur nicht 150°C überschreiten. Der thermische Widerstand wird hauptsächlich durch das Gehäuse vorgegeben. Aus der Formel sieht man nun folgendes: Je höher die Umgebungstemperatur, desto geringer fällt die maximal erlaubte Verlustleistung aus. Diesen Zusammenhang bezeichnet man auch als '''Derating'''.<br />
<br />
===Beispielrechnung===<br />
<br />
Ein Spannungsregler vom Typ 7805 im TO220-Gehäuse soll ohne Kühlkörper betrieben werden. Wie hoch ist die maximal erlaubte Verlustleistung, wenn die Sperrschichttemperatur 120°C nicht überschreiten soll und die Umgebungstemperatur 25°C beträgt?<br />
<br />
Zunächst werfen wir einen Blick ins Datenblatt des Spannungsreglers und entnehmen die Angaben für die thermischen Widerstände. Dann halten wir alle gegebenen Größen fest:<br />
<br />
*'''Gegeben'''<br />
*:* <math>R_{th(jc)}=5 \frac{K}{W}</math> (aus dem Datenblatt)<br />
*:* <math>R_{th(ja)}=62 \frac{K}{W}</math> (aus dem Datenblatt)<br />
*:* <math>\vartheta_{j}=125°C</math><br />
*:* <math>\vartheta_{a}=25°C</math><br />
*'''Gesucht'''<br />
*:* <math>P_{v,max}</math><br />
*'''Rechnung'''<br />
*:Wir verwenden die Formel von oben und erhalten als Ergebnis<br />
*:<math>P_{V,max} = \frac{\vartheta_{j}-\vartheta_{a}}{R_{th(ja)}} = \frac{120°C-25°C}{62\frac{K}{W}} = \frac{95K}{62\frac{K}{W}} \approx 1,5 Watt</math><br />
*:Die maximal erlaubte Verlustleistung des Spannungsreglers ohne Kühlkörper darf demnach 1,5 Watt nicht überschreiten.<br />
*'''Zusatz'''<br />
*:Mit unserem Ersatzschaltbild können wir außerdem die Temperatur des Gehäuses (Case) des Spannungsreglers angeben. Dafür benötigen wir noch die Angabe <math>R_{th(ca)}</math>, welche allerdings im Datenblatt nicht angegeben ist.<br />
*:Da wir aber wissen, dass <math>R_{th(ja)}=R_{th(jc)}+R_{th(ca)}</math> gilt, können wir die fehlende Größe ausrechnen. Diese ist<br />
*:<math>R_{th(ca)}=R_{th(ja)}-R_{th(jc)}=62\frac{K}{W}-5\frac{K}{W}=57\frac{K}{W}</math>.<br />
*:Nun lässt sich die Gehäusetemperatur berechnen:<br />
*:<math>\vartheta_{c}=\vartheta_{a}+R_{th(ca)} \cdot P_{V}=25°C+57\frac{K}{W} \cdot 1,5 W \approx 111 °C</math><br />
*'''Bemerkung'''<br />
*:In der Praxis wird einem TO220-Gehäuse ungekühlt eine maximale Verlustleistung von 1 Watt zugerechnet. Die Temperaturen sind niedriger, die Lebensdauer des Bauteils höher.<br />
<br />
==Bauteil mit Kühlkörper und T.I.M.==<br />
<br />
Der Betrieb eines ICs ohne Kühlkörper, wie im vorigen Abschnitt beschrieben, funktioniert nur bei kleinen Leistungen und führt meist auch zu einer verringerten Lebensdauer des Bauteils. Viele Bauteile können ihre angegebenen Maximalwerte nur bei vernünftiger Kühlung erreichen. In diesem Abschnitt wird nun ein typisches Szenario mit Kühlkörperberechnung vorgestellt.<br />
<br />
Befassen wir uns zunächst mit der typischen mechanischen Anordnung. Das zu kühlende IC wird thermisch an einen Kühlkörper gekoppelt. In der Praxis wird man das IC aber nicht direkt auf dem Kühlkörper befestigen, sondern über ein sogenanntes ''thermisches Interface-Material'' (T.I.M.), um Unebenheiten und mechanische Abstände auszugleichen oder um für Insolierung zu sorgen. Details zum T.I.M. folgen im Unterabschnitt. Die typische Anordnung zeigt die folgende Abbildung.<br />
<br />
[[Bild:kühlkörper-schichten.png|300px]]<br />
<br />
Folgende thermischen Widerstände treten hier in Kraft:<br />
*<math>R_{th(jc)}</math> für den Übergang Chip zu Bauteilgehäuse<br />
*<math>R_{th(ch)}</math> für den Übergang Bauteilgehäuse zu Kühlkörper (also über das T.I.M.)<br />
*<math>R_{th(ha)}</math> für den Übergang Kühlkörper zur Umgebung<br />
<br />
Aus diesen thermischen Widerständen wird ein thermisches Ersatzschaltbild angefertigt. Dieses zeigt die nächste Abbildung.<br />
<br />
[[Bild:Therm-esb2.png|700px]]<br />
<br />
Zunächst soll die Formel zur Berechnung der Chiptemperatur aufgestellt werden, die Formel erhält man wieder durch die Anwendung der Kirchhoffschen Gleichungen im Ersatzschaltbild.<br />
<br />
<math>\vartheta_{j}=\vartheta_{a}+(R_{th(jc)}+R_{th(ch)}+R_{th(ha)}) \cdot P_{V}</math><br />
<br />
Die Formel wird in der Praxis jedoch in einer anderen Form benötigt. Meist steht man als Entwickler vor der Aufgabe, den erforderlichen thermischen Widerstand <math>R_{th(ha)}</math> des Kühlkörpers zu bestimmen, sofern die Größen Umgebungstemperatur, Sperrschichttemperatur, Verlustleistung sowie die verbleibenden thermischen Widerstände gegeben sind. Anhand des berechneten Wärmewiderstands des Kühlkörpers können dann aus Produktkatalogen geeignete Kühlkörper bestimmt werden.<br />
<br />
Wir müssen dafür also die Gleichung nach <math>R_{th(ha)}</math> auflösen. Wir erhalten die praxisübliche Berechnungsformel:<br />
<br />
<math>R_{th(ha)}=\frac{\vartheta_{j}-\vartheta_{a}}{P_{V}}-R_{th(jc)}-R_{th(ch)}</math><br />
<br />
In manchen Quellen sind enthält diese Formel außerdem Korrekturfaktoren, die z.B. die Einbaulage o.ä. berücksichtigen können.<br />
<br />
===Beispielrechnung===<br />
<br />
Für einen Spannungsregler vom Typ 7805 im TO220-Gehäuse soll ein Kühlkörper dimensioniert werden. Die Eingangsspannung des Reglers beträgt 12V, die Ausgangsspannung von 5V wird mit 500mA belastet. Die Umgebungstemperatur sei 30°C. Der Spannungsregler wird mit Wärmeleitpaste auf dem Kühlkörper montiert, für diesen Wärmewiderstand wird 0,5 K/W angenommen. Welchen Wärmewiderstand darf der Kühlkörper höchstens haben, wenn als maximale Sperrschichttemperatur 110°C angenommen wird?<br />
<br />
Diese Aufgabe kann so durchaus in der Praxis auftreten. Von den vielen Angaben darf man sich zunächst nicht verunsichern lassen. Wir verwenden das gezeigte thermische Ersatzschaltbild. Für die Rechnung benötigen wir außerdem noch den thermischen Widerstand <math>R_{th(jc)}</math> aus dem Datenblatt.<br />
<br />
*'''Gegeben'''<br />
*:<math>R_{th(jc)}=5 \frac{K}{W}</math> (aus dem Datenblatt)<br />
*:<math>R_{th(ch)}=0,5 \frac{K}{W}</math><br />
*:<math>\vartheta_{j}=110°C</math><br />
*:<math>\vartheta_{a}=30°C</math><br />
*:<math>U_{ein}=12V</math><br />
*:<math>U_{aus}=5V</math><br />
*:<math>I=0,5A</math><br />
*'''Gesucht'''<br />
*:<math>R_{th(ha)}</math><br />
*'''Rechnung'''<br />
*:Zunächst muss die Verlustleistung am Regler berechnet werden. Diese beträgt<br />
*:<math>P_V=P_{Ein}-P_{Aus}=12V \cdot 0,5A~-~5V \cdot 0,5A=3,5 W</math>.<br />
*:Nun sind eigentlich auch schon alle Angaben vorhanden, sodass wir die Formel verwenden können.<br />
*:<math>R_{th(ha)}=\frac{\vartheta_{j}-\vartheta_{a}}{P_{V}}-R_{th(jc)}-R_{th(ch)}</math><br />
*:Einsetzen:<br />
*:<math>R_{th(ha)}=\frac{110°C-30°C}{3,5W}-5\frac{K}{W}-0,5\frac{K}{W} \approx 17,4\frac{K}{W}</math><br />
*'''Ergebnis'''<br />
*:Der Wärmewiderstand des Kühlkörpers darf maximal <math>17,4\frac{K}{W}</math> betragen.<br />
*'''Zusatz'''<br />
*:Aus dem Katalog wird ein Kühlkörper mit einem Wärmewiderstand von <math>10\frac{K}{W}</math> gewählt. Welche Temperatur erreicht der Kühlkörper, wenn er bei den gegebenen Bedingungen eingesetzt wird?<br />
*:<math>\vartheta_h=\vartheta_a+P_{V} \cdot R_{th(ha)}=30°C+3,5W \cdot 10 \frac{K}{W} \approx 65°C</math><br />
<br />
===Thermische Interface-Materialien (T.I.M.) und Montage===<br />
Wie bereits erwähnt, werden ICs in der Praxis nicht direkt auf einen Kühlkörper befestigt. Der Grund dafür ist folgender: Durch Unebenheiten und die rauhe Oberfläche von Kühlkörper und IC berühren sich die betreffenden Flächen unter dem Mikroskop gesehen nur minimal. Durch Lufteinschlüsse und die Tatsache, dass Luft ein schlechter Wärmeleiter ist, fällt in diesem Fall die thermische Anbindung des ICs an den Kühlkörper relativ schlecht aus.<br />
<br />
Zum Ausgleich der Unebenheiten eignet sich Wärmeleitpaste, welche dünn auf die Kontaktfläche aufgetragen wird. Es genügt eine sehr geringe Menge der Wärmeleitpaste, die Schichtdicke liegt in der Größenordnung 0,1mm. Die Aufgabe der Wärmeleitpaste ist, die Unebenheiten der Kontaktflächen auszugleichen. Zu viel Wärmeleitpaste erhöht wiederum den thermischen Übergangswiderstand. <br />
<br />
Ist zusätzlich eine elektrische Isolation zwischen IC und Kühlkörper erforderlich, können Glimmerscheiben (engl. mica) eingesetzt werden. Elektrische Isolation ist erforderlich, falls zum Beispiel mehrere Transistoren auf einen Kühlkörper montiert werden sollen und eine elektrische Verbindung der Kühlfahnen über den Kühlkörper zu Kurzschlüssen führen würde. Werden Glimmerscheiben verwendet, müssen diese beidseitig mit Wärmeleitpaste bestrichen werden, um sämtliche Unebenheiten auszugleichen. Die Glimmerscheiben werden zwischen IC und Kühlkörper eingebaut. Werden die ICs an den Kühlkörper geschraubt, muss auch die Schraube elektrisch isoliert werden. Hierfür sind entsprechende Hülsen aus Kunststoff erhältlich.<br />
<br />
Wärmeleitfolien aus Silikon /Gap-Filler<br />
<br />
BAUSTELLE<br />
<br />
Zur Montage der ICs auf dem Kühlkörper gibt es mehrere Möglichkeiten. Üblich sind Schraubmontage oder die Verwendung von Metallclips aus Federstahl. Der Anpressdruck durch die Montage kann die thermische Kopplung des ICs zum Kühlkörper beeinflussen. Die Metallclips haben den Vorteil, dass der Anpressdruck mit der Zeit nicht nachlässt.<br />
<br />
BAUSTELLE<br />
<br />
=Dynamisches Ersatzschaltbild=<br />
<br />
Bei den statischen Ersatzschaltbildern können zeitveränderliche Vorgänge nicht modelliert werden. Um auch den zeitlichen Verlauf der Temperaturen bei z.B. wechselnder Verlustleistung der Bauteile vorhersagen zu können, bedient man sich dem dynamischen Ersatzschaltbild. Dieses enthält neben den thermischen Widerständen auch Wärmekapazitäten. Durch thermische Widerstände und Wärmekapazitäten ergeben sich Zeitkonstanten bei der Erwärmung, sodass das Modell der Realität sehr nahe kommt.<br />
<br />
BAUSTELLE<br />
<br />
=Kühlkörperbauformen=<br />
* Board-Level-Kühlkörper (aufsteckbare/aufklebbare Kühlkörper, auch für SMD, meist 1 Kühlkörper pro IC)<br />
* Strang-/Profilkühlkörper (meist für hohe Leistungen)<br />
* Kühlaggregate (Kanal + Lüfter)<br />
<br />
Wozu eloxierte Oberflächen?<br />
* geringfügig höhere Wärmestrahlung (bei den niedrigen Temperaturen kaum ein Beitrag)<br />
* elektrische Isolation<br />
* Oberflächenschutz<br />
Nachteile:<br />
* erhöhte Wärmeaufnahme aus der unmittelbaren Umgebung!<br />
<br />
Stiftkühlkörper<br />
* hohe Oberfläche<br />
* bei dickem "Rücken"/"Boden" des Kühlkörpers gute Wärmespreizung<br />
* mit erzwungener Konvektion hohe Wärmeübertragung (quer zu den Stiften effektiver als in Stiftrichtung)<br />
* leichter und kompakter als Strangkühlkörper<br />
<br />
todo<br />
<br />
=Lüfter=<br />
Lüfter werden vor allem dann eingesetzt, wenn der Kühlkörper bei rein passiver Kühlung zur groß, zu schwer oder zu teuer wird. Beim Einsatz des Lüfters führt die erzwungene Luftströmung zur besseren Wärmeabgabe an die Luft. Bei gleicher Temperatur kann der Kühlkörper dann kleiner gewählt werden. Bei hohen Leistungen sind der kleinere Kühlkörper mit Lüfter preisgünstiger und kompakter als ein großer, rein passiver Kühlkörper. Um welchen Faktor die Wärmeableitung mit Lüfter verbessert wird, hängt von vielen Parametern ab und kann nicht pauschal angegeben werden.<br />
<br />
Vorteile<br />
* bessere Wärmeabgabe<br />
* Kühlkörper kann bei gleicher Temperatur kleiner, leichter und kostengünstiger werden<br />
* In kleinem Maßstab günstiger als Wasserkühlung o.ä.<br />
<br />
Nachteile<br />
* zusätzlicher Stromverbrauch<br />
* Geräuschentwicklung und Vibrationen<br />
* zusätzliche Kosten für Lüfter und dessen Montage<br />
* Im Falle eines unbemerkten Ausfalls kann die Schaltung überhitzen (Abhilfe: Thermostat, Temperaturfühler oder Tachosignal auswerten)<br />
<br />
Anordnungen:<br />
* Push-Prinzip: Der Lüfter bläst die Luft in den Kühlkörper/-kanal<br />
* Pull-Prinzip: Der Lüfter saugt die Luft aus dem Kühlkörper/-kanal heraus<br />
<br />
Kenngrößen:<br />
* Luftdurchsatz in <math>\frac{m^{3}}{h}</math><br />
* Nennspannung, Nennstrom, Nennleistung<br />
* Typ Axial/Radial<br />
* Größe<br />
* Geräuschpegel<br />
* Art der Lagerung (Kugellager, Sinterbronze-Lager etc.)<br />
* Temperaturbereich<br />
* Lebensdauer, MTBF<br />
<br />
=Entwärmung auf einer Platine=<br />
Beim Leiterplattenentwurf muss bereits in der Designphase abgeschätzt werden, welche Verlustleistungen auftreten und wie die entstehende Wärme abgeführt werden kann. Die Größe, Bauform und Befestigung des Kühlkörpers muss ebenfalls berücksichtigt werden. Für Printmontage sind Kühlkörper verfügbar, welche mit lötbaren Stiften in die Platine gesteckt und verlötet werden. Alternativ sind Schraubverbindungen möglich.<br />
<br />
SMD-Bauteile können meist über die Platine gut entwärmt werden. Dies ist normalerweise nur bei geringen Verlustleistungen möglich. Die Abwärme der Bauteile muss auf eine möglichst große Fläche verteilt werden, durch große Kupferflächen auf der Platine kann dies erreicht werden. Da die Wärmeleitfähigkeit der Kupferauflage deutlich höher ist als die Wärmeleitfähigkeit des Platinenmaterials FR4, wird sich die Wärme hauptsächlich in der Fläche verteilen, jedoch weniger ''durch'' die Platine hindurch. Um die Wärmeleitung durch die Platine (z.B. von Ober- zu Unterseite) zu erhöhen, müssen Durchkontaktierungen gesetzt werden. Sogenannte "Thermal Vias" werden in einer großen Anzahl an das zu entwärmende Bauteil gesetzt und können damit die Wärme zu anderen Kupferlagen der Platine weiterleiten. Die Wärmeleitung durch die Platine hindurch wird verbessert, liegt aber dennoch deutlich unter der Wärmeleitfähigkeit von reinem Kupfer. Thermische Vias können aufgrund ihrer kleinen Masse kaum einen Beitrag zur gesamten "Kühlmasse" beitragen. Ob schließlich eine Entwärmung durch die Platine ausreicht, muss durch Simulation oder Messung gezeigt werden.<br />
<br />
Die Einbaulage der Platine kann die Entwärmung zudem beeinflussen. Erwärmte Umgebungsluft steigt nach oben und kann andere Komponenten oder Platinen aufheizen.<br />
<br />
Maßnahmen für bessere Entwärmung:<br />
<br />
* Durchkontaktierungen zur Wärmeleitung zwischen mehreren Kupferlagen, da der Platinenkern (bei FR4: glasfaserverstärktes Epoxidharz) idR. eine sehr schlechte Wärmeleitfähigkeit hat<br />
* Breite Leiterbahnen, welche Wärme abführen und auf eine große Fläche verteilen<br />
* Für große bedrahtete ICs (TO220, Multiwatt...) eignen sich Board-Level-Kühlkörper<br />
* Für kleinere ICs mit Wärmeentwicklung eignen sich aufklebbare Kühlkörper<br />
* Für SMD-Bauteile exisitieren auch Kühlkörper, die sich direkt auf die Platine löten lassen, diese sind auch maschinenbestückbar<br />
* Einsatz spezieller Platinenmaterialien (Alukern, Kupfer-Inlay)...<br />
* je nach Schaltung: dickere Kupferkaschierung für bessere Wärmeausbreitung in der Fläche (Standard sind 35µm, erhältlich sind auch 70µm und mehr)<br />
<br />
Welche Temperatur das Bauteil auf der Platine erreicht, kann nach dem Aufbau natürlich gemessen werden. Besser wäre es jedoch, die Temperaturen bereits beim Entwurf der Platine zu kennen, um einschätzen zu können, ob die Entwärmung ausreichend ist. Allgemeine Angaben hierfür sind schwer zu finden, jedoch gibt es vereinzelt Angaben in Datenblättern von Halbleitern zur Entwärmung. An den folgenden Zahlenwerten kann man sich orientieren, wenn man ähnliche Bauteile entwärmen möchte. Damit man für die genannten Flächen eine grobe Vorstellung hat, sei noch erwähnt: ein Cent hat eine Fläche von grob <math>200mm^2</math>, ein Euro hat grob <math>400mm^2</math>.<br />
<br />
'''TO263 (=D2PAK)'''<br />
<br />
Im Datenblatt des Schaltreglers LM2576 von ''National Semiconductor'' findet man für das TO263-Gehäuse einige Angaben. Das TO263-Gehäuse gleicht übrigens dem TO220 bis auf die Tatsache, dass die Kühlfahne kürzer ist und das Gehäuse für SMD-Montage vorgesehen ist. Das Datenblatt gibt thermische Widerstände für den Übergang Junction-Ambient an. Die Angabe ist abhängig von der Kupferfläche auf der Platine, die unmittelbar für das Bauteil aus Kühlkörper wirkt. Die Zahlenwerte aus dem Datenblatt wurden in Quadratmillimeter umgerechnet, gerundet und stehen nun in der Tabelle bereit. Keine Angaben macht der Hersteller zu den Rahmenbedingungen, unter denen die thermischen Widerstände ermittelt wurden (Platinendicke, Durchkontaktierungen, Form der Kupferfläche und Dicke der Kupferkaschierung). Dennoch können die Werte zur groben Orientierung dienen.<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
| Kupferfläche || therm. Widerstand<br />
|-<br />
| <math>325 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 50\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>645 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 37\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>1030 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 32\frac{K}{W} </math><br />
|}<br />
<br />
'''TO252 (=DPAK), SOT223'''<br />
<br />
Im Datenblatt des Low-Drop-Spannungsreglers LM1117 von ''National Semiconductor'' sind Angaben zur Entwärmung über die Platine von SOT223 und TO252-Gehäusen vorhanden. Der Hersteller gibt an, für das SOT223-Gehäuse eine 35µm dicke, und für das TO252-Gehäuse eine 70µm dicke Kupferkaschierung der Platine verwendet zu haben. Leider finden sich in diesem Datenblatt keine Informationen zu Durchkontaktierungen, Platinendicke, und ob das IC auf der Ober- oder Unterseite der Platine montiert wurde (Vermutung: oben montiert, da angegebene thermische Widerstände geringer sind). Der Hersteller hat drei Fälle untersucht: Kupferfläche oben, Kupferfläche unten, Kupferfläche beidseitig. Für das thermische Platinendesign kann man diese Zahlenwerte zumindest als Richtwerte verwenden. Das Datenblatt enthält zudem Zeichnungen der Kühlflächen. Die Zahlenwerte wurden wieder in Quadratmillimeter umgerechnet und gerundet und in die folgenden Tabelle eingetragen:<br />
<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
| Kupferfläche top || Kupferfläche bottom || therm. Widerstand SOT223 || therm. Widerstand TO252<br />
|-<br />
| <math> 200mm^2</math> || - || <math>R_{th(ja)}\approx 84\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 60\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math> 350mm^2</math> || - || <math>R_{th(ja)}\approx 75\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 54\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math> 650mm^2</math> || - || <math>R_{th(ja)}\approx 66\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 47\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| - || <math> 250mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 98\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 70\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| - || <math> 400mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 89\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 63\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| - || <math> 650mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 79\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 57\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math> 200mm^2</math> || <math> 200mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 83\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 61\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math> 250mm^2</math> || <math> 250mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 75\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 55\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math> 350mm^2</math> || <math> 350mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 70\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 53\frac{K}{W} </math><br />
|}<br />
<br />
Bei gleicher (projizierter) Fläche bring die beidseitige Kupferauflage erstaunlicherweise keinen niedrigeren thermischen Widerstand als wenn die Kupferauflage nur auf der Oberseite vorhanden ist. Vermutlich wurden bei der Messung keine Durchkontaktierungen (Vias) eingebracht oder die Fläche ist insgesamt zu klein, als dass sich ein Effekt zeigen würde.<br />
<br />
'''SO8'''<br />
<br />
Für das SO8-Gehäuse findet man eine Angabe im Datenblatt des Spannungsreglers 78L05 von ''ST'':<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
| Kupferfläche || therm. Widerstand<br />
|-<br />
| <math>600 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 55\frac{K}{W} </math><br />
|}<br />
<br />
'''SO20'''<br />
<br />
Aus dem Datenblatt des L293DD sind Angaben zum SO20-Gehäuse enthalten. In diesem Falle sind 8 zentrale Pins an die Kühlfläche angebunden, die Kupferkaschierung ist vermutlich einseitig 35µm. Die groben Richtwerte sind:<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
| Kupferfläche || therm. Widerstand<br />
|-<br />
| <math>200 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 60\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>400 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 53\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>600 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 51\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>800 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 50\frac{K}{W} </math><br />
|}<br />
<br />
'''PowerDIP20'''<br />
<br />
Für das DIP20-Gehäuse wird man im Datenblatt des Motortreibers L6202 von ''ST'' fündig. Bei 35µm Kupferkaschierung der Platine ergeben sich die folgenden thermischen Widerstände.<br />
<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
| Kupferfläche || therm. Widerstand<br />
|-<br />
| <math>0 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 58\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>200 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 45\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>400 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 39\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>600 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 38\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>800 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 37\frac{K}{W} </math><br />
|}<br />
<br />
Für die Form der empfohlenen Kühlfläche sei auf das Datenblatt verwiesen. Wird das IC in einem Sockel verwendet, muss man sicherlich von höheren thermischen Widerständen ausgehen.<br />
<br />
In der ''Application Note AN-994 - Maximizing the Effectiveness of your SMD Assemblies'' von ''International Rectifier (IRF)'' sind weitere Daten vorhanden. Die dort genannten Daten sind jedoch teils drastisch niedriger als die hier genannten. Eine mögliche Erklärung sind z.B. die höhere Kupferauflage (70µm) oder evtl. optimierte Wärmewiderstände innerhalb der Gehäuse.<br />
<br />
'''Abschlusskommentar'''<br />
<br />
An den gezeigten, thermischen Widerständen sieht man leicht: je größer die Kühlfläche, desto geringer der thermische Widerstand. Dieses Verhalten würde man so auch erwarten.<br />
<br />
Allerdings fällt auch noch auf: Ab einer bestimmten Fläche bringt es nur noch wenig, die Fläche weiter zu vergrößern, da sich der thermische Widerstand ab dann nur noch unwesentlich ändert.<br />
<br />
Die mit den Kupferflächen erreichten thermischen Widerstände sind für viele Anwendungen noch deutlich zu hoch. Bei Verlustleistungen von wenigen Watt werden dadurch bereits kritische Chiptemperaturen erreicht. Wie bereits oben erwähnt, funktioniert die Entwärmung von SMD-Komponenten über die Platine also nur für kleine Verlustleistungen. Bei größeren Verlustleistungen müssen zusätzliche Entwärmungsmaßnahmen getroffen werden (z.B. aufklebbarer Kühlkörper, etc.). Zielführend ist auch, die Ursache der Erwärmung, nämlich die Verlustleistung zu verringern. Wird beispielsweise ein Linearregler durch einen effizienteren Schaltregler ersetzt, kann die Entwärmung aufgrund der kleineren Verlustleistung deutlich einfacher gestaltet werden. Ob die Verringerung der Verlustleistung möglich ist, hängt natürlich von der Anwendung ab.<br />
<br />
=Spezielle Kühlkörper=<br />
<br />
todo<br />
<br />
=Autoren=<br />
* BMS<br />
<br />
[[Kategorie:Elektronik]]<br />
[[Kategorie:Mechanik]] <br />
[[Kategorie:Praxis]] <br />
[[Kategorie:Grundlagen]]<br />
<br />
=Quellen und Verweise=<br />
<br />
Zeitschriftenartikel:<br />
<br />
* Best, Siegfried W.: ''Elektronikkühlung und Wärmemanagement von A bis Z''. In: Elektronikpraxis - Sonderheft Elektromechanik, April 2013. S. 20ff.<br />
* Best, Tobias: ''Thermisches Via, die kleine Schwester der Heatpipe''. In: Elektronikpraxis, April 2013. S. 12ff.<br />
* Erdmann, Marc: ''Beste Effizienz auch beim Thermal Management''. In: Elektronikpraxis - Sonderheft Leistungelektronik und Stromversorgung. März 2015. S. 38ff.<br />
* Kerstin, Nils; Schulz, Martin: ''Thermische Widerstände genau messen - eine Herausforderung''. In: Elektronikpraxis, Nr. 17, September 2014. S. 48ff.<br />
* K.R. (Alutronic): ''Stiftkühlkörper für die Leistungselektronik''. In: Elektronikpraxis Nr.9, Mai 2014. S. 50ff.<br />
* Harpain, Jürgen: ''Wärmeleitmaterial kompensiert Lufteinschlüsse''. In: Elektronikpraxis Nr.1, Januar 2014. S. 36ff.<br />
* Harpain, Jürgen: ''Entwärmungskonzepte für Einzelhalbleiter und ICs''. In: Elektronikpraxis - Sonderheft Elektromechanik, April 2014. S. 14ff.<br />
* Schulz, Martin: ''Fünf Fettnäpfchen beim Bestimmen thermischer Größen''. In: Elektronikpraxis, November 2013. S. 36ff.<br />
* Schulz, Martin: ''Mythen und Legenden über Wärmeleitmaterialien''. In: Elektronikpraxis Nr.2., Januar 2014. S. 42ff.<br />
<br />
----<br />
<br />
Datenblätter, aus denen thermische Widerstände entnommen wurden:<br />
<br />
* [http://pdf.datasheetcatalog.com/datasheet/nationalsemiconductor/DS011476.PDF Datenblatt LM2576 von National Semiconductor]<br />
* [http://pdf.datasheetcatalog.com/datasheet/nationalsemiconductor/LM1117.pdf Datenblatt LM1117 von National Semiconductor]<br />
* [http://pdf.datasheetcatalog.com/datasheets/150/9358_DS.pdf Datenblatt L78Lxx von ST]<br />
* [http://pdf.datasheetcatalog.com/datasheet/stmicroelectronics/1330.pdf Datenblatt L293DD von ST]<br />
* [http://pdf.datasheetcatalog.com/datasheet/stmicroelectronics/1373.pdf Datenblatt L6202 von ST]<br />
* [http://www.irf.com/technical-info/appnotes/an-994.pdf ''Application Note AN994 - Maximizing the Effectiveness of your SMD Assemblies'' - International Rectifier (IRF)]<br />
* [http://www.micrel.com/_PDF/App-Hints/ah-17.pdf ''Application Hint 17 - Designing P.C. Board Heat Sinks - by Bob Wolbert (Micrel)'']<br />
<br />
----<br />
<br />
Weblinks:<br />
<br />
* [http://stegem.de/Elektronik/Kuehlkoerper/ Online-Tool zur Kühlkörperberechnung von Gemmel, S.]<br />
* [http://ludens.cl/Electron/Thermal.html Thermal Design - von Mornhinweg, M.]<br />
* [http://sound.westhost.com/heatsinks.htm The Design of Heatsinks - von Elliot, R.]<br />
* [http://www.giangrandi.ch/electronics/thcalc/thcalc.shtml Calculating Heat sinks - von Giangrandi, I.]<br />
* [http://www.irf.com/technical-info/appnotes/an-1057.pdf Application Note AN-1057: Heatsink Characteristics von International Rectifier (IRF)]</div>BMShttps://rn-wissen.de/wiki/index.php?title=K%C3%BChlk%C3%B6rper&diff=26377Kühlkörper2015-05-18T18:56:08Z<p>BMS: /* Quellen und Verweise */</p>
<hr />
<div>{{Baustelle|BMS}}<br />
<br />
Dieser Artikel behandelt die Grundlagen zu Kühlkörpern.<br />
<br />
[[Bild:kühlkörper-übersicht.jpg|thumb|Verschiedene Kühlkörper, links ein TO220-Gehäuse zum Größenvergleich]]<br />
<br />
=Einleitung=<br />
<br />
'''Wieso sind überhaupt Kühlkörper in technischen Geräten erforderlich?'''<br />
<br />
Kein Gerät kann einen 100-prozentigen Wirkungsgrad erzielen und somit tritt Verlustleistung auf. Diese Verlustleistung führt zur Erwärmung der Bauteile. Kühlkörper sollen die Entwärmung verbessern, indem die entstehende Wärme auf eine große Fläche verteilt wird und durch Konvektion an der Luft auskühlen kann. Die Temperatur an den heißen Bauteilen ist mit Kühlkörper geringer als ohne Kühlkörper.<br />
<br />
'''Wieso sind hohe Bauteiltemperaturen ungünstig?'''<br />
<br />
Die Lebensdauer aller elektronischen Bauteile ist stark von der Temperatur abhängig. Als Faustregel gilt: Eine Temperaturerhöhung um 10 Grad führt zur Halbierung der Lebensdauer. Außerdem gibt es Grenztemperaturen, die nicht überschritten werden dürfen. Beispielsweise dürfen Halbleiter keine Temperatur über 150°C erreichen. Extrembeispiele sind die Schmelztemperatur von Isolierungen, Lötzinn etc... sowie Brandgefahr durch hohe Temperaturen. Viele Bauteile können ohne vernünftige Kühlung nicht ihren vollen Funktionsumfang erreichen, liefern dann z.B. geringere Maximalströme oder es greift die Temperaturabschaltung. Anders formuliert: Die maximale Leistung eines Bauteils oder Geräts wird durch seine Entwärmung bestimmt! Zur eigenen Sicherheit bietet es sich zudem an, die Temperaturen niedrig zu halten, sodass man sich am Gerät nicht die Finger verbrennen kann ;)<br />
<br />
=Wärmeübertragung=<br />
Prinzipiell kann Wärmeübertragung über Wärmeleitung, Konvektion und Wärmestrahlung geschehen. In vielen Anwendungen treten mehrere Mechanismen gleichzeitig auf. Welcher Mechanismus hauptsächlich auftritt, ist von der mechanischen Anordnung, den Materialien und der Temperatur abhängig. Wärmeleitung und Konvektion sind die wichtigsten Arten der Wärmeübertragung, die in der Praxis auftreten. Nun zu den einzelnen Effekten:<br />
<br />
*'''Wärmeleitung'''<br />
*: Bei der Wärmeleitung wird die Wärme über einen direkten mechanischen Kontakt (Bsp. IC <math>\rightarrow</math>Kühlkörper) übertragen. Den beteiligten Materialien wird jeweils eine spezifische Wärmeleitfähigkeit <math>\lambda</math> zugeordnet, dazu später mehr.<br />
<br />
*'''Konvektion'''<br />
*: Mit Konvektion wird die Strömungsbewegung in Flüssigkeiten und Gasen bezeichnet. Praxisbeispiele sind die Wärmeabgabe eines Kühlkörpers an die Umgebungsluft oder auch eine Wasserkühlung. Von erzwungener Konvektion spricht man, wenn die Strömung durch z.B. einen Ventilator/Lüfter oder eine Wasserpumpe hervorgerufen wird. Im Vakuum kann keine Konvektion auftreten.<br />
<br />
*'''Wärmestrahlung'''<br />
*: Wärmestrahlung ist elektromagnetische Strahlung (hauptsächlich Infrarot und sichtbares Licht), die vom heißen Festkörper abgestrahlt wird. Sie wird erst bei höheren Temperaturen relevant und ist bei den üblichen Kühlkörpertemperaturen meist zu vernachlässigen. Erwähnt werden soll zudem, dass Wärmestrahlung der einzige Mechanismus der Wärmeleitung ist, welcher im Vakuum auftreten kann. (Für Details zu Wärmestrahlung siehe auch: Plancksches Strahlungsgesetz und Schwarzer Strahler).<br />
<br />
=Materialien=<br />
Jedes Material besitzt eine spezifische Wärmeleitfähigkeit, welche angibt, wie gut dieses Material Wärme weiter transportieren kann. Die spezifische Wärmeleitfähigkeit ist unabhängig von der Geometrie des Materials, wird mit der Größe <math>\lambda</math> (Lambda) ausgedrückt und erhält die Einheit <math>\frac{W}{m \cdot K}</math>.<br />
<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
|-<br />
| '''Material''' || '''<math>\lambda</math> in <math>\left[ \frac{W}{m \cdot K} \right]</math>'''<br />
|-<br />
| Silber || 430<br />
|-<br />
| Kupfer || 400<br />
|-<br />
| Aluminium || 230<br />
|-<br />
| Silizium || 140 <br />
|-<br />
| Wärmeleitpaste || 5 ... 10<br />
|-<br />
| Glas || 0,7<br />
|-<br />
| Wasser || 0,5<br />
|-<br />
| Platinenmaterial FR4 || 0,2 ... 0,5<br />
|-<br />
| Luft || 0,02<br />
|}<br />
<br />
Die meisten Kühlkörper werden aus Aluminiumlegierungen hergestellt. Für Aluminium spricht seine relativ hohe Wärmeleitfähigkeit, die hohe Verfügbarkeit und geringe Dichte. Im Vergleich zu Kupfer und Silber ist Aluminium deutlich kostengünstiger. Darüber hinaus lässt sich Aluminium mechanisch gut verarbeiten. Kupfer wird mit seiner höheren Wärmeleitfähigkeit z.B. bei Heatpipes eingesetzt.<br />
<br />
todo<br />
<br />
Wärmewiderstand <math>R_{th}=\frac{d}{\lambda \cdot A}</math><br />
<br />
d: Materialdicke, welche für die Wärmeleitung relevant ist<br />
<br />
<math>\lambda</math>spezifische Wärmeleitfähigkeit des Materials<br />
<br />
A: Querschnitts-/Kontaktfläche<br />
<br />
=Definitionen=<br />
Um vorauszusagen, wie sich die Temperaturen in einer Schaltung verhalten, bedient sich der Ingenieur - wie auch bei vielen anderen Anwendungen - eines Ersatzschaltbildes (ESB). Zur Erstellung eines thermischen Ersatzschaltbildes muss man sich aber zunächst mit den thermischen Größen vertraut machen.<br />
<br />
Die Temperaturen werden mit dem griechischen Buchstaben Theta <math>\theta</math> gekennzeichnet. Temperaturen werden in Grad Celsius (°C), Temperaturdifferenzen in Kelvin (K) angegeben. (Am Rande: Es existiert auch eine Kelvinskala mit dem absoluten Nullpunkt 0 K=-273,15°C). Die Temperaturen werden außerdem noch mit einem Index gekennzeichnet, abhängig von der mechanischen Stelle, an der sie auftreten:<br />
<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
|-<br />
| Symbol || Index || Bedeutung<br />
|-<br />
| <math>\vartheta_{J}</math> || J=Junction || Sperrschichttemperatur des Halbleiters<br />
|-<br />
| <math>\vartheta_{C}</math> || C=Case || Gehäusetemperatur des Bauteils<br />
|-<br />
| <math>\vartheta_{H}</math> || H=Heat Sink || Temperatur des Kühlkörpers<br />
|-<br />
| <math>\vartheta_{A}</math> || A=Ambient || Umgebungstemperatur<br />
|}<br />
<br />
Die Verlustleistung eines Bauteils beschreibt die Größe <math>P_{V}</math> und wird, wie allgemein bekannt, in Watt angegeben.<br />
<br />
Als neue Größe wird nun der thermische Widerstand eingeführt, dieser wird mit <math>R_{th}</math> beschrieben und bekommt die Einheit <math>\frac{K}{W}</math>. <br />
<br />
Für die thermischen Größen gibt es, ähnlich dem Ohmschen Gesetz, einen linearen Zusammenhang. Dieser lautet<br />
<br />
<math>R_{th}=\frac{\vartheta_{ü}}{P_{V}}</math><br />
<br />
todo<br />
<br />
'''Vergleich elektrischer und thermischer Größen'''<br />
Insgesamt können wir nun eine Analogie zwischen bekannten elektrischen Größen und den thermischen Größen angeben. Die schon gelernten Prinzipien zur Lösung linearer Netzwerke lässt sich auch bei den thermischen Ersatzschaltbildern anwenden.<br />
<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
|-<br />
| elektrisch || thermisch<br />
|-<br />
| Spannung U || Temperatur <math>\vartheta</math><br />
|-<br />
| Strom I || Verlustleistung <math>P_{V}</math><br />
|-<br />
| Widerstand R || thermischer Widerstand <math>R_{th}</math><br />
|}<br />
<br />
=Statisches Ersatzschaltbild=<br />
Mit den thermischen Zusammenhängen haben wir uns inzwischen vertraut gemacht. Nun können wir damit beginnen, thermische Ersatzschaltbilder von einfachen Anordnungen zu erstellen. Mit solchen Modellen können Temperaturen, wie z.B. die Chiptemperatur, vorab berechnet werden. Für die Berechnung müssen Wärmewiderstände, Umgebungstemperatur und Verlustleistung bekannt sein, da sie in die Berechnung einfließen.<br />
<br />
Bei den thermischen Ersatzschaltbildern kann man ein statisches oder ein dynamisches Ersatzschaltbild erstellen. Bei den statischen Ersatzschaltbilder wird davon ausgegangen, dass alle Größen zeitlich konstant sind, bzw. sofort ihre Solltemperatur entsprechend dem Modell annehmen. In der Realität dauert es natürlich eine gewisse Zeit, bis sich alle beteiligten Materialien aufgeheizt haben. Die Temperaturen des statischen Modells werden dabei erst nach einer bestimmten Zeit erreicht. <br />
<br />
Für die meisten Anwendungen genügt es jedoch, das statische thermische Ersatzschaltbild zu erstellen und den Kühlkörper dem entsprechend zu dimensionieren. Die Kühlung wird z.B. auf die maximale oder die mittlere auftretende Verlustleistung dimensioniert. Es wurde bereits erwähnt, dass sich die Bauteiltemperatur auf dessen Lebensdauer auswirkt. Dabei gilt: je niedriger die Bauteiltemperatur, desto länger die zu erwartende Lebensdauer. Je nach Anwendung und Rahmenbedingungen muss eventuell ein Kompromiss zwischen Kühlkörpergröße/kosten und Gerätelebensdauer gewählt werden. Beispielsweise kann der verfügbare Platz, ein Gesamtgewicht oder eine Kostenvorgabe begrenzender Faktor sein. Für einen dauerhaften sicheren Betrieb muss der Kühlkörper und weitere beteiligte Materialien für den worst case ausgelegt oder sogar überdimensioniert werden.<br />
<br />
==Bauteil ohne Kühlkörper==<br />
Um den Umgang mit den thermischen Ersatzschaltbildern zu lernen, soll zunächst mit einem einfachen Beispiel begonnen werden. In diesem Fall wird der Wärmeübergang von einem einzelnen Bauteil zu Luft betrachet, es kommt zunächst also noch kein Kühlkörper zum Einsatz. Das Ersatzschaltbild sieht in diesem Fall folgendermaßen aus:<br />
<br />
[[Bild:Therm-esb1.png|450px]]<br />
<br />
Die am Bauteil entstehende Verlustleistung ist Ursache der Abwärme und wird im thermischen Ersatzschaltbild als ideale Stromquelle modelliert.<br />
<br />
Die Abwärme gelangt nun über den Weg Sperrschicht (Junction) <math>\rightarrow</math> Bauteilgehäuse (Case) <math>\rightarrow</math> Umgebung (Ambient) nach außen. Im Ersatzschaltbild ist jeder Übergang als thermischer Widerstand modelliert. Die genauen Zahlenwerte der Wärmewiderstände lassen sich in der Regel dem Datenblatt des Bauteils entnehmen. Benötigt werden die Werte für <math>R_{th(jc)}</math> und <math>R_{th(ca)}</math>. In manchen Datenblättern findet man die Angabe <math>R_{th(ja)}</math>, was der Reihenschaltung aus den beiden vorher genannten Werten entspricht, also <math>R_{th(ja)}=R_{th(jc)}+R_{th(ca)}</math>.<br />
<br />
Die Umgebungstemperatur wird als ideale Spannungsquelle modelliert. Sämtliche Spannungen im Ersatzschaltbild entsprechen den auftretenden Temperaturen.<br />
<br />
Da es sich nun um ein lineares Netzwerk handelt, gelten hier ebenfalls die Kirchhoff'schen Gleichungen. Relativ leicht lässt sich nun die Temperatur am Bauteilgehäuse (Case) und der Sperrschicht (Junction) berechnen:<br />
<br />
<math>\vartheta_{c}=\vartheta_{a}+R_{th(ca)} \cdot P_{V}</math><br />
<br />
<math>\vartheta_{j}=\vartheta_{a}+R_{th(jc)} \cdot P_{V}+R_{th(ca)} \cdot P_{V}=\vartheta_{a}+(R_{th(jc)}+R_{th(ca)}) \cdot P_{V}=\vartheta_{a}+R_{th(ja)} \cdot P_{V}</math><br />
<br />
Da die thermischen Widerstände bei der Reihenschaltung auch zusammengefasst werden dürfen, beschreibt folgendes thermisches Ersatzschaltbild den gleichen Zusammenhang. Nachteil ist hier allerdings, dass die Temperatur am Gehäuse nicht modelliert wird.<br />
<br />
[[Bild:Therm-esb0.png|300px]]<br />
<br />
Die Überlegungen zur Sperrschichttemperatur kann auch anders interpretiert werden. Gibt man die Sperrschichttemperatur vor, kann man die maximal erlaubte Verlustleistung des Bauteils in Abhängigkeit der Umgebungstemperatur bestimmen. Die folgende Formel erhält man aus Umformung der oberen Gleichung:<br />
<br />
<math>P_{V} \leq \frac{\vartheta_{j}-\vartheta_{a}}{R_{th(ja)}}</math><br />
<br />
Bei Halbleitern darf idR. die Sperrschichttemperatur nicht 150°C überschreiten. Der thermische Widerstand wird hauptsächlich durch das Gehäuse vorgegeben. Aus der Formel sieht man nun folgendes: Je höher die Umgebungstemperatur, desto geringer fällt die maximal erlaubte Verlustleistung aus. Diesen Zusammenhang bezeichnet man auch als '''Derating'''.<br />
<br />
===Beispielrechnung===<br />
<br />
Ein Spannungsregler vom Typ 7805 im TO220-Gehäuse soll ohne Kühlkörper betrieben werden. Wie hoch ist die maximal erlaubte Verlustleistung, wenn die Sperrschichttemperatur 120°C nicht überschreiten soll und die Umgebungstemperatur 25°C beträgt?<br />
<br />
Zunächst werfen wir einen Blick ins Datenblatt des Spannungsreglers und entnehmen die Angaben für die thermischen Widerstände. Dann halten wir alle gegebenen Größen fest:<br />
<br />
*'''Gegeben'''<br />
*:* <math>R_{th(jc)}=5 \frac{K}{W}</math> (aus dem Datenblatt)<br />
*:* <math>R_{th(ja)}=62 \frac{K}{W}</math> (aus dem Datenblatt)<br />
*:* <math>\vartheta_{j}=125°C</math><br />
*:* <math>\vartheta_{a}=25°C</math><br />
*'''Gesucht'''<br />
*:* <math>P_{v,max}</math><br />
*'''Rechnung'''<br />
*:Wir verwenden die Formel von oben und erhalten als Ergebnis<br />
*:<math>P_{V,max} = \frac{\vartheta_{j}-\vartheta_{a}}{R_{th(ja)}} = \frac{120°C-25°C}{62\frac{K}{W}} = \frac{95K}{62\frac{K}{W}} \approx 1,5 Watt</math><br />
*:Die maximal erlaubte Verlustleistung des Spannungsreglers ohne Kühlkörper darf demnach 1,5 Watt nicht überschreiten.<br />
*'''Zusatz'''<br />
*:Mit unserem Ersatzschaltbild können wir außerdem die Temperatur des Gehäuses (Case) des Spannungsreglers angeben. Dafür benötigen wir noch die Angabe <math>R_{th(ca)}</math>, welche allerdings im Datenblatt nicht angegeben ist.<br />
*:Da wir aber wissen, dass <math>R_{th(ja)}=R_{th(jc)}+R_{th(ca)}</math> gilt, können wir die fehlende Größe ausrechnen. Diese ist<br />
*:<math>R_{th(ca)}=R_{th(ja)}-R_{th(jc)}=62\frac{K}{W}-5\frac{K}{W}=57\frac{K}{W}</math>.<br />
*:Nun lässt sich die Gehäusetemperatur berechnen:<br />
*:<math>\vartheta_{c}=\vartheta_{a}+R_{th(ca)} \cdot P_{V}=25°C+57\frac{K}{W} \cdot 1,5 W \approx 111 °C</math><br />
*'''Bemerkung'''<br />
*:In der Praxis wird einem TO220-Gehäuse ungekühlt eine maximale Verlustleistung von 1 Watt zugerechnet. Die Temperaturen sind niedriger, die Lebensdauer des Bauteils höher.<br />
<br />
==Bauteil mit Kühlkörper und T.I.M.==<br />
<br />
Der Betrieb eines ICs ohne Kühlkörper, wie im vorigen Abschnitt beschrieben, funktioniert nur bei kleinen Leistungen und führt meist auch zu einer verringerten Lebensdauer des Bauteils. Viele Bauteile können ihre angegebenen Maximalwerte nur bei vernünftiger Kühlung erreichen. In diesem Abschnitt wird nun ein typisches Szenario mit Kühlkörperberechnung vorgestellt.<br />
<br />
Befassen wir uns zunächst mit der typischen mechanischen Anordnung. Das zu kühlende IC wird thermisch an einen Kühlkörper gekoppelt. In der Praxis wird man das IC aber nicht direkt auf dem Kühlkörper befestigen, sondern über ein sogenanntes ''thermisches Interface-Material'' (T.I.M.), um Unebenheiten und mechanische Abstände auszugleichen oder um für Insolierung zu sorgen. Details zum T.I.M. folgen im Unterabschnitt. Die typische Anordnung zeigt die folgende Abbildung.<br />
<br />
[[Bild:kühlkörper-schichten.png|300px]]<br />
<br />
Folgende thermischen Widerstände treten hier in Kraft:<br />
*<math>R_{th(jc)}</math> für den Übergang Chip zu Bauteilgehäuse<br />
*<math>R_{th(ch)}</math> für den Übergang Bauteilgehäuse zu Kühlkörper (also über das T.I.M.)<br />
*<math>R_{th(ha)}</math> für den Übergang Kühlkörper zur Umgebung<br />
<br />
Aus diesen thermischen Widerständen wird ein thermisches Ersatzschaltbild angefertigt. Dieses zeigt die nächste Abbildung.<br />
<br />
[[Bild:Therm-esb2.png|700px]]<br />
<br />
Zunächst soll die Formel zur Berechnung der Chiptemperatur aufgestellt werden, die Formel erhält man wieder durch die Anwendung der Kirchhoffschen Gleichungen im Ersatzschaltbild.<br />
<br />
<math>\vartheta_{j}=\vartheta_{a}+(R_{th(jc)}+R_{th(ch)}+R_{th(ha)}) \cdot P_{V}</math><br />
<br />
Die Formel wird in der Praxis jedoch in einer anderen Form benötigt. Meist steht man als Entwickler vor der Aufgabe, den erforderlichen thermischen Widerstand <math>R_{th(ha)}</math> des Kühlkörpers zu bestimmen, sofern die Größen Umgebungstemperatur, Sperrschichttemperatur, Verlustleistung sowie die verbleibenden thermischen Widerstände gegeben sind. Anhand des berechneten Wärmewiderstands des Kühlkörpers können dann aus Produktkatalogen geeignete Kühlkörper bestimmt werden.<br />
<br />
Wir müssen dafür also die Gleichung nach <math>R_{th(ha)}</math> auflösen. Wir erhalten die praxisübliche Berechnungsformel:<br />
<br />
<math>R_{th(ha)}=\frac{\vartheta_{j}-\vartheta_{a}}{P_{V}}-R_{th(jc)}-R_{th(ch)}</math><br />
<br />
In manchen Quellen sind enthält diese Formel außerdem Korrekturfaktoren, die z.B. die Einbaulage o.ä. berücksichtigen können.<br />
<br />
===Beispielrechnung===<br />
<br />
Für einen Spannungsregler vom Typ 7805 im TO220-Gehäuse soll ein Kühlkörper dimensioniert werden. Die Eingangsspannung des Reglers beträgt 12V, die Ausgangsspannung von 5V wird mit 500mA belastet. Die Umgebungstemperatur sei 30°C. Der Spannungsregler wird mit Wärmeleitpaste auf dem Kühlkörper montiert, für diesen Wärmewiderstand wird 0,5 K/W angenommen. Welchen Wärmewiderstand darf der Kühlkörper höchstens haben, wenn als maximale Sperrschichttemperatur 110°C angenommen wird?<br />
<br />
Diese Aufgabe kann so durchaus in der Praxis auftreten. Von den vielen Angaben darf man sich zunächst nicht verunsichern lassen. Wir verwenden das gezeigte thermische Ersatzschaltbild. Für die Rechnung benötigen wir außerdem noch den thermischen Widerstand <math>R_{th(jc)}</math> aus dem Datenblatt.<br />
<br />
*'''Gegeben'''<br />
*:<math>R_{th(jc)}=5 \frac{K}{W}</math> (aus dem Datenblatt)<br />
*:<math>R_{th(ch)}=0,5 \frac{K}{W}</math><br />
*:<math>\vartheta_{j}=110°C</math><br />
*:<math>\vartheta_{a}=30°C</math><br />
*:<math>U_{ein}=12V</math><br />
*:<math>U_{aus}=5V</math><br />
*:<math>I=0,5A</math><br />
*'''Gesucht'''<br />
*:<math>R_{th(ha)}</math><br />
*'''Rechnung'''<br />
*:Zunächst muss die Verlustleistung am Regler berechnet werden. Diese beträgt<br />
*:<math>P_V=P_{Ein}-P_{Aus}=12V \cdot 0,5A~-~5V \cdot 0,5A=3,5 W</math>.<br />
*:Nun sind eigentlich auch schon alle Angaben vorhanden, sodass wir die Formel verwenden können.<br />
*:<math>R_{th(ha)}=\frac{\vartheta_{j}-\vartheta_{a}}{P_{V}}-R_{th(jc)}-R_{th(ch)}</math><br />
*:Einsetzen:<br />
*:<math>R_{th(ha)}=\frac{110°C-30°C}{3,5W}-5\frac{K}{W}-0,5\frac{K}{W} \approx 17,4\frac{K}{W}</math><br />
*'''Ergebnis'''<br />
*:Der Wärmewiderstand des Kühlkörpers darf maximal <math>17,4\frac{K}{W}</math> betragen.<br />
*'''Zusatz'''<br />
*:Aus dem Katalog wird ein Kühlkörper mit einem Wärmewiderstand von <math>10\frac{K}{W}</math> gewählt. Welche Temperatur erreicht der Kühlkörper, wenn er bei den gegebenen Bedingungen eingesetzt wird?<br />
*:<math>\vartheta_h=\vartheta_a+P_{V} \cdot R_{th(ha)}=30°C+3,5W \cdot 10 \frac{K}{W} \approx 65°C</math><br />
<br />
===Thermische Interface-Materialien (T.I.M.) und Montage===<br />
Wie bereits erwähnt, werden ICs in der Praxis nicht direkt auf einen Kühlkörper befestigt. Der Grund dafür ist folgender: Durch Unebenheiten und die rauhe Oberfläche von Kühlkörper und IC berühren sich die betreffenden Flächen unter dem Mikroskop gesehen nur minimal. Durch Lufteinschlüsse und die Tatsache, dass Luft ein schlechter Wärmeleiter ist, fällt in diesem Fall die thermische Anbindung des ICs an den Kühlkörper relativ schlecht aus.<br />
<br />
Zum Ausgleich der Unebenheiten eignet sich Wärmeleitpaste, welche dünn auf die Kontaktfläche aufgetragen wird. Es genügt eine sehr geringe Menge der Wärmeleitpaste, die Schichtdicke liegt in der Größenordnung 0,1mm. Die Aufgabe der Wärmeleitpaste ist, die Unebenheiten der Kontaktflächen auszugleichen. Zu viel Wärmeleitpaste erhöht wiederum den thermischen Übergangswiderstand. <br />
<br />
Ist zusätzlich eine elektrische Isolation zwischen IC und Kühlkörper erforderlich, können Glimmerscheiben (engl. mica) eingesetzt werden. Elektrische Isolation ist erforderlich, falls zum Beispiel mehrere Transistoren auf einen Kühlkörper montiert werden sollen und eine elektrische Verbindung der Kühlfahnen über den Kühlkörper zu Kurzschlüssen führen würde. Werden Glimmerscheiben verwendet, müssen diese beidseitig mit Wärmeleitpaste bestrichen werden, um sämtliche Unebenheiten auszugleichen. Die Glimmerscheiben werden zwischen IC und Kühlkörper eingebaut. Werden die ICs an den Kühlkörper geschraubt, muss auch die Schraube elektrisch isoliert werden. Hierfür sind entsprechende Hülsen aus Kunststoff erhältlich.<br />
<br />
Wärmeleitfolien aus Silikon /Gap-Filler<br />
<br />
BAUSTELLE<br />
<br />
Zur Montage der ICs auf dem Kühlkörper gibt es mehrere Möglichkeiten. Üblich sind Schraubmontage oder die Verwendung von Metallclips aus Federstahl. Der Anpressdruck durch die Montage kann die thermische Kopplung des ICs zum Kühlkörper beeinflussen. Die Metallclips haben den Vorteil, dass der Anpressdruck mit der Zeit nicht nachlässt.<br />
<br />
BAUSTELLE<br />
<br />
=Dynamisches Ersatzschaltbild=<br />
<br />
Bei den statischen Ersatzschaltbildern können zeitveränderliche Vorgänge nicht modelliert werden. Um auch den zeitlichen Verlauf der Temperaturen bei z.B. wechselnder Verlustleistung der Bauteile vorhersagen zu können, bedient man sich dem dynamischen Ersatzschaltbild. Dieses enthält neben den thermischen Widerständen auch Wärmekapazitäten. Durch thermische Widerstände und Wärmekapazitäten ergeben sich Zeitkonstanten bei der Erwärmung, sodass das Modell der Realität sehr nahe kommt.<br />
<br />
BAUSTELLE<br />
<br />
=Kühlkörperbauformen=<br />
* Board-Level-Kühlkörper (aufsteckbare/aufklebbare Kühlkörper, auch für SMD, meist 1 Kühlkörper pro IC)<br />
* Strang-/Profilkühlkörper (meist für hohe Leistungen)<br />
* Kühlaggregate (Kanal + Lüfter)<br />
<br />
Wozu eloxierte Oberflächen?<br />
* geringfügig höhere Wärmestrahlung (bei den niedrigen Temperaturen kaum ein Beitrag)<br />
* elektrische Isolation<br />
* Oberflächenschutz<br />
Nachteile:<br />
* erhöhte Wärmeaufnahme aus der unmittelbaren Umgebung!<br />
<br />
Stiftkühlkörper<br />
* hohe Oberfläche<br />
* bei dickem "Rücken"/"Boden" des Kühlkörpers gute Wärmespreizung<br />
* mit erzwungener Konvektion hohe Wärmeübertragung (quer zu den Stiften effektiver als in Stiftrichtung)<br />
* leichter und kompakter als Strangkühlkörper<br />
<br />
todo<br />
<br />
=Lüfter=<br />
Lüfter werden vor allem dann eingesetzt, wenn der Kühlkörper bei rein passiver Kühlung zur groß, zu schwer oder zu teuer wird. Beim Einsatz des Lüfters führt die erzwungene Luftströmung zur besseren Wärmeabgabe an die Luft. Bei gleicher Temperatur kann der Kühlkörper dann kleiner gewählt werden. Bei hohen Leistungen sind der kleinere Kühlkörper mit Lüfter preisgünstiger und kompakter als ein großer, rein passiver Kühlkörper. Um welchen Faktor die Wärmeableitung mit Lüfter verbessert wird, hängt von vielen Parametern ab und kann nicht pauschal angegeben werden.<br />
<br />
Vorteile<br />
* bessere Wärmeabgabe<br />
* Kühlkörper kann bei gleicher Temperatur kleiner, leichter und kostengünstiger werden<br />
* In kleinem Maßstab günstiger als Wasserkühlung o.ä.<br />
<br />
Nachteile<br />
* zusätzlicher Stromverbrauch<br />
* Geräuschentwicklung und Vibrationen<br />
* zusätzliche Kosten für Lüfter und dessen Montage<br />
* Im Falle eines unbemerkten Ausfalls kann die Schaltung überhitzen (Abhilfe: Thermostat, Temperaturfühler oder Tachosignal auswerten)<br />
<br />
Anordnungen:<br />
* Push-Prinzip: Der Lüfter bläst die Luft in den Kühlkörper/-kanal<br />
* Pull-Prinzip: Der Lüfter saugt die Luft aus dem Kühlkörper/-kanal heraus<br />
<br />
Kenngrößen:<br />
* Luftdurchsatz in <math>\frac{m^{3}}{h}</math><br />
* Nennspannung, Nennstrom, Nennleistung<br />
* Typ Axial/Radial<br />
* Größe<br />
* Geräuschpegel<br />
* Art der Lagerung (Kugellager, Sinterbronze-Lager etc.)<br />
* Temperaturbereich<br />
* Lebensdauer, MTBF<br />
<br />
=Entwärmung auf einer Platine=<br />
Beim Leiterplattenentwurf muss bereits in der Designphase abgeschätzt werden, welche Verlustleistungen auftreten und wie die entstehende Wärme abgeführt werden kann. Die Größe, Bauform und Befestigung des Kühlkörpers muss ebenfalls berücksichtigt werden. Für Printmontage sind Kühlkörper verfügbar, welche mit lötbaren Stiften in die Platine gesteckt und verlötet werden. Alternativ sind Schraubverbindungen möglich.<br />
<br />
SMD-Bauteile können meist über die Platine gut entwärmt werden. Dies ist normalerweise nur bei geringen Verlustleistungen möglich. Die Abwärme der Bauteile muss auf eine möglichst große Fläche verteilt werden, durch große Kupferflächen auf der Platine kann dies erreicht werden. Da die Wärmeleitfähigkeit der Kupferauflage deutlich höher ist als die Wärmeleitfähigkeit des Platinenmaterials FR4, wird sich die Wärme hauptsächlich in der Fläche verteilen, jedoch weniger ''durch'' die Platine hindurch. Um die Wärmeleitung durch die Platine (z.B. von Ober- zu Unterseite) zu erhöhen, müssen Durchkontaktierungen gesetzt werden. Sogenannte "Thermal Vias" werden in einer großen Anzahl an das zu entwärmende Bauteil gesetzt und können damit die Wärme zu anderen Kupferlagen der Platine weiterleiten. Die Wärmeleitung durch die Platine hindurch wird verbessert, liegt aber dennoch deutlich unter der Wärmeleitfähigkeit von reinem Kupfer. Thermische Vias können aufgrund ihrer kleinen Masse kaum einen Beitrag zur gesamten "Kühlmasse" beitragen. Ob schließlich eine Entwärmung durch die Platine ausreicht, muss durch Simulation oder Messung gezeigt werden.<br />
<br />
Die Einbaulage der Platine kann die Entwärmung zudem beeinflussen. Erwärmte Umgebungsluft steigt nach oben und kann andere Komponenten oder Platinen aufheizen.<br />
<br />
Maßnahmen für bessere Entwärmung:<br />
<br />
* Durchkontaktierungen zur Wärmeleitung zwischen mehreren Kupferlagen, da der Platinenkern (bei FR4: glasfaserverstärktes Epoxidharz) idR. eine sehr schlechte Wärmeleitfähigkeit hat<br />
* Breite Leiterbahnen, welche Wärme abführen und auf eine große Fläche verteilen<br />
* Für große bedrahtete ICs (TO220, Multiwatt...) eignen sich Board-Level-Kühlkörper<br />
* Für kleinere ICs mit Wärmeentwicklung eignen sich aufklebbare Kühlkörper<br />
* Für SMD-Bauteile exisitieren auch Kühlkörper, die sich direkt auf die Platine löten lassen, diese sind auch maschinenbestückbar<br />
* Einsatz spezieller Platinenmaterialien (Alukern, Kupfer-Inlay)...<br />
* je nach Schaltung: dickere Kupferkaschierung für bessere Wärmeausbreitung in der Fläche (Standard sind 35µm, erhältlich sind auch 70µm und mehr)<br />
<br />
Welche Temperatur das Bauteil auf der Platine erreicht, kann nach dem Aufbau natürlich gemessen werden. Besser wäre es jedoch, die Temperaturen bereits beim Entwurf der Platine zu kennen, um einschätzen zu können, ob die Entwärmung ausreichend ist. Allgemeine Angaben hierfür sind schwer zu finden, jedoch gibt es vereinzelt Angaben in Datenblättern von Halbleitern zur Entwärmung. An den folgenden Zahlenwerten kann man sich orientieren, wenn man ähnliche Bauteile entwärmen möchte. Damit man für die genannten Flächen eine grobe Vorstellung hat, sei noch erwähnt: ein Cent hat eine Fläche von grob <math>200mm^2</math>, ein Euro hat grob <math>400mm^2</math>.<br />
<br />
'''TO263 (=D2PAK)'''<br />
<br />
Im Datenblatt des Schaltreglers LM2576 von ''National Semiconductor'' findet man für das TO263-Gehäuse einige Angaben. Das TO263-Gehäuse gleicht übrigens dem TO220 bis auf die Tatsache, dass die Kühlfahne kürzer ist und das Gehäuse für SMD-Montage vorgesehen ist. Das Datenblatt gibt thermische Widerstände für den Übergang Junction-Ambient an. Die Angabe ist abhängig von der Kupferfläche auf der Platine, die unmittelbar für das Bauteil aus Kühlkörper wirkt. Die Zahlenwerte aus dem Datenblatt wurden in Quadratmillimeter umgerechnet, gerundet und stehen nun in der Tabelle bereit. Keine Angaben macht der Hersteller zu den Rahmenbedingungen, unter denen die thermischen Widerstände ermittelt wurden (Platinendicke, Durchkontaktierungen, Form der Kupferfläche und Dicke der Kupferkaschierung). Dennoch können die Werte zur groben Orientierung dienen.<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
| Kupferfläche || therm. Widerstand<br />
|-<br />
| <math>325 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 50\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>645 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 37\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>1030 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 32\frac{K}{W} </math><br />
|}<br />
<br />
'''TO252 (=DPAK), SOT223'''<br />
<br />
Im Datenblatt des Low-Drop-Spannungsreglers LM1117 von ''National Semiconductor'' sind Angaben zur Entwärmung über die Platine von SOT223 und TO252-Gehäusen vorhanden. Der Hersteller gibt an, für das SOT223-Gehäuse eine 35µm dicke, und für das TO252-Gehäuse eine 70µm dicke Kupferkaschierung der Platine verwendet zu haben. Leider finden sich in diesem Datenblatt keine Informationen zu Durchkontaktierungen, Platinendicke, und ob das IC auf der Ober- oder Unterseite der Platine montiert wurde (Vermutung: oben montiert, da angegebene thermische Widerstände geringer sind). Der Hersteller hat drei Fälle untersucht: Kupferfläche oben, Kupferfläche unten, Kupferfläche beidseitig. Für das thermische Platinendesign kann man diese Zahlenwerte zumindest als Richtwerte verwenden. Das Datenblatt enthält zudem Zeichnungen der Kühlflächen. Die Zahlenwerte wurden wieder in Quadratmillimeter umgerechnet und gerundet und in die folgenden Tabelle eingetragen:<br />
<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
| Kupferfläche top || Kupferfläche bottom || therm. Widerstand SOT223 || therm. Widerstand TO252<br />
|-<br />
| <math> 200mm^2</math> || - || <math>R_{th(ja)}\approx 84\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 60\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math> 350mm^2</math> || - || <math>R_{th(ja)}\approx 75\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 54\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math> 650mm^2</math> || - || <math>R_{th(ja)}\approx 66\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 47\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| - || <math> 250mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 98\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 70\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| - || <math> 400mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 89\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 63\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| - || <math> 650mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 79\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 57\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math> 200mm^2</math> || <math> 200mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 83\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 61\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math> 250mm^2</math> || <math> 250mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 75\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 55\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math> 350mm^2</math> || <math> 350mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 70\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 53\frac{K}{W} </math><br />
|}<br />
<br />
Bei gleicher (projizierter) Fläche bring die beidseitige Kupferauflage erstaunlicherweise keinen niedrigeren thermischen Widerstand als wenn die Kupferauflage nur auf der Oberseite vorhanden ist. Vermutlich wurden bei der Messung keine Durchkontaktierungen (Vias) eingebracht oder die Fläche ist insgesamt zu klein, als dass sich ein Effekt zeigen würde.<br />
<br />
'''SO8'''<br />
<br />
Für das SO8-Gehäuse findet man eine Angabe im Datenblatt des Spannungsreglers 78L05 von ''ST'':<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
| Kupferfläche || therm. Widerstand<br />
|-<br />
| <math>600 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 55\frac{K}{W} </math><br />
|}<br />
<br />
'''SO20'''<br />
<br />
Aus dem Datenblatt des L293DD sind Angaben zum SO20-Gehäuse enthalten. In diesem Falle sind 8 zentrale Pins an die Kühlfläche angebunden, die Kupferkaschierung ist vermutlich einseitig 35µm. Die groben Richtwerte sind:<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
| Kupferfläche || therm. Widerstand<br />
|-<br />
| <math>200 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 60\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>400 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 53\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>600 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 51\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>800 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 50\frac{K}{W} </math><br />
|}<br />
<br />
'''PowerDIP20'''<br />
<br />
Für das DIP20-Gehäuse wird man im Datenblatt des Motortreibers L6202 von ''ST'' fündig. Bei 35µm Kupferkaschierung der Platine ergeben sich die folgenden thermischen Widerstände.<br />
<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
| Kupferfläche || therm. Widerstand<br />
|-<br />
| <math>0 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 58\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>200 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 45\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>400 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 39\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>600 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 38\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>800 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 37\frac{K}{W} </math><br />
|}<br />
<br />
Für die Form der empfohlenen Kühlfläche sei auf das Datenblatt verwiesen. Wird das IC in einem Sockel verwendet, muss man sicherlich von höheren thermischen Widerständen ausgehen.<br />
<br />
In der ''Application Note AN-994 - Maximizing the Effectiveness of your SMD Assemblies'' von ''International Rectifier (IRF)'' sind weitere Daten vorhanden. Die dort genannten Daten sind jedoch teils drastisch niedriger als die hier genannten. Eine mögliche Erklärung sind z.B. die höhere Kupferauflage (70µm) oder evtl. optimierte Wärmewiderstände innerhalb der Gehäuse.<br />
<br />
'''Abschlusskommentar'''<br />
<br />
An den gezeigten, thermischen Widerständen sieht man leicht: je größer die Kühlfläche, desto geringer der thermische Widerstand. Dieses Verhalten würde man so auch erwarten.<br />
<br />
Allerdings fällt auch noch auf: Ab einer bestimmten Fläche bringt es nur noch wenig, die Fläche weiter zu vergrößern, da sich der thermische Widerstand ab dann nur noch unwesentlich ändert.<br />
<br />
Die mit den Kupferflächen erreichten thermischen Widerstände sind für viele Anwendungen noch deutlich zu hoch. Bei Verlustleistungen von wenigen Watt werden dadurch bereits kritische Chiptemperaturen erreicht. Wie bereits oben erwähnt, funktioniert die Entwärmung von SMD-Komponenten über die Platine also nur für kleine Verlustleistungen. Bei größeren Verlustleistungen müssen zusätzliche Entwärmungsmaßnahmen getroffen werden (z.B. aufklebbarer Kühlkörper, etc.). Zielführend ist auch, die Ursache der Erwärmung, nämlich die Verlustleistung zu verringern. Wird beispielsweise ein Linearregler durch einen effizienteren Schaltregler ersetzt, kann die Entwärmung aufgrund der kleineren Verlustleistung deutlich einfacher gestaltet werden. Ob die Verringerung der Verlustleistung möglich ist, hängt natürlich von der Anwendung ab.<br />
<br />
=Spezielle Kühlkörper=<br />
<br />
todo<br />
<br />
=Autoren=<br />
* BMS<br />
<br />
[[Kategorie:Elektronik]]<br />
[[Kategorie:Mechanik]] <br />
[[Kategorie:Praxis]] <br />
[[Kategorie:Grundlagen]]<br />
<br />
=Quellen und Verweise=<br />
<br />
Zeitschriftenartikel:<br />
<br />
* Best, Siegfried W.: ''Elektronikkühlung und Wärmemanagement von A bis Z''. In: Elektronikpraxis - Sonderheft Elektromechanik, April 2013. S. 20ff.<br />
* Best, Tobias: ''Thermisches Via, die kleine Schwester der Heatpipe''. In: Elektronikpraxis, April 2013. S. 12ff.<br />
* Erdmann, Marc: ''Beste Effizienz auch beim Thermal Management''. In: Elektronikpraxis - Sonderheft Leistungelektronik und Stromversorgung. März 2015. S. 38ff.<br />
* Kerstin, Nils; Schulz, Martin: ''Thermische Widerstände genau messen - eine Herausforderung''. In: Elektronikpraxis, Nr. 17, September 2014. S. 48ff.<br />
* K.R. (Alutronic): ''Stiftkühlkörper für die Leistungselektronik''. In: Elektronikpraxis Nr.9, Mai 2014. S. 50ff.<br />
* Harpain, Jürgen: ''Wärmeleitmaterial kompensiert Lufteinschlüsse''. In: Elektronikpraxis Nr.1, Januar 2014. S. 36ff.<br />
* Harpain, Jürgen: ''Entwärmungskonzepte für Einzelhalbleiter und ICs''. In: Elektronikpraxis - Sonderheft Elektromechanik, April 2014. S. 14ff.<br />
* Schulz, Martin: ''Fünf Fettnäpfchen beim Bestimmen thermischer Größen''. In: Elektronikpraxis, November 2013. S. 36ff.<br />
* Schulz, Martin: ''Mythen und Legenden über Wärmeleitmaterialien''. In: Elektronikpraxis Nr.2., Januar 2014. S. 42ff.<br />
<br />
----<br />
<br />
Datenblätter, aus denen thermische Widerstände entnommen wurden:<br />
<br />
* [http://pdf.datasheetcatalog.com/datasheet/nationalsemiconductor/DS011476.PDF Datenblatt LM2576 von National Semiconductor]<br />
* [http://pdf.datasheetcatalog.com/datasheet/nationalsemiconductor/LM1117.pdf Datenblatt LM1117 von National Semiconductor]<br />
* [http://pdf.datasheetcatalog.com/datasheets/150/9358_DS.pdf Datenblatt L78Lxx von ST]<br />
* [http://pdf.datasheetcatalog.com/datasheet/stmicroelectronics/1330.pdf Datenblatt L293DD von ST]<br />
* [http://pdf.datasheetcatalog.com/datasheet/stmicroelectronics/1373.pdf Datenblatt L6202 von ST]<br />
* [http://www.irf.com/technical-info/appnotes/an-994.pdf Application Note AN994 - Maximizing the Effectiveness of your SMD Assemblies - International Rectifier (IRF)]<br />
<br />
----<br />
<br />
Weblinks:<br />
<br />
* [http://stegem.de/Elektronik/Kuehlkoerper/ Online-Tool zur Kühlkörperberechnung von Gemmel, S.]<br />
* [http://ludens.cl/Electron/Thermal.html Thermal Design - von Mornhinweg, M.]<br />
* [http://sound.westhost.com/heatsinks.htm The Design of Heatsinks - von Elliot, R.]<br />
* [http://www.giangrandi.ch/electronics/thcalc/thcalc.shtml Calculating Heat sinks - von Giangrandi, I.]<br />
* [www.irf.com/technical-info/appnotes/an-1057.pdf Application Note AN-1057: Heatsink Characteristics von International Rectifier (IRF)]</div>BMShttps://rn-wissen.de/wiki/index.php?title=K%C3%BChlk%C3%B6rper&diff=26376Kühlkörper2015-05-18T18:49:59Z<p>BMS: /* Quellen und Verweise */</p>
<hr />
<div>{{Baustelle|BMS}}<br />
<br />
Dieser Artikel behandelt die Grundlagen zu Kühlkörpern.<br />
<br />
[[Bild:kühlkörper-übersicht.jpg|thumb|Verschiedene Kühlkörper, links ein TO220-Gehäuse zum Größenvergleich]]<br />
<br />
=Einleitung=<br />
<br />
'''Wieso sind überhaupt Kühlkörper in technischen Geräten erforderlich?'''<br />
<br />
Kein Gerät kann einen 100-prozentigen Wirkungsgrad erzielen und somit tritt Verlustleistung auf. Diese Verlustleistung führt zur Erwärmung der Bauteile. Kühlkörper sollen die Entwärmung verbessern, indem die entstehende Wärme auf eine große Fläche verteilt wird und durch Konvektion an der Luft auskühlen kann. Die Temperatur an den heißen Bauteilen ist mit Kühlkörper geringer als ohne Kühlkörper.<br />
<br />
'''Wieso sind hohe Bauteiltemperaturen ungünstig?'''<br />
<br />
Die Lebensdauer aller elektronischen Bauteile ist stark von der Temperatur abhängig. Als Faustregel gilt: Eine Temperaturerhöhung um 10 Grad führt zur Halbierung der Lebensdauer. Außerdem gibt es Grenztemperaturen, die nicht überschritten werden dürfen. Beispielsweise dürfen Halbleiter keine Temperatur über 150°C erreichen. Extrembeispiele sind die Schmelztemperatur von Isolierungen, Lötzinn etc... sowie Brandgefahr durch hohe Temperaturen. Viele Bauteile können ohne vernünftige Kühlung nicht ihren vollen Funktionsumfang erreichen, liefern dann z.B. geringere Maximalströme oder es greift die Temperaturabschaltung. Anders formuliert: Die maximale Leistung eines Bauteils oder Geräts wird durch seine Entwärmung bestimmt! Zur eigenen Sicherheit bietet es sich zudem an, die Temperaturen niedrig zu halten, sodass man sich am Gerät nicht die Finger verbrennen kann ;)<br />
<br />
=Wärmeübertragung=<br />
Prinzipiell kann Wärmeübertragung über Wärmeleitung, Konvektion und Wärmestrahlung geschehen. In vielen Anwendungen treten mehrere Mechanismen gleichzeitig auf. Welcher Mechanismus hauptsächlich auftritt, ist von der mechanischen Anordnung, den Materialien und der Temperatur abhängig. Wärmeleitung und Konvektion sind die wichtigsten Arten der Wärmeübertragung, die in der Praxis auftreten. Nun zu den einzelnen Effekten:<br />
<br />
*'''Wärmeleitung'''<br />
*: Bei der Wärmeleitung wird die Wärme über einen direkten mechanischen Kontakt (Bsp. IC <math>\rightarrow</math>Kühlkörper) übertragen. Den beteiligten Materialien wird jeweils eine spezifische Wärmeleitfähigkeit <math>\lambda</math> zugeordnet, dazu später mehr.<br />
<br />
*'''Konvektion'''<br />
*: Mit Konvektion wird die Strömungsbewegung in Flüssigkeiten und Gasen bezeichnet. Praxisbeispiele sind die Wärmeabgabe eines Kühlkörpers an die Umgebungsluft oder auch eine Wasserkühlung. Von erzwungener Konvektion spricht man, wenn die Strömung durch z.B. einen Ventilator/Lüfter oder eine Wasserpumpe hervorgerufen wird. Im Vakuum kann keine Konvektion auftreten.<br />
<br />
*'''Wärmestrahlung'''<br />
*: Wärmestrahlung ist elektromagnetische Strahlung (hauptsächlich Infrarot und sichtbares Licht), die vom heißen Festkörper abgestrahlt wird. Sie wird erst bei höheren Temperaturen relevant und ist bei den üblichen Kühlkörpertemperaturen meist zu vernachlässigen. Erwähnt werden soll zudem, dass Wärmestrahlung der einzige Mechanismus der Wärmeleitung ist, welcher im Vakuum auftreten kann. (Für Details zu Wärmestrahlung siehe auch: Plancksches Strahlungsgesetz und Schwarzer Strahler).<br />
<br />
=Materialien=<br />
Jedes Material besitzt eine spezifische Wärmeleitfähigkeit, welche angibt, wie gut dieses Material Wärme weiter transportieren kann. Die spezifische Wärmeleitfähigkeit ist unabhängig von der Geometrie des Materials, wird mit der Größe <math>\lambda</math> (Lambda) ausgedrückt und erhält die Einheit <math>\frac{W}{m \cdot K}</math>.<br />
<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
|-<br />
| '''Material''' || '''<math>\lambda</math> in <math>\left[ \frac{W}{m \cdot K} \right]</math>'''<br />
|-<br />
| Silber || 430<br />
|-<br />
| Kupfer || 400<br />
|-<br />
| Aluminium || 230<br />
|-<br />
| Silizium || 140 <br />
|-<br />
| Wärmeleitpaste || 5 ... 10<br />
|-<br />
| Glas || 0,7<br />
|-<br />
| Wasser || 0,5<br />
|-<br />
| Platinenmaterial FR4 || 0,2 ... 0,5<br />
|-<br />
| Luft || 0,02<br />
|}<br />
<br />
Die meisten Kühlkörper werden aus Aluminiumlegierungen hergestellt. Für Aluminium spricht seine relativ hohe Wärmeleitfähigkeit, die hohe Verfügbarkeit und geringe Dichte. Im Vergleich zu Kupfer und Silber ist Aluminium deutlich kostengünstiger. Darüber hinaus lässt sich Aluminium mechanisch gut verarbeiten. Kupfer wird mit seiner höheren Wärmeleitfähigkeit z.B. bei Heatpipes eingesetzt.<br />
<br />
todo<br />
<br />
Wärmewiderstand <math>R_{th}=\frac{d}{\lambda \cdot A}</math><br />
<br />
d: Materialdicke, welche für die Wärmeleitung relevant ist<br />
<br />
<math>\lambda</math>spezifische Wärmeleitfähigkeit des Materials<br />
<br />
A: Querschnitts-/Kontaktfläche<br />
<br />
=Definitionen=<br />
Um vorauszusagen, wie sich die Temperaturen in einer Schaltung verhalten, bedient sich der Ingenieur - wie auch bei vielen anderen Anwendungen - eines Ersatzschaltbildes (ESB). Zur Erstellung eines thermischen Ersatzschaltbildes muss man sich aber zunächst mit den thermischen Größen vertraut machen.<br />
<br />
Die Temperaturen werden mit dem griechischen Buchstaben Theta <math>\theta</math> gekennzeichnet. Temperaturen werden in Grad Celsius (°C), Temperaturdifferenzen in Kelvin (K) angegeben. (Am Rande: Es existiert auch eine Kelvinskala mit dem absoluten Nullpunkt 0 K=-273,15°C). Die Temperaturen werden außerdem noch mit einem Index gekennzeichnet, abhängig von der mechanischen Stelle, an der sie auftreten:<br />
<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
|-<br />
| Symbol || Index || Bedeutung<br />
|-<br />
| <math>\vartheta_{J}</math> || J=Junction || Sperrschichttemperatur des Halbleiters<br />
|-<br />
| <math>\vartheta_{C}</math> || C=Case || Gehäusetemperatur des Bauteils<br />
|-<br />
| <math>\vartheta_{H}</math> || H=Heat Sink || Temperatur des Kühlkörpers<br />
|-<br />
| <math>\vartheta_{A}</math> || A=Ambient || Umgebungstemperatur<br />
|}<br />
<br />
Die Verlustleistung eines Bauteils beschreibt die Größe <math>P_{V}</math> und wird, wie allgemein bekannt, in Watt angegeben.<br />
<br />
Als neue Größe wird nun der thermische Widerstand eingeführt, dieser wird mit <math>R_{th}</math> beschrieben und bekommt die Einheit <math>\frac{K}{W}</math>. <br />
<br />
Für die thermischen Größen gibt es, ähnlich dem Ohmschen Gesetz, einen linearen Zusammenhang. Dieser lautet<br />
<br />
<math>R_{th}=\frac{\vartheta_{ü}}{P_{V}}</math><br />
<br />
todo<br />
<br />
'''Vergleich elektrischer und thermischer Größen'''<br />
Insgesamt können wir nun eine Analogie zwischen bekannten elektrischen Größen und den thermischen Größen angeben. Die schon gelernten Prinzipien zur Lösung linearer Netzwerke lässt sich auch bei den thermischen Ersatzschaltbildern anwenden.<br />
<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
|-<br />
| elektrisch || thermisch<br />
|-<br />
| Spannung U || Temperatur <math>\vartheta</math><br />
|-<br />
| Strom I || Verlustleistung <math>P_{V}</math><br />
|-<br />
| Widerstand R || thermischer Widerstand <math>R_{th}</math><br />
|}<br />
<br />
=Statisches Ersatzschaltbild=<br />
Mit den thermischen Zusammenhängen haben wir uns inzwischen vertraut gemacht. Nun können wir damit beginnen, thermische Ersatzschaltbilder von einfachen Anordnungen zu erstellen. Mit solchen Modellen können Temperaturen, wie z.B. die Chiptemperatur, vorab berechnet werden. Für die Berechnung müssen Wärmewiderstände, Umgebungstemperatur und Verlustleistung bekannt sein, da sie in die Berechnung einfließen.<br />
<br />
Bei den thermischen Ersatzschaltbildern kann man ein statisches oder ein dynamisches Ersatzschaltbild erstellen. Bei den statischen Ersatzschaltbilder wird davon ausgegangen, dass alle Größen zeitlich konstant sind, bzw. sofort ihre Solltemperatur entsprechend dem Modell annehmen. In der Realität dauert es natürlich eine gewisse Zeit, bis sich alle beteiligten Materialien aufgeheizt haben. Die Temperaturen des statischen Modells werden dabei erst nach einer bestimmten Zeit erreicht. <br />
<br />
Für die meisten Anwendungen genügt es jedoch, das statische thermische Ersatzschaltbild zu erstellen und den Kühlkörper dem entsprechend zu dimensionieren. Die Kühlung wird z.B. auf die maximale oder die mittlere auftretende Verlustleistung dimensioniert. Es wurde bereits erwähnt, dass sich die Bauteiltemperatur auf dessen Lebensdauer auswirkt. Dabei gilt: je niedriger die Bauteiltemperatur, desto länger die zu erwartende Lebensdauer. Je nach Anwendung und Rahmenbedingungen muss eventuell ein Kompromiss zwischen Kühlkörpergröße/kosten und Gerätelebensdauer gewählt werden. Beispielsweise kann der verfügbare Platz, ein Gesamtgewicht oder eine Kostenvorgabe begrenzender Faktor sein. Für einen dauerhaften sicheren Betrieb muss der Kühlkörper und weitere beteiligte Materialien für den worst case ausgelegt oder sogar überdimensioniert werden.<br />
<br />
==Bauteil ohne Kühlkörper==<br />
Um den Umgang mit den thermischen Ersatzschaltbildern zu lernen, soll zunächst mit einem einfachen Beispiel begonnen werden. In diesem Fall wird der Wärmeübergang von einem einzelnen Bauteil zu Luft betrachet, es kommt zunächst also noch kein Kühlkörper zum Einsatz. Das Ersatzschaltbild sieht in diesem Fall folgendermaßen aus:<br />
<br />
[[Bild:Therm-esb1.png|450px]]<br />
<br />
Die am Bauteil entstehende Verlustleistung ist Ursache der Abwärme und wird im thermischen Ersatzschaltbild als ideale Stromquelle modelliert.<br />
<br />
Die Abwärme gelangt nun über den Weg Sperrschicht (Junction) <math>\rightarrow</math> Bauteilgehäuse (Case) <math>\rightarrow</math> Umgebung (Ambient) nach außen. Im Ersatzschaltbild ist jeder Übergang als thermischer Widerstand modelliert. Die genauen Zahlenwerte der Wärmewiderstände lassen sich in der Regel dem Datenblatt des Bauteils entnehmen. Benötigt werden die Werte für <math>R_{th(jc)}</math> und <math>R_{th(ca)}</math>. In manchen Datenblättern findet man die Angabe <math>R_{th(ja)}</math>, was der Reihenschaltung aus den beiden vorher genannten Werten entspricht, also <math>R_{th(ja)}=R_{th(jc)}+R_{th(ca)}</math>.<br />
<br />
Die Umgebungstemperatur wird als ideale Spannungsquelle modelliert. Sämtliche Spannungen im Ersatzschaltbild entsprechen den auftretenden Temperaturen.<br />
<br />
Da es sich nun um ein lineares Netzwerk handelt, gelten hier ebenfalls die Kirchhoff'schen Gleichungen. Relativ leicht lässt sich nun die Temperatur am Bauteilgehäuse (Case) und der Sperrschicht (Junction) berechnen:<br />
<br />
<math>\vartheta_{c}=\vartheta_{a}+R_{th(ca)} \cdot P_{V}</math><br />
<br />
<math>\vartheta_{j}=\vartheta_{a}+R_{th(jc)} \cdot P_{V}+R_{th(ca)} \cdot P_{V}=\vartheta_{a}+(R_{th(jc)}+R_{th(ca)}) \cdot P_{V}=\vartheta_{a}+R_{th(ja)} \cdot P_{V}</math><br />
<br />
Da die thermischen Widerstände bei der Reihenschaltung auch zusammengefasst werden dürfen, beschreibt folgendes thermisches Ersatzschaltbild den gleichen Zusammenhang. Nachteil ist hier allerdings, dass die Temperatur am Gehäuse nicht modelliert wird.<br />
<br />
[[Bild:Therm-esb0.png|300px]]<br />
<br />
Die Überlegungen zur Sperrschichttemperatur kann auch anders interpretiert werden. Gibt man die Sperrschichttemperatur vor, kann man die maximal erlaubte Verlustleistung des Bauteils in Abhängigkeit der Umgebungstemperatur bestimmen. Die folgende Formel erhält man aus Umformung der oberen Gleichung:<br />
<br />
<math>P_{V} \leq \frac{\vartheta_{j}-\vartheta_{a}}{R_{th(ja)}}</math><br />
<br />
Bei Halbleitern darf idR. die Sperrschichttemperatur nicht 150°C überschreiten. Der thermische Widerstand wird hauptsächlich durch das Gehäuse vorgegeben. Aus der Formel sieht man nun folgendes: Je höher die Umgebungstemperatur, desto geringer fällt die maximal erlaubte Verlustleistung aus. Diesen Zusammenhang bezeichnet man auch als '''Derating'''.<br />
<br />
===Beispielrechnung===<br />
<br />
Ein Spannungsregler vom Typ 7805 im TO220-Gehäuse soll ohne Kühlkörper betrieben werden. Wie hoch ist die maximal erlaubte Verlustleistung, wenn die Sperrschichttemperatur 120°C nicht überschreiten soll und die Umgebungstemperatur 25°C beträgt?<br />
<br />
Zunächst werfen wir einen Blick ins Datenblatt des Spannungsreglers und entnehmen die Angaben für die thermischen Widerstände. Dann halten wir alle gegebenen Größen fest:<br />
<br />
*'''Gegeben'''<br />
*:* <math>R_{th(jc)}=5 \frac{K}{W}</math> (aus dem Datenblatt)<br />
*:* <math>R_{th(ja)}=62 \frac{K}{W}</math> (aus dem Datenblatt)<br />
*:* <math>\vartheta_{j}=125°C</math><br />
*:* <math>\vartheta_{a}=25°C</math><br />
*'''Gesucht'''<br />
*:* <math>P_{v,max}</math><br />
*'''Rechnung'''<br />
*:Wir verwenden die Formel von oben und erhalten als Ergebnis<br />
*:<math>P_{V,max} = \frac{\vartheta_{j}-\vartheta_{a}}{R_{th(ja)}} = \frac{120°C-25°C}{62\frac{K}{W}} = \frac{95K}{62\frac{K}{W}} \approx 1,5 Watt</math><br />
*:Die maximal erlaubte Verlustleistung des Spannungsreglers ohne Kühlkörper darf demnach 1,5 Watt nicht überschreiten.<br />
*'''Zusatz'''<br />
*:Mit unserem Ersatzschaltbild können wir außerdem die Temperatur des Gehäuses (Case) des Spannungsreglers angeben. Dafür benötigen wir noch die Angabe <math>R_{th(ca)}</math>, welche allerdings im Datenblatt nicht angegeben ist.<br />
*:Da wir aber wissen, dass <math>R_{th(ja)}=R_{th(jc)}+R_{th(ca)}</math> gilt, können wir die fehlende Größe ausrechnen. Diese ist<br />
*:<math>R_{th(ca)}=R_{th(ja)}-R_{th(jc)}=62\frac{K}{W}-5\frac{K}{W}=57\frac{K}{W}</math>.<br />
*:Nun lässt sich die Gehäusetemperatur berechnen:<br />
*:<math>\vartheta_{c}=\vartheta_{a}+R_{th(ca)} \cdot P_{V}=25°C+57\frac{K}{W} \cdot 1,5 W \approx 111 °C</math><br />
*'''Bemerkung'''<br />
*:In der Praxis wird einem TO220-Gehäuse ungekühlt eine maximale Verlustleistung von 1 Watt zugerechnet. Die Temperaturen sind niedriger, die Lebensdauer des Bauteils höher.<br />
<br />
==Bauteil mit Kühlkörper und T.I.M.==<br />
<br />
Der Betrieb eines ICs ohne Kühlkörper, wie im vorigen Abschnitt beschrieben, funktioniert nur bei kleinen Leistungen und führt meist auch zu einer verringerten Lebensdauer des Bauteils. Viele Bauteile können ihre angegebenen Maximalwerte nur bei vernünftiger Kühlung erreichen. In diesem Abschnitt wird nun ein typisches Szenario mit Kühlkörperberechnung vorgestellt.<br />
<br />
Befassen wir uns zunächst mit der typischen mechanischen Anordnung. Das zu kühlende IC wird thermisch an einen Kühlkörper gekoppelt. In der Praxis wird man das IC aber nicht direkt auf dem Kühlkörper befestigen, sondern über ein sogenanntes ''thermisches Interface-Material'' (T.I.M.), um Unebenheiten und mechanische Abstände auszugleichen oder um für Insolierung zu sorgen. Details zum T.I.M. folgen im Unterabschnitt. Die typische Anordnung zeigt die folgende Abbildung.<br />
<br />
[[Bild:kühlkörper-schichten.png|300px]]<br />
<br />
Folgende thermischen Widerstände treten hier in Kraft:<br />
*<math>R_{th(jc)}</math> für den Übergang Chip zu Bauteilgehäuse<br />
*<math>R_{th(ch)}</math> für den Übergang Bauteilgehäuse zu Kühlkörper (also über das T.I.M.)<br />
*<math>R_{th(ha)}</math> für den Übergang Kühlkörper zur Umgebung<br />
<br />
Aus diesen thermischen Widerständen wird ein thermisches Ersatzschaltbild angefertigt. Dieses zeigt die nächste Abbildung.<br />
<br />
[[Bild:Therm-esb2.png|700px]]<br />
<br />
Zunächst soll die Formel zur Berechnung der Chiptemperatur aufgestellt werden, die Formel erhält man wieder durch die Anwendung der Kirchhoffschen Gleichungen im Ersatzschaltbild.<br />
<br />
<math>\vartheta_{j}=\vartheta_{a}+(R_{th(jc)}+R_{th(ch)}+R_{th(ha)}) \cdot P_{V}</math><br />
<br />
Die Formel wird in der Praxis jedoch in einer anderen Form benötigt. Meist steht man als Entwickler vor der Aufgabe, den erforderlichen thermischen Widerstand <math>R_{th(ha)}</math> des Kühlkörpers zu bestimmen, sofern die Größen Umgebungstemperatur, Sperrschichttemperatur, Verlustleistung sowie die verbleibenden thermischen Widerstände gegeben sind. Anhand des berechneten Wärmewiderstands des Kühlkörpers können dann aus Produktkatalogen geeignete Kühlkörper bestimmt werden.<br />
<br />
Wir müssen dafür also die Gleichung nach <math>R_{th(ha)}</math> auflösen. Wir erhalten die praxisübliche Berechnungsformel:<br />
<br />
<math>R_{th(ha)}=\frac{\vartheta_{j}-\vartheta_{a}}{P_{V}}-R_{th(jc)}-R_{th(ch)}</math><br />
<br />
In manchen Quellen sind enthält diese Formel außerdem Korrekturfaktoren, die z.B. die Einbaulage o.ä. berücksichtigen können.<br />
<br />
===Beispielrechnung===<br />
<br />
Für einen Spannungsregler vom Typ 7805 im TO220-Gehäuse soll ein Kühlkörper dimensioniert werden. Die Eingangsspannung des Reglers beträgt 12V, die Ausgangsspannung von 5V wird mit 500mA belastet. Die Umgebungstemperatur sei 30°C. Der Spannungsregler wird mit Wärmeleitpaste auf dem Kühlkörper montiert, für diesen Wärmewiderstand wird 0,5 K/W angenommen. Welchen Wärmewiderstand darf der Kühlkörper höchstens haben, wenn als maximale Sperrschichttemperatur 110°C angenommen wird?<br />
<br />
Diese Aufgabe kann so durchaus in der Praxis auftreten. Von den vielen Angaben darf man sich zunächst nicht verunsichern lassen. Wir verwenden das gezeigte thermische Ersatzschaltbild. Für die Rechnung benötigen wir außerdem noch den thermischen Widerstand <math>R_{th(jc)}</math> aus dem Datenblatt.<br />
<br />
*'''Gegeben'''<br />
*:<math>R_{th(jc)}=5 \frac{K}{W}</math> (aus dem Datenblatt)<br />
*:<math>R_{th(ch)}=0,5 \frac{K}{W}</math><br />
*:<math>\vartheta_{j}=110°C</math><br />
*:<math>\vartheta_{a}=30°C</math><br />
*:<math>U_{ein}=12V</math><br />
*:<math>U_{aus}=5V</math><br />
*:<math>I=0,5A</math><br />
*'''Gesucht'''<br />
*:<math>R_{th(ha)}</math><br />
*'''Rechnung'''<br />
*:Zunächst muss die Verlustleistung am Regler berechnet werden. Diese beträgt<br />
*:<math>P_V=P_{Ein}-P_{Aus}=12V \cdot 0,5A~-~5V \cdot 0,5A=3,5 W</math>.<br />
*:Nun sind eigentlich auch schon alle Angaben vorhanden, sodass wir die Formel verwenden können.<br />
*:<math>R_{th(ha)}=\frac{\vartheta_{j}-\vartheta_{a}}{P_{V}}-R_{th(jc)}-R_{th(ch)}</math><br />
*:Einsetzen:<br />
*:<math>R_{th(ha)}=\frac{110°C-30°C}{3,5W}-5\frac{K}{W}-0,5\frac{K}{W} \approx 17,4\frac{K}{W}</math><br />
*'''Ergebnis'''<br />
*:Der Wärmewiderstand des Kühlkörpers darf maximal <math>17,4\frac{K}{W}</math> betragen.<br />
*'''Zusatz'''<br />
*:Aus dem Katalog wird ein Kühlkörper mit einem Wärmewiderstand von <math>10\frac{K}{W}</math> gewählt. Welche Temperatur erreicht der Kühlkörper, wenn er bei den gegebenen Bedingungen eingesetzt wird?<br />
*:<math>\vartheta_h=\vartheta_a+P_{V} \cdot R_{th(ha)}=30°C+3,5W \cdot 10 \frac{K}{W} \approx 65°C</math><br />
<br />
===Thermische Interface-Materialien (T.I.M.) und Montage===<br />
Wie bereits erwähnt, werden ICs in der Praxis nicht direkt auf einen Kühlkörper befestigt. Der Grund dafür ist folgender: Durch Unebenheiten und die rauhe Oberfläche von Kühlkörper und IC berühren sich die betreffenden Flächen unter dem Mikroskop gesehen nur minimal. Durch Lufteinschlüsse und die Tatsache, dass Luft ein schlechter Wärmeleiter ist, fällt in diesem Fall die thermische Anbindung des ICs an den Kühlkörper relativ schlecht aus.<br />
<br />
Zum Ausgleich der Unebenheiten eignet sich Wärmeleitpaste, welche dünn auf die Kontaktfläche aufgetragen wird. Es genügt eine sehr geringe Menge der Wärmeleitpaste, die Schichtdicke liegt in der Größenordnung 0,1mm. Die Aufgabe der Wärmeleitpaste ist, die Unebenheiten der Kontaktflächen auszugleichen. Zu viel Wärmeleitpaste erhöht wiederum den thermischen Übergangswiderstand. <br />
<br />
Ist zusätzlich eine elektrische Isolation zwischen IC und Kühlkörper erforderlich, können Glimmerscheiben (engl. mica) eingesetzt werden. Elektrische Isolation ist erforderlich, falls zum Beispiel mehrere Transistoren auf einen Kühlkörper montiert werden sollen und eine elektrische Verbindung der Kühlfahnen über den Kühlkörper zu Kurzschlüssen führen würde. Werden Glimmerscheiben verwendet, müssen diese beidseitig mit Wärmeleitpaste bestrichen werden, um sämtliche Unebenheiten auszugleichen. Die Glimmerscheiben werden zwischen IC und Kühlkörper eingebaut. Werden die ICs an den Kühlkörper geschraubt, muss auch die Schraube elektrisch isoliert werden. Hierfür sind entsprechende Hülsen aus Kunststoff erhältlich.<br />
<br />
Wärmeleitfolien aus Silikon /Gap-Filler<br />
<br />
BAUSTELLE<br />
<br />
Zur Montage der ICs auf dem Kühlkörper gibt es mehrere Möglichkeiten. Üblich sind Schraubmontage oder die Verwendung von Metallclips aus Federstahl. Der Anpressdruck durch die Montage kann die thermische Kopplung des ICs zum Kühlkörper beeinflussen. Die Metallclips haben den Vorteil, dass der Anpressdruck mit der Zeit nicht nachlässt.<br />
<br />
BAUSTELLE<br />
<br />
=Dynamisches Ersatzschaltbild=<br />
<br />
Bei den statischen Ersatzschaltbildern können zeitveränderliche Vorgänge nicht modelliert werden. Um auch den zeitlichen Verlauf der Temperaturen bei z.B. wechselnder Verlustleistung der Bauteile vorhersagen zu können, bedient man sich dem dynamischen Ersatzschaltbild. Dieses enthält neben den thermischen Widerständen auch Wärmekapazitäten. Durch thermische Widerstände und Wärmekapazitäten ergeben sich Zeitkonstanten bei der Erwärmung, sodass das Modell der Realität sehr nahe kommt.<br />
<br />
BAUSTELLE<br />
<br />
=Kühlkörperbauformen=<br />
* Board-Level-Kühlkörper (aufsteckbare/aufklebbare Kühlkörper, auch für SMD, meist 1 Kühlkörper pro IC)<br />
* Strang-/Profilkühlkörper (meist für hohe Leistungen)<br />
* Kühlaggregate (Kanal + Lüfter)<br />
<br />
Wozu eloxierte Oberflächen?<br />
* geringfügig höhere Wärmestrahlung (bei den niedrigen Temperaturen kaum ein Beitrag)<br />
* elektrische Isolation<br />
* Oberflächenschutz<br />
Nachteile:<br />
* erhöhte Wärmeaufnahme aus der unmittelbaren Umgebung!<br />
<br />
Stiftkühlkörper<br />
* hohe Oberfläche<br />
* bei dickem "Rücken"/"Boden" des Kühlkörpers gute Wärmespreizung<br />
* mit erzwungener Konvektion hohe Wärmeübertragung (quer zu den Stiften effektiver als in Stiftrichtung)<br />
* leichter und kompakter als Strangkühlkörper<br />
<br />
todo<br />
<br />
=Lüfter=<br />
Lüfter werden vor allem dann eingesetzt, wenn der Kühlkörper bei rein passiver Kühlung zur groß, zu schwer oder zu teuer wird. Beim Einsatz des Lüfters führt die erzwungene Luftströmung zur besseren Wärmeabgabe an die Luft. Bei gleicher Temperatur kann der Kühlkörper dann kleiner gewählt werden. Bei hohen Leistungen sind der kleinere Kühlkörper mit Lüfter preisgünstiger und kompakter als ein großer, rein passiver Kühlkörper. Um welchen Faktor die Wärmeableitung mit Lüfter verbessert wird, hängt von vielen Parametern ab und kann nicht pauschal angegeben werden.<br />
<br />
Vorteile<br />
* bessere Wärmeabgabe<br />
* Kühlkörper kann bei gleicher Temperatur kleiner, leichter und kostengünstiger werden<br />
* In kleinem Maßstab günstiger als Wasserkühlung o.ä.<br />
<br />
Nachteile<br />
* zusätzlicher Stromverbrauch<br />
* Geräuschentwicklung und Vibrationen<br />
* zusätzliche Kosten für Lüfter und dessen Montage<br />
* Im Falle eines unbemerkten Ausfalls kann die Schaltung überhitzen (Abhilfe: Thermostat, Temperaturfühler oder Tachosignal auswerten)<br />
<br />
Anordnungen:<br />
* Push-Prinzip: Der Lüfter bläst die Luft in den Kühlkörper/-kanal<br />
* Pull-Prinzip: Der Lüfter saugt die Luft aus dem Kühlkörper/-kanal heraus<br />
<br />
Kenngrößen:<br />
* Luftdurchsatz in <math>\frac{m^{3}}{h}</math><br />
* Nennspannung, Nennstrom, Nennleistung<br />
* Typ Axial/Radial<br />
* Größe<br />
* Geräuschpegel<br />
* Art der Lagerung (Kugellager, Sinterbronze-Lager etc.)<br />
* Temperaturbereich<br />
* Lebensdauer, MTBF<br />
<br />
=Entwärmung auf einer Platine=<br />
Beim Leiterplattenentwurf muss bereits in der Designphase abgeschätzt werden, welche Verlustleistungen auftreten und wie die entstehende Wärme abgeführt werden kann. Die Größe, Bauform und Befestigung des Kühlkörpers muss ebenfalls berücksichtigt werden. Für Printmontage sind Kühlkörper verfügbar, welche mit lötbaren Stiften in die Platine gesteckt und verlötet werden. Alternativ sind Schraubverbindungen möglich.<br />
<br />
SMD-Bauteile können meist über die Platine gut entwärmt werden. Dies ist normalerweise nur bei geringen Verlustleistungen möglich. Die Abwärme der Bauteile muss auf eine möglichst große Fläche verteilt werden, durch große Kupferflächen auf der Platine kann dies erreicht werden. Da die Wärmeleitfähigkeit der Kupferauflage deutlich höher ist als die Wärmeleitfähigkeit des Platinenmaterials FR4, wird sich die Wärme hauptsächlich in der Fläche verteilen, jedoch weniger ''durch'' die Platine hindurch. Um die Wärmeleitung durch die Platine (z.B. von Ober- zu Unterseite) zu erhöhen, müssen Durchkontaktierungen gesetzt werden. Sogenannte "Thermal Vias" werden in einer großen Anzahl an das zu entwärmende Bauteil gesetzt und können damit die Wärme zu anderen Kupferlagen der Platine weiterleiten. Die Wärmeleitung durch die Platine hindurch wird verbessert, liegt aber dennoch deutlich unter der Wärmeleitfähigkeit von reinem Kupfer. Thermische Vias können aufgrund ihrer kleinen Masse kaum einen Beitrag zur gesamten "Kühlmasse" beitragen. Ob schließlich eine Entwärmung durch die Platine ausreicht, muss durch Simulation oder Messung gezeigt werden.<br />
<br />
Die Einbaulage der Platine kann die Entwärmung zudem beeinflussen. Erwärmte Umgebungsluft steigt nach oben und kann andere Komponenten oder Platinen aufheizen.<br />
<br />
Maßnahmen für bessere Entwärmung:<br />
<br />
* Durchkontaktierungen zur Wärmeleitung zwischen mehreren Kupferlagen, da der Platinenkern (bei FR4: glasfaserverstärktes Epoxidharz) idR. eine sehr schlechte Wärmeleitfähigkeit hat<br />
* Breite Leiterbahnen, welche Wärme abführen und auf eine große Fläche verteilen<br />
* Für große bedrahtete ICs (TO220, Multiwatt...) eignen sich Board-Level-Kühlkörper<br />
* Für kleinere ICs mit Wärmeentwicklung eignen sich aufklebbare Kühlkörper<br />
* Für SMD-Bauteile exisitieren auch Kühlkörper, die sich direkt auf die Platine löten lassen, diese sind auch maschinenbestückbar<br />
* Einsatz spezieller Platinenmaterialien (Alukern, Kupfer-Inlay)...<br />
* je nach Schaltung: dickere Kupferkaschierung für bessere Wärmeausbreitung in der Fläche (Standard sind 35µm, erhältlich sind auch 70µm und mehr)<br />
<br />
Welche Temperatur das Bauteil auf der Platine erreicht, kann nach dem Aufbau natürlich gemessen werden. Besser wäre es jedoch, die Temperaturen bereits beim Entwurf der Platine zu kennen, um einschätzen zu können, ob die Entwärmung ausreichend ist. Allgemeine Angaben hierfür sind schwer zu finden, jedoch gibt es vereinzelt Angaben in Datenblättern von Halbleitern zur Entwärmung. An den folgenden Zahlenwerten kann man sich orientieren, wenn man ähnliche Bauteile entwärmen möchte. Damit man für die genannten Flächen eine grobe Vorstellung hat, sei noch erwähnt: ein Cent hat eine Fläche von grob <math>200mm^2</math>, ein Euro hat grob <math>400mm^2</math>.<br />
<br />
'''TO263 (=D2PAK)'''<br />
<br />
Im Datenblatt des Schaltreglers LM2576 von ''National Semiconductor'' findet man für das TO263-Gehäuse einige Angaben. Das TO263-Gehäuse gleicht übrigens dem TO220 bis auf die Tatsache, dass die Kühlfahne kürzer ist und das Gehäuse für SMD-Montage vorgesehen ist. Das Datenblatt gibt thermische Widerstände für den Übergang Junction-Ambient an. Die Angabe ist abhängig von der Kupferfläche auf der Platine, die unmittelbar für das Bauteil aus Kühlkörper wirkt. Die Zahlenwerte aus dem Datenblatt wurden in Quadratmillimeter umgerechnet, gerundet und stehen nun in der Tabelle bereit. Keine Angaben macht der Hersteller zu den Rahmenbedingungen, unter denen die thermischen Widerstände ermittelt wurden (Platinendicke, Durchkontaktierungen, Form der Kupferfläche und Dicke der Kupferkaschierung). Dennoch können die Werte zur groben Orientierung dienen.<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
| Kupferfläche || therm. Widerstand<br />
|-<br />
| <math>325 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 50\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>645 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 37\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>1030 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 32\frac{K}{W} </math><br />
|}<br />
<br />
'''TO252 (=DPAK), SOT223'''<br />
<br />
Im Datenblatt des Low-Drop-Spannungsreglers LM1117 von ''National Semiconductor'' sind Angaben zur Entwärmung über die Platine von SOT223 und TO252-Gehäusen vorhanden. Der Hersteller gibt an, für das SOT223-Gehäuse eine 35µm dicke, und für das TO252-Gehäuse eine 70µm dicke Kupferkaschierung der Platine verwendet zu haben. Leider finden sich in diesem Datenblatt keine Informationen zu Durchkontaktierungen, Platinendicke, und ob das IC auf der Ober- oder Unterseite der Platine montiert wurde (Vermutung: oben montiert, da angegebene thermische Widerstände geringer sind). Der Hersteller hat drei Fälle untersucht: Kupferfläche oben, Kupferfläche unten, Kupferfläche beidseitig. Für das thermische Platinendesign kann man diese Zahlenwerte zumindest als Richtwerte verwenden. Das Datenblatt enthält zudem Zeichnungen der Kühlflächen. Die Zahlenwerte wurden wieder in Quadratmillimeter umgerechnet und gerundet und in die folgenden Tabelle eingetragen:<br />
<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
| Kupferfläche top || Kupferfläche bottom || therm. Widerstand SOT223 || therm. Widerstand TO252<br />
|-<br />
| <math> 200mm^2</math> || - || <math>R_{th(ja)}\approx 84\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 60\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math> 350mm^2</math> || - || <math>R_{th(ja)}\approx 75\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 54\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math> 650mm^2</math> || - || <math>R_{th(ja)}\approx 66\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 47\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| - || <math> 250mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 98\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 70\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| - || <math> 400mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 89\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 63\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| - || <math> 650mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 79\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 57\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math> 200mm^2</math> || <math> 200mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 83\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 61\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math> 250mm^2</math> || <math> 250mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 75\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 55\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math> 350mm^2</math> || <math> 350mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 70\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 53\frac{K}{W} </math><br />
|}<br />
<br />
Bei gleicher (projizierter) Fläche bring die beidseitige Kupferauflage erstaunlicherweise keinen niedrigeren thermischen Widerstand als wenn die Kupferauflage nur auf der Oberseite vorhanden ist. Vermutlich wurden bei der Messung keine Durchkontaktierungen (Vias) eingebracht oder die Fläche ist insgesamt zu klein, als dass sich ein Effekt zeigen würde.<br />
<br />
'''SO8'''<br />
<br />
Für das SO8-Gehäuse findet man eine Angabe im Datenblatt des Spannungsreglers 78L05 von ''ST'':<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
| Kupferfläche || therm. Widerstand<br />
|-<br />
| <math>600 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 55\frac{K}{W} </math><br />
|}<br />
<br />
'''SO20'''<br />
<br />
Aus dem Datenblatt des L293DD sind Angaben zum SO20-Gehäuse enthalten. In diesem Falle sind 8 zentrale Pins an die Kühlfläche angebunden, die Kupferkaschierung ist vermutlich einseitig 35µm. Die groben Richtwerte sind:<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
| Kupferfläche || therm. Widerstand<br />
|-<br />
| <math>200 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 60\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>400 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 53\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>600 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 51\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>800 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 50\frac{K}{W} </math><br />
|}<br />
<br />
'''PowerDIP20'''<br />
<br />
Für das DIP20-Gehäuse wird man im Datenblatt des Motortreibers L6202 von ''ST'' fündig. Bei 35µm Kupferkaschierung der Platine ergeben sich die folgenden thermischen Widerstände.<br />
<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
| Kupferfläche || therm. Widerstand<br />
|-<br />
| <math>0 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 58\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>200 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 45\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>400 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 39\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>600 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 38\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>800 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 37\frac{K}{W} </math><br />
|}<br />
<br />
Für die Form der empfohlenen Kühlfläche sei auf das Datenblatt verwiesen. Wird das IC in einem Sockel verwendet, muss man sicherlich von höheren thermischen Widerständen ausgehen.<br />
<br />
In der ''Application Note AN-994 - Maximizing the Effectiveness of your SMD Assemblies'' von ''International Rectifier (IRF)'' sind weitere Daten vorhanden. Die dort genannten Daten sind jedoch teils drastisch niedriger als die hier genannten. Eine mögliche Erklärung sind z.B. die höhere Kupferauflage (70µm) oder evtl. optimierte Wärmewiderstände innerhalb der Gehäuse.<br />
<br />
'''Abschlusskommentar'''<br />
<br />
An den gezeigten, thermischen Widerständen sieht man leicht: je größer die Kühlfläche, desto geringer der thermische Widerstand. Dieses Verhalten würde man so auch erwarten.<br />
<br />
Allerdings fällt auch noch auf: Ab einer bestimmten Fläche bringt es nur noch wenig, die Fläche weiter zu vergrößern, da sich der thermische Widerstand ab dann nur noch unwesentlich ändert.<br />
<br />
Die mit den Kupferflächen erreichten thermischen Widerstände sind für viele Anwendungen noch deutlich zu hoch. Bei Verlustleistungen von wenigen Watt werden dadurch bereits kritische Chiptemperaturen erreicht. Wie bereits oben erwähnt, funktioniert die Entwärmung von SMD-Komponenten über die Platine also nur für kleine Verlustleistungen. Bei größeren Verlustleistungen müssen zusätzliche Entwärmungsmaßnahmen getroffen werden (z.B. aufklebbarer Kühlkörper, etc.). Zielführend ist auch, die Ursache der Erwärmung, nämlich die Verlustleistung zu verringern. Wird beispielsweise ein Linearregler durch einen effizienteren Schaltregler ersetzt, kann die Entwärmung aufgrund der kleineren Verlustleistung deutlich einfacher gestaltet werden. Ob die Verringerung der Verlustleistung möglich ist, hängt natürlich von der Anwendung ab.<br />
<br />
=Spezielle Kühlkörper=<br />
<br />
todo<br />
<br />
=Autoren=<br />
* BMS<br />
<br />
[[Kategorie:Elektronik]]<br />
[[Kategorie:Mechanik]] <br />
[[Kategorie:Praxis]] <br />
[[Kategorie:Grundlagen]]<br />
<br />
=Quellen und Verweise=<br />
<br />
Zeitschriftenartikel:<br />
<br />
* Best, Siegfried W.: ''Elektronikkühlung und Wärmemanagement von A bis Z''. In: Elektronikpraxis - Sonderheft Elektromechanik, April 2013. S. 20ff.<br />
* Best, Tobias: ''Thermisches Via, die kleine Schwester der Heatpipe''. In: Elektronikpraxis, April 2013. S. 12ff.<br />
* Erdmann, Marc: ''Beste Effizienz auch beim Thermal Management''. In: Elektronikpraxis - Sonderheft Leistungelektronik und Stromversorgung. März 2015. S. 38ff.<br />
* Kerstin, Nils; Schulz, Martin: ''Thermische Widerstände genau messen - eine Herausforderung''. In: Elektronikpraxis, Nr. 17, September 2014. S. 48ff.<br />
* K.R. (Alutronic): ''Stiftkühlkörper für die Leistungselektronik''. In: Elektronikpraxis Nr.9, Mai 2014. S. 50ff.<br />
* Harpain, Jürgen: ''Wärmeleitmaterial kompensiert Lufteinschlüsse''. In: Elektronikpraxis Nr.1, Januar 2014. S. 36ff.<br />
* Harpain, Jürgen: ''Entwärmungskonzepte für Einzelhalbleiter und ICs''. In: Elektronikpraxis - Sonderheft Elektromechanik, April 2014. S. 14ff.<br />
* Schulz, Martin: ''Fünf Fettnäpfchen beim Bestimmen thermischer Größen''. In: Elektronikpraxis, November 2013. S. 36ff.<br />
* Schulz, Martin: ''Mythen und Legenden über Wärmeleitmaterialien''. In: Elektronikpraxis Nr.2., Januar 2014. S. 42ff.<br />
<br />
----<br />
<br />
Datenblätter, aus denen thermische Widerstände entnommen wurden:<br />
<br />
* [http://pdf.datasheetcatalog.com/datasheet/nationalsemiconductor/DS011476.PDF Datenblatt LM2576 von National Semiconductor]<br />
* [http://pdf.datasheetcatalog.com/datasheet/nationalsemiconductor/LM1117.pdf Datenblatt LM1117 von National Semiconductor]<br />
* [http://pdf.datasheetcatalog.com/datasheets/150/9358_DS.pdf Datenblatt L78Lxx von ST]<br />
* [http://pdf.datasheetcatalog.com/datasheet/stmicroelectronics/1330.pdf Datenblatt L293DD von ST]<br />
* [http://pdf.datasheetcatalog.com/datasheet/stmicroelectronics/1373.pdf Datenblatt L6202 von ST]<br />
* [http://www.irf.com/technical-info/appnotes/an-994.pdf Application Note AN994 - Maximizing the Effectiveness of your SMD Assemblies - International Rectifier (IRF)]<br />
<br />
----<br />
<br />
Weblinks:<br />
<br />
* [http://stegem.de/Elektronik/Kuehlkoerper/ Online-Tool zur Kühlkörperberechnung von Gemmel, S.]<br />
* [http://ludens.cl/Electron/Thermal.html Thermal Design - von Mornhinweg, M.]<br />
* [http://sound.westhost.com/heatsinks.htm The Design of Heatsinks - von Elliot, R.]<br />
* [http://www.giangrandi.ch/electronics/thcalc/thcalc.shtml Calculating Heat sinks - von Giangrandi, I.]</div>BMShttps://rn-wissen.de/wiki/index.php?title=K%C3%BChlk%C3%B6rper&diff=26375Kühlkörper2015-05-18T17:25:09Z<p>BMS: /* Entwärmung auf einer Platine */</p>
<hr />
<div>{{Baustelle|BMS}}<br />
<br />
Dieser Artikel behandelt die Grundlagen zu Kühlkörpern.<br />
<br />
[[Bild:kühlkörper-übersicht.jpg|thumb|Verschiedene Kühlkörper, links ein TO220-Gehäuse zum Größenvergleich]]<br />
<br />
=Einleitung=<br />
<br />
'''Wieso sind überhaupt Kühlkörper in technischen Geräten erforderlich?'''<br />
<br />
Kein Gerät kann einen 100-prozentigen Wirkungsgrad erzielen und somit tritt Verlustleistung auf. Diese Verlustleistung führt zur Erwärmung der Bauteile. Kühlkörper sollen die Entwärmung verbessern, indem die entstehende Wärme auf eine große Fläche verteilt wird und durch Konvektion an der Luft auskühlen kann. Die Temperatur an den heißen Bauteilen ist mit Kühlkörper geringer als ohne Kühlkörper.<br />
<br />
'''Wieso sind hohe Bauteiltemperaturen ungünstig?'''<br />
<br />
Die Lebensdauer aller elektronischen Bauteile ist stark von der Temperatur abhängig. Als Faustregel gilt: Eine Temperaturerhöhung um 10 Grad führt zur Halbierung der Lebensdauer. Außerdem gibt es Grenztemperaturen, die nicht überschritten werden dürfen. Beispielsweise dürfen Halbleiter keine Temperatur über 150°C erreichen. Extrembeispiele sind die Schmelztemperatur von Isolierungen, Lötzinn etc... sowie Brandgefahr durch hohe Temperaturen. Viele Bauteile können ohne vernünftige Kühlung nicht ihren vollen Funktionsumfang erreichen, liefern dann z.B. geringere Maximalströme oder es greift die Temperaturabschaltung. Anders formuliert: Die maximale Leistung eines Bauteils oder Geräts wird durch seine Entwärmung bestimmt! Zur eigenen Sicherheit bietet es sich zudem an, die Temperaturen niedrig zu halten, sodass man sich am Gerät nicht die Finger verbrennen kann ;)<br />
<br />
=Wärmeübertragung=<br />
Prinzipiell kann Wärmeübertragung über Wärmeleitung, Konvektion und Wärmestrahlung geschehen. In vielen Anwendungen treten mehrere Mechanismen gleichzeitig auf. Welcher Mechanismus hauptsächlich auftritt, ist von der mechanischen Anordnung, den Materialien und der Temperatur abhängig. Wärmeleitung und Konvektion sind die wichtigsten Arten der Wärmeübertragung, die in der Praxis auftreten. Nun zu den einzelnen Effekten:<br />
<br />
*'''Wärmeleitung'''<br />
*: Bei der Wärmeleitung wird die Wärme über einen direkten mechanischen Kontakt (Bsp. IC <math>\rightarrow</math>Kühlkörper) übertragen. Den beteiligten Materialien wird jeweils eine spezifische Wärmeleitfähigkeit <math>\lambda</math> zugeordnet, dazu später mehr.<br />
<br />
*'''Konvektion'''<br />
*: Mit Konvektion wird die Strömungsbewegung in Flüssigkeiten und Gasen bezeichnet. Praxisbeispiele sind die Wärmeabgabe eines Kühlkörpers an die Umgebungsluft oder auch eine Wasserkühlung. Von erzwungener Konvektion spricht man, wenn die Strömung durch z.B. einen Ventilator/Lüfter oder eine Wasserpumpe hervorgerufen wird. Im Vakuum kann keine Konvektion auftreten.<br />
<br />
*'''Wärmestrahlung'''<br />
*: Wärmestrahlung ist elektromagnetische Strahlung (hauptsächlich Infrarot und sichtbares Licht), die vom heißen Festkörper abgestrahlt wird. Sie wird erst bei höheren Temperaturen relevant und ist bei den üblichen Kühlkörpertemperaturen meist zu vernachlässigen. Erwähnt werden soll zudem, dass Wärmestrahlung der einzige Mechanismus der Wärmeleitung ist, welcher im Vakuum auftreten kann. (Für Details zu Wärmestrahlung siehe auch: Plancksches Strahlungsgesetz und Schwarzer Strahler).<br />
<br />
=Materialien=<br />
Jedes Material besitzt eine spezifische Wärmeleitfähigkeit, welche angibt, wie gut dieses Material Wärme weiter transportieren kann. Die spezifische Wärmeleitfähigkeit ist unabhängig von der Geometrie des Materials, wird mit der Größe <math>\lambda</math> (Lambda) ausgedrückt und erhält die Einheit <math>\frac{W}{m \cdot K}</math>.<br />
<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
|-<br />
| '''Material''' || '''<math>\lambda</math> in <math>\left[ \frac{W}{m \cdot K} \right]</math>'''<br />
|-<br />
| Silber || 430<br />
|-<br />
| Kupfer || 400<br />
|-<br />
| Aluminium || 230<br />
|-<br />
| Silizium || 140 <br />
|-<br />
| Wärmeleitpaste || 5 ... 10<br />
|-<br />
| Glas || 0,7<br />
|-<br />
| Wasser || 0,5<br />
|-<br />
| Platinenmaterial FR4 || 0,2 ... 0,5<br />
|-<br />
| Luft || 0,02<br />
|}<br />
<br />
Die meisten Kühlkörper werden aus Aluminiumlegierungen hergestellt. Für Aluminium spricht seine relativ hohe Wärmeleitfähigkeit, die hohe Verfügbarkeit und geringe Dichte. Im Vergleich zu Kupfer und Silber ist Aluminium deutlich kostengünstiger. Darüber hinaus lässt sich Aluminium mechanisch gut verarbeiten. Kupfer wird mit seiner höheren Wärmeleitfähigkeit z.B. bei Heatpipes eingesetzt.<br />
<br />
todo<br />
<br />
Wärmewiderstand <math>R_{th}=\frac{d}{\lambda \cdot A}</math><br />
<br />
d: Materialdicke, welche für die Wärmeleitung relevant ist<br />
<br />
<math>\lambda</math>spezifische Wärmeleitfähigkeit des Materials<br />
<br />
A: Querschnitts-/Kontaktfläche<br />
<br />
=Definitionen=<br />
Um vorauszusagen, wie sich die Temperaturen in einer Schaltung verhalten, bedient sich der Ingenieur - wie auch bei vielen anderen Anwendungen - eines Ersatzschaltbildes (ESB). Zur Erstellung eines thermischen Ersatzschaltbildes muss man sich aber zunächst mit den thermischen Größen vertraut machen.<br />
<br />
Die Temperaturen werden mit dem griechischen Buchstaben Theta <math>\theta</math> gekennzeichnet. Temperaturen werden in Grad Celsius (°C), Temperaturdifferenzen in Kelvin (K) angegeben. (Am Rande: Es existiert auch eine Kelvinskala mit dem absoluten Nullpunkt 0 K=-273,15°C). Die Temperaturen werden außerdem noch mit einem Index gekennzeichnet, abhängig von der mechanischen Stelle, an der sie auftreten:<br />
<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
|-<br />
| Symbol || Index || Bedeutung<br />
|-<br />
| <math>\vartheta_{J}</math> || J=Junction || Sperrschichttemperatur des Halbleiters<br />
|-<br />
| <math>\vartheta_{C}</math> || C=Case || Gehäusetemperatur des Bauteils<br />
|-<br />
| <math>\vartheta_{H}</math> || H=Heat Sink || Temperatur des Kühlkörpers<br />
|-<br />
| <math>\vartheta_{A}</math> || A=Ambient || Umgebungstemperatur<br />
|}<br />
<br />
Die Verlustleistung eines Bauteils beschreibt die Größe <math>P_{V}</math> und wird, wie allgemein bekannt, in Watt angegeben.<br />
<br />
Als neue Größe wird nun der thermische Widerstand eingeführt, dieser wird mit <math>R_{th}</math> beschrieben und bekommt die Einheit <math>\frac{K}{W}</math>. <br />
<br />
Für die thermischen Größen gibt es, ähnlich dem Ohmschen Gesetz, einen linearen Zusammenhang. Dieser lautet<br />
<br />
<math>R_{th}=\frac{\vartheta_{ü}}{P_{V}}</math><br />
<br />
todo<br />
<br />
'''Vergleich elektrischer und thermischer Größen'''<br />
Insgesamt können wir nun eine Analogie zwischen bekannten elektrischen Größen und den thermischen Größen angeben. Die schon gelernten Prinzipien zur Lösung linearer Netzwerke lässt sich auch bei den thermischen Ersatzschaltbildern anwenden.<br />
<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
|-<br />
| elektrisch || thermisch<br />
|-<br />
| Spannung U || Temperatur <math>\vartheta</math><br />
|-<br />
| Strom I || Verlustleistung <math>P_{V}</math><br />
|-<br />
| Widerstand R || thermischer Widerstand <math>R_{th}</math><br />
|}<br />
<br />
=Statisches Ersatzschaltbild=<br />
Mit den thermischen Zusammenhängen haben wir uns inzwischen vertraut gemacht. Nun können wir damit beginnen, thermische Ersatzschaltbilder von einfachen Anordnungen zu erstellen. Mit solchen Modellen können Temperaturen, wie z.B. die Chiptemperatur, vorab berechnet werden. Für die Berechnung müssen Wärmewiderstände, Umgebungstemperatur und Verlustleistung bekannt sein, da sie in die Berechnung einfließen.<br />
<br />
Bei den thermischen Ersatzschaltbildern kann man ein statisches oder ein dynamisches Ersatzschaltbild erstellen. Bei den statischen Ersatzschaltbilder wird davon ausgegangen, dass alle Größen zeitlich konstant sind, bzw. sofort ihre Solltemperatur entsprechend dem Modell annehmen. In der Realität dauert es natürlich eine gewisse Zeit, bis sich alle beteiligten Materialien aufgeheizt haben. Die Temperaturen des statischen Modells werden dabei erst nach einer bestimmten Zeit erreicht. <br />
<br />
Für die meisten Anwendungen genügt es jedoch, das statische thermische Ersatzschaltbild zu erstellen und den Kühlkörper dem entsprechend zu dimensionieren. Die Kühlung wird z.B. auf die maximale oder die mittlere auftretende Verlustleistung dimensioniert. Es wurde bereits erwähnt, dass sich die Bauteiltemperatur auf dessen Lebensdauer auswirkt. Dabei gilt: je niedriger die Bauteiltemperatur, desto länger die zu erwartende Lebensdauer. Je nach Anwendung und Rahmenbedingungen muss eventuell ein Kompromiss zwischen Kühlkörpergröße/kosten und Gerätelebensdauer gewählt werden. Beispielsweise kann der verfügbare Platz, ein Gesamtgewicht oder eine Kostenvorgabe begrenzender Faktor sein. Für einen dauerhaften sicheren Betrieb muss der Kühlkörper und weitere beteiligte Materialien für den worst case ausgelegt oder sogar überdimensioniert werden.<br />
<br />
==Bauteil ohne Kühlkörper==<br />
Um den Umgang mit den thermischen Ersatzschaltbildern zu lernen, soll zunächst mit einem einfachen Beispiel begonnen werden. In diesem Fall wird der Wärmeübergang von einem einzelnen Bauteil zu Luft betrachet, es kommt zunächst also noch kein Kühlkörper zum Einsatz. Das Ersatzschaltbild sieht in diesem Fall folgendermaßen aus:<br />
<br />
[[Bild:Therm-esb1.png|450px]]<br />
<br />
Die am Bauteil entstehende Verlustleistung ist Ursache der Abwärme und wird im thermischen Ersatzschaltbild als ideale Stromquelle modelliert.<br />
<br />
Die Abwärme gelangt nun über den Weg Sperrschicht (Junction) <math>\rightarrow</math> Bauteilgehäuse (Case) <math>\rightarrow</math> Umgebung (Ambient) nach außen. Im Ersatzschaltbild ist jeder Übergang als thermischer Widerstand modelliert. Die genauen Zahlenwerte der Wärmewiderstände lassen sich in der Regel dem Datenblatt des Bauteils entnehmen. Benötigt werden die Werte für <math>R_{th(jc)}</math> und <math>R_{th(ca)}</math>. In manchen Datenblättern findet man die Angabe <math>R_{th(ja)}</math>, was der Reihenschaltung aus den beiden vorher genannten Werten entspricht, also <math>R_{th(ja)}=R_{th(jc)}+R_{th(ca)}</math>.<br />
<br />
Die Umgebungstemperatur wird als ideale Spannungsquelle modelliert. Sämtliche Spannungen im Ersatzschaltbild entsprechen den auftretenden Temperaturen.<br />
<br />
Da es sich nun um ein lineares Netzwerk handelt, gelten hier ebenfalls die Kirchhoff'schen Gleichungen. Relativ leicht lässt sich nun die Temperatur am Bauteilgehäuse (Case) und der Sperrschicht (Junction) berechnen:<br />
<br />
<math>\vartheta_{c}=\vartheta_{a}+R_{th(ca)} \cdot P_{V}</math><br />
<br />
<math>\vartheta_{j}=\vartheta_{a}+R_{th(jc)} \cdot P_{V}+R_{th(ca)} \cdot P_{V}=\vartheta_{a}+(R_{th(jc)}+R_{th(ca)}) \cdot P_{V}=\vartheta_{a}+R_{th(ja)} \cdot P_{V}</math><br />
<br />
Da die thermischen Widerstände bei der Reihenschaltung auch zusammengefasst werden dürfen, beschreibt folgendes thermisches Ersatzschaltbild den gleichen Zusammenhang. Nachteil ist hier allerdings, dass die Temperatur am Gehäuse nicht modelliert wird.<br />
<br />
[[Bild:Therm-esb0.png|300px]]<br />
<br />
Die Überlegungen zur Sperrschichttemperatur kann auch anders interpretiert werden. Gibt man die Sperrschichttemperatur vor, kann man die maximal erlaubte Verlustleistung des Bauteils in Abhängigkeit der Umgebungstemperatur bestimmen. Die folgende Formel erhält man aus Umformung der oberen Gleichung:<br />
<br />
<math>P_{V} \leq \frac{\vartheta_{j}-\vartheta_{a}}{R_{th(ja)}}</math><br />
<br />
Bei Halbleitern darf idR. die Sperrschichttemperatur nicht 150°C überschreiten. Der thermische Widerstand wird hauptsächlich durch das Gehäuse vorgegeben. Aus der Formel sieht man nun folgendes: Je höher die Umgebungstemperatur, desto geringer fällt die maximal erlaubte Verlustleistung aus. Diesen Zusammenhang bezeichnet man auch als '''Derating'''.<br />
<br />
===Beispielrechnung===<br />
<br />
Ein Spannungsregler vom Typ 7805 im TO220-Gehäuse soll ohne Kühlkörper betrieben werden. Wie hoch ist die maximal erlaubte Verlustleistung, wenn die Sperrschichttemperatur 120°C nicht überschreiten soll und die Umgebungstemperatur 25°C beträgt?<br />
<br />
Zunächst werfen wir einen Blick ins Datenblatt des Spannungsreglers und entnehmen die Angaben für die thermischen Widerstände. Dann halten wir alle gegebenen Größen fest:<br />
<br />
*'''Gegeben'''<br />
*:* <math>R_{th(jc)}=5 \frac{K}{W}</math> (aus dem Datenblatt)<br />
*:* <math>R_{th(ja)}=62 \frac{K}{W}</math> (aus dem Datenblatt)<br />
*:* <math>\vartheta_{j}=125°C</math><br />
*:* <math>\vartheta_{a}=25°C</math><br />
*'''Gesucht'''<br />
*:* <math>P_{v,max}</math><br />
*'''Rechnung'''<br />
*:Wir verwenden die Formel von oben und erhalten als Ergebnis<br />
*:<math>P_{V,max} = \frac{\vartheta_{j}-\vartheta_{a}}{R_{th(ja)}} = \frac{120°C-25°C}{62\frac{K}{W}} = \frac{95K}{62\frac{K}{W}} \approx 1,5 Watt</math><br />
*:Die maximal erlaubte Verlustleistung des Spannungsreglers ohne Kühlkörper darf demnach 1,5 Watt nicht überschreiten.<br />
*'''Zusatz'''<br />
*:Mit unserem Ersatzschaltbild können wir außerdem die Temperatur des Gehäuses (Case) des Spannungsreglers angeben. Dafür benötigen wir noch die Angabe <math>R_{th(ca)}</math>, welche allerdings im Datenblatt nicht angegeben ist.<br />
*:Da wir aber wissen, dass <math>R_{th(ja)}=R_{th(jc)}+R_{th(ca)}</math> gilt, können wir die fehlende Größe ausrechnen. Diese ist<br />
*:<math>R_{th(ca)}=R_{th(ja)}-R_{th(jc)}=62\frac{K}{W}-5\frac{K}{W}=57\frac{K}{W}</math>.<br />
*:Nun lässt sich die Gehäusetemperatur berechnen:<br />
*:<math>\vartheta_{c}=\vartheta_{a}+R_{th(ca)} \cdot P_{V}=25°C+57\frac{K}{W} \cdot 1,5 W \approx 111 °C</math><br />
*'''Bemerkung'''<br />
*:In der Praxis wird einem TO220-Gehäuse ungekühlt eine maximale Verlustleistung von 1 Watt zugerechnet. Die Temperaturen sind niedriger, die Lebensdauer des Bauteils höher.<br />
<br />
==Bauteil mit Kühlkörper und T.I.M.==<br />
<br />
Der Betrieb eines ICs ohne Kühlkörper, wie im vorigen Abschnitt beschrieben, funktioniert nur bei kleinen Leistungen und führt meist auch zu einer verringerten Lebensdauer des Bauteils. Viele Bauteile können ihre angegebenen Maximalwerte nur bei vernünftiger Kühlung erreichen. In diesem Abschnitt wird nun ein typisches Szenario mit Kühlkörperberechnung vorgestellt.<br />
<br />
Befassen wir uns zunächst mit der typischen mechanischen Anordnung. Das zu kühlende IC wird thermisch an einen Kühlkörper gekoppelt. In der Praxis wird man das IC aber nicht direkt auf dem Kühlkörper befestigen, sondern über ein sogenanntes ''thermisches Interface-Material'' (T.I.M.), um Unebenheiten und mechanische Abstände auszugleichen oder um für Insolierung zu sorgen. Details zum T.I.M. folgen im Unterabschnitt. Die typische Anordnung zeigt die folgende Abbildung.<br />
<br />
[[Bild:kühlkörper-schichten.png|300px]]<br />
<br />
Folgende thermischen Widerstände treten hier in Kraft:<br />
*<math>R_{th(jc)}</math> für den Übergang Chip zu Bauteilgehäuse<br />
*<math>R_{th(ch)}</math> für den Übergang Bauteilgehäuse zu Kühlkörper (also über das T.I.M.)<br />
*<math>R_{th(ha)}</math> für den Übergang Kühlkörper zur Umgebung<br />
<br />
Aus diesen thermischen Widerständen wird ein thermisches Ersatzschaltbild angefertigt. Dieses zeigt die nächste Abbildung.<br />
<br />
[[Bild:Therm-esb2.png|700px]]<br />
<br />
Zunächst soll die Formel zur Berechnung der Chiptemperatur aufgestellt werden, die Formel erhält man wieder durch die Anwendung der Kirchhoffschen Gleichungen im Ersatzschaltbild.<br />
<br />
<math>\vartheta_{j}=\vartheta_{a}+(R_{th(jc)}+R_{th(ch)}+R_{th(ha)}) \cdot P_{V}</math><br />
<br />
Die Formel wird in der Praxis jedoch in einer anderen Form benötigt. Meist steht man als Entwickler vor der Aufgabe, den erforderlichen thermischen Widerstand <math>R_{th(ha)}</math> des Kühlkörpers zu bestimmen, sofern die Größen Umgebungstemperatur, Sperrschichttemperatur, Verlustleistung sowie die verbleibenden thermischen Widerstände gegeben sind. Anhand des berechneten Wärmewiderstands des Kühlkörpers können dann aus Produktkatalogen geeignete Kühlkörper bestimmt werden.<br />
<br />
Wir müssen dafür also die Gleichung nach <math>R_{th(ha)}</math> auflösen. Wir erhalten die praxisübliche Berechnungsformel:<br />
<br />
<math>R_{th(ha)}=\frac{\vartheta_{j}-\vartheta_{a}}{P_{V}}-R_{th(jc)}-R_{th(ch)}</math><br />
<br />
In manchen Quellen sind enthält diese Formel außerdem Korrekturfaktoren, die z.B. die Einbaulage o.ä. berücksichtigen können.<br />
<br />
===Beispielrechnung===<br />
<br />
Für einen Spannungsregler vom Typ 7805 im TO220-Gehäuse soll ein Kühlkörper dimensioniert werden. Die Eingangsspannung des Reglers beträgt 12V, die Ausgangsspannung von 5V wird mit 500mA belastet. Die Umgebungstemperatur sei 30°C. Der Spannungsregler wird mit Wärmeleitpaste auf dem Kühlkörper montiert, für diesen Wärmewiderstand wird 0,5 K/W angenommen. Welchen Wärmewiderstand darf der Kühlkörper höchstens haben, wenn als maximale Sperrschichttemperatur 110°C angenommen wird?<br />
<br />
Diese Aufgabe kann so durchaus in der Praxis auftreten. Von den vielen Angaben darf man sich zunächst nicht verunsichern lassen. Wir verwenden das gezeigte thermische Ersatzschaltbild. Für die Rechnung benötigen wir außerdem noch den thermischen Widerstand <math>R_{th(jc)}</math> aus dem Datenblatt.<br />
<br />
*'''Gegeben'''<br />
*:<math>R_{th(jc)}=5 \frac{K}{W}</math> (aus dem Datenblatt)<br />
*:<math>R_{th(ch)}=0,5 \frac{K}{W}</math><br />
*:<math>\vartheta_{j}=110°C</math><br />
*:<math>\vartheta_{a}=30°C</math><br />
*:<math>U_{ein}=12V</math><br />
*:<math>U_{aus}=5V</math><br />
*:<math>I=0,5A</math><br />
*'''Gesucht'''<br />
*:<math>R_{th(ha)}</math><br />
*'''Rechnung'''<br />
*:Zunächst muss die Verlustleistung am Regler berechnet werden. Diese beträgt<br />
*:<math>P_V=P_{Ein}-P_{Aus}=12V \cdot 0,5A~-~5V \cdot 0,5A=3,5 W</math>.<br />
*:Nun sind eigentlich auch schon alle Angaben vorhanden, sodass wir die Formel verwenden können.<br />
*:<math>R_{th(ha)}=\frac{\vartheta_{j}-\vartheta_{a}}{P_{V}}-R_{th(jc)}-R_{th(ch)}</math><br />
*:Einsetzen:<br />
*:<math>R_{th(ha)}=\frac{110°C-30°C}{3,5W}-5\frac{K}{W}-0,5\frac{K}{W} \approx 17,4\frac{K}{W}</math><br />
*'''Ergebnis'''<br />
*:Der Wärmewiderstand des Kühlkörpers darf maximal <math>17,4\frac{K}{W}</math> betragen.<br />
*'''Zusatz'''<br />
*:Aus dem Katalog wird ein Kühlkörper mit einem Wärmewiderstand von <math>10\frac{K}{W}</math> gewählt. Welche Temperatur erreicht der Kühlkörper, wenn er bei den gegebenen Bedingungen eingesetzt wird?<br />
*:<math>\vartheta_h=\vartheta_a+P_{V} \cdot R_{th(ha)}=30°C+3,5W \cdot 10 \frac{K}{W} \approx 65°C</math><br />
<br />
===Thermische Interface-Materialien (T.I.M.) und Montage===<br />
Wie bereits erwähnt, werden ICs in der Praxis nicht direkt auf einen Kühlkörper befestigt. Der Grund dafür ist folgender: Durch Unebenheiten und die rauhe Oberfläche von Kühlkörper und IC berühren sich die betreffenden Flächen unter dem Mikroskop gesehen nur minimal. Durch Lufteinschlüsse und die Tatsache, dass Luft ein schlechter Wärmeleiter ist, fällt in diesem Fall die thermische Anbindung des ICs an den Kühlkörper relativ schlecht aus.<br />
<br />
Zum Ausgleich der Unebenheiten eignet sich Wärmeleitpaste, welche dünn auf die Kontaktfläche aufgetragen wird. Es genügt eine sehr geringe Menge der Wärmeleitpaste, die Schichtdicke liegt in der Größenordnung 0,1mm. Die Aufgabe der Wärmeleitpaste ist, die Unebenheiten der Kontaktflächen auszugleichen. Zu viel Wärmeleitpaste erhöht wiederum den thermischen Übergangswiderstand. <br />
<br />
Ist zusätzlich eine elektrische Isolation zwischen IC und Kühlkörper erforderlich, können Glimmerscheiben (engl. mica) eingesetzt werden. Elektrische Isolation ist erforderlich, falls zum Beispiel mehrere Transistoren auf einen Kühlkörper montiert werden sollen und eine elektrische Verbindung der Kühlfahnen über den Kühlkörper zu Kurzschlüssen führen würde. Werden Glimmerscheiben verwendet, müssen diese beidseitig mit Wärmeleitpaste bestrichen werden, um sämtliche Unebenheiten auszugleichen. Die Glimmerscheiben werden zwischen IC und Kühlkörper eingebaut. Werden die ICs an den Kühlkörper geschraubt, muss auch die Schraube elektrisch isoliert werden. Hierfür sind entsprechende Hülsen aus Kunststoff erhältlich.<br />
<br />
Wärmeleitfolien aus Silikon /Gap-Filler<br />
<br />
BAUSTELLE<br />
<br />
Zur Montage der ICs auf dem Kühlkörper gibt es mehrere Möglichkeiten. Üblich sind Schraubmontage oder die Verwendung von Metallclips aus Federstahl. Der Anpressdruck durch die Montage kann die thermische Kopplung des ICs zum Kühlkörper beeinflussen. Die Metallclips haben den Vorteil, dass der Anpressdruck mit der Zeit nicht nachlässt.<br />
<br />
BAUSTELLE<br />
<br />
=Dynamisches Ersatzschaltbild=<br />
<br />
Bei den statischen Ersatzschaltbildern können zeitveränderliche Vorgänge nicht modelliert werden. Um auch den zeitlichen Verlauf der Temperaturen bei z.B. wechselnder Verlustleistung der Bauteile vorhersagen zu können, bedient man sich dem dynamischen Ersatzschaltbild. Dieses enthält neben den thermischen Widerständen auch Wärmekapazitäten. Durch thermische Widerstände und Wärmekapazitäten ergeben sich Zeitkonstanten bei der Erwärmung, sodass das Modell der Realität sehr nahe kommt.<br />
<br />
BAUSTELLE<br />
<br />
=Kühlkörperbauformen=<br />
* Board-Level-Kühlkörper (aufsteckbare/aufklebbare Kühlkörper, auch für SMD, meist 1 Kühlkörper pro IC)<br />
* Strang-/Profilkühlkörper (meist für hohe Leistungen)<br />
* Kühlaggregate (Kanal + Lüfter)<br />
<br />
Wozu eloxierte Oberflächen?<br />
* geringfügig höhere Wärmestrahlung (bei den niedrigen Temperaturen kaum ein Beitrag)<br />
* elektrische Isolation<br />
* Oberflächenschutz<br />
Nachteile:<br />
* erhöhte Wärmeaufnahme aus der unmittelbaren Umgebung!<br />
<br />
Stiftkühlkörper<br />
* hohe Oberfläche<br />
* bei dickem "Rücken"/"Boden" des Kühlkörpers gute Wärmespreizung<br />
* mit erzwungener Konvektion hohe Wärmeübertragung (quer zu den Stiften effektiver als in Stiftrichtung)<br />
* leichter und kompakter als Strangkühlkörper<br />
<br />
todo<br />
<br />
=Lüfter=<br />
Lüfter werden vor allem dann eingesetzt, wenn der Kühlkörper bei rein passiver Kühlung zur groß, zu schwer oder zu teuer wird. Beim Einsatz des Lüfters führt die erzwungene Luftströmung zur besseren Wärmeabgabe an die Luft. Bei gleicher Temperatur kann der Kühlkörper dann kleiner gewählt werden. Bei hohen Leistungen sind der kleinere Kühlkörper mit Lüfter preisgünstiger und kompakter als ein großer, rein passiver Kühlkörper. Um welchen Faktor die Wärmeableitung mit Lüfter verbessert wird, hängt von vielen Parametern ab und kann nicht pauschal angegeben werden.<br />
<br />
Vorteile<br />
* bessere Wärmeabgabe<br />
* Kühlkörper kann bei gleicher Temperatur kleiner, leichter und kostengünstiger werden<br />
* In kleinem Maßstab günstiger als Wasserkühlung o.ä.<br />
<br />
Nachteile<br />
* zusätzlicher Stromverbrauch<br />
* Geräuschentwicklung und Vibrationen<br />
* zusätzliche Kosten für Lüfter und dessen Montage<br />
* Im Falle eines unbemerkten Ausfalls kann die Schaltung überhitzen (Abhilfe: Thermostat, Temperaturfühler oder Tachosignal auswerten)<br />
<br />
Anordnungen:<br />
* Push-Prinzip: Der Lüfter bläst die Luft in den Kühlkörper/-kanal<br />
* Pull-Prinzip: Der Lüfter saugt die Luft aus dem Kühlkörper/-kanal heraus<br />
<br />
Kenngrößen:<br />
* Luftdurchsatz in <math>\frac{m^{3}}{h}</math><br />
* Nennspannung, Nennstrom, Nennleistung<br />
* Typ Axial/Radial<br />
* Größe<br />
* Geräuschpegel<br />
* Art der Lagerung (Kugellager, Sinterbronze-Lager etc.)<br />
* Temperaturbereich<br />
* Lebensdauer, MTBF<br />
<br />
=Entwärmung auf einer Platine=<br />
Beim Leiterplattenentwurf muss bereits in der Designphase abgeschätzt werden, welche Verlustleistungen auftreten und wie die entstehende Wärme abgeführt werden kann. Die Größe, Bauform und Befestigung des Kühlkörpers muss ebenfalls berücksichtigt werden. Für Printmontage sind Kühlkörper verfügbar, welche mit lötbaren Stiften in die Platine gesteckt und verlötet werden. Alternativ sind Schraubverbindungen möglich.<br />
<br />
SMD-Bauteile können meist über die Platine gut entwärmt werden. Dies ist normalerweise nur bei geringen Verlustleistungen möglich. Die Abwärme der Bauteile muss auf eine möglichst große Fläche verteilt werden, durch große Kupferflächen auf der Platine kann dies erreicht werden. Da die Wärmeleitfähigkeit der Kupferauflage deutlich höher ist als die Wärmeleitfähigkeit des Platinenmaterials FR4, wird sich die Wärme hauptsächlich in der Fläche verteilen, jedoch weniger ''durch'' die Platine hindurch. Um die Wärmeleitung durch die Platine (z.B. von Ober- zu Unterseite) zu erhöhen, müssen Durchkontaktierungen gesetzt werden. Sogenannte "Thermal Vias" werden in einer großen Anzahl an das zu entwärmende Bauteil gesetzt und können damit die Wärme zu anderen Kupferlagen der Platine weiterleiten. Die Wärmeleitung durch die Platine hindurch wird verbessert, liegt aber dennoch deutlich unter der Wärmeleitfähigkeit von reinem Kupfer. Thermische Vias können aufgrund ihrer kleinen Masse kaum einen Beitrag zur gesamten "Kühlmasse" beitragen. Ob schließlich eine Entwärmung durch die Platine ausreicht, muss durch Simulation oder Messung gezeigt werden.<br />
<br />
Die Einbaulage der Platine kann die Entwärmung zudem beeinflussen. Erwärmte Umgebungsluft steigt nach oben und kann andere Komponenten oder Platinen aufheizen.<br />
<br />
Maßnahmen für bessere Entwärmung:<br />
<br />
* Durchkontaktierungen zur Wärmeleitung zwischen mehreren Kupferlagen, da der Platinenkern (bei FR4: glasfaserverstärktes Epoxidharz) idR. eine sehr schlechte Wärmeleitfähigkeit hat<br />
* Breite Leiterbahnen, welche Wärme abführen und auf eine große Fläche verteilen<br />
* Für große bedrahtete ICs (TO220, Multiwatt...) eignen sich Board-Level-Kühlkörper<br />
* Für kleinere ICs mit Wärmeentwicklung eignen sich aufklebbare Kühlkörper<br />
* Für SMD-Bauteile exisitieren auch Kühlkörper, die sich direkt auf die Platine löten lassen, diese sind auch maschinenbestückbar<br />
* Einsatz spezieller Platinenmaterialien (Alukern, Kupfer-Inlay)...<br />
* je nach Schaltung: dickere Kupferkaschierung für bessere Wärmeausbreitung in der Fläche (Standard sind 35µm, erhältlich sind auch 70µm und mehr)<br />
<br />
Welche Temperatur das Bauteil auf der Platine erreicht, kann nach dem Aufbau natürlich gemessen werden. Besser wäre es jedoch, die Temperaturen bereits beim Entwurf der Platine zu kennen, um einschätzen zu können, ob die Entwärmung ausreichend ist. Allgemeine Angaben hierfür sind schwer zu finden, jedoch gibt es vereinzelt Angaben in Datenblättern von Halbleitern zur Entwärmung. An den folgenden Zahlenwerten kann man sich orientieren, wenn man ähnliche Bauteile entwärmen möchte. Damit man für die genannten Flächen eine grobe Vorstellung hat, sei noch erwähnt: ein Cent hat eine Fläche von grob <math>200mm^2</math>, ein Euro hat grob <math>400mm^2</math>.<br />
<br />
'''TO263 (=D2PAK)'''<br />
<br />
Im Datenblatt des Schaltreglers LM2576 von ''National Semiconductor'' findet man für das TO263-Gehäuse einige Angaben. Das TO263-Gehäuse gleicht übrigens dem TO220 bis auf die Tatsache, dass die Kühlfahne kürzer ist und das Gehäuse für SMD-Montage vorgesehen ist. Das Datenblatt gibt thermische Widerstände für den Übergang Junction-Ambient an. Die Angabe ist abhängig von der Kupferfläche auf der Platine, die unmittelbar für das Bauteil aus Kühlkörper wirkt. Die Zahlenwerte aus dem Datenblatt wurden in Quadratmillimeter umgerechnet, gerundet und stehen nun in der Tabelle bereit. Keine Angaben macht der Hersteller zu den Rahmenbedingungen, unter denen die thermischen Widerstände ermittelt wurden (Platinendicke, Durchkontaktierungen, Form der Kupferfläche und Dicke der Kupferkaschierung). Dennoch können die Werte zur groben Orientierung dienen.<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
| Kupferfläche || therm. Widerstand<br />
|-<br />
| <math>325 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 50\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>645 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 37\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>1030 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 32\frac{K}{W} </math><br />
|}<br />
<br />
'''TO252 (=DPAK), SOT223'''<br />
<br />
Im Datenblatt des Low-Drop-Spannungsreglers LM1117 von ''National Semiconductor'' sind Angaben zur Entwärmung über die Platine von SOT223 und TO252-Gehäusen vorhanden. Der Hersteller gibt an, für das SOT223-Gehäuse eine 35µm dicke, und für das TO252-Gehäuse eine 70µm dicke Kupferkaschierung der Platine verwendet zu haben. Leider finden sich in diesem Datenblatt keine Informationen zu Durchkontaktierungen, Platinendicke, und ob das IC auf der Ober- oder Unterseite der Platine montiert wurde (Vermutung: oben montiert, da angegebene thermische Widerstände geringer sind). Der Hersteller hat drei Fälle untersucht: Kupferfläche oben, Kupferfläche unten, Kupferfläche beidseitig. Für das thermische Platinendesign kann man diese Zahlenwerte zumindest als Richtwerte verwenden. Das Datenblatt enthält zudem Zeichnungen der Kühlflächen. Die Zahlenwerte wurden wieder in Quadratmillimeter umgerechnet und gerundet und in die folgenden Tabelle eingetragen:<br />
<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
| Kupferfläche top || Kupferfläche bottom || therm. Widerstand SOT223 || therm. Widerstand TO252<br />
|-<br />
| <math> 200mm^2</math> || - || <math>R_{th(ja)}\approx 84\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 60\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math> 350mm^2</math> || - || <math>R_{th(ja)}\approx 75\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 54\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math> 650mm^2</math> || - || <math>R_{th(ja)}\approx 66\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 47\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| - || <math> 250mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 98\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 70\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| - || <math> 400mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 89\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 63\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| - || <math> 650mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 79\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 57\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math> 200mm^2</math> || <math> 200mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 83\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 61\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math> 250mm^2</math> || <math> 250mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 75\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 55\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math> 350mm^2</math> || <math> 350mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 70\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 53\frac{K}{W} </math><br />
|}<br />
<br />
Bei gleicher (projizierter) Fläche bring die beidseitige Kupferauflage erstaunlicherweise keinen niedrigeren thermischen Widerstand als wenn die Kupferauflage nur auf der Oberseite vorhanden ist. Vermutlich wurden bei der Messung keine Durchkontaktierungen (Vias) eingebracht oder die Fläche ist insgesamt zu klein, als dass sich ein Effekt zeigen würde.<br />
<br />
'''SO8'''<br />
<br />
Für das SO8-Gehäuse findet man eine Angabe im Datenblatt des Spannungsreglers 78L05 von ''ST'':<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
| Kupferfläche || therm. Widerstand<br />
|-<br />
| <math>600 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 55\frac{K}{W} </math><br />
|}<br />
<br />
'''SO20'''<br />
<br />
Aus dem Datenblatt des L293DD sind Angaben zum SO20-Gehäuse enthalten. In diesem Falle sind 8 zentrale Pins an die Kühlfläche angebunden, die Kupferkaschierung ist vermutlich einseitig 35µm. Die groben Richtwerte sind:<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
| Kupferfläche || therm. Widerstand<br />
|-<br />
| <math>200 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 60\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>400 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 53\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>600 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 51\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>800 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 50\frac{K}{W} </math><br />
|}<br />
<br />
'''PowerDIP20'''<br />
<br />
Für das DIP20-Gehäuse wird man im Datenblatt des Motortreibers L6202 von ''ST'' fündig. Bei 35µm Kupferkaschierung der Platine ergeben sich die folgenden thermischen Widerstände.<br />
<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
| Kupferfläche || therm. Widerstand<br />
|-<br />
| <math>0 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 58\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>200 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 45\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>400 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 39\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>600 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 38\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>800 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 37\frac{K}{W} </math><br />
|}<br />
<br />
Für die Form der empfohlenen Kühlfläche sei auf das Datenblatt verwiesen. Wird das IC in einem Sockel verwendet, muss man sicherlich von höheren thermischen Widerständen ausgehen.<br />
<br />
In der ''Application Note AN-994 - Maximizing the Effectiveness of your SMD Assemblies'' von ''International Rectifier (IRF)'' sind weitere Daten vorhanden. Die dort genannten Daten sind jedoch teils drastisch niedriger als die hier genannten. Eine mögliche Erklärung sind z.B. die höhere Kupferauflage (70µm) oder evtl. optimierte Wärmewiderstände innerhalb der Gehäuse.<br />
<br />
'''Abschlusskommentar'''<br />
<br />
An den gezeigten, thermischen Widerständen sieht man leicht: je größer die Kühlfläche, desto geringer der thermische Widerstand. Dieses Verhalten würde man so auch erwarten.<br />
<br />
Allerdings fällt auch noch auf: Ab einer bestimmten Fläche bringt es nur noch wenig, die Fläche weiter zu vergrößern, da sich der thermische Widerstand ab dann nur noch unwesentlich ändert.<br />
<br />
Die mit den Kupferflächen erreichten thermischen Widerstände sind für viele Anwendungen noch deutlich zu hoch. Bei Verlustleistungen von wenigen Watt werden dadurch bereits kritische Chiptemperaturen erreicht. Wie bereits oben erwähnt, funktioniert die Entwärmung von SMD-Komponenten über die Platine also nur für kleine Verlustleistungen. Bei größeren Verlustleistungen müssen zusätzliche Entwärmungsmaßnahmen getroffen werden (z.B. aufklebbarer Kühlkörper, etc.). Zielführend ist auch, die Ursache der Erwärmung, nämlich die Verlustleistung zu verringern. Wird beispielsweise ein Linearregler durch einen effizienteren Schaltregler ersetzt, kann die Entwärmung aufgrund der kleineren Verlustleistung deutlich einfacher gestaltet werden. Ob die Verringerung der Verlustleistung möglich ist, hängt natürlich von der Anwendung ab.<br />
<br />
=Spezielle Kühlkörper=<br />
<br />
todo<br />
<br />
=Autoren=<br />
* BMS<br />
<br />
[[Kategorie:Elektronik]]<br />
[[Kategorie:Mechanik]] <br />
[[Kategorie:Praxis]] <br />
[[Kategorie:Grundlagen]]<br />
<br />
=Quellen und Verweise=<br />
<br />
* Best, Siegfried W.: ''Elektronikkühlung und Wärmemanagement von A bis Z''. In: Elektronikpraxis - Sonderheft Elektromechanik, April 2013. S. 20ff.<br />
* Best, Tobias: ''Thermisches Via, die kleine Schwester der Heatpipe''. In: Elektronikpraxis, April 2013. S. 12ff.<br />
* Erdmann, Marc: ''Beste Effizienz auch beim Thermal Management''. In: Elektronikpraxis - Sonderheft Leistungelektronik und Stromversorgung. März 2015. S. 38ff.<br />
* Kerstin, Nils; Schulz, Martin: ''Thermische Widerstände genau messen - eine Herausforderung''. In: Elektronikpraxis, Nr. 17, September 2014. S. 48ff.<br />
* K.R. (Alutronic): ''Stiftkühlkörper für die Leistungselektronik''. In: Elektronikpraxis Nr.9, Mai 2014. S. 50ff.<br />
* Harpain, Jürgen: ''Wärmeleitmaterial kompensiert Lufteinschlüsse''. In: Elektronikpraxis Nr.1, Januar 2014. S. 36ff.<br />
* Harpain, Jürgen: ''Entwärmungskonzepte für Einzelhalbleiter und ICs''. In: Elektronikpraxis - Sonderheft Elektromechanik, April 2014. S. 14ff.<br />
* Schulz, Martin: ''Fünf Fettnäpfchen beim Bestimmen thermischer Größen''. In: Elektronikpraxis, November 2013. S. 36ff.<br />
* Schulz, Martin: ''Mythen und Legenden über Wärmeleitmaterialien''. In: Elektronikpraxis Nr.2., Januar 2014. S. 42ff.</div>BMShttps://rn-wissen.de/wiki/index.php?title=K%C3%BChlk%C3%B6rper&diff=26374Kühlkörper2015-05-18T07:19:21Z<p>BMS: Entwärmung auf einer Platine: SO8 hinzugefügt</p>
<hr />
<div>{{Baustelle|BMS}}<br />
<br />
Dieser Artikel behandelt die Grundlagen zu Kühlkörpern.<br />
<br />
[[Bild:kühlkörper-übersicht.jpg|thumb|Verschiedene Kühlkörper, links ein TO220-Gehäuse zum Größenvergleich]]<br />
<br />
=Einleitung=<br />
<br />
'''Wieso sind überhaupt Kühlkörper in technischen Geräten erforderlich?'''<br />
<br />
Kein Gerät kann einen 100-prozentigen Wirkungsgrad erzielen und somit tritt Verlustleistung auf. Diese Verlustleistung führt zur Erwärmung der Bauteile. Kühlkörper sollen die Entwärmung verbessern, indem die entstehende Wärme auf eine große Fläche verteilt wird und durch Konvektion an der Luft auskühlen kann. Die Temperatur an den heißen Bauteilen ist mit Kühlkörper geringer als ohne Kühlkörper.<br />
<br />
'''Wieso sind hohe Bauteiltemperaturen ungünstig?'''<br />
<br />
Die Lebensdauer aller elektronischen Bauteile ist stark von der Temperatur abhängig. Als Faustregel gilt: Eine Temperaturerhöhung um 10 Grad führt zur Halbierung der Lebensdauer. Außerdem gibt es Grenztemperaturen, die nicht überschritten werden dürfen. Beispielsweise dürfen Halbleiter keine Temperatur über 150°C erreichen. Extrembeispiele sind die Schmelztemperatur von Isolierungen, Lötzinn etc... sowie Brandgefahr durch hohe Temperaturen. Viele Bauteile können ohne vernünftige Kühlung nicht ihren vollen Funktionsumfang erreichen, liefern dann z.B. geringere Maximalströme oder es greift die Temperaturabschaltung. Anders formuliert: Die maximale Leistung eines Bauteils oder Geräts wird durch seine Entwärmung bestimmt! Zur eigenen Sicherheit bietet es sich zudem an, die Temperaturen niedrig zu halten, sodass man sich am Gerät nicht die Finger verbrennen kann ;)<br />
<br />
=Wärmeübertragung=<br />
Prinzipiell kann Wärmeübertragung über Wärmeleitung, Konvektion und Wärmestrahlung geschehen. In vielen Anwendungen treten mehrere Mechanismen gleichzeitig auf. Welcher Mechanismus hauptsächlich auftritt, ist von der mechanischen Anordnung, den Materialien und der Temperatur abhängig. Wärmeleitung und Konvektion sind die wichtigsten Arten der Wärmeübertragung, die in der Praxis auftreten. Nun zu den einzelnen Effekten:<br />
<br />
*'''Wärmeleitung'''<br />
*: Bei der Wärmeleitung wird die Wärme über einen direkten mechanischen Kontakt (Bsp. IC <math>\rightarrow</math>Kühlkörper) übertragen. Den beteiligten Materialien wird jeweils eine spezifische Wärmeleitfähigkeit <math>\lambda</math> zugeordnet, dazu später mehr.<br />
<br />
*'''Konvektion'''<br />
*: Mit Konvektion wird die Strömungsbewegung in Flüssigkeiten und Gasen bezeichnet. Praxisbeispiele sind die Wärmeabgabe eines Kühlkörpers an die Umgebungsluft oder auch eine Wasserkühlung. Von erzwungener Konvektion spricht man, wenn die Strömung durch z.B. einen Ventilator/Lüfter oder eine Wasserpumpe hervorgerufen wird. Im Vakuum kann keine Konvektion auftreten.<br />
<br />
*'''Wärmestrahlung'''<br />
*: Wärmestrahlung ist elektromagnetische Strahlung (hauptsächlich Infrarot und sichtbares Licht), die vom heißen Festkörper abgestrahlt wird. Sie wird erst bei höheren Temperaturen relevant und ist bei den üblichen Kühlkörpertemperaturen meist zu vernachlässigen. Erwähnt werden soll zudem, dass Wärmestrahlung der einzige Mechanismus der Wärmeleitung ist, welcher im Vakuum auftreten kann. (Für Details zu Wärmestrahlung siehe auch: Plancksches Strahlungsgesetz und Schwarzer Strahler).<br />
<br />
=Materialien=<br />
Jedes Material besitzt eine spezifische Wärmeleitfähigkeit, welche angibt, wie gut dieses Material Wärme weiter transportieren kann. Die spezifische Wärmeleitfähigkeit ist unabhängig von der Geometrie des Materials, wird mit der Größe <math>\lambda</math> (Lambda) ausgedrückt und erhält die Einheit <math>\frac{W}{m \cdot K}</math>.<br />
<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
|-<br />
| '''Material''' || '''<math>\lambda</math> in <math>\left[ \frac{W}{m \cdot K} \right]</math>'''<br />
|-<br />
| Silber || 430<br />
|-<br />
| Kupfer || 400<br />
|-<br />
| Aluminium || 230<br />
|-<br />
| Silizium || 140 <br />
|-<br />
| Wärmeleitpaste || 5 ... 10<br />
|-<br />
| Glas || 0,7<br />
|-<br />
| Wasser || 0,5<br />
|-<br />
| Platinenmaterial FR4 || 0,2 ... 0,5<br />
|-<br />
| Luft || 0,02<br />
|}<br />
<br />
Die meisten Kühlkörper werden aus Aluminiumlegierungen hergestellt. Für Aluminium spricht seine relativ hohe Wärmeleitfähigkeit, die hohe Verfügbarkeit und geringe Dichte. Im Vergleich zu Kupfer und Silber ist Aluminium deutlich kostengünstiger. Darüber hinaus lässt sich Aluminium mechanisch gut verarbeiten. Kupfer wird mit seiner höheren Wärmeleitfähigkeit z.B. bei Heatpipes eingesetzt.<br />
<br />
todo<br />
<br />
Wärmewiderstand <math>R_{th}=\frac{d}{\lambda \cdot A}</math><br />
<br />
d: Materialdicke, welche für die Wärmeleitung relevant ist<br />
<br />
<math>\lambda</math>spezifische Wärmeleitfähigkeit des Materials<br />
<br />
A: Querschnitts-/Kontaktfläche<br />
<br />
=Definitionen=<br />
Um vorauszusagen, wie sich die Temperaturen in einer Schaltung verhalten, bedient sich der Ingenieur - wie auch bei vielen anderen Anwendungen - eines Ersatzschaltbildes (ESB). Zur Erstellung eines thermischen Ersatzschaltbildes muss man sich aber zunächst mit den thermischen Größen vertraut machen.<br />
<br />
Die Temperaturen werden mit dem griechischen Buchstaben Theta <math>\theta</math> gekennzeichnet. Temperaturen werden in Grad Celsius (°C), Temperaturdifferenzen in Kelvin (K) angegeben. (Am Rande: Es existiert auch eine Kelvinskala mit dem absoluten Nullpunkt 0 K=-273,15°C). Die Temperaturen werden außerdem noch mit einem Index gekennzeichnet, abhängig von der mechanischen Stelle, an der sie auftreten:<br />
<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
|-<br />
| Symbol || Index || Bedeutung<br />
|-<br />
| <math>\vartheta_{J}</math> || J=Junction || Sperrschichttemperatur des Halbleiters<br />
|-<br />
| <math>\vartheta_{C}</math> || C=Case || Gehäusetemperatur des Bauteils<br />
|-<br />
| <math>\vartheta_{H}</math> || H=Heat Sink || Temperatur des Kühlkörpers<br />
|-<br />
| <math>\vartheta_{A}</math> || A=Ambient || Umgebungstemperatur<br />
|}<br />
<br />
Die Verlustleistung eines Bauteils beschreibt die Größe <math>P_{V}</math> und wird, wie allgemein bekannt, in Watt angegeben.<br />
<br />
Als neue Größe wird nun der thermische Widerstand eingeführt, dieser wird mit <math>R_{th}</math> beschrieben und bekommt die Einheit <math>\frac{K}{W}</math>. <br />
<br />
Für die thermischen Größen gibt es, ähnlich dem Ohmschen Gesetz, einen linearen Zusammenhang. Dieser lautet<br />
<br />
<math>R_{th}=\frac{\vartheta_{ü}}{P_{V}}</math><br />
<br />
todo<br />
<br />
'''Vergleich elektrischer und thermischer Größen'''<br />
Insgesamt können wir nun eine Analogie zwischen bekannten elektrischen Größen und den thermischen Größen angeben. Die schon gelernten Prinzipien zur Lösung linearer Netzwerke lässt sich auch bei den thermischen Ersatzschaltbildern anwenden.<br />
<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
|-<br />
| elektrisch || thermisch<br />
|-<br />
| Spannung U || Temperatur <math>\vartheta</math><br />
|-<br />
| Strom I || Verlustleistung <math>P_{V}</math><br />
|-<br />
| Widerstand R || thermischer Widerstand <math>R_{th}</math><br />
|}<br />
<br />
=Statisches Ersatzschaltbild=<br />
Mit den thermischen Zusammenhängen haben wir uns inzwischen vertraut gemacht. Nun können wir damit beginnen, thermische Ersatzschaltbilder von einfachen Anordnungen zu erstellen. Mit solchen Modellen können Temperaturen, wie z.B. die Chiptemperatur, vorab berechnet werden. Für die Berechnung müssen Wärmewiderstände, Umgebungstemperatur und Verlustleistung bekannt sein, da sie in die Berechnung einfließen.<br />
<br />
Bei den thermischen Ersatzschaltbildern kann man ein statisches oder ein dynamisches Ersatzschaltbild erstellen. Bei den statischen Ersatzschaltbilder wird davon ausgegangen, dass alle Größen zeitlich konstant sind, bzw. sofort ihre Solltemperatur entsprechend dem Modell annehmen. In der Realität dauert es natürlich eine gewisse Zeit, bis sich alle beteiligten Materialien aufgeheizt haben. Die Temperaturen des statischen Modells werden dabei erst nach einer bestimmten Zeit erreicht. <br />
<br />
Für die meisten Anwendungen genügt es jedoch, das statische thermische Ersatzschaltbild zu erstellen und den Kühlkörper dem entsprechend zu dimensionieren. Die Kühlung wird z.B. auf die maximale oder die mittlere auftretende Verlustleistung dimensioniert. Es wurde bereits erwähnt, dass sich die Bauteiltemperatur auf dessen Lebensdauer auswirkt. Dabei gilt: je niedriger die Bauteiltemperatur, desto länger die zu erwartende Lebensdauer. Je nach Anwendung und Rahmenbedingungen muss eventuell ein Kompromiss zwischen Kühlkörpergröße/kosten und Gerätelebensdauer gewählt werden. Beispielsweise kann der verfügbare Platz, ein Gesamtgewicht oder eine Kostenvorgabe begrenzender Faktor sein. Für einen dauerhaften sicheren Betrieb muss der Kühlkörper und weitere beteiligte Materialien für den worst case ausgelegt oder sogar überdimensioniert werden.<br />
<br />
==Bauteil ohne Kühlkörper==<br />
Um den Umgang mit den thermischen Ersatzschaltbildern zu lernen, soll zunächst mit einem einfachen Beispiel begonnen werden. In diesem Fall wird der Wärmeübergang von einem einzelnen Bauteil zu Luft betrachet, es kommt zunächst also noch kein Kühlkörper zum Einsatz. Das Ersatzschaltbild sieht in diesem Fall folgendermaßen aus:<br />
<br />
[[Bild:Therm-esb1.png|450px]]<br />
<br />
Die am Bauteil entstehende Verlustleistung ist Ursache der Abwärme und wird im thermischen Ersatzschaltbild als ideale Stromquelle modelliert.<br />
<br />
Die Abwärme gelangt nun über den Weg Sperrschicht (Junction) <math>\rightarrow</math> Bauteilgehäuse (Case) <math>\rightarrow</math> Umgebung (Ambient) nach außen. Im Ersatzschaltbild ist jeder Übergang als thermischer Widerstand modelliert. Die genauen Zahlenwerte der Wärmewiderstände lassen sich in der Regel dem Datenblatt des Bauteils entnehmen. Benötigt werden die Werte für <math>R_{th(jc)}</math> und <math>R_{th(ca)}</math>. In manchen Datenblättern findet man die Angabe <math>R_{th(ja)}</math>, was der Reihenschaltung aus den beiden vorher genannten Werten entspricht, also <math>R_{th(ja)}=R_{th(jc)}+R_{th(ca)}</math>.<br />
<br />
Die Umgebungstemperatur wird als ideale Spannungsquelle modelliert. Sämtliche Spannungen im Ersatzschaltbild entsprechen den auftretenden Temperaturen.<br />
<br />
Da es sich nun um ein lineares Netzwerk handelt, gelten hier ebenfalls die Kirchhoff'schen Gleichungen. Relativ leicht lässt sich nun die Temperatur am Bauteilgehäuse (Case) und der Sperrschicht (Junction) berechnen:<br />
<br />
<math>\vartheta_{c}=\vartheta_{a}+R_{th(ca)} \cdot P_{V}</math><br />
<br />
<math>\vartheta_{j}=\vartheta_{a}+R_{th(jc)} \cdot P_{V}+R_{th(ca)} \cdot P_{V}=\vartheta_{a}+(R_{th(jc)}+R_{th(ca)}) \cdot P_{V}=\vartheta_{a}+R_{th(ja)} \cdot P_{V}</math><br />
<br />
Da die thermischen Widerstände bei der Reihenschaltung auch zusammengefasst werden dürfen, beschreibt folgendes thermisches Ersatzschaltbild den gleichen Zusammenhang. Nachteil ist hier allerdings, dass die Temperatur am Gehäuse nicht modelliert wird.<br />
<br />
[[Bild:Therm-esb0.png|300px]]<br />
<br />
Die Überlegungen zur Sperrschichttemperatur kann auch anders interpretiert werden. Gibt man die Sperrschichttemperatur vor, kann man die maximal erlaubte Verlustleistung des Bauteils in Abhängigkeit der Umgebungstemperatur bestimmen. Die folgende Formel erhält man aus Umformung der oberen Gleichung:<br />
<br />
<math>P_{V} \leq \frac{\vartheta_{j}-\vartheta_{a}}{R_{th(ja)}}</math><br />
<br />
Bei Halbleitern darf idR. die Sperrschichttemperatur nicht 150°C überschreiten. Der thermische Widerstand wird hauptsächlich durch das Gehäuse vorgegeben. Aus der Formel sieht man nun folgendes: Je höher die Umgebungstemperatur, desto geringer fällt die maximal erlaubte Verlustleistung aus. Diesen Zusammenhang bezeichnet man auch als '''Derating'''.<br />
<br />
===Beispielrechnung===<br />
<br />
Ein Spannungsregler vom Typ 7805 im TO220-Gehäuse soll ohne Kühlkörper betrieben werden. Wie hoch ist die maximal erlaubte Verlustleistung, wenn die Sperrschichttemperatur 120°C nicht überschreiten soll und die Umgebungstemperatur 25°C beträgt?<br />
<br />
Zunächst werfen wir einen Blick ins Datenblatt des Spannungsreglers und entnehmen die Angaben für die thermischen Widerstände. Dann halten wir alle gegebenen Größen fest:<br />
<br />
*'''Gegeben'''<br />
*:* <math>R_{th(jc)}=5 \frac{K}{W}</math> (aus dem Datenblatt)<br />
*:* <math>R_{th(ja)}=62 \frac{K}{W}</math> (aus dem Datenblatt)<br />
*:* <math>\vartheta_{j}=125°C</math><br />
*:* <math>\vartheta_{a}=25°C</math><br />
*'''Gesucht'''<br />
*:* <math>P_{v,max}</math><br />
*'''Rechnung'''<br />
*:Wir verwenden die Formel von oben und erhalten als Ergebnis<br />
*:<math>P_{V,max} = \frac{\vartheta_{j}-\vartheta_{a}}{R_{th(ja)}} = \frac{120°C-25°C}{62\frac{K}{W}} = \frac{95K}{62\frac{K}{W}} \approx 1,5 Watt</math><br />
*:Die maximal erlaubte Verlustleistung des Spannungsreglers ohne Kühlkörper darf demnach 1,5 Watt nicht überschreiten.<br />
*'''Zusatz'''<br />
*:Mit unserem Ersatzschaltbild können wir außerdem die Temperatur des Gehäuses (Case) des Spannungsreglers angeben. Dafür benötigen wir noch die Angabe <math>R_{th(ca)}</math>, welche allerdings im Datenblatt nicht angegeben ist.<br />
*:Da wir aber wissen, dass <math>R_{th(ja)}=R_{th(jc)}+R_{th(ca)}</math> gilt, können wir die fehlende Größe ausrechnen. Diese ist<br />
*:<math>R_{th(ca)}=R_{th(ja)}-R_{th(jc)}=62\frac{K}{W}-5\frac{K}{W}=57\frac{K}{W}</math>.<br />
*:Nun lässt sich die Gehäusetemperatur berechnen:<br />
*:<math>\vartheta_{c}=\vartheta_{a}+R_{th(ca)} \cdot P_{V}=25°C+57\frac{K}{W} \cdot 1,5 W \approx 111 °C</math><br />
*'''Bemerkung'''<br />
*:In der Praxis wird einem TO220-Gehäuse ungekühlt eine maximale Verlustleistung von 1 Watt zugerechnet. Die Temperaturen sind niedriger, die Lebensdauer des Bauteils höher.<br />
<br />
==Bauteil mit Kühlkörper und T.I.M.==<br />
<br />
Der Betrieb eines ICs ohne Kühlkörper, wie im vorigen Abschnitt beschrieben, funktioniert nur bei kleinen Leistungen und führt meist auch zu einer verringerten Lebensdauer des Bauteils. Viele Bauteile können ihre angegebenen Maximalwerte nur bei vernünftiger Kühlung erreichen. In diesem Abschnitt wird nun ein typisches Szenario mit Kühlkörperberechnung vorgestellt.<br />
<br />
Befassen wir uns zunächst mit der typischen mechanischen Anordnung. Das zu kühlende IC wird thermisch an einen Kühlkörper gekoppelt. In der Praxis wird man das IC aber nicht direkt auf dem Kühlkörper befestigen, sondern über ein sogenanntes ''thermisches Interface-Material'' (T.I.M.), um Unebenheiten und mechanische Abstände auszugleichen oder um für Insolierung zu sorgen. Details zum T.I.M. folgen im Unterabschnitt. Die typische Anordnung zeigt die folgende Abbildung.<br />
<br />
[[Bild:kühlkörper-schichten.png|300px]]<br />
<br />
Folgende thermischen Widerstände treten hier in Kraft:<br />
*<math>R_{th(jc)}</math> für den Übergang Chip zu Bauteilgehäuse<br />
*<math>R_{th(ch)}</math> für den Übergang Bauteilgehäuse zu Kühlkörper (also über das T.I.M.)<br />
*<math>R_{th(ha)}</math> für den Übergang Kühlkörper zur Umgebung<br />
<br />
Aus diesen thermischen Widerständen wird ein thermisches Ersatzschaltbild angefertigt. Dieses zeigt die nächste Abbildung.<br />
<br />
[[Bild:Therm-esb2.png|700px]]<br />
<br />
Zunächst soll die Formel zur Berechnung der Chiptemperatur aufgestellt werden, die Formel erhält man wieder durch die Anwendung der Kirchhoffschen Gleichungen im Ersatzschaltbild.<br />
<br />
<math>\vartheta_{j}=\vartheta_{a}+(R_{th(jc)}+R_{th(ch)}+R_{th(ha)}) \cdot P_{V}</math><br />
<br />
Die Formel wird in der Praxis jedoch in einer anderen Form benötigt. Meist steht man als Entwickler vor der Aufgabe, den erforderlichen thermischen Widerstand <math>R_{th(ha)}</math> des Kühlkörpers zu bestimmen, sofern die Größen Umgebungstemperatur, Sperrschichttemperatur, Verlustleistung sowie die verbleibenden thermischen Widerstände gegeben sind. Anhand des berechneten Wärmewiderstands des Kühlkörpers können dann aus Produktkatalogen geeignete Kühlkörper bestimmt werden.<br />
<br />
Wir müssen dafür also die Gleichung nach <math>R_{th(ha)}</math> auflösen. Wir erhalten die praxisübliche Berechnungsformel:<br />
<br />
<math>R_{th(ha)}=\frac{\vartheta_{j}-\vartheta_{a}}{P_{V}}-R_{th(jc)}-R_{th(ch)}</math><br />
<br />
In manchen Quellen sind enthält diese Formel außerdem Korrekturfaktoren, die z.B. die Einbaulage o.ä. berücksichtigen können.<br />
<br />
===Beispielrechnung===<br />
<br />
Für einen Spannungsregler vom Typ 7805 im TO220-Gehäuse soll ein Kühlkörper dimensioniert werden. Die Eingangsspannung des Reglers beträgt 12V, die Ausgangsspannung von 5V wird mit 500mA belastet. Die Umgebungstemperatur sei 30°C. Der Spannungsregler wird mit Wärmeleitpaste auf dem Kühlkörper montiert, für diesen Wärmewiderstand wird 0,5 K/W angenommen. Welchen Wärmewiderstand darf der Kühlkörper höchstens haben, wenn als maximale Sperrschichttemperatur 110°C angenommen wird?<br />
<br />
Diese Aufgabe kann so durchaus in der Praxis auftreten. Von den vielen Angaben darf man sich zunächst nicht verunsichern lassen. Wir verwenden das gezeigte thermische Ersatzschaltbild. Für die Rechnung benötigen wir außerdem noch den thermischen Widerstand <math>R_{th(jc)}</math> aus dem Datenblatt.<br />
<br />
*'''Gegeben'''<br />
*:<math>R_{th(jc)}=5 \frac{K}{W}</math> (aus dem Datenblatt)<br />
*:<math>R_{th(ch)}=0,5 \frac{K}{W}</math><br />
*:<math>\vartheta_{j}=110°C</math><br />
*:<math>\vartheta_{a}=30°C</math><br />
*:<math>U_{ein}=12V</math><br />
*:<math>U_{aus}=5V</math><br />
*:<math>I=0,5A</math><br />
*'''Gesucht'''<br />
*:<math>R_{th(ha)}</math><br />
*'''Rechnung'''<br />
*:Zunächst muss die Verlustleistung am Regler berechnet werden. Diese beträgt<br />
*:<math>P_V=P_{Ein}-P_{Aus}=12V \cdot 0,5A~-~5V \cdot 0,5A=3,5 W</math>.<br />
*:Nun sind eigentlich auch schon alle Angaben vorhanden, sodass wir die Formel verwenden können.<br />
*:<math>R_{th(ha)}=\frac{\vartheta_{j}-\vartheta_{a}}{P_{V}}-R_{th(jc)}-R_{th(ch)}</math><br />
*:Einsetzen:<br />
*:<math>R_{th(ha)}=\frac{110°C-30°C}{3,5W}-5\frac{K}{W}-0,5\frac{K}{W} \approx 17,4\frac{K}{W}</math><br />
*'''Ergebnis'''<br />
*:Der Wärmewiderstand des Kühlkörpers darf maximal <math>17,4\frac{K}{W}</math> betragen.<br />
*'''Zusatz'''<br />
*:Aus dem Katalog wird ein Kühlkörper mit einem Wärmewiderstand von <math>10\frac{K}{W}</math> gewählt. Welche Temperatur erreicht der Kühlkörper, wenn er bei den gegebenen Bedingungen eingesetzt wird?<br />
*:<math>\vartheta_h=\vartheta_a+P_{V} \cdot R_{th(ha)}=30°C+3,5W \cdot 10 \frac{K}{W} \approx 65°C</math><br />
<br />
===Thermische Interface-Materialien (T.I.M.) und Montage===<br />
Wie bereits erwähnt, werden ICs in der Praxis nicht direkt auf einen Kühlkörper befestigt. Der Grund dafür ist folgender: Durch Unebenheiten und die rauhe Oberfläche von Kühlkörper und IC berühren sich die betreffenden Flächen unter dem Mikroskop gesehen nur minimal. Durch Lufteinschlüsse und die Tatsache, dass Luft ein schlechter Wärmeleiter ist, fällt in diesem Fall die thermische Anbindung des ICs an den Kühlkörper relativ schlecht aus.<br />
<br />
Zum Ausgleich der Unebenheiten eignet sich Wärmeleitpaste, welche dünn auf die Kontaktfläche aufgetragen wird. Es genügt eine sehr geringe Menge der Wärmeleitpaste, die Schichtdicke liegt in der Größenordnung 0,1mm. Die Aufgabe der Wärmeleitpaste ist, die Unebenheiten der Kontaktflächen auszugleichen. Zu viel Wärmeleitpaste erhöht wiederum den thermischen Übergangswiderstand. <br />
<br />
Ist zusätzlich eine elektrische Isolation zwischen IC und Kühlkörper erforderlich, können Glimmerscheiben (engl. mica) eingesetzt werden. Elektrische Isolation ist erforderlich, falls zum Beispiel mehrere Transistoren auf einen Kühlkörper montiert werden sollen und eine elektrische Verbindung der Kühlfahnen über den Kühlkörper zu Kurzschlüssen führen würde. Werden Glimmerscheiben verwendet, müssen diese beidseitig mit Wärmeleitpaste bestrichen werden, um sämtliche Unebenheiten auszugleichen. Die Glimmerscheiben werden zwischen IC und Kühlkörper eingebaut. Werden die ICs an den Kühlkörper geschraubt, muss auch die Schraube elektrisch isoliert werden. Hierfür sind entsprechende Hülsen aus Kunststoff erhältlich.<br />
<br />
Wärmeleitfolien aus Silikon /Gap-Filler<br />
<br />
BAUSTELLE<br />
<br />
Zur Montage der ICs auf dem Kühlkörper gibt es mehrere Möglichkeiten. Üblich sind Schraubmontage oder die Verwendung von Metallclips aus Federstahl. Der Anpressdruck durch die Montage kann die thermische Kopplung des ICs zum Kühlkörper beeinflussen. Die Metallclips haben den Vorteil, dass der Anpressdruck mit der Zeit nicht nachlässt.<br />
<br />
BAUSTELLE<br />
<br />
=Dynamisches Ersatzschaltbild=<br />
<br />
Bei den statischen Ersatzschaltbildern können zeitveränderliche Vorgänge nicht modelliert werden. Um auch den zeitlichen Verlauf der Temperaturen bei z.B. wechselnder Verlustleistung der Bauteile vorhersagen zu können, bedient man sich dem dynamischen Ersatzschaltbild. Dieses enthält neben den thermischen Widerständen auch Wärmekapazitäten. Durch thermische Widerstände und Wärmekapazitäten ergeben sich Zeitkonstanten bei der Erwärmung, sodass das Modell der Realität sehr nahe kommt.<br />
<br />
BAUSTELLE<br />
<br />
=Kühlkörperbauformen=<br />
* Board-Level-Kühlkörper (aufsteckbare/aufklebbare Kühlkörper, auch für SMD, meist 1 Kühlkörper pro IC)<br />
* Strang-/Profilkühlkörper (meist für hohe Leistungen)<br />
* Kühlaggregate (Kanal + Lüfter)<br />
<br />
Wozu eloxierte Oberflächen?<br />
* geringfügig höhere Wärmestrahlung (bei den niedrigen Temperaturen kaum ein Beitrag)<br />
* elektrische Isolation<br />
* Oberflächenschutz<br />
Nachteile:<br />
* erhöhte Wärmeaufnahme aus der unmittelbaren Umgebung!<br />
<br />
Stiftkühlkörper<br />
* hohe Oberfläche<br />
* bei dickem "Rücken"/"Boden" des Kühlkörpers gute Wärmespreizung<br />
* mit erzwungener Konvektion hohe Wärmeübertragung (quer zu den Stiften effektiver als in Stiftrichtung)<br />
* leichter und kompakter als Strangkühlkörper<br />
<br />
todo<br />
<br />
=Lüfter=<br />
Lüfter werden vor allem dann eingesetzt, wenn der Kühlkörper bei rein passiver Kühlung zur groß, zu schwer oder zu teuer wird. Beim Einsatz des Lüfters führt die erzwungene Luftströmung zur besseren Wärmeabgabe an die Luft. Bei gleicher Temperatur kann der Kühlkörper dann kleiner gewählt werden. Bei hohen Leistungen sind der kleinere Kühlkörper mit Lüfter preisgünstiger und kompakter als ein großer, rein passiver Kühlkörper. Um welchen Faktor die Wärmeableitung mit Lüfter verbessert wird, hängt von vielen Parametern ab und kann nicht pauschal angegeben werden.<br />
<br />
Vorteile<br />
* bessere Wärmeabgabe<br />
* Kühlkörper kann bei gleicher Temperatur kleiner, leichter und kostengünstiger werden<br />
* In kleinem Maßstab günstiger als Wasserkühlung o.ä.<br />
<br />
Nachteile<br />
* zusätzlicher Stromverbrauch<br />
* Geräuschentwicklung und Vibrationen<br />
* zusätzliche Kosten für Lüfter und dessen Montage<br />
* Im Falle eines unbemerkten Ausfalls kann die Schaltung überhitzen (Abhilfe: Thermostat, Temperaturfühler oder Tachosignal auswerten)<br />
<br />
Anordnungen:<br />
* Push-Prinzip: Der Lüfter bläst die Luft in den Kühlkörper/-kanal<br />
* Pull-Prinzip: Der Lüfter saugt die Luft aus dem Kühlkörper/-kanal heraus<br />
<br />
Kenngrößen:<br />
* Luftdurchsatz in <math>\frac{m^{3}}{h}</math><br />
* Nennspannung, Nennstrom, Nennleistung<br />
* Typ Axial/Radial<br />
* Größe<br />
* Geräuschpegel<br />
* Art der Lagerung (Kugellager, Sinterbronze-Lager etc.)<br />
* Temperaturbereich<br />
* Lebensdauer, MTBF<br />
<br />
=Entwärmung auf einer Platine=<br />
Beim Leiterplattenentwurf muss bereits in der Designphase abgeschätzt werden, welche Verlustleistungen auftreten und wie die entstehende Wärme abgeführt werden kann. Die Größe, Bauform und Befestigung des Kühlkörpers muss ebenfalls berücksichtigt werden. Für Printmontage sind Kühlkörper verfügbar, welche mit lötbaren Stiften in die Platine gesteckt und verlötet werden. Alternativ sind Schraubverbindungen möglich.<br />
<br />
SMD-Bauteile können meist über die Platine gut entwärmt werden. Dies ist normalerweise nur bei geringen Verlustleistungen möglich. Die Abwärme der Bauteile muss auf eine möglichst große Fläche verteilt werden, durch große Kupferflächen auf der Platine kann dies erreicht werden. Da die Wärmeleitfähigkeit der Kupferauflage deutlich höher ist als die Wärmeleitfähigkeit des Platinenmaterials FR4, wird sich die Wärme hauptsächlich in der Fläche verteilen, jedoch weniger ''durch'' die Platine hindurch. Um die Wärmeleitung durch die Platine (z.B. von Ober- zu Unterseite) zu erhöhen, müssen Durchkontaktierungen gesetzt werden. Sogenannte "Thermal Vias" werden in einer großen Anzahl an das zu entwärmende Bauteil gesetzt und können damit die Wärme zu anderen Kupferlagen der Platine weiterleiten. Die Wärmeleitung durch die Platine hindurch wird verbessert, liegt aber dennoch deutlich unter der Wärmeleitfähigkeit von reinem Kupfer. Thermische Vias können aufgrund ihrer kleinen Masse kaum einen Beitrag zur gesamten "Kühlmasse" beitragen. Ob schließlich eine Entwärmung durch die Platine ausreicht, muss durch Simulation oder Messung gezeigt werden.<br />
<br />
Die Einbaulage der Platine kann die Entwärmung zudem beeinflussen. Erwärmte Umgebungsluft steigt nach oben und kann andere Komponenten oder Platinen aufheizen.<br />
<br />
Maßnahmen für bessere Entwärmung:<br />
<br />
* Durchkontaktierungen zur Wärmeleitung zwischen mehreren Kupferlagen, da der Platinenkern (bei FR4: glasfaserverstärktes Epoxidharz) idR. eine sehr schlechte Wärmeleitfähigkeit hat<br />
* Breite Leiterbahnen, welche Wärme abführen und auf eine große Fläche verteilen<br />
* Für große bedrahtete ICs (TO220, Multiwatt...) eignen sich Board-Level-Kühlkörper<br />
* Für kleinere ICs mit Wärmeentwicklung eignen sich aufklebbare Kühlkörper<br />
* Für SMD-Bauteile exisitieren auch Kühlkörper, die sich direkt auf die Platine löten lassen, diese sind auch maschinenbestückbar<br />
* Einsatz spezieller Platinenmaterialien (Alukern, Kupfer-Inlay)...<br />
* je nach Schaltung: dickere Kupferkaschierung für bessere Wärmeausbreitung in der Fläche (Standard sind 35µm, erhältlich sind auch 70µm und mehr)<br />
<br />
Welche Temperatur das Bauteil auf der Platine erreicht, kann nach dem Aufbau natürlich gemessen werden. Besser wäre es jedoch, die Temperaturen bereits beim Entwurf der Platine zu kennen, um einschätzen zu können, ob die Entwärmung ausreichend ist. Allgemeine Angaben hierfür sind schwer zu finden, jedoch gibt es vereinzelt Angaben in Datenblättern von Halbleitern zur Entwärmung. An den folgenden Zahlenwerten kann man sich orientieren, wenn man ähnliche Bauteile entwärmen möchte. Damit man für die genannten Flächen eine grobe Vorstellung hat, sei noch erwähnt: ein Cent hat eine Fläche von grob <math>200mm^2</math>, ein Euro hat grob <math>400mm^2</math>.<br />
<br />
'''TO263'''<br />
<br />
Im Datenblatt des Schaltreglers LM2576 von ''National Semiconductor'' findet man für das TO263-Gehäuse einige Angaben. Das TO263-Gehäuse gleicht übrigens dem TO220 bis auf die Tatsache, dass die Kühlfahne kürzer ist und das Gehäuse für SMD-Montage vorgesehen ist. Das Datenblatt gibt thermische Widerstände für den Übergang Junction-Ambient an. Die Angabe ist abhängig von der Kupferfläche auf der Platine, die unmittelbar für das Bauteil aus Kühlkörper wirkt. Die Zahlenwerte aus dem Datenblatt wurden in Quadratmillimeter umgerechnet, gerundet und stehen nun in der Tabelle bereit. Keine Angaben macht der Hersteller zu den Rahmenbedingungen, unter denen die thermischen Widerstände ermittelt wurden (Platinendicke, Durchkontaktierungen, Form der Kupferfläche und Dicke der Kupferkaschierung). Dennoch können die Werte zur groben Orientierung dienen.<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
| Kupferfläche || therm. Widerstand<br />
|-<br />
| <math>325 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 50\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>645 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 37\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>1030 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 32\frac{K}{W} </math><br />
|}<br />
<br />
'''SOT223, TO252'''<br />
<br />
Im Datenblatt des Low-Drop-Spannungsreglers LM1117 von ''National Semiconductor'' sind Angaben zur Entwärmung über die Platine von SOT223 und TO252-Gehäusen vorhanden. Der Hersteller gibt an, für das SOT223-Gehäuse eine 35µm dicke, und für das TO252-Gehäuse eine 70µm dicke Kupferkaschierung der Platine verwendet zu haben. Leider finden sich in diesem Datenblatt keine Informationen zu Durchkontaktierungen, Platinendicke, und ob das IC auf der Ober- oder Unterseite der Platine montiert wurde (Vermutung: oben montiert, da angegebene thermische Widerstände geringer sind). Der Hersteller hat drei Fälle untersucht: Kupferfläche oben, Kupferfläche unten, Kupferfläche beidseitig. Für das thermische Platinendesign kann man diese Zahlenwerte zumindest als Richtwerte verwenden. Das Datenblatt enthält zudem Zeichnungen der Kühlflächen. Die Zahlenwerte wurden wieder in Quadratmillimeter umgerechnet und gerundet und in die folgenden Tabelle eingetragen:<br />
<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
| Kupferfläche top || Kupferfläche bottom || therm. Widerstand SOT223 || therm. Widerstand TO252<br />
|-<br />
| <math> 200mm^2</math> || - || <math>R_{th(ja)}\approx 84\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 60\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math> 350mm^2</math> || - || <math>R_{th(ja)}\approx 75\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 54\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math> 650mm^2</math> || - || <math>R_{th(ja)}\approx 66\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 47\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| - || <math> 250mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 98\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 70\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| - || <math> 400mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 89\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 63\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| - || <math> 650mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 79\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 57\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math> 200mm^2</math> || <math> 200mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 83\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 61\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math> 250mm^2</math> || <math> 250mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 75\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 55\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math> 350mm^2</math> || <math> 350mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 70\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 53\frac{K}{W} </math><br />
|}<br />
<br />
Bei gleicher (projizierter) Fläche bring die beidseitige Kupferauflage erstaunlicherweise keinen niedrigeren thermischen Widerstand als wenn die Kupferauflage nur auf der Oberseite vorhanden ist. Vermutlich wurden bei der Messung keine Durchkontaktierungen (Vias) eingebracht oder die Fläche ist insgesamt zu klein, als dass sich ein Effekt zeigen würde.<br />
<br />
'''SO8'''<br />
<br />
Für das SO8-Gehäuse findet man eine Angabe im Datenblatt des Spannungsreglers 78L05 von ''ST'':<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
| Kupferfläche || therm. Widerstand<br />
|-<br />
| <math>600 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 55\frac{K}{W} </math><br />
|}<br />
<br />
'''SO20'''<br />
<br />
Aus dem Datenblatt des L293DD sind Angaben zum SO20-Gehäuse enthalten. In diesem Falle sind 8 zentrale Pins an die Kühlfläche angebunden, die Kupferkaschierung ist vermutlich einseitig 35µm. Die groben Richtwerte sind:<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
| Kupferfläche || therm. Widerstand<br />
|-<br />
| <math>200 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 60\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>400 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 53\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>600 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 51\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>800 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 50\frac{K}{W} </math><br />
|}<br />
<br />
'''PowerDIP20'''<br />
<br />
Für das DIP20-Gehäuse wird man im Datenblatt des Motortreibers L6202 von ''ST'' fündig. Bei 35µm Kupferkaschierung der Platine ergeben sich die folgenden thermischen Widerstände.<br />
<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
| Kupferfläche || therm. Widerstand<br />
|-<br />
| <math>0 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 58\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>200 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 45\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>400 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 39\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>600 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 38\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>800 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 37\frac{K}{W} </math><br />
|}<br />
<br />
Für die Form der empfohlenen Kühlfläche sei auf das Datenblatt verwiesen. Wird das IC in einem Sockel verwendet, muss man sicherlich von höheren thermischen Widerständen ausgehen.<br />
<br />
'''Abschlusskommentar'''<br />
<br />
An den gezeigten, thermischen Widerständen sieht man leicht: je größer die Kühlfläche, desto geringer der thermische Widerstand. Dieses Verhalten würde man so auch erwarten.<br />
<br />
Allerdings fällt auch noch auf: Ab einer bestimmten Fläche bringt es nur noch wenig, die Fläche weiter zu vergrößern, da sich der thermische Widerstand ab dann nur noch unwesentlich ändert.<br />
<br />
Die mit den Kupferflächen erreichten thermischen Widerstände sind für viele Anwendungen noch deutlich zu hoch. Bei Verlustleistungen von wenigen Watt werden dadurch bereits kritische Chiptemperaturen erreicht. Wie bereits oben erwähnt, funktioniert die Entwärmung von SMD-Komponenten über die Platine also nur für kleine Verlustleistungen. Bei größeren Verlustleistungen müssen zusätzliche Entwärmungsmaßnahmen getroffen werden (z.B. aufklebbarer Kühlkörper, etc.). Zielführend ist auch, die Ursache der Erwärmung, nämlich die Verlustleistung zu verringern. Wird beispielsweise ein Linearregler durch einen effizienteren Schaltregler ersetzt, kann die Entwärmung aufgrund der kleineren Verlustleistung deutlich einfacher gestaltet werden. Ob die Verringerung der Verlustleistung möglich ist, hängt natürlich von der Anwendung ab.<br />
<br />
=Spezielle Kühlkörper=<br />
<br />
todo<br />
<br />
=Autoren=<br />
* BMS<br />
<br />
[[Kategorie:Elektronik]]<br />
[[Kategorie:Mechanik]] <br />
[[Kategorie:Praxis]] <br />
[[Kategorie:Grundlagen]]<br />
<br />
=Quellen und Verweise=<br />
<br />
* Best, Siegfried W.: ''Elektronikkühlung und Wärmemanagement von A bis Z''. In: Elektronikpraxis - Sonderheft Elektromechanik, April 2013. S. 20ff.<br />
* Best, Tobias: ''Thermisches Via, die kleine Schwester der Heatpipe''. In: Elektronikpraxis, April 2013. S. 12ff.<br />
* Erdmann, Marc: ''Beste Effizienz auch beim Thermal Management''. In: Elektronikpraxis - Sonderheft Leistungelektronik und Stromversorgung. März 2015. S. 38ff.<br />
* Kerstin, Nils; Schulz, Martin: ''Thermische Widerstände genau messen - eine Herausforderung''. In: Elektronikpraxis, Nr. 17, September 2014. S. 48ff.<br />
* K.R. (Alutronic): ''Stiftkühlkörper für die Leistungselektronik''. In: Elektronikpraxis Nr.9, Mai 2014. S. 50ff.<br />
* Harpain, Jürgen: ''Wärmeleitmaterial kompensiert Lufteinschlüsse''. In: Elektronikpraxis Nr.1, Januar 2014. S. 36ff.<br />
* Harpain, Jürgen: ''Entwärmungskonzepte für Einzelhalbleiter und ICs''. In: Elektronikpraxis - Sonderheft Elektromechanik, April 2014. S. 14ff.<br />
* Schulz, Martin: ''Fünf Fettnäpfchen beim Bestimmen thermischer Größen''. In: Elektronikpraxis, November 2013. S. 36ff.<br />
* Schulz, Martin: ''Mythen und Legenden über Wärmeleitmaterialien''. In: Elektronikpraxis Nr.2., Januar 2014. S. 42ff.</div>BMShttps://rn-wissen.de/wiki/index.php?title=K%C3%BChlk%C3%B6rper&diff=26373Kühlkörper2015-05-17T15:12:21Z<p>BMS: Kühlung auf einer Platine: SO20-, DIP20-Gehäuse, Kommentar</p>
<hr />
<div>{{Baustelle|BMS}}<br />
<br />
Dieser Artikel behandelt die Grundlagen zu Kühlkörpern.<br />
<br />
[[Bild:kühlkörper-übersicht.jpg|thumb|Verschiedene Kühlkörper, links ein TO220-Gehäuse zum Größenvergleich]]<br />
<br />
=Einleitung=<br />
<br />
'''Wieso sind überhaupt Kühlkörper in technischen Geräten erforderlich?'''<br />
<br />
Kein Gerät kann einen 100-prozentigen Wirkungsgrad erzielen und somit tritt Verlustleistung auf. Diese Verlustleistung führt zur Erwärmung der Bauteile. Kühlkörper sollen die Entwärmung verbessern, indem die entstehende Wärme auf eine große Fläche verteilt wird und durch Konvektion an der Luft auskühlen kann. Die Temperatur an den heißen Bauteilen ist mit Kühlkörper geringer als ohne Kühlkörper.<br />
<br />
'''Wieso sind hohe Bauteiltemperaturen ungünstig?'''<br />
<br />
Die Lebensdauer aller elektronischen Bauteile ist stark von der Temperatur abhängig. Als Faustregel gilt: Eine Temperaturerhöhung um 10 Grad führt zur Halbierung der Lebensdauer. Außerdem gibt es Grenztemperaturen, die nicht überschritten werden dürfen. Beispielsweise dürfen Halbleiter keine Temperatur über 150°C erreichen. Extrembeispiele sind die Schmelztemperatur von Isolierungen, Lötzinn etc... sowie Brandgefahr durch hohe Temperaturen. Viele Bauteile können ohne vernünftige Kühlung nicht ihren vollen Funktionsumfang erreichen, liefern dann z.B. geringere Maximalströme oder es greift die Temperaturabschaltung. Anders formuliert: Die maximale Leistung eines Bauteils oder Geräts wird durch seine Entwärmung bestimmt! Zur eigenen Sicherheit bietet es sich zudem an, die Temperaturen niedrig zu halten, sodass man sich am Gerät nicht die Finger verbrennen kann ;)<br />
<br />
=Wärmeübertragung=<br />
Prinzipiell kann Wärmeübertragung über Wärmeleitung, Konvektion und Wärmestrahlung geschehen. In vielen Anwendungen treten mehrere Mechanismen gleichzeitig auf. Welcher Mechanismus hauptsächlich auftritt, ist von der mechanischen Anordnung, den Materialien und der Temperatur abhängig. Wärmeleitung und Konvektion sind die wichtigsten Arten der Wärmeübertragung, die in der Praxis auftreten. Nun zu den einzelnen Effekten:<br />
<br />
*'''Wärmeleitung'''<br />
*: Bei der Wärmeleitung wird die Wärme über einen direkten mechanischen Kontakt (Bsp. IC <math>\rightarrow</math>Kühlkörper) übertragen. Den beteiligten Materialien wird jeweils eine spezifische Wärmeleitfähigkeit <math>\lambda</math> zugeordnet, dazu später mehr.<br />
<br />
*'''Konvektion'''<br />
*: Mit Konvektion wird die Strömungsbewegung in Flüssigkeiten und Gasen bezeichnet. Praxisbeispiele sind die Wärmeabgabe eines Kühlkörpers an die Umgebungsluft oder auch eine Wasserkühlung. Von erzwungener Konvektion spricht man, wenn die Strömung durch z.B. einen Ventilator/Lüfter oder eine Wasserpumpe hervorgerufen wird. Im Vakuum kann keine Konvektion auftreten.<br />
<br />
*'''Wärmestrahlung'''<br />
*: Wärmestrahlung ist elektromagnetische Strahlung (hauptsächlich Infrarot und sichtbares Licht), die vom heißen Festkörper abgestrahlt wird. Sie wird erst bei höheren Temperaturen relevant und ist bei den üblichen Kühlkörpertemperaturen meist zu vernachlässigen. Erwähnt werden soll zudem, dass Wärmestrahlung der einzige Mechanismus der Wärmeleitung ist, welcher im Vakuum auftreten kann. (Für Details zu Wärmestrahlung siehe auch: Plancksches Strahlungsgesetz und Schwarzer Strahler).<br />
<br />
=Materialien=<br />
Jedes Material besitzt eine spezifische Wärmeleitfähigkeit, welche angibt, wie gut dieses Material Wärme weiter transportieren kann. Die spezifische Wärmeleitfähigkeit ist unabhängig von der Geometrie des Materials, wird mit der Größe <math>\lambda</math> (Lambda) ausgedrückt und erhält die Einheit <math>\frac{W}{m \cdot K}</math>.<br />
<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
|-<br />
| '''Material''' || '''<math>\lambda</math> in <math>\left[ \frac{W}{m \cdot K} \right]</math>'''<br />
|-<br />
| Silber || 430<br />
|-<br />
| Kupfer || 400<br />
|-<br />
| Aluminium || 230<br />
|-<br />
| Silizium || 140 <br />
|-<br />
| Wärmeleitpaste || 5 ... 10<br />
|-<br />
| Glas || 0,7<br />
|-<br />
| Wasser || 0,5<br />
|-<br />
| Platinenmaterial FR4 || 0,2 ... 0,5<br />
|-<br />
| Luft || 0,02<br />
|}<br />
<br />
Die meisten Kühlkörper werden aus Aluminiumlegierungen hergestellt. Für Aluminium spricht seine relativ hohe Wärmeleitfähigkeit, die hohe Verfügbarkeit und geringe Dichte. Im Vergleich zu Kupfer und Silber ist Aluminium deutlich kostengünstiger. Darüber hinaus lässt sich Aluminium mechanisch gut verarbeiten. Kupfer wird mit seiner höheren Wärmeleitfähigkeit z.B. bei Heatpipes eingesetzt.<br />
<br />
todo<br />
<br />
Wärmewiderstand <math>R_{th}=\frac{d}{\lambda \cdot A}</math><br />
<br />
d: Materialdicke, welche für die Wärmeleitung relevant ist<br />
<br />
<math>\lambda</math>spezifische Wärmeleitfähigkeit des Materials<br />
<br />
A: Querschnitts-/Kontaktfläche<br />
<br />
=Definitionen=<br />
Um vorauszusagen, wie sich die Temperaturen in einer Schaltung verhalten, bedient sich der Ingenieur - wie auch bei vielen anderen Anwendungen - eines Ersatzschaltbildes (ESB). Zur Erstellung eines thermischen Ersatzschaltbildes muss man sich aber zunächst mit den thermischen Größen vertraut machen.<br />
<br />
Die Temperaturen werden mit dem griechischen Buchstaben Theta <math>\theta</math> gekennzeichnet. Temperaturen werden in Grad Celsius (°C), Temperaturdifferenzen in Kelvin (K) angegeben. (Am Rande: Es existiert auch eine Kelvinskala mit dem absoluten Nullpunkt 0 K=-273,15°C). Die Temperaturen werden außerdem noch mit einem Index gekennzeichnet, abhängig von der mechanischen Stelle, an der sie auftreten:<br />
<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
|-<br />
| Symbol || Index || Bedeutung<br />
|-<br />
| <math>\vartheta_{J}</math> || J=Junction || Sperrschichttemperatur des Halbleiters<br />
|-<br />
| <math>\vartheta_{C}</math> || C=Case || Gehäusetemperatur des Bauteils<br />
|-<br />
| <math>\vartheta_{H}</math> || H=Heat Sink || Temperatur des Kühlkörpers<br />
|-<br />
| <math>\vartheta_{A}</math> || A=Ambient || Umgebungstemperatur<br />
|}<br />
<br />
Die Verlustleistung eines Bauteils beschreibt die Größe <math>P_{V}</math> und wird, wie allgemein bekannt, in Watt angegeben.<br />
<br />
Als neue Größe wird nun der thermische Widerstand eingeführt, dieser wird mit <math>R_{th}</math> beschrieben und bekommt die Einheit <math>\frac{K}{W}</math>. <br />
<br />
Für die thermischen Größen gibt es, ähnlich dem Ohmschen Gesetz, einen linearen Zusammenhang. Dieser lautet<br />
<br />
<math>R_{th}=\frac{\vartheta_{ü}}{P_{V}}</math><br />
<br />
todo<br />
<br />
'''Vergleich elektrischer und thermischer Größen'''<br />
Insgesamt können wir nun eine Analogie zwischen bekannten elektrischen Größen und den thermischen Größen angeben. Die schon gelernten Prinzipien zur Lösung linearer Netzwerke lässt sich auch bei den thermischen Ersatzschaltbildern anwenden.<br />
<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
|-<br />
| elektrisch || thermisch<br />
|-<br />
| Spannung U || Temperatur <math>\vartheta</math><br />
|-<br />
| Strom I || Verlustleistung <math>P_{V}</math><br />
|-<br />
| Widerstand R || thermischer Widerstand <math>R_{th}</math><br />
|}<br />
<br />
=Statisches Ersatzschaltbild=<br />
Mit den thermischen Zusammenhängen haben wir uns inzwischen vertraut gemacht. Nun können wir damit beginnen, thermische Ersatzschaltbilder von einfachen Anordnungen zu erstellen. Mit solchen Modellen können Temperaturen, wie z.B. die Chiptemperatur, vorab berechnet werden. Für die Berechnung müssen Wärmewiderstände, Umgebungstemperatur und Verlustleistung bekannt sein, da sie in die Berechnung einfließen.<br />
<br />
Bei den thermischen Ersatzschaltbildern kann man ein statisches oder ein dynamisches Ersatzschaltbild erstellen. Bei den statischen Ersatzschaltbilder wird davon ausgegangen, dass alle Größen zeitlich konstant sind, bzw. sofort ihre Solltemperatur entsprechend dem Modell annehmen. In der Realität dauert es natürlich eine gewisse Zeit, bis sich alle beteiligten Materialien aufgeheizt haben. Die Temperaturen des statischen Modells werden dabei erst nach einer bestimmten Zeit erreicht. <br />
<br />
Für die meisten Anwendungen genügt es jedoch, das statische thermische Ersatzschaltbild zu erstellen und den Kühlkörper dem entsprechend zu dimensionieren. Die Kühlung wird z.B. auf die maximale oder die mittlere auftretende Verlustleistung dimensioniert. Es wurde bereits erwähnt, dass sich die Bauteiltemperatur auf dessen Lebensdauer auswirkt. Dabei gilt: je niedriger die Bauteiltemperatur, desto länger die zu erwartende Lebensdauer. Je nach Anwendung und Rahmenbedingungen muss eventuell ein Kompromiss zwischen Kühlkörpergröße/kosten und Gerätelebensdauer gewählt werden. Beispielsweise kann der verfügbare Platz, ein Gesamtgewicht oder eine Kostenvorgabe begrenzender Faktor sein. Für einen dauerhaften sicheren Betrieb muss der Kühlkörper und weitere beteiligte Materialien für den worst case ausgelegt oder sogar überdimensioniert werden.<br />
<br />
==Bauteil ohne Kühlkörper==<br />
Um den Umgang mit den thermischen Ersatzschaltbildern zu lernen, soll zunächst mit einem einfachen Beispiel begonnen werden. In diesem Fall wird der Wärmeübergang von einem einzelnen Bauteil zu Luft betrachet, es kommt zunächst also noch kein Kühlkörper zum Einsatz. Das Ersatzschaltbild sieht in diesem Fall folgendermaßen aus:<br />
<br />
[[Bild:Therm-esb1.png|450px]]<br />
<br />
Die am Bauteil entstehende Verlustleistung ist Ursache der Abwärme und wird im thermischen Ersatzschaltbild als ideale Stromquelle modelliert.<br />
<br />
Die Abwärme gelangt nun über den Weg Sperrschicht (Junction) <math>\rightarrow</math> Bauteilgehäuse (Case) <math>\rightarrow</math> Umgebung (Ambient) nach außen. Im Ersatzschaltbild ist jeder Übergang als thermischer Widerstand modelliert. Die genauen Zahlenwerte der Wärmewiderstände lassen sich in der Regel dem Datenblatt des Bauteils entnehmen. Benötigt werden die Werte für <math>R_{th(jc)}</math> und <math>R_{th(ca)}</math>. In manchen Datenblättern findet man die Angabe <math>R_{th(ja)}</math>, was der Reihenschaltung aus den beiden vorher genannten Werten entspricht, also <math>R_{th(ja)}=R_{th(jc)}+R_{th(ca)}</math>.<br />
<br />
Die Umgebungstemperatur wird als ideale Spannungsquelle modelliert. Sämtliche Spannungen im Ersatzschaltbild entsprechen den auftretenden Temperaturen.<br />
<br />
Da es sich nun um ein lineares Netzwerk handelt, gelten hier ebenfalls die Kirchhoff'schen Gleichungen. Relativ leicht lässt sich nun die Temperatur am Bauteilgehäuse (Case) und der Sperrschicht (Junction) berechnen:<br />
<br />
<math>\vartheta_{c}=\vartheta_{a}+R_{th(ca)} \cdot P_{V}</math><br />
<br />
<math>\vartheta_{j}=\vartheta_{a}+R_{th(jc)} \cdot P_{V}+R_{th(ca)} \cdot P_{V}=\vartheta_{a}+(R_{th(jc)}+R_{th(ca)}) \cdot P_{V}=\vartheta_{a}+R_{th(ja)} \cdot P_{V}</math><br />
<br />
Da die thermischen Widerstände bei der Reihenschaltung auch zusammengefasst werden dürfen, beschreibt folgendes thermisches Ersatzschaltbild den gleichen Zusammenhang. Nachteil ist hier allerdings, dass die Temperatur am Gehäuse nicht modelliert wird.<br />
<br />
[[Bild:Therm-esb0.png|300px]]<br />
<br />
Die Überlegungen zur Sperrschichttemperatur kann auch anders interpretiert werden. Gibt man die Sperrschichttemperatur vor, kann man die maximal erlaubte Verlustleistung des Bauteils in Abhängigkeit der Umgebungstemperatur bestimmen. Die folgende Formel erhält man aus Umformung der oberen Gleichung:<br />
<br />
<math>P_{V} \leq \frac{\vartheta_{j}-\vartheta_{a}}{R_{th(ja)}}</math><br />
<br />
Bei Halbleitern darf idR. die Sperrschichttemperatur nicht 150°C überschreiten. Der thermische Widerstand wird hauptsächlich durch das Gehäuse vorgegeben. Aus der Formel sieht man nun folgendes: Je höher die Umgebungstemperatur, desto geringer fällt die maximal erlaubte Verlustleistung aus. Diesen Zusammenhang bezeichnet man auch als '''Derating'''.<br />
<br />
===Beispielrechnung===<br />
<br />
Ein Spannungsregler vom Typ 7805 im TO220-Gehäuse soll ohne Kühlkörper betrieben werden. Wie hoch ist die maximal erlaubte Verlustleistung, wenn die Sperrschichttemperatur 120°C nicht überschreiten soll und die Umgebungstemperatur 25°C beträgt?<br />
<br />
Zunächst werfen wir einen Blick ins Datenblatt des Spannungsreglers und entnehmen die Angaben für die thermischen Widerstände. Dann halten wir alle gegebenen Größen fest:<br />
<br />
*'''Gegeben'''<br />
*:* <math>R_{th(jc)}=5 \frac{K}{W}</math> (aus dem Datenblatt)<br />
*:* <math>R_{th(ja)}=62 \frac{K}{W}</math> (aus dem Datenblatt)<br />
*:* <math>\vartheta_{j}=125°C</math><br />
*:* <math>\vartheta_{a}=25°C</math><br />
*'''Gesucht'''<br />
*:* <math>P_{v,max}</math><br />
*'''Rechnung'''<br />
*:Wir verwenden die Formel von oben und erhalten als Ergebnis<br />
*:<math>P_{V,max} = \frac{\vartheta_{j}-\vartheta_{a}}{R_{th(ja)}} = \frac{120°C-25°C}{62\frac{K}{W}} = \frac{95K}{62\frac{K}{W}} \approx 1,5 Watt</math><br />
*:Die maximal erlaubte Verlustleistung des Spannungsreglers ohne Kühlkörper darf demnach 1,5 Watt nicht überschreiten.<br />
*'''Zusatz'''<br />
*:Mit unserem Ersatzschaltbild können wir außerdem die Temperatur des Gehäuses (Case) des Spannungsreglers angeben. Dafür benötigen wir noch die Angabe <math>R_{th(ca)}</math>, welche allerdings im Datenblatt nicht angegeben ist.<br />
*:Da wir aber wissen, dass <math>R_{th(ja)}=R_{th(jc)}+R_{th(ca)}</math> gilt, können wir die fehlende Größe ausrechnen. Diese ist<br />
*:<math>R_{th(ca)}=R_{th(ja)}-R_{th(jc)}=62\frac{K}{W}-5\frac{K}{W}=57\frac{K}{W}</math>.<br />
*:Nun lässt sich die Gehäusetemperatur berechnen:<br />
*:<math>\vartheta_{c}=\vartheta_{a}+R_{th(ca)} \cdot P_{V}=25°C+57\frac{K}{W} \cdot 1,5 W \approx 111 °C</math><br />
*'''Bemerkung'''<br />
*:In der Praxis wird einem TO220-Gehäuse ungekühlt eine maximale Verlustleistung von 1 Watt zugerechnet. Die Temperaturen sind niedriger, die Lebensdauer des Bauteils höher.<br />
<br />
==Bauteil mit Kühlkörper und T.I.M.==<br />
<br />
Der Betrieb eines ICs ohne Kühlkörper, wie im vorigen Abschnitt beschrieben, funktioniert nur bei kleinen Leistungen und führt meist auch zu einer verringerten Lebensdauer des Bauteils. Viele Bauteile können ihre angegebenen Maximalwerte nur bei vernünftiger Kühlung erreichen. In diesem Abschnitt wird nun ein typisches Szenario mit Kühlkörperberechnung vorgestellt.<br />
<br />
Befassen wir uns zunächst mit der typischen mechanischen Anordnung. Das zu kühlende IC wird thermisch an einen Kühlkörper gekoppelt. In der Praxis wird man das IC aber nicht direkt auf dem Kühlkörper befestigen, sondern über ein sogenanntes ''thermisches Interface-Material'' (T.I.M.), um Unebenheiten und mechanische Abstände auszugleichen oder um für Insolierung zu sorgen. Details zum T.I.M. folgen im Unterabschnitt. Die typische Anordnung zeigt die folgende Abbildung.<br />
<br />
[[Bild:kühlkörper-schichten.png|300px]]<br />
<br />
Folgende thermischen Widerstände treten hier in Kraft:<br />
*<math>R_{th(jc)}</math> für den Übergang Chip zu Bauteilgehäuse<br />
*<math>R_{th(ch)}</math> für den Übergang Bauteilgehäuse zu Kühlkörper (also über das T.I.M.)<br />
*<math>R_{th(ha)}</math> für den Übergang Kühlkörper zur Umgebung<br />
<br />
Aus diesen thermischen Widerständen wird ein thermisches Ersatzschaltbild angefertigt. Dieses zeigt die nächste Abbildung.<br />
<br />
[[Bild:Therm-esb2.png|700px]]<br />
<br />
Zunächst soll die Formel zur Berechnung der Chiptemperatur aufgestellt werden, die Formel erhält man wieder durch die Anwendung der Kirchhoffschen Gleichungen im Ersatzschaltbild.<br />
<br />
<math>\vartheta_{j}=\vartheta_{a}+(R_{th(jc)}+R_{th(ch)}+R_{th(ha)}) \cdot P_{V}</math><br />
<br />
Die Formel wird in der Praxis jedoch in einer anderen Form benötigt. Meist steht man als Entwickler vor der Aufgabe, den erforderlichen thermischen Widerstand <math>R_{th(ha)}</math> des Kühlkörpers zu bestimmen, sofern die Größen Umgebungstemperatur, Sperrschichttemperatur, Verlustleistung sowie die verbleibenden thermischen Widerstände gegeben sind. Anhand des berechneten Wärmewiderstands des Kühlkörpers können dann aus Produktkatalogen geeignete Kühlkörper bestimmt werden.<br />
<br />
Wir müssen dafür also die Gleichung nach <math>R_{th(ha)}</math> auflösen. Wir erhalten die praxisübliche Berechnungsformel:<br />
<br />
<math>R_{th(ha)}=\frac{\vartheta_{j}-\vartheta_{a}}{P_{V}}-R_{th(jc)}-R_{th(ch)}</math><br />
<br />
In manchen Quellen sind enthält diese Formel außerdem Korrekturfaktoren, die z.B. die Einbaulage o.ä. berücksichtigen können.<br />
<br />
===Beispielrechnung===<br />
<br />
Für einen Spannungsregler vom Typ 7805 im TO220-Gehäuse soll ein Kühlkörper dimensioniert werden. Die Eingangsspannung des Reglers beträgt 12V, die Ausgangsspannung von 5V wird mit 500mA belastet. Die Umgebungstemperatur sei 30°C. Der Spannungsregler wird mit Wärmeleitpaste auf dem Kühlkörper montiert, für diesen Wärmewiderstand wird 0,5 K/W angenommen. Welchen Wärmewiderstand darf der Kühlkörper höchstens haben, wenn als maximale Sperrschichttemperatur 110°C angenommen wird?<br />
<br />
Diese Aufgabe kann so durchaus in der Praxis auftreten. Von den vielen Angaben darf man sich zunächst nicht verunsichern lassen. Wir verwenden das gezeigte thermische Ersatzschaltbild. Für die Rechnung benötigen wir außerdem noch den thermischen Widerstand <math>R_{th(jc)}</math> aus dem Datenblatt.<br />
<br />
*'''Gegeben'''<br />
*:<math>R_{th(jc)}=5 \frac{K}{W}</math> (aus dem Datenblatt)<br />
*:<math>R_{th(ch)}=0,5 \frac{K}{W}</math><br />
*:<math>\vartheta_{j}=110°C</math><br />
*:<math>\vartheta_{a}=30°C</math><br />
*:<math>U_{ein}=12V</math><br />
*:<math>U_{aus}=5V</math><br />
*:<math>I=0,5A</math><br />
*'''Gesucht'''<br />
*:<math>R_{th(ha)}</math><br />
*'''Rechnung'''<br />
*:Zunächst muss die Verlustleistung am Regler berechnet werden. Diese beträgt<br />
*:<math>P_V=P_{Ein}-P_{Aus}=12V \cdot 0,5A~-~5V \cdot 0,5A=3,5 W</math>.<br />
*:Nun sind eigentlich auch schon alle Angaben vorhanden, sodass wir die Formel verwenden können.<br />
*:<math>R_{th(ha)}=\frac{\vartheta_{j}-\vartheta_{a}}{P_{V}}-R_{th(jc)}-R_{th(ch)}</math><br />
*:Einsetzen:<br />
*:<math>R_{th(ha)}=\frac{110°C-30°C}{3,5W}-5\frac{K}{W}-0,5\frac{K}{W} \approx 17,4\frac{K}{W}</math><br />
*'''Ergebnis'''<br />
*:Der Wärmewiderstand des Kühlkörpers darf maximal <math>17,4\frac{K}{W}</math> betragen.<br />
*'''Zusatz'''<br />
*:Aus dem Katalog wird ein Kühlkörper mit einem Wärmewiderstand von <math>10\frac{K}{W}</math> gewählt. Welche Temperatur erreicht der Kühlkörper, wenn er bei den gegebenen Bedingungen eingesetzt wird?<br />
*:<math>\vartheta_h=\vartheta_a+P_{V} \cdot R_{th(ha)}=30°C+3,5W \cdot 10 \frac{K}{W} \approx 65°C</math><br />
<br />
===Thermische Interface-Materialien (T.I.M.) und Montage===<br />
Wie bereits erwähnt, werden ICs in der Praxis nicht direkt auf einen Kühlkörper befestigt. Der Grund dafür ist folgender: Durch Unebenheiten und die rauhe Oberfläche von Kühlkörper und IC berühren sich die betreffenden Flächen unter dem Mikroskop gesehen nur minimal. Durch Lufteinschlüsse und die Tatsache, dass Luft ein schlechter Wärmeleiter ist, fällt in diesem Fall die thermische Anbindung des ICs an den Kühlkörper relativ schlecht aus.<br />
<br />
Zum Ausgleich der Unebenheiten eignet sich Wärmeleitpaste, welche dünn auf die Kontaktfläche aufgetragen wird. Es genügt eine sehr geringe Menge der Wärmeleitpaste, die Schichtdicke liegt in der Größenordnung 0,1mm. Die Aufgabe der Wärmeleitpaste ist, die Unebenheiten der Kontaktflächen auszugleichen. Zu viel Wärmeleitpaste erhöht wiederum den thermischen Übergangswiderstand. <br />
<br />
Ist zusätzlich eine elektrische Isolation zwischen IC und Kühlkörper erforderlich, können Glimmerscheiben (engl. mica) eingesetzt werden. Elektrische Isolation ist erforderlich, falls zum Beispiel mehrere Transistoren auf einen Kühlkörper montiert werden sollen und eine elektrische Verbindung der Kühlfahnen über den Kühlkörper zu Kurzschlüssen führen würde. Werden Glimmerscheiben verwendet, müssen diese beidseitig mit Wärmeleitpaste bestrichen werden, um sämtliche Unebenheiten auszugleichen. Die Glimmerscheiben werden zwischen IC und Kühlkörper eingebaut. Werden die ICs an den Kühlkörper geschraubt, muss auch die Schraube elektrisch isoliert werden. Hierfür sind entsprechende Hülsen aus Kunststoff erhältlich.<br />
<br />
Wärmeleitfolien aus Silikon /Gap-Filler<br />
<br />
BAUSTELLE<br />
<br />
Zur Montage der ICs auf dem Kühlkörper gibt es mehrere Möglichkeiten. Üblich sind Schraubmontage oder die Verwendung von Metallclips aus Federstahl. Der Anpressdruck durch die Montage kann die thermische Kopplung des ICs zum Kühlkörper beeinflussen. Die Metallclips haben den Vorteil, dass der Anpressdruck mit der Zeit nicht nachlässt.<br />
<br />
BAUSTELLE<br />
<br />
=Dynamisches Ersatzschaltbild=<br />
<br />
Bei den statischen Ersatzschaltbildern können zeitveränderliche Vorgänge nicht modelliert werden. Um auch den zeitlichen Verlauf der Temperaturen bei z.B. wechselnder Verlustleistung der Bauteile vorhersagen zu können, bedient man sich dem dynamischen Ersatzschaltbild. Dieses enthält neben den thermischen Widerständen auch Wärmekapazitäten. Durch thermische Widerstände und Wärmekapazitäten ergeben sich Zeitkonstanten bei der Erwärmung, sodass das Modell der Realität sehr nahe kommt.<br />
<br />
BAUSTELLE<br />
<br />
=Kühlkörperbauformen=<br />
* Board-Level-Kühlkörper (aufsteckbare/aufklebbare Kühlkörper, auch für SMD, meist 1 Kühlkörper pro IC)<br />
* Strang-/Profilkühlkörper (meist für hohe Leistungen)<br />
* Kühlaggregate (Kanal + Lüfter)<br />
<br />
Wozu eloxierte Oberflächen?<br />
* geringfügig höhere Wärmestrahlung (bei den niedrigen Temperaturen kaum ein Beitrag)<br />
* elektrische Isolation<br />
* Oberflächenschutz<br />
Nachteile:<br />
* erhöhte Wärmeaufnahme aus der unmittelbaren Umgebung!<br />
<br />
Stiftkühlkörper<br />
* hohe Oberfläche<br />
* bei dickem "Rücken"/"Boden" des Kühlkörpers gute Wärmespreizung<br />
* mit erzwungener Konvektion hohe Wärmeübertragung (quer zu den Stiften effektiver als in Stiftrichtung)<br />
* leichter und kompakter als Strangkühlkörper<br />
<br />
todo<br />
<br />
=Lüfter=<br />
Lüfter werden vor allem dann eingesetzt, wenn der Kühlkörper bei rein passiver Kühlung zur groß, zu schwer oder zu teuer wird. Beim Einsatz des Lüfters führt die erzwungene Luftströmung zur besseren Wärmeabgabe an die Luft. Bei gleicher Temperatur kann der Kühlkörper dann kleiner gewählt werden. Bei hohen Leistungen sind der kleinere Kühlkörper mit Lüfter preisgünstiger und kompakter als ein großer, rein passiver Kühlkörper. Um welchen Faktor die Wärmeableitung mit Lüfter verbessert wird, hängt von vielen Parametern ab und kann nicht pauschal angegeben werden.<br />
<br />
Vorteile<br />
* bessere Wärmeabgabe<br />
* Kühlkörper kann bei gleicher Temperatur kleiner, leichter und kostengünstiger werden<br />
* In kleinem Maßstab günstiger als Wasserkühlung o.ä.<br />
<br />
Nachteile<br />
* zusätzlicher Stromverbrauch<br />
* Geräuschentwicklung und Vibrationen<br />
* zusätzliche Kosten für Lüfter und dessen Montage<br />
* Im Falle eines unbemerkten Ausfalls kann die Schaltung überhitzen (Abhilfe: Thermostat, Temperaturfühler oder Tachosignal auswerten)<br />
<br />
Anordnungen:<br />
* Push-Prinzip: Der Lüfter bläst die Luft in den Kühlkörper/-kanal<br />
* Pull-Prinzip: Der Lüfter saugt die Luft aus dem Kühlkörper/-kanal heraus<br />
<br />
Kenngrößen:<br />
* Luftdurchsatz in <math>\frac{m^{3}}{h}</math><br />
* Nennspannung, Nennstrom, Nennleistung<br />
* Typ Axial/Radial<br />
* Größe<br />
* Geräuschpegel<br />
* Art der Lagerung (Kugellager, Sinterbronze-Lager etc.)<br />
* Temperaturbereich<br />
* Lebensdauer, MTBF<br />
<br />
=Entwärmung auf einer Platine=<br />
Beim Leiterplattenentwurf muss bereits in der Designphase abgeschätzt werden, welche Verlustleistungen auftreten und wie die entstehende Wärme abgeführt werden kann. Die Größe, Bauform und Befestigung des Kühlkörpers muss ebenfalls berücksichtigt werden. Für Printmontage sind Kühlkörper verfügbar, welche mit lötbaren Stiften in die Platine gesteckt und verlötet werden. Alternativ sind Schraubverbindungen möglich.<br />
<br />
SMD-Bauteile können meist über die Platine gut entwärmt werden. Dies ist normalerweise nur bei geringen Verlustleistungen möglich. Die Abwärme der Bauteile muss auf eine möglichst große Fläche verteilt werden, durch große Kupferflächen auf der Platine kann dies erreicht werden. Da die Wärmeleitfähigkeit der Kupferauflage deutlich höher ist als die Wärmeleitfähigkeit des Platinenmaterials FR4, wird sich die Wärme hauptsächlich in der Fläche verteilen, jedoch weniger ''durch'' die Platine hindurch. Um die Wärmeleitung durch die Platine (z.B. von Ober- zu Unterseite) zu erhöhen, müssen Durchkontaktierungen gesetzt werden. Sogenannte "Thermal Vias" werden in einer großen Anzahl an das zu entwärmende Bauteil gesetzt und können damit die Wärme zu anderen Kupferlagen der Platine weiterleiten. Die Wärmeleitung durch die Platine hindurch wird verbessert, liegt aber dennoch deutlich unter der Wärmeleitfähigkeit von reinem Kupfer. Thermische Vias können aufgrund ihrer kleinen Masse kaum einen Beitrag zur gesamten "Kühlmasse" beitragen. Ob schließlich eine Entwärmung durch die Platine ausreicht, muss durch Simulation oder Messung gezeigt werden.<br />
<br />
Die Einbaulage der Platine kann die Entwärmung zudem beeinflussen. Erwärmte Umgebungsluft steigt nach oben und kann andere Komponenten oder Platinen aufheizen.<br />
<br />
Maßnahmen für bessere Entwärmung:<br />
<br />
* Durchkontaktierungen zur Wärmeleitung zwischen mehreren Kupferlagen, da der Platinenkern (bei FR4: glasfaserverstärktes Epoxidharz) idR. eine sehr schlechte Wärmeleitfähigkeit hat<br />
* Breite Leiterbahnen, welche Wärme abführen und auf eine große Fläche verteilen<br />
* Für große bedrahtete ICs (TO220, Multiwatt...) eignen sich Board-Level-Kühlkörper<br />
* Für kleinere ICs mit Wärmeentwicklung eignen sich aufklebbare Kühlkörper<br />
* Für SMD-Bauteile exisitieren auch Kühlkörper, die sich direkt auf die Platine löten lassen, diese sind auch maschinenbestückbar<br />
* Einsatz spezieller Platinenmaterialien (Alukern, Kupfer-Inlay)...<br />
* je nach Schaltung: dickere Kupferkaschierung für bessere Wärmeausbreitung in der Fläche (Standard sind 35µm, erhältlich sind auch 70µm und mehr)<br />
<br />
Welche Temperatur das Bauteil auf der Platine erreicht, kann nach dem Aufbau natürlich gemessen werden. Besser wäre es jedoch, die Temperaturen bereits beim Entwurf der Platine zu kennen, um einschätzen zu können, ob die Entwärmung ausreichend ist. Allgemeine Angaben hierfür sind schwer zu finden, jedoch gibt es vereinzelt Angaben in Datenblättern von Halbleitern zur Entwärmung. An den folgenden Zahlenwerten kann man sich orientieren, wenn man ähnliche Bauteile entwärmen möchte. Damit man für die genannten Flächen eine grobe Vorstellung hat, sei noch erwähnt: ein Cent hat eine Fläche von grob <math>200mm^2</math>, ein Euro hat grob <math>400mm^2</math>.<br />
<br />
'''TO263'''<br />
<br />
Im Datenblatt des Schaltreglers LM2576 von ''National Semiconductor'' findet man für das TO263-Gehäuse einige Angaben. Das TO263-Gehäuse gleicht übrigens dem TO220 bis auf die Tatsache, dass die Kühlfahne kürzer ist und das Gehäuse für SMD-Montage vorgesehen ist. Das Datenblatt gibt thermische Widerstände für den Übergang Junction-Ambient an. Die Angabe ist abhängig von der Kupferfläche auf der Platine, die unmittelbar für das Bauteil aus Kühlkörper wirkt. Die Zahlenwerte aus dem Datenblatt wurden in Quadratmillimeter umgerechnet, gerundet und stehen nun in der Tabelle bereit. Keine Angaben macht der Hersteller zu den Rahmenbedingungen, unter denen die thermischen Widerstände ermittelt wurden (Platinendicke, Durchkontaktierungen, Form der Kupferfläche und Dicke der Kupferkaschierung). Dennoch können die Werte zur groben Orientierung dienen.<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
| Kupferfläche || therm. Widerstand<br />
|-<br />
| <math>325 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 50\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>645 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 37\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>1030 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 32\frac{K}{W} </math><br />
|}<br />
<br />
'''SOT223, TO252'''<br />
<br />
Im Datenblatt des Low-Drop-Spannungsreglers LM1117 von ''National Semiconductor'' sind Angaben zur Entwärmung über die Platine von SOT223 und TO252-Gehäusen vorhanden. Der Hersteller gibt an, für das SOT223-Gehäuse eine 35µm dicke, und für das TO252-Gehäuse eine 70µm dicke Kupferkaschierung der Platine verwendet zu haben. Leider finden sich in diesem Datenblatt keine Informationen zu Durchkontaktierungen, Platinendicke, und ob das IC auf der Ober- oder Unterseite der Platine montiert wurde (Vermutung: oben montiert, da angegebene thermische Widerstände geringer sind). Der Hersteller hat drei Fälle untersucht: Kupferfläche oben, Kupferfläche unten, Kupferfläche beidseitig. Für das thermische Platinendesign kann man diese Zahlenwerte zumindest als Richtwerte verwenden. Das Datenblatt enthält zudem Zeichnungen der Kühlflächen. Die Zahlenwerte wurden wieder in Quadratmillimeter umgerechnet und gerundet und in die folgenden Tabelle eingetragen:<br />
<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
| Kupferfläche top || Kupferfläche bottom || therm. Widerstand SOT223 || therm. Widerstand TO252<br />
|-<br />
| <math> 200mm^2</math> || - || <math>R_{th(ja)}\approx 84\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 60\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math> 350mm^2</math> || - || <math>R_{th(ja)}\approx 75\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 54\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math> 650mm^2</math> || - || <math>R_{th(ja)}\approx 66\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 47\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| - || <math> 250mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 98\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 70\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| - || <math> 400mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 89\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 63\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| - || <math> 650mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 79\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 57\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math> 200mm^2</math> || <math> 200mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 83\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 61\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math> 250mm^2</math> || <math> 250mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 75\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 55\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math> 350mm^2</math> || <math> 350mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 70\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 53\frac{K}{W} </math><br />
|}<br />
<br />
Bei gleicher (projizierter) Fläche bring die beidseitige Kupferauflage erstaunlicherweise keinen niedrigeren thermischen Widerstand als wenn die Kupferauflage nur auf der Oberseite vorhanden ist. Vermutlich wurden bei der Messung keine Durchkontaktierungen (Vias) eingebracht oder die Fläche ist insgesamt zu klein, als dass sich ein Effekt zeigen würde.<br />
<br />
'''SO20'''<br />
<br />
Aus dem Datenblatt des L293DD sind Angaben zum SO20-Gehäuse enthalten. In diesem Falle sind 8 zentrale Pins an die Kühlfläche angebunden, die Kupferkaschierung ist vermutlich einseitig 35µm. Die groben Richtwerte sind:<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
| Kupferfläche || therm. Widerstand<br />
|-<br />
| <math>200 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 60\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>400 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 53\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>600 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 51\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>800 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 50\frac{K}{W} </math><br />
|}<br />
<br />
'''PowerDIP20'''<br />
<br />
Für das DIP20-Gehäuse wird man im Datenblatt des Motortreibers L6202 von ''ST'' fündig. Bei 35µm Kupferkaschierung der Platine ergeben sich die folgenden thermischen Widerstände.<br />
<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
| Kupferfläche || therm. Widerstand<br />
|-<br />
| <math>0 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 58\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>200 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 45\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>400 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 39\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>600 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 38\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>800 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 37\frac{K}{W} </math><br />
|}<br />
<br />
Für die Form der empfohlenen Kühlfläche sei auf das Datenblatt verwiesen. Wird das IC in einem Sockel verwendet, muss man sicherlich von höheren thermischen Widerständen ausgehen.<br />
<br />
'''Abschlusskommentar'''<br />
<br />
An den gezeigten, thermischen Widerständen sieht man leicht: je größer die Kühlfläche, desto geringer der thermische Widerstand. Dieses Verhalten würde man so auch erwarten.<br />
<br />
Allerdings fällt auch noch auf: Ab einer bestimmten Fläche bringt es nur noch wenig, die Fläche weiter zu vergrößern, da sich der thermische Widerstand ab dann nur noch unwesentlich ändert.<br />
<br />
Die mit den Kupferflächen erreichten thermischen Widerstände sind für viele Anwendungen noch deutlich zu hoch. Bei Verlustleistungen von wenigen Watt werden dadurch bereits kritische Chiptemperaturen erreicht. Wie bereits oben erwähnt, funktioniert die Entwärmung von SMD-Komponenten über die Platine also nur für kleine Verlustleistungen. Bei größeren Verlustleistungen müssen zusätzliche Entwärmungsmaßnahmen getroffen werden (z.B. aufklebbarer Kühlkörper, etc.). Zielführend ist auch, die Ursache der Erwärmung, nämlich die Verlustleistung zu verringern. Wird beispielsweise ein Linearregler durch einen effizienteren Schaltregler ersetzt, kann die Entwärmung aufgrund der kleineren Verlustleistung deutlich einfacher gestaltet werden. Ob die Verringerung der Verlustleistung möglich ist, hängt natürlich von der Anwendung ab.<br />
<br />
=Spezielle Kühlkörper=<br />
<br />
todo<br />
<br />
=Autoren=<br />
* BMS<br />
<br />
[[Kategorie:Elektronik]]<br />
[[Kategorie:Mechanik]] <br />
[[Kategorie:Praxis]] <br />
[[Kategorie:Grundlagen]]<br />
<br />
=Quellen und Verweise=<br />
<br />
* Best, Siegfried W.: ''Elektronikkühlung und Wärmemanagement von A bis Z''. In: Elektronikpraxis - Sonderheft Elektromechanik, April 2013. S. 20ff.<br />
* Best, Tobias: ''Thermisches Via, die kleine Schwester der Heatpipe''. In: Elektronikpraxis, April 2013. S. 12ff.<br />
* Erdmann, Marc: ''Beste Effizienz auch beim Thermal Management''. In: Elektronikpraxis - Sonderheft Leistungelektronik und Stromversorgung. März 2015. S. 38ff.<br />
* Kerstin, Nils; Schulz, Martin: ''Thermische Widerstände genau messen - eine Herausforderung''. In: Elektronikpraxis, Nr. 17, September 2014. S. 48ff.<br />
* K.R. (Alutronic): ''Stiftkühlkörper für die Leistungselektronik''. In: Elektronikpraxis Nr.9, Mai 2014. S. 50ff.<br />
* Harpain, Jürgen: ''Wärmeleitmaterial kompensiert Lufteinschlüsse''. In: Elektronikpraxis Nr.1, Januar 2014. S. 36ff.<br />
* Harpain, Jürgen: ''Entwärmungskonzepte für Einzelhalbleiter und ICs''. In: Elektronikpraxis - Sonderheft Elektromechanik, April 2014. S. 14ff.<br />
* Schulz, Martin: ''Fünf Fettnäpfchen beim Bestimmen thermischer Größen''. In: Elektronikpraxis, November 2013. S. 36ff.<br />
* Schulz, Martin: ''Mythen und Legenden über Wärmeleitmaterialien''. In: Elektronikpraxis Nr.2., Januar 2014. S. 42ff.</div>BMShttps://rn-wissen.de/wiki/index.php?title=K%C3%BChlk%C3%B6rper&diff=26372Kühlkörper2015-05-17T14:26:01Z<p>BMS: Kühlung auf einer Platine: Thermische Widerstände (Zahlenwerte) für TO263, SOT223, TO252</p>
<hr />
<div>{{Baustelle|BMS}}<br />
<br />
Dieser Artikel behandelt die Grundlagen zu Kühlkörpern.<br />
<br />
[[Bild:kühlkörper-übersicht.jpg|thumb|Verschiedene Kühlkörper, links ein TO220-Gehäuse zum Größenvergleich]]<br />
<br />
=Einleitung=<br />
<br />
'''Wieso sind überhaupt Kühlkörper in technischen Geräten erforderlich?'''<br />
<br />
Kein Gerät kann einen 100-prozentigen Wirkungsgrad erzielen und somit tritt Verlustleistung auf. Diese Verlustleistung führt zur Erwärmung der Bauteile. Kühlkörper sollen die Entwärmung verbessern, indem die entstehende Wärme auf eine große Fläche verteilt wird und durch Konvektion an der Luft auskühlen kann. Die Temperatur an den heißen Bauteilen ist mit Kühlkörper geringer als ohne Kühlkörper.<br />
<br />
'''Wieso sind hohe Bauteiltemperaturen ungünstig?'''<br />
<br />
Die Lebensdauer aller elektronischen Bauteile ist stark von der Temperatur abhängig. Als Faustregel gilt: Eine Temperaturerhöhung um 10 Grad führt zur Halbierung der Lebensdauer. Außerdem gibt es Grenztemperaturen, die nicht überschritten werden dürfen. Beispielsweise dürfen Halbleiter keine Temperatur über 150°C erreichen. Extrembeispiele sind die Schmelztemperatur von Isolierungen, Lötzinn etc... sowie Brandgefahr durch hohe Temperaturen. Viele Bauteile können ohne vernünftige Kühlung nicht ihren vollen Funktionsumfang erreichen, liefern dann z.B. geringere Maximalströme oder es greift die Temperaturabschaltung. Anders formuliert: Die maximale Leistung eines Bauteils oder Geräts wird durch seine Entwärmung bestimmt! Zur eigenen Sicherheit bietet es sich zudem an, die Temperaturen niedrig zu halten, sodass man sich am Gerät nicht die Finger verbrennen kann ;)<br />
<br />
=Wärmeübertragung=<br />
Prinzipiell kann Wärmeübertragung über Wärmeleitung, Konvektion und Wärmestrahlung geschehen. In vielen Anwendungen treten mehrere Mechanismen gleichzeitig auf. Welcher Mechanismus hauptsächlich auftritt, ist von der mechanischen Anordnung, den Materialien und der Temperatur abhängig. Wärmeleitung und Konvektion sind die wichtigsten Arten der Wärmeübertragung, die in der Praxis auftreten. Nun zu den einzelnen Effekten:<br />
<br />
*'''Wärmeleitung'''<br />
*: Bei der Wärmeleitung wird die Wärme über einen direkten mechanischen Kontakt (Bsp. IC <math>\rightarrow</math>Kühlkörper) übertragen. Den beteiligten Materialien wird jeweils eine spezifische Wärmeleitfähigkeit <math>\lambda</math> zugeordnet, dazu später mehr.<br />
<br />
*'''Konvektion'''<br />
*: Mit Konvektion wird die Strömungsbewegung in Flüssigkeiten und Gasen bezeichnet. Praxisbeispiele sind die Wärmeabgabe eines Kühlkörpers an die Umgebungsluft oder auch eine Wasserkühlung. Von erzwungener Konvektion spricht man, wenn die Strömung durch z.B. einen Ventilator/Lüfter oder eine Wasserpumpe hervorgerufen wird. Im Vakuum kann keine Konvektion auftreten.<br />
<br />
*'''Wärmestrahlung'''<br />
*: Wärmestrahlung ist elektromagnetische Strahlung (hauptsächlich Infrarot und sichtbares Licht), die vom heißen Festkörper abgestrahlt wird. Sie wird erst bei höheren Temperaturen relevant und ist bei den üblichen Kühlkörpertemperaturen meist zu vernachlässigen. Erwähnt werden soll zudem, dass Wärmestrahlung der einzige Mechanismus der Wärmeleitung ist, welcher im Vakuum auftreten kann. (Für Details zu Wärmestrahlung siehe auch: Plancksches Strahlungsgesetz und Schwarzer Strahler).<br />
<br />
=Materialien=<br />
Jedes Material besitzt eine spezifische Wärmeleitfähigkeit, welche angibt, wie gut dieses Material Wärme weiter transportieren kann. Die spezifische Wärmeleitfähigkeit ist unabhängig von der Geometrie des Materials, wird mit der Größe <math>\lambda</math> (Lambda) ausgedrückt und erhält die Einheit <math>\frac{W}{m \cdot K}</math>.<br />
<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
|-<br />
| '''Material''' || '''<math>\lambda</math> in <math>\left[ \frac{W}{m \cdot K} \right]</math>'''<br />
|-<br />
| Silber || 430<br />
|-<br />
| Kupfer || 400<br />
|-<br />
| Aluminium || 230<br />
|-<br />
| Silizium || 140 <br />
|-<br />
| Wärmeleitpaste || 5 ... 10<br />
|-<br />
| Glas || 0,7<br />
|-<br />
| Wasser || 0,5<br />
|-<br />
| Platinenmaterial FR4 || 0,2 ... 0,5<br />
|-<br />
| Luft || 0,02<br />
|}<br />
<br />
Die meisten Kühlkörper werden aus Aluminiumlegierungen hergestellt. Für Aluminium spricht seine relativ hohe Wärmeleitfähigkeit, die hohe Verfügbarkeit und geringe Dichte. Im Vergleich zu Kupfer und Silber ist Aluminium deutlich kostengünstiger. Darüber hinaus lässt sich Aluminium mechanisch gut verarbeiten. Kupfer wird mit seiner höheren Wärmeleitfähigkeit z.B. bei Heatpipes eingesetzt.<br />
<br />
todo<br />
<br />
Wärmewiderstand <math>R_{th}=\frac{d}{\lambda \cdot A}</math><br />
<br />
d: Materialdicke, welche für die Wärmeleitung relevant ist<br />
<br />
<math>\lambda</math>spezifische Wärmeleitfähigkeit des Materials<br />
<br />
A: Querschnitts-/Kontaktfläche<br />
<br />
=Definitionen=<br />
Um vorauszusagen, wie sich die Temperaturen in einer Schaltung verhalten, bedient sich der Ingenieur - wie auch bei vielen anderen Anwendungen - eines Ersatzschaltbildes (ESB). Zur Erstellung eines thermischen Ersatzschaltbildes muss man sich aber zunächst mit den thermischen Größen vertraut machen.<br />
<br />
Die Temperaturen werden mit dem griechischen Buchstaben Theta <math>\theta</math> gekennzeichnet. Temperaturen werden in Grad Celsius (°C), Temperaturdifferenzen in Kelvin (K) angegeben. (Am Rande: Es existiert auch eine Kelvinskala mit dem absoluten Nullpunkt 0 K=-273,15°C). Die Temperaturen werden außerdem noch mit einem Index gekennzeichnet, abhängig von der mechanischen Stelle, an der sie auftreten:<br />
<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
|-<br />
| Symbol || Index || Bedeutung<br />
|-<br />
| <math>\vartheta_{J}</math> || J=Junction || Sperrschichttemperatur des Halbleiters<br />
|-<br />
| <math>\vartheta_{C}</math> || C=Case || Gehäusetemperatur des Bauteils<br />
|-<br />
| <math>\vartheta_{H}</math> || H=Heat Sink || Temperatur des Kühlkörpers<br />
|-<br />
| <math>\vartheta_{A}</math> || A=Ambient || Umgebungstemperatur<br />
|}<br />
<br />
Die Verlustleistung eines Bauteils beschreibt die Größe <math>P_{V}</math> und wird, wie allgemein bekannt, in Watt angegeben.<br />
<br />
Als neue Größe wird nun der thermische Widerstand eingeführt, dieser wird mit <math>R_{th}</math> beschrieben und bekommt die Einheit <math>\frac{K}{W}</math>. <br />
<br />
Für die thermischen Größen gibt es, ähnlich dem Ohmschen Gesetz, einen linearen Zusammenhang. Dieser lautet<br />
<br />
<math>R_{th}=\frac{\vartheta_{ü}}{P_{V}}</math><br />
<br />
todo<br />
<br />
'''Vergleich elektrischer und thermischer Größen'''<br />
Insgesamt können wir nun eine Analogie zwischen bekannten elektrischen Größen und den thermischen Größen angeben. Die schon gelernten Prinzipien zur Lösung linearer Netzwerke lässt sich auch bei den thermischen Ersatzschaltbildern anwenden.<br />
<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
|-<br />
| elektrisch || thermisch<br />
|-<br />
| Spannung U || Temperatur <math>\vartheta</math><br />
|-<br />
| Strom I || Verlustleistung <math>P_{V}</math><br />
|-<br />
| Widerstand R || thermischer Widerstand <math>R_{th}</math><br />
|}<br />
<br />
=Statisches Ersatzschaltbild=<br />
Mit den thermischen Zusammenhängen haben wir uns inzwischen vertraut gemacht. Nun können wir damit beginnen, thermische Ersatzschaltbilder von einfachen Anordnungen zu erstellen. Mit solchen Modellen können Temperaturen, wie z.B. die Chiptemperatur, vorab berechnet werden. Für die Berechnung müssen Wärmewiderstände, Umgebungstemperatur und Verlustleistung bekannt sein, da sie in die Berechnung einfließen.<br />
<br />
Bei den thermischen Ersatzschaltbildern kann man ein statisches oder ein dynamisches Ersatzschaltbild erstellen. Bei den statischen Ersatzschaltbilder wird davon ausgegangen, dass alle Größen zeitlich konstant sind, bzw. sofort ihre Solltemperatur entsprechend dem Modell annehmen. In der Realität dauert es natürlich eine gewisse Zeit, bis sich alle beteiligten Materialien aufgeheizt haben. Die Temperaturen des statischen Modells werden dabei erst nach einer bestimmten Zeit erreicht. <br />
<br />
Für die meisten Anwendungen genügt es jedoch, das statische thermische Ersatzschaltbild zu erstellen und den Kühlkörper dem entsprechend zu dimensionieren. Die Kühlung wird z.B. auf die maximale oder die mittlere auftretende Verlustleistung dimensioniert. Es wurde bereits erwähnt, dass sich die Bauteiltemperatur auf dessen Lebensdauer auswirkt. Dabei gilt: je niedriger die Bauteiltemperatur, desto länger die zu erwartende Lebensdauer. Je nach Anwendung und Rahmenbedingungen muss eventuell ein Kompromiss zwischen Kühlkörpergröße/kosten und Gerätelebensdauer gewählt werden. Beispielsweise kann der verfügbare Platz, ein Gesamtgewicht oder eine Kostenvorgabe begrenzender Faktor sein. Für einen dauerhaften sicheren Betrieb muss der Kühlkörper und weitere beteiligte Materialien für den worst case ausgelegt oder sogar überdimensioniert werden.<br />
<br />
==Bauteil ohne Kühlkörper==<br />
Um den Umgang mit den thermischen Ersatzschaltbildern zu lernen, soll zunächst mit einem einfachen Beispiel begonnen werden. In diesem Fall wird der Wärmeübergang von einem einzelnen Bauteil zu Luft betrachet, es kommt zunächst also noch kein Kühlkörper zum Einsatz. Das Ersatzschaltbild sieht in diesem Fall folgendermaßen aus:<br />
<br />
[[Bild:Therm-esb1.png|450px]]<br />
<br />
Die am Bauteil entstehende Verlustleistung ist Ursache der Abwärme und wird im thermischen Ersatzschaltbild als ideale Stromquelle modelliert.<br />
<br />
Die Abwärme gelangt nun über den Weg Sperrschicht (Junction) <math>\rightarrow</math> Bauteilgehäuse (Case) <math>\rightarrow</math> Umgebung (Ambient) nach außen. Im Ersatzschaltbild ist jeder Übergang als thermischer Widerstand modelliert. Die genauen Zahlenwerte der Wärmewiderstände lassen sich in der Regel dem Datenblatt des Bauteils entnehmen. Benötigt werden die Werte für <math>R_{th(jc)}</math> und <math>R_{th(ca)}</math>. In manchen Datenblättern findet man die Angabe <math>R_{th(ja)}</math>, was der Reihenschaltung aus den beiden vorher genannten Werten entspricht, also <math>R_{th(ja)}=R_{th(jc)}+R_{th(ca)}</math>.<br />
<br />
Die Umgebungstemperatur wird als ideale Spannungsquelle modelliert. Sämtliche Spannungen im Ersatzschaltbild entsprechen den auftretenden Temperaturen.<br />
<br />
Da es sich nun um ein lineares Netzwerk handelt, gelten hier ebenfalls die Kirchhoff'schen Gleichungen. Relativ leicht lässt sich nun die Temperatur am Bauteilgehäuse (Case) und der Sperrschicht (Junction) berechnen:<br />
<br />
<math>\vartheta_{c}=\vartheta_{a}+R_{th(ca)} \cdot P_{V}</math><br />
<br />
<math>\vartheta_{j}=\vartheta_{a}+R_{th(jc)} \cdot P_{V}+R_{th(ca)} \cdot P_{V}=\vartheta_{a}+(R_{th(jc)}+R_{th(ca)}) \cdot P_{V}=\vartheta_{a}+R_{th(ja)} \cdot P_{V}</math><br />
<br />
Da die thermischen Widerstände bei der Reihenschaltung auch zusammengefasst werden dürfen, beschreibt folgendes thermisches Ersatzschaltbild den gleichen Zusammenhang. Nachteil ist hier allerdings, dass die Temperatur am Gehäuse nicht modelliert wird.<br />
<br />
[[Bild:Therm-esb0.png|300px]]<br />
<br />
Die Überlegungen zur Sperrschichttemperatur kann auch anders interpretiert werden. Gibt man die Sperrschichttemperatur vor, kann man die maximal erlaubte Verlustleistung des Bauteils in Abhängigkeit der Umgebungstemperatur bestimmen. Die folgende Formel erhält man aus Umformung der oberen Gleichung:<br />
<br />
<math>P_{V} \leq \frac{\vartheta_{j}-\vartheta_{a}}{R_{th(ja)}}</math><br />
<br />
Bei Halbleitern darf idR. die Sperrschichttemperatur nicht 150°C überschreiten. Der thermische Widerstand wird hauptsächlich durch das Gehäuse vorgegeben. Aus der Formel sieht man nun folgendes: Je höher die Umgebungstemperatur, desto geringer fällt die maximal erlaubte Verlustleistung aus. Diesen Zusammenhang bezeichnet man auch als '''Derating'''.<br />
<br />
===Beispielrechnung===<br />
<br />
Ein Spannungsregler vom Typ 7805 im TO220-Gehäuse soll ohne Kühlkörper betrieben werden. Wie hoch ist die maximal erlaubte Verlustleistung, wenn die Sperrschichttemperatur 120°C nicht überschreiten soll und die Umgebungstemperatur 25°C beträgt?<br />
<br />
Zunächst werfen wir einen Blick ins Datenblatt des Spannungsreglers und entnehmen die Angaben für die thermischen Widerstände. Dann halten wir alle gegebenen Größen fest:<br />
<br />
*'''Gegeben'''<br />
*:* <math>R_{th(jc)}=5 \frac{K}{W}</math> (aus dem Datenblatt)<br />
*:* <math>R_{th(ja)}=62 \frac{K}{W}</math> (aus dem Datenblatt)<br />
*:* <math>\vartheta_{j}=125°C</math><br />
*:* <math>\vartheta_{a}=25°C</math><br />
*'''Gesucht'''<br />
*:* <math>P_{v,max}</math><br />
*'''Rechnung'''<br />
*:Wir verwenden die Formel von oben und erhalten als Ergebnis<br />
*:<math>P_{V,max} = \frac{\vartheta_{j}-\vartheta_{a}}{R_{th(ja)}} = \frac{120°C-25°C}{62\frac{K}{W}} = \frac{95K}{62\frac{K}{W}} \approx 1,5 Watt</math><br />
*:Die maximal erlaubte Verlustleistung des Spannungsreglers ohne Kühlkörper darf demnach 1,5 Watt nicht überschreiten.<br />
*'''Zusatz'''<br />
*:Mit unserem Ersatzschaltbild können wir außerdem die Temperatur des Gehäuses (Case) des Spannungsreglers angeben. Dafür benötigen wir noch die Angabe <math>R_{th(ca)}</math>, welche allerdings im Datenblatt nicht angegeben ist.<br />
*:Da wir aber wissen, dass <math>R_{th(ja)}=R_{th(jc)}+R_{th(ca)}</math> gilt, können wir die fehlende Größe ausrechnen. Diese ist<br />
*:<math>R_{th(ca)}=R_{th(ja)}-R_{th(jc)}=62\frac{K}{W}-5\frac{K}{W}=57\frac{K}{W}</math>.<br />
*:Nun lässt sich die Gehäusetemperatur berechnen:<br />
*:<math>\vartheta_{c}=\vartheta_{a}+R_{th(ca)} \cdot P_{V}=25°C+57\frac{K}{W} \cdot 1,5 W \approx 111 °C</math><br />
*'''Bemerkung'''<br />
*:In der Praxis wird einem TO220-Gehäuse ungekühlt eine maximale Verlustleistung von 1 Watt zugerechnet. Die Temperaturen sind niedriger, die Lebensdauer des Bauteils höher.<br />
<br />
==Bauteil mit Kühlkörper und T.I.M.==<br />
<br />
Der Betrieb eines ICs ohne Kühlkörper, wie im vorigen Abschnitt beschrieben, funktioniert nur bei kleinen Leistungen und führt meist auch zu einer verringerten Lebensdauer des Bauteils. Viele Bauteile können ihre angegebenen Maximalwerte nur bei vernünftiger Kühlung erreichen. In diesem Abschnitt wird nun ein typisches Szenario mit Kühlkörperberechnung vorgestellt.<br />
<br />
Befassen wir uns zunächst mit der typischen mechanischen Anordnung. Das zu kühlende IC wird thermisch an einen Kühlkörper gekoppelt. In der Praxis wird man das IC aber nicht direkt auf dem Kühlkörper befestigen, sondern über ein sogenanntes ''thermisches Interface-Material'' (T.I.M.), um Unebenheiten und mechanische Abstände auszugleichen oder um für Insolierung zu sorgen. Details zum T.I.M. folgen im Unterabschnitt. Die typische Anordnung zeigt die folgende Abbildung.<br />
<br />
[[Bild:kühlkörper-schichten.png|300px]]<br />
<br />
Folgende thermischen Widerstände treten hier in Kraft:<br />
*<math>R_{th(jc)}</math> für den Übergang Chip zu Bauteilgehäuse<br />
*<math>R_{th(ch)}</math> für den Übergang Bauteilgehäuse zu Kühlkörper (also über das T.I.M.)<br />
*<math>R_{th(ha)}</math> für den Übergang Kühlkörper zur Umgebung<br />
<br />
Aus diesen thermischen Widerständen wird ein thermisches Ersatzschaltbild angefertigt. Dieses zeigt die nächste Abbildung.<br />
<br />
[[Bild:Therm-esb2.png|700px]]<br />
<br />
Zunächst soll die Formel zur Berechnung der Chiptemperatur aufgestellt werden, die Formel erhält man wieder durch die Anwendung der Kirchhoffschen Gleichungen im Ersatzschaltbild.<br />
<br />
<math>\vartheta_{j}=\vartheta_{a}+(R_{th(jc)}+R_{th(ch)}+R_{th(ha)}) \cdot P_{V}</math><br />
<br />
Die Formel wird in der Praxis jedoch in einer anderen Form benötigt. Meist steht man als Entwickler vor der Aufgabe, den erforderlichen thermischen Widerstand <math>R_{th(ha)}</math> des Kühlkörpers zu bestimmen, sofern die Größen Umgebungstemperatur, Sperrschichttemperatur, Verlustleistung sowie die verbleibenden thermischen Widerstände gegeben sind. Anhand des berechneten Wärmewiderstands des Kühlkörpers können dann aus Produktkatalogen geeignete Kühlkörper bestimmt werden.<br />
<br />
Wir müssen dafür also die Gleichung nach <math>R_{th(ha)}</math> auflösen. Wir erhalten die praxisübliche Berechnungsformel:<br />
<br />
<math>R_{th(ha)}=\frac{\vartheta_{j}-\vartheta_{a}}{P_{V}}-R_{th(jc)}-R_{th(ch)}</math><br />
<br />
In manchen Quellen sind enthält diese Formel außerdem Korrekturfaktoren, die z.B. die Einbaulage o.ä. berücksichtigen können.<br />
<br />
===Beispielrechnung===<br />
<br />
Für einen Spannungsregler vom Typ 7805 im TO220-Gehäuse soll ein Kühlkörper dimensioniert werden. Die Eingangsspannung des Reglers beträgt 12V, die Ausgangsspannung von 5V wird mit 500mA belastet. Die Umgebungstemperatur sei 30°C. Der Spannungsregler wird mit Wärmeleitpaste auf dem Kühlkörper montiert, für diesen Wärmewiderstand wird 0,5 K/W angenommen. Welchen Wärmewiderstand darf der Kühlkörper höchstens haben, wenn als maximale Sperrschichttemperatur 110°C angenommen wird?<br />
<br />
Diese Aufgabe kann so durchaus in der Praxis auftreten. Von den vielen Angaben darf man sich zunächst nicht verunsichern lassen. Wir verwenden das gezeigte thermische Ersatzschaltbild. Für die Rechnung benötigen wir außerdem noch den thermischen Widerstand <math>R_{th(jc)}</math> aus dem Datenblatt.<br />
<br />
*'''Gegeben'''<br />
*:<math>R_{th(jc)}=5 \frac{K}{W}</math> (aus dem Datenblatt)<br />
*:<math>R_{th(ch)}=0,5 \frac{K}{W}</math><br />
*:<math>\vartheta_{j}=110°C</math><br />
*:<math>\vartheta_{a}=30°C</math><br />
*:<math>U_{ein}=12V</math><br />
*:<math>U_{aus}=5V</math><br />
*:<math>I=0,5A</math><br />
*'''Gesucht'''<br />
*:<math>R_{th(ha)}</math><br />
*'''Rechnung'''<br />
*:Zunächst muss die Verlustleistung am Regler berechnet werden. Diese beträgt<br />
*:<math>P_V=P_{Ein}-P_{Aus}=12V \cdot 0,5A~-~5V \cdot 0,5A=3,5 W</math>.<br />
*:Nun sind eigentlich auch schon alle Angaben vorhanden, sodass wir die Formel verwenden können.<br />
*:<math>R_{th(ha)}=\frac{\vartheta_{j}-\vartheta_{a}}{P_{V}}-R_{th(jc)}-R_{th(ch)}</math><br />
*:Einsetzen:<br />
*:<math>R_{th(ha)}=\frac{110°C-30°C}{3,5W}-5\frac{K}{W}-0,5\frac{K}{W} \approx 17,4\frac{K}{W}</math><br />
*'''Ergebnis'''<br />
*:Der Wärmewiderstand des Kühlkörpers darf maximal <math>17,4\frac{K}{W}</math> betragen.<br />
*'''Zusatz'''<br />
*:Aus dem Katalog wird ein Kühlkörper mit einem Wärmewiderstand von <math>10\frac{K}{W}</math> gewählt. Welche Temperatur erreicht der Kühlkörper, wenn er bei den gegebenen Bedingungen eingesetzt wird?<br />
*:<math>\vartheta_h=\vartheta_a+P_{V} \cdot R_{th(ha)}=30°C+3,5W \cdot 10 \frac{K}{W} \approx 65°C</math><br />
<br />
===Thermische Interface-Materialien (T.I.M.) und Montage===<br />
Wie bereits erwähnt, werden ICs in der Praxis nicht direkt auf einen Kühlkörper befestigt. Der Grund dafür ist folgender: Durch Unebenheiten und die rauhe Oberfläche von Kühlkörper und IC berühren sich die betreffenden Flächen unter dem Mikroskop gesehen nur minimal. Durch Lufteinschlüsse und die Tatsache, dass Luft ein schlechter Wärmeleiter ist, fällt in diesem Fall die thermische Anbindung des ICs an den Kühlkörper relativ schlecht aus.<br />
<br />
Zum Ausgleich der Unebenheiten eignet sich Wärmeleitpaste, welche dünn auf die Kontaktfläche aufgetragen wird. Es genügt eine sehr geringe Menge der Wärmeleitpaste, die Schichtdicke liegt in der Größenordnung 0,1mm. Die Aufgabe der Wärmeleitpaste ist, die Unebenheiten der Kontaktflächen auszugleichen. Zu viel Wärmeleitpaste erhöht wiederum den thermischen Übergangswiderstand. <br />
<br />
Ist zusätzlich eine elektrische Isolation zwischen IC und Kühlkörper erforderlich, können Glimmerscheiben (engl. mica) eingesetzt werden. Elektrische Isolation ist erforderlich, falls zum Beispiel mehrere Transistoren auf einen Kühlkörper montiert werden sollen und eine elektrische Verbindung der Kühlfahnen über den Kühlkörper zu Kurzschlüssen führen würde. Werden Glimmerscheiben verwendet, müssen diese beidseitig mit Wärmeleitpaste bestrichen werden, um sämtliche Unebenheiten auszugleichen. Die Glimmerscheiben werden zwischen IC und Kühlkörper eingebaut. Werden die ICs an den Kühlkörper geschraubt, muss auch die Schraube elektrisch isoliert werden. Hierfür sind entsprechende Hülsen aus Kunststoff erhältlich.<br />
<br />
Wärmeleitfolien aus Silikon /Gap-Filler<br />
<br />
BAUSTELLE<br />
<br />
Zur Montage der ICs auf dem Kühlkörper gibt es mehrere Möglichkeiten. Üblich sind Schraubmontage oder die Verwendung von Metallclips aus Federstahl. Der Anpressdruck durch die Montage kann die thermische Kopplung des ICs zum Kühlkörper beeinflussen. Die Metallclips haben den Vorteil, dass der Anpressdruck mit der Zeit nicht nachlässt.<br />
<br />
BAUSTELLE<br />
<br />
=Dynamisches Ersatzschaltbild=<br />
<br />
Bei den statischen Ersatzschaltbildern können zeitveränderliche Vorgänge nicht modelliert werden. Um auch den zeitlichen Verlauf der Temperaturen bei z.B. wechselnder Verlustleistung der Bauteile vorhersagen zu können, bedient man sich dem dynamischen Ersatzschaltbild. Dieses enthält neben den thermischen Widerständen auch Wärmekapazitäten. Durch thermische Widerstände und Wärmekapazitäten ergeben sich Zeitkonstanten bei der Erwärmung, sodass das Modell der Realität sehr nahe kommt.<br />
<br />
BAUSTELLE<br />
<br />
=Kühlkörperbauformen=<br />
* Board-Level-Kühlkörper (aufsteckbare/aufklebbare Kühlkörper, auch für SMD, meist 1 Kühlkörper pro IC)<br />
* Strang-/Profilkühlkörper (meist für hohe Leistungen)<br />
* Kühlaggregate (Kanal + Lüfter)<br />
<br />
Wozu eloxierte Oberflächen?<br />
* geringfügig höhere Wärmestrahlung (bei den niedrigen Temperaturen kaum ein Beitrag)<br />
* elektrische Isolation<br />
* Oberflächenschutz<br />
Nachteile:<br />
* erhöhte Wärmeaufnahme aus der unmittelbaren Umgebung!<br />
<br />
Stiftkühlkörper<br />
* hohe Oberfläche<br />
* bei dickem "Rücken"/"Boden" des Kühlkörpers gute Wärmespreizung<br />
* mit erzwungener Konvektion hohe Wärmeübertragung (quer zu den Stiften effektiver als in Stiftrichtung)<br />
* leichter und kompakter als Strangkühlkörper<br />
<br />
todo<br />
<br />
=Lüfter=<br />
Lüfter werden vor allem dann eingesetzt, wenn der Kühlkörper bei rein passiver Kühlung zur groß, zu schwer oder zu teuer wird. Beim Einsatz des Lüfters führt die erzwungene Luftströmung zur besseren Wärmeabgabe an die Luft. Bei gleicher Temperatur kann der Kühlkörper dann kleiner gewählt werden. Bei hohen Leistungen sind der kleinere Kühlkörper mit Lüfter preisgünstiger und kompakter als ein großer, rein passiver Kühlkörper. Um welchen Faktor die Wärmeableitung mit Lüfter verbessert wird, hängt von vielen Parametern ab und kann nicht pauschal angegeben werden.<br />
<br />
Vorteile<br />
* bessere Wärmeabgabe<br />
* Kühlkörper kann bei gleicher Temperatur kleiner, leichter und kostengünstiger werden<br />
* In kleinem Maßstab günstiger als Wasserkühlung o.ä.<br />
<br />
Nachteile<br />
* zusätzlicher Stromverbrauch<br />
* Geräuschentwicklung und Vibrationen<br />
* zusätzliche Kosten für Lüfter und dessen Montage<br />
* Im Falle eines unbemerkten Ausfalls kann die Schaltung überhitzen (Abhilfe: Thermostat, Temperaturfühler oder Tachosignal auswerten)<br />
<br />
Anordnungen:<br />
* Push-Prinzip: Der Lüfter bläst die Luft in den Kühlkörper/-kanal<br />
* Pull-Prinzip: Der Lüfter saugt die Luft aus dem Kühlkörper/-kanal heraus<br />
<br />
Kenngrößen:<br />
* Luftdurchsatz in <math>\frac{m^{3}}{h}</math><br />
* Nennspannung, Nennstrom, Nennleistung<br />
* Typ Axial/Radial<br />
* Größe<br />
* Geräuschpegel<br />
* Art der Lagerung (Kugellager, Sinterbronze-Lager etc.)<br />
* Temperaturbereich<br />
* Lebensdauer, MTBF<br />
<br />
=Kühlung auf einer Platine=<br />
Beim Leiterplattenentwurf muss bereits in der Designphase abgeschätzt werden, welche Verlustleistungen auftreten und wie die entstehende Wärme abgeführt werden kann. Die Größe, Bauform und Befestigung des Kühlkörpers muss ebenfalls berücksichtigt werden. Für Printmontage sind Kühlkörper verfügbar, welche mit lötbaren Stiften in die Platine gesteckt und verlötet werden. Alternativ sind Schraubverbindungen möglich.<br />
<br />
SMD-Bauteile können meist über die Platine gut entwärmt werden. Dies ist normalerweise nur bei geringen Verlustleistungen möglich. Die Abwärme der Bauteile muss auf eine möglichst große Fläche verteilt werden, durch große Kupferflächen auf der Platine kann dies erreicht werden. Da die Wärmeleitfähigkeit der Kupferauflage deutlich höher ist als die Wärmeleitfähigkeit des Platinenmaterials FR4, wird sich die Wärme hauptsächlich in der Fläche verteilen, jedoch weniger ''durch'' die Platine hindurch. Um die Wärmeleitung durch die Platine (z.B. von Ober- zu Unterseite) zu erhöhen, müssen Durchkontaktierungen gesetzt werden. Sogenannte "Thermal Vias" werden in einer großen Anzahl an das zu entwärmende Bauteil gesetzt und können damit die Wärme zu anderen Kupferlagen der Platine weiterleiten. Die Wärmeleitung durch die Platine hindurch wird verbessert, liegt aber dennoch deutlich unter der Wärmeleitfähigkeit von reinem Kupfer. Thermische Vias können aufgrund ihrer kleinen Masse kaum einen Beitrag zur gesamten "Kühlmasse" beitragen. Ob schließlich eine Entwärmung durch die Platine ausreicht, muss durch Simulation oder Messung gezeigt werden.<br />
<br />
Die Einbaulage der Platine kann die Entwärmung zudem beeinflussen. Erwärmte Umgebungsluft steigt nach oben und kann andere Komponenten oder Platinen aufheizen.<br />
<br />
Maßnahmen für bessere Entwärmung:<br />
<br />
* Durchkontaktierungen zur Wärmeleitung zwischen mehreren Kupferlagen, da der Platinenkern (bei FR4: glasfaserverstärktes Epoxidharz) idR. eine sehr schlechte Wärmeleitfähigkeit hat<br />
* Breite Leiterbahnen, welche Wärme abführen und auf eine große Fläche verteilen<br />
* Für große bedrahtete ICs (TO220, Multiwatt...) eignen sich Board-Level-Kühlkörper<br />
* Für kleinere ICs mit Wärmeentwicklung eignen sich aufklebbare Kühlkörper<br />
* Für SMD-Bauteile exisitieren auch Kühlkörper, die sich direkt auf die Platine löten lassen, diese sind auch maschinenbestückbar<br />
* Einsatz spezieller Platinenmaterialien (Alukern, Kupfer-Inlay)...<br />
* je nach Schaltung: dickere Kupferkaschierung für bessere Wärmeausbreitung in der Fläche (Standard sind 35µm, erhältlich sind auch 70µm und mehr)<br />
<br />
Welche Temperatur das Bauteil auf der Platine erreicht, kann nach dem Aufbau natürlich gemessen werden. Besser wäre es jedoch, die Temperaturen bereits beim Entwurf der Platine zu kennen, um einschätzen zu können, ob die Entwärmung ausreichend ist. Allgemeine Angaben hierfür sind schwer zu finden, jedoch gibt es vereinzelt Angaben in Datenblättern von Halbleitern zur Entwärmung. An den folgenden Zahlenwerten kann man sich orientieren, wenn man ähnliche Bauteile entwärmen möchte.<br />
<br />
'''TO263'''<br />
<br />
Im Datenblatt des Schaltreglers LM2576 von ''National Semiconductor'' findet man für das TO263-Gehäuse einige Angaben. Das TO263-Gehäuse gleicht übrigens dem TO220 bis auf die Tatsache, dass die Kühlfahne kürzer ist und das Gehäuse für SMD-Montage vorgesehen ist. Das Datenblatt gibt thermische Widerstände für den Übergang Junction-Ambient an. Die Angabe ist Abhängigkeit von der Kupferfläche auf der Platine, die für das Bauteil aus Kühlkörper wirkt. Die Zahlenwerte wurden in Quadratmillimeter umgerechnet und gerundet. Leider fehlt im Datenblatt, unter welchen Bedingungen (Platinendicke, Durchkontaktierungen, Form der Kupferfläche und Dicke der Kupferkaschierung) diese thermischen Widerstände ermittelt wurden. Dennoch können sie zur Orientierung dienen.<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
| Kupferfläche || therm. Widerstand<br />
|-<br />
| <math>325 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 50\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>645 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 37\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math>1030 mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 32\frac{K}{W} </math><br />
|}<br />
<br />
'''SOT223, TO252'''<br />
<br />
Im Datenblatt des Spannungsreglers LM1117 von ''National Semiconductor'' sind Angaben zur Entwärmung über die Platine von SOT223 und TO252-Gehäusen vorhanden. Der Hersteller gibt an, für das SOT223-Gehäuse eine 35µm dicke, und für das TO252-Gehäuse eine 70µm dicke Kupferkaschierung der Platine verwendet zu haben. Leider finden sich in diesem Datenblatt keine Informationen zu Durchkontaktierungen, Platinendicke, ob das IC auf der Ober- oder Unterseite der Platine montiert wurde (Vermutung: oben montiert, da angegebene thermische Widerstände geringer sind). Der Hersteller hat drei Fälle untersucht: Kupferfläche oben, Kupferfläche unten, Kupferfläche beidseitig. Für das thermische Platinendesign kann man diese Zahlenwerte zumindest als Richtwerte verwenden. Das Datenblatt enthält zudem Zeichnungen der Kühlflächen. Die Zahlenwerte wurden wieder in Quadratmillimeter umgerechnet und gerundet.<br />
<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
| Kupferfläche top || Kupferfläche bottom || therm. Widerstand SOT223 || therm. Widerstand TO252<br />
|-<br />
| <math> 200mm^2</math> || - || <math>R_{th(ja)}\approx 84\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 60\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math> 350mm^2</math> || - || <math>R_{th(ja)}\approx 75\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 54\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math> 650mm^2</math> || - || <math>R_{th(ja)}\approx 66\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 47\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| - || <math> 250mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 98\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 70\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| - || <math> 400mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 89\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 63\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| - || <math> 650mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 79\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 57\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math> 200mm^2</math> || <math> 200mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 83\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 61\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math> 250mm^2</math> || <math> 250mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 75\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 55\frac{K}{W} </math><br />
|-<br />
| <math> 350mm^2</math> || <math> 350mm^2</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 70\frac{K}{W}</math> || <math>R_{th(ja)}\approx 53\frac{K}{W} </math><br />
|}<br />
<br />
Bei gleicher (projizierter) Fläche bring die beidseitige Kupferauflage erstaunlicherweise keinen niedrigeren thermischen Widerstand als wenn die Kupferauflage nur auf der Oberseite vorhanden ist. Vermutlich wurden bei der Messung keine Durchkontaktierungen (Vias) eingebracht.<br />
<br />
=Spezielle Kühlkörper=<br />
<br />
todo<br />
<br />
=Autoren=<br />
* BMS<br />
<br />
[[Kategorie:Elektronik]]<br />
[[Kategorie:Mechanik]] <br />
[[Kategorie:Praxis]] <br />
[[Kategorie:Grundlagen]]<br />
<br />
=Quellen und Verweise=<br />
<br />
* Best, Siegfried W.: ''Elektronikkühlung und Wärmemanagement von A bis Z''. In: Elektronikpraxis - Sonderheft Elektromechanik, April 2013. S. 20ff.<br />
* Best, Tobias: ''Thermisches Via, die kleine Schwester der Heatpipe''. In: Elektronikpraxis, April 2013. S. 12ff.<br />
* Erdmann, Marc: ''Beste Effizienz auch beim Thermal Management''. In: Elektronikpraxis - Sonderheft Leistungelektronik und Stromversorgung. März 2015. S. 38ff.<br />
* Kerstin, Nils; Schulz, Martin: ''Thermische Widerstände genau messen - eine Herausforderung''. In: Elektronikpraxis, Nr. 17, September 2014. S. 48ff.<br />
* K.R. (Alutronic): ''Stiftkühlkörper für die Leistungselektronik''. In: Elektronikpraxis Nr.9, Mai 2014. S. 50ff.<br />
* Harpain, Jürgen: ''Wärmeleitmaterial kompensiert Lufteinschlüsse''. In: Elektronikpraxis Nr.1, Januar 2014. S. 36ff.<br />
* Harpain, Jürgen: ''Entwärmungskonzepte für Einzelhalbleiter und ICs''. In: Elektronikpraxis - Sonderheft Elektromechanik, April 2014. S. 14ff.<br />
* Schulz, Martin: ''Fünf Fettnäpfchen beim Bestimmen thermischer Größen''. In: Elektronikpraxis, November 2013. S. 36ff.<br />
* Schulz, Martin: ''Mythen und Legenden über Wärmeleitmaterialien''. In: Elektronikpraxis Nr.2., Januar 2014. S. 42ff.</div>BMShttps://rn-wissen.de/wiki/index.php?title=K%C3%BChlk%C3%B6rper&diff=26371Kühlkörper2015-05-16T13:10:06Z<p>BMS: Beispielrechnung</p>
<hr />
<div>{{Baustelle|BMS}}<br />
<br />
Dieser Artikel behandelt die Grundlagen zu Kühlkörpern.<br />
<br />
[[Bild:kühlkörper-übersicht.jpg|thumb|Verschiedene Kühlkörper, links ein TO220-Gehäuse zum Größenvergleich]]<br />
<br />
=Einleitung=<br />
<br />
'''Wieso sind überhaupt Kühlkörper in technischen Geräten erforderlich?'''<br />
<br />
Kein Gerät kann einen 100-prozentigen Wirkungsgrad erzielen und somit tritt Verlustleistung auf. Diese Verlustleistung führt zur Erwärmung der Bauteile. Kühlkörper sollen die Entwärmung verbessern, indem die entstehende Wärme auf eine große Fläche verteilt wird und durch Konvektion an der Luft auskühlen kann. Die Temperatur an den heißen Bauteilen ist mit Kühlkörper geringer als ohne Kühlkörper.<br />
<br />
'''Wieso sind hohe Bauteiltemperaturen ungünstig?'''<br />
<br />
Die Lebensdauer aller elektronischen Bauteile ist stark von der Temperatur abhängig. Als Faustregel gilt: Eine Temperaturerhöhung um 10 Grad führt zur Halbierung der Lebensdauer. Außerdem gibt es Grenztemperaturen, die nicht überschritten werden dürfen. Beispielsweise dürfen Halbleiter keine Temperatur über 150°C erreichen. Extrembeispiele sind die Schmelztemperatur von Isolierungen, Lötzinn etc... sowie Brandgefahr durch hohe Temperaturen. Viele Bauteile können ohne vernünftige Kühlung nicht ihren vollen Funktionsumfang erreichen, liefern dann z.B. geringere Maximalströme oder es greift die Temperaturabschaltung. Anders formuliert: Die maximale Leistung eines Bauteils oder Geräts wird durch seine Entwärmung bestimmt! Zur eigenen Sicherheit bietet es sich zudem an, die Temperaturen niedrig zu halten, sodass man sich am Gerät nicht die Finger verbrennen kann ;)<br />
<br />
=Wärmeübertragung=<br />
Prinzipiell kann Wärmeübertragung über Wärmeleitung, Konvektion und Wärmestrahlung geschehen. In vielen Anwendungen treten mehrere Mechanismen gleichzeitig auf. Welcher Mechanismus hauptsächlich auftritt, ist von der mechanischen Anordnung, den Materialien und der Temperatur abhängig. Wärmeleitung und Konvektion sind die wichtigsten Arten der Wärmeübertragung, die in der Praxis auftreten. Nun zu den einzelnen Effekten:<br />
<br />
*'''Wärmeleitung'''<br />
*: Bei der Wärmeleitung wird die Wärme über einen direkten mechanischen Kontakt (Bsp. IC <math>\rightarrow</math>Kühlkörper) übertragen. Den beteiligten Materialien wird jeweils eine spezifische Wärmeleitfähigkeit <math>\lambda</math> zugeordnet, dazu später mehr.<br />
<br />
*'''Konvektion'''<br />
*: Mit Konvektion wird die Strömungsbewegung in Flüssigkeiten und Gasen bezeichnet. Praxisbeispiele sind die Wärmeabgabe eines Kühlkörpers an die Umgebungsluft oder auch eine Wasserkühlung. Von erzwungener Konvektion spricht man, wenn die Strömung durch z.B. einen Ventilator/Lüfter oder eine Wasserpumpe hervorgerufen wird. Im Vakuum kann keine Konvektion auftreten.<br />
<br />
*'''Wärmestrahlung'''<br />
*: Wärmestrahlung ist elektromagnetische Strahlung (hauptsächlich Infrarot und sichtbares Licht), die vom heißen Festkörper abgestrahlt wird. Sie wird erst bei höheren Temperaturen relevant und ist bei den üblichen Kühlkörpertemperaturen meist zu vernachlässigen. Erwähnt werden soll zudem, dass Wärmestrahlung der einzige Mechanismus der Wärmeleitung ist, welcher im Vakuum auftreten kann. (Für Details zu Wärmestrahlung siehe auch: Plancksches Strahlungsgesetz und Schwarzer Strahler).<br />
<br />
=Materialien=<br />
Jedes Material besitzt eine spezifische Wärmeleitfähigkeit, welche angibt, wie gut dieses Material Wärme weiter transportieren kann. Die spezifische Wärmeleitfähigkeit ist unabhängig von der Geometrie des Materials, wird mit der Größe <math>\lambda</math> (Lambda) ausgedrückt und erhält die Einheit <math>\frac{W}{m \cdot K}</math>.<br />
<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
|-<br />
| '''Material''' || '''<math>\lambda</math> in <math>\left[ \frac{W}{m \cdot K} \right]</math>'''<br />
|-<br />
| Silber || 430<br />
|-<br />
| Kupfer || 400<br />
|-<br />
| Aluminium || 230<br />
|-<br />
| Silizium || 140 <br />
|-<br />
| Wärmeleitpaste || 5 ... 10<br />
|-<br />
| Glas || 0,7<br />
|-<br />
| Wasser || 0,5<br />
|-<br />
| Platinenmaterial FR4 || 0,2 ... 0,5<br />
|-<br />
| Luft || 0,02<br />
|}<br />
<br />
Die meisten Kühlkörper werden aus Aluminiumlegierungen hergestellt. Für Aluminium spricht seine relativ hohe Wärmeleitfähigkeit, die hohe Verfügbarkeit und geringe Dichte. Im Vergleich zu Kupfer und Silber ist Aluminium deutlich kostengünstiger. Darüber hinaus lässt sich Aluminium mechanisch gut verarbeiten. Kupfer wird mit seiner höheren Wärmeleitfähigkeit z.B. bei Heatpipes eingesetzt.<br />
<br />
todo<br />
<br />
Wärmewiderstand <math>R_{th}=\frac{d}{\lambda \cdot A}</math><br />
<br />
d: Materialdicke, welche für die Wärmeleitung relevant ist<br />
<br />
<math>\lambda</math>spezifische Wärmeleitfähigkeit des Materials<br />
<br />
A: Querschnitts-/Kontaktfläche<br />
<br />
=Definitionen=<br />
Um vorauszusagen, wie sich die Temperaturen in einer Schaltung verhalten, bedient sich der Ingenieur - wie auch bei vielen anderen Anwendungen - eines Ersatzschaltbildes (ESB). Zur Erstellung eines thermischen Ersatzschaltbildes muss man sich aber zunächst mit den thermischen Größen vertraut machen.<br />
<br />
Die Temperaturen werden mit dem griechischen Buchstaben Theta <math>\theta</math> gekennzeichnet. Temperaturen werden in Grad Celsius (°C), Temperaturdifferenzen in Kelvin (K) angegeben. (Am Rande: Es existiert auch eine Kelvinskala mit dem absoluten Nullpunkt 0 K=-273,15°C). Die Temperaturen werden außerdem noch mit einem Index gekennzeichnet, abhängig von der mechanischen Stelle, an der sie auftreten:<br />
<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
|-<br />
| Symbol || Index || Bedeutung<br />
|-<br />
| <math>\vartheta_{J}</math> || J=Junction || Sperrschichttemperatur des Halbleiters<br />
|-<br />
| <math>\vartheta_{C}</math> || C=Case || Gehäusetemperatur des Bauteils<br />
|-<br />
| <math>\vartheta_{H}</math> || H=Heat Sink || Temperatur des Kühlkörpers<br />
|-<br />
| <math>\vartheta_{A}</math> || A=Ambient || Umgebungstemperatur<br />
|}<br />
<br />
Die Verlustleistung eines Bauteils beschreibt die Größe <math>P_{V}</math> und wird, wie allgemein bekannt, in Watt angegeben.<br />
<br />
Als neue Größe wird nun der thermische Widerstand eingeführt, dieser wird mit <math>R_{th}</math> beschrieben und bekommt die Einheit <math>\frac{K}{W}</math>. <br />
<br />
Für die thermischen Größen gibt es, ähnlich dem Ohmschen Gesetz, einen linearen Zusammenhang. Dieser lautet<br />
<br />
<math>R_{th}=\frac{\vartheta_{ü}}{P_{V}}</math><br />
<br />
todo<br />
<br />
'''Vergleich elektrischer und thermischer Größen'''<br />
Insgesamt können wir nun eine Analogie zwischen bekannten elektrischen Größen und den thermischen Größen angeben. Die schon gelernten Prinzipien zur Lösung linearer Netzwerke lässt sich auch bei den thermischen Ersatzschaltbildern anwenden.<br />
<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
|-<br />
| elektrisch || thermisch<br />
|-<br />
| Spannung U || Temperatur <math>\vartheta</math><br />
|-<br />
| Strom I || Verlustleistung <math>P_{V}</math><br />
|-<br />
| Widerstand R || thermischer Widerstand <math>R_{th}</math><br />
|}<br />
<br />
=Statisches Ersatzschaltbild=<br />
Mit den thermischen Zusammenhängen haben wir uns inzwischen vertraut gemacht. Nun können wir damit beginnen, thermische Ersatzschaltbilder von einfachen Anordnungen zu erstellen. Mit solchen Modellen können Temperaturen, wie z.B. die Chiptemperatur, vorab berechnet werden. Für die Berechnung müssen Wärmewiderstände, Umgebungstemperatur und Verlustleistung bekannt sein, da sie in die Berechnung einfließen.<br />
<br />
Bei den thermischen Ersatzschaltbildern kann man ein statisches oder ein dynamisches Ersatzschaltbild erstellen. Bei den statischen Ersatzschaltbilder wird davon ausgegangen, dass alle Größen zeitlich konstant sind, bzw. sofort ihre Solltemperatur entsprechend dem Modell annehmen. In der Realität dauert es natürlich eine gewisse Zeit, bis sich alle beteiligten Materialien aufgeheizt haben. Die Temperaturen des statischen Modells werden dabei erst nach einer bestimmten Zeit erreicht. <br />
<br />
Für die meisten Anwendungen genügt es jedoch, das statische thermische Ersatzschaltbild zu erstellen und den Kühlkörper dem entsprechend zu dimensionieren. Die Kühlung wird z.B. auf die maximale oder die mittlere auftretende Verlustleistung dimensioniert. Es wurde bereits erwähnt, dass sich die Bauteiltemperatur auf dessen Lebensdauer auswirkt. Dabei gilt: je niedriger die Bauteiltemperatur, desto länger die zu erwartende Lebensdauer. Je nach Anwendung und Rahmenbedingungen muss eventuell ein Kompromiss zwischen Kühlkörpergröße/kosten und Gerätelebensdauer gewählt werden. Beispielsweise kann der verfügbare Platz, ein Gesamtgewicht oder eine Kostenvorgabe begrenzender Faktor sein. Für einen dauerhaften sicheren Betrieb muss der Kühlkörper und weitere beteiligte Materialien für den worst case ausgelegt oder sogar überdimensioniert werden.<br />
<br />
==Bauteil ohne Kühlkörper==<br />
Um den Umgang mit den thermischen Ersatzschaltbildern zu lernen, soll zunächst mit einem einfachen Beispiel begonnen werden. In diesem Fall wird der Wärmeübergang von einem einzelnen Bauteil zu Luft betrachet, es kommt zunächst also noch kein Kühlkörper zum Einsatz. Das Ersatzschaltbild sieht in diesem Fall folgendermaßen aus:<br />
<br />
[[Bild:Therm-esb1.png|450px]]<br />
<br />
Die am Bauteil entstehende Verlustleistung ist Ursache der Abwärme und wird im thermischen Ersatzschaltbild als ideale Stromquelle modelliert.<br />
<br />
Die Abwärme gelangt nun über den Weg Sperrschicht (Junction) <math>\rightarrow</math> Bauteilgehäuse (Case) <math>\rightarrow</math> Umgebung (Ambient) nach außen. Im Ersatzschaltbild ist jeder Übergang als thermischer Widerstand modelliert. Die genauen Zahlenwerte der Wärmewiderstände lassen sich in der Regel dem Datenblatt des Bauteils entnehmen. Benötigt werden die Werte für <math>R_{th(jc)}</math> und <math>R_{th(ca)}</math>. In manchen Datenblättern findet man die Angabe <math>R_{th(ja)}</math>, was der Reihenschaltung aus den beiden vorher genannten Werten entspricht, also <math>R_{th(ja)}=R_{th(jc)}+R_{th(ca)}</math>.<br />
<br />
Die Umgebungstemperatur wird als ideale Spannungsquelle modelliert. Sämtliche Spannungen im Ersatzschaltbild entsprechen den auftretenden Temperaturen.<br />
<br />
Da es sich nun um ein lineares Netzwerk handelt, gelten hier ebenfalls die Kirchhoff'schen Gleichungen. Relativ leicht lässt sich nun die Temperatur am Bauteilgehäuse (Case) und der Sperrschicht (Junction) berechnen:<br />
<br />
<math>\vartheta_{c}=\vartheta_{a}+R_{th(ca)} \cdot P_{V}</math><br />
<br />
<math>\vartheta_{j}=\vartheta_{a}+R_{th(jc)} \cdot P_{V}+R_{th(ca)} \cdot P_{V}=\vartheta_{a}+(R_{th(jc)}+R_{th(ca)}) \cdot P_{V}=\vartheta_{a}+R_{th(ja)} \cdot P_{V}</math><br />
<br />
Da die thermischen Widerstände bei der Reihenschaltung auch zusammengefasst werden dürfen, beschreibt folgendes thermisches Ersatzschaltbild den gleichen Zusammenhang. Nachteil ist hier allerdings, dass die Temperatur am Gehäuse nicht modelliert wird.<br />
<br />
[[Bild:Therm-esb0.png|300px]]<br />
<br />
Die Überlegungen zur Sperrschichttemperatur kann auch anders interpretiert werden. Gibt man die Sperrschichttemperatur vor, kann man die maximal erlaubte Verlustleistung des Bauteils in Abhängigkeit der Umgebungstemperatur bestimmen. Die folgende Formel erhält man aus Umformung der oberen Gleichung:<br />
<br />
<math>P_{V} \leq \frac{\vartheta_{j}-\vartheta_{a}}{R_{th(ja)}}</math><br />
<br />
Bei Halbleitern darf idR. die Sperrschichttemperatur nicht 150°C überschreiten. Der thermische Widerstand wird hauptsächlich durch das Gehäuse vorgegeben. Aus der Formel sieht man nun folgendes: Je höher die Umgebungstemperatur, desto geringer fällt die maximal erlaubte Verlustleistung aus. Diesen Zusammenhang bezeichnet man auch als '''Derating'''.<br />
<br />
===Beispielrechnung===<br />
<br />
Ein Spannungsregler vom Typ 7805 im TO220-Gehäuse soll ohne Kühlkörper betrieben werden. Wie hoch ist die maximal erlaubte Verlustleistung, wenn die Sperrschichttemperatur 120°C nicht überschreiten soll und die Umgebungstemperatur 25°C beträgt?<br />
<br />
Zunächst werfen wir einen Blick ins Datenblatt des Spannungsreglers und entnehmen die Angaben für die thermischen Widerstände. Dann halten wir alle gegebenen Größen fest:<br />
<br />
*'''Gegeben'''<br />
*:* <math>R_{th(jc)}=5 \frac{K}{W}</math> (aus dem Datenblatt)<br />
*:* <math>R_{th(ja)}=62 \frac{K}{W}</math> (aus dem Datenblatt)<br />
*:* <math>\vartheta_{j}=125°C</math><br />
*:* <math>\vartheta_{a}=25°C</math><br />
*'''Gesucht'''<br />
*:* <math>P_{v,max}</math><br />
*'''Rechnung'''<br />
*:Wir verwenden die Formel von oben und erhalten als Ergebnis<br />
*:<math>P_{V,max} = \frac{\vartheta_{j}-\vartheta_{a}}{R_{th(ja)}} = \frac{120°C-25°C}{62\frac{K}{W}} = \frac{95K}{62\frac{K}{W}} \approx 1,5 Watt</math><br />
*:Die maximal erlaubte Verlustleistung des Spannungsreglers ohne Kühlkörper darf demnach 1,5 Watt nicht überschreiten.<br />
*'''Zusatz'''<br />
*:Mit unserem Ersatzschaltbild können wir außerdem die Temperatur des Gehäuses (Case) des Spannungsreglers angeben. Dafür benötigen wir noch die Angabe <math>R_{th(ca)}</math>, welche allerdings im Datenblatt nicht angegeben ist.<br />
*:Da wir aber wissen, dass <math>R_{th(ja)}=R_{th(jc)}+R_{th(ca)}</math> gilt, können wir die fehlende Größe ausrechnen. Diese ist<br />
*:<math>R_{th(ca)}=R_{th(ja)}-R_{th(jc)}=62\frac{K}{W}-5\frac{K}{W}=57\frac{K}{W}</math>.<br />
*:Nun lässt sich die Gehäusetemperatur berechnen:<br />
*:<math>\vartheta_{c}=\vartheta_{a}+R_{th(ca)} \cdot P_{V}=25°C+57\frac{K}{W} \cdot 1,5 W \approx 111 °C</math><br />
*'''Bemerkung'''<br />
*:In der Praxis wird einem TO220-Gehäuse ungekühlt eine maximale Verlustleistung von 1 Watt zugerechnet. Die Temperaturen sind niedriger, die Lebensdauer des Bauteils höher.<br />
<br />
==Bauteil mit Kühlkörper und T.I.M.==<br />
<br />
Der Betrieb eines ICs ohne Kühlkörper, wie im vorigen Abschnitt beschrieben, funktioniert nur bei kleinen Leistungen und führt meist auch zu einer verringerten Lebensdauer des Bauteils. Viele Bauteile können ihre angegebenen Maximalwerte nur bei vernünftiger Kühlung erreichen. In diesem Abschnitt wird nun ein typisches Szenario mit Kühlkörperberechnung vorgestellt.<br />
<br />
Befassen wir uns zunächst mit der typischen mechanischen Anordnung. Das zu kühlende IC wird thermisch an einen Kühlkörper gekoppelt. In der Praxis wird man das IC aber nicht direkt auf dem Kühlkörper befestigen, sondern über ein sogenanntes ''thermisches Interface-Material'' (T.I.M.), um Unebenheiten und mechanische Abstände auszugleichen oder um für Insolierung zu sorgen. Details zum T.I.M. folgen im Unterabschnitt. Die typische Anordnung zeigt die folgende Abbildung.<br />
<br />
[[Bild:kühlkörper-schichten.png|300px]]<br />
<br />
Folgende thermischen Widerstände treten hier in Kraft:<br />
*<math>R_{th(jc)}</math> für den Übergang Chip zu Bauteilgehäuse<br />
*<math>R_{th(ch)}</math> für den Übergang Bauteilgehäuse zu Kühlkörper (also über das T.I.M.)<br />
*<math>R_{th(ha)}</math> für den Übergang Kühlkörper zur Umgebung<br />
<br />
Aus diesen thermischen Widerständen wird ein thermisches Ersatzschaltbild angefertigt. Dieses zeigt die nächste Abbildung.<br />
<br />
[[Bild:Therm-esb2.png|700px]]<br />
<br />
Zunächst soll die Formel zur Berechnung der Chiptemperatur aufgestellt werden, die Formel erhält man wieder durch die Anwendung der Kirchhoffschen Gleichungen im Ersatzschaltbild.<br />
<br />
<math>\vartheta_{j}=\vartheta_{a}+(R_{th(jc)}+R_{th(ch)}+R_{th(ha)}) \cdot P_{V}</math><br />
<br />
Die Formel wird in der Praxis jedoch in einer anderen Form benötigt. Meist steht man als Entwickler vor der Aufgabe, den erforderlichen thermischen Widerstand <math>R_{th(ha)}</math> des Kühlkörpers zu bestimmen, sofern die Größen Umgebungstemperatur, Sperrschichttemperatur, Verlustleistung sowie die verbleibenden thermischen Widerstände gegeben sind. Anhand des berechneten Wärmewiderstands des Kühlkörpers können dann aus Produktkatalogen geeignete Kühlkörper bestimmt werden.<br />
<br />
Wir müssen dafür also die Gleichung nach <math>R_{th(ha)}</math> auflösen. Wir erhalten die praxisübliche Berechnungsformel:<br />
<br />
<math>R_{th(ha)}=\frac{\vartheta_{j}-\vartheta_{a}}{P_{V}}-R_{th(jc)}-R_{th(ch)}</math><br />
<br />
In manchen Quellen sind enthält diese Formel außerdem Korrekturfaktoren, die z.B. die Einbaulage o.ä. berücksichtigen können.<br />
<br />
===Beispielrechnung===<br />
<br />
Für einen Spannungsregler vom Typ 7805 im TO220-Gehäuse soll ein Kühlkörper dimensioniert werden. Die Eingangsspannung des Reglers beträgt 12V, die Ausgangsspannung von 5V wird mit 500mA belastet. Die Umgebungstemperatur sei 30°C. Der Spannungsregler wird mit Wärmeleitpaste auf dem Kühlkörper montiert, für diesen Wärmewiderstand wird 0,5 K/W angenommen. Welchen Wärmewiderstand darf der Kühlkörper höchstens haben, wenn als maximale Sperrschichttemperatur 110°C angenommen wird?<br />
<br />
Diese Aufgabe kann so durchaus in der Praxis auftreten. Von den vielen Angaben darf man sich zunächst nicht verunsichern lassen. Wir verwenden das gezeigte thermische Ersatzschaltbild. Für die Rechnung benötigen wir außerdem noch den thermischen Widerstand <math>R_{th(jc)}</math> aus dem Datenblatt.<br />
<br />
*'''Gegeben'''<br />
*:<math>R_{th(jc)}=5 \frac{K}{W}</math> (aus dem Datenblatt)<br />
*:<math>R_{th(ch)}=0,5 \frac{K}{W}</math><br />
*:<math>\vartheta_{j}=110°C</math><br />
*:<math>\vartheta_{a}=30°C</math><br />
*:<math>U_{ein}=12V</math><br />
*:<math>U_{aus}=5V</math><br />
*:<math>I=0,5A</math><br />
*'''Gesucht'''<br />
*:<math>R_{th(ha)}</math><br />
*'''Rechnung'''<br />
*:Zunächst muss die Verlustleistung am Regler berechnet werden. Diese beträgt<br />
*:<math>P_V=P_{Ein}-P_{Aus}=12V \cdot 0,5A~-~5V \cdot 0,5A=3,5 W</math>.<br />
*:Nun sind eigentlich auch schon alle Angaben vorhanden, sodass wir die Formel verwenden können.<br />
*:<math>R_{th(ha)}=\frac{\vartheta_{j}-\vartheta_{a}}{P_{V}}-R_{th(jc)}-R_{th(ch)}</math><br />
*:Einsetzen:<br />
*:<math>R_{th(ha)}=\frac{110°C-30°C}{3,5W}-5\frac{K}{W}-0,5\frac{K}{W} \approx 17,4\frac{K}{W}</math><br />
*'''Ergebnis'''<br />
*:Der Wärmewiderstand des Kühlkörpers darf maximal <math>17,4\frac{K}{W}</math> betragen.<br />
*'''Zusatz'''<br />
*:Aus dem Katalog wird ein Kühlkörper mit einem Wärmewiderstand von <math>10\frac{K}{W}</math> gewählt. Welche Temperatur erreicht der Kühlkörper, wenn er bei den gegebenen Bedingungen eingesetzt wird?<br />
*:<math>\vartheta_h=\vartheta_a+P_{V} \cdot R_{th(ha)}=30°C+3,5W \cdot 10 \frac{K}{W} \approx 65°C</math><br />
<br />
===Thermische Interface-Materialien (T.I.M.) und Montage===<br />
Wie bereits erwähnt, werden ICs in der Praxis nicht direkt auf einen Kühlkörper befestigt. Der Grund dafür ist folgender: Durch Unebenheiten und die rauhe Oberfläche von Kühlkörper und IC berühren sich die betreffenden Flächen unter dem Mikroskop gesehen nur minimal. Durch Lufteinschlüsse und die Tatsache, dass Luft ein schlechter Wärmeleiter ist, fällt in diesem Fall die thermische Anbindung des ICs an den Kühlkörper relativ schlecht aus.<br />
<br />
Zum Ausgleich der Unebenheiten eignet sich Wärmeleitpaste, welche dünn auf die Kontaktfläche aufgetragen wird. Es genügt eine sehr geringe Menge der Wärmeleitpaste, die Schichtdicke liegt in der Größenordnung 0,1mm. Die Aufgabe der Wärmeleitpaste ist, die Unebenheiten der Kontaktflächen auszugleichen. Zu viel Wärmeleitpaste erhöht wiederum den thermischen Übergangswiderstand. <br />
<br />
Ist zusätzlich eine elektrische Isolation zwischen IC und Kühlkörper erforderlich, können Glimmerscheiben (engl. mica) eingesetzt werden. Elektrische Isolation ist erforderlich, falls zum Beispiel mehrere Transistoren auf einen Kühlkörper montiert werden sollen und eine elektrische Verbindung der Kühlfahnen über den Kühlkörper zu Kurzschlüssen führen würde. Werden Glimmerscheiben verwendet, müssen diese beidseitig mit Wärmeleitpaste bestrichen werden, um sämtliche Unebenheiten auszugleichen. Die Glimmerscheiben werden zwischen IC und Kühlkörper eingebaut. Werden die ICs an den Kühlkörper geschraubt, muss auch die Schraube elektrisch isoliert werden. Hierfür sind entsprechende Hülsen aus Kunststoff erhältlich.<br />
<br />
Wärmeleitfolien aus Silikon /Gap-Filler<br />
<br />
BAUSTELLE<br />
<br />
Zur Montage der ICs auf dem Kühlkörper gibt es mehrere Möglichkeiten. Üblich sind Schraubmontage oder die Verwendung von Metallclips aus Federstahl. Der Anpressdruck durch die Montage kann die thermische Kopplung des ICs zum Kühlkörper beeinflussen. Die Metallclips haben den Vorteil, dass der Anpressdruck mit der Zeit nicht nachlässt.<br />
<br />
BAUSTELLE<br />
<br />
=Dynamisches Ersatzschaltbild=<br />
<br />
Bei den statischen Ersatzschaltbildern können zeitveränderliche Vorgänge nicht modelliert werden. Um auch den zeitlichen Verlauf der Temperaturen bei z.B. wechselnder Verlustleistung der Bauteile vorhersagen zu können, bedient man sich dem dynamischen Ersatzschaltbild. Dieses enthält neben den thermischen Widerständen auch Wärmekapazitäten. Durch thermische Widerstände und Wärmekapazitäten ergeben sich Zeitkonstanten bei der Erwärmung, sodass das Modell der Realität sehr nahe kommt.<br />
<br />
BAUSTELLE<br />
<br />
=Kühlkörperbauformen=<br />
* Board-Level-Kühlkörper (aufsteckbare/aufklebbare Kühlkörper, auch für SMD, meist 1 Kühlkörper pro IC)<br />
* Strang-/Profilkühlkörper (meist für hohe Leistungen)<br />
* Kühlaggregate (Kanal + Lüfter)<br />
<br />
Wozu eloxierte Oberflächen?<br />
* geringfügig höhere Wärmestrahlung (bei den niedrigen Temperaturen kaum ein Beitrag)<br />
* elektrische Isolation<br />
* Oberflächenschutz<br />
Nachteile:<br />
* erhöhte Wärmeaufnahme aus der unmittelbaren Umgebung!<br />
<br />
Stiftkühlkörper<br />
* hohe Oberfläche<br />
* bei dickem "Rücken"/"Boden" des Kühlkörpers gute Wärmespreizung<br />
* mit erzwungener Konvektion hohe Wärmeübertragung (quer zu den Stiften effektiver als in Stiftrichtung)<br />
* leichter und kompakter als Strangkühlkörper<br />
<br />
todo<br />
<br />
=Lüfter=<br />
Lüfter werden vor allem dann eingesetzt, wenn der Kühlkörper bei rein passiver Kühlung zur groß, zu schwer oder zu teuer wird. Beim Einsatz des Lüfters führt die erzwungene Luftströmung zur besseren Wärmeabgabe an die Luft. Bei gleicher Temperatur kann der Kühlkörper dann kleiner gewählt werden. Bei hohen Leistungen sind der kleinere Kühlkörper mit Lüfter preisgünstiger und kompakter als ein großer, rein passiver Kühlkörper. Um welchen Faktor die Wärmeableitung mit Lüfter verbessert wird, hängt von vielen Parametern ab und kann nicht pauschal angegeben werden.<br />
<br />
Vorteile<br />
* bessere Wärmeabgabe<br />
* Kühlkörper kann bei gleicher Temperatur kleiner, leichter und kostengünstiger werden<br />
* In kleinem Maßstab günstiger als Wasserkühlung o.ä.<br />
<br />
Nachteile<br />
* zusätzlicher Stromverbrauch<br />
* Geräuschentwicklung und Vibrationen<br />
* zusätzliche Kosten für Lüfter und dessen Montage<br />
* Im Falle eines unbemerkten Ausfalls kann die Schaltung überhitzen (Abhilfe: Thermostat, Temperaturfühler oder Tachosignal auswerten)<br />
<br />
Anordnungen:<br />
* Push-Prinzip: Der Lüfter bläst die Luft in den Kühlkörper/-kanal<br />
* Pull-Prinzip: Der Lüfter saugt die Luft aus dem Kühlkörper/-kanal heraus<br />
<br />
Kenngrößen:<br />
* Luftdurchsatz in <math>\frac{m^{3}}{h}</math><br />
* Nennspannung, Nennstrom, Nennleistung<br />
* Typ Axial/Radial<br />
* Größe<br />
* Geräuschpegel<br />
* Art der Lagerung (Kugellager, Sinterbronze-Lager etc.)<br />
* Temperaturbereich<br />
* Lebensdauer, MTBF<br />
<br />
=Kühlung auf einer Platine=<br />
Beim Leiterplattenentwurf muss bereits in der Designphase abgeschätzt werden, welche Verlustleistungen auftreten und wie die entstehende Wärme abgeführt werden kann. Die Größe, Bauform und Befestigung des Kühlkörpers muss ebenfalls berücksichtigt werden. Für Printmontage sind Kühlkörper verfügbar, welche mit lötbaren Stiften in die Platine gesteckt und verlötet werden. Alternativ sind Schraubverbindungen möglich.<br />
<br />
SMD-Bauteile können meist über die Platine gut entwärmt werden. Dies ist normalerweise nur bei geringen Verlustleistungen möglich. Die Abwärme der Bauteile muss auf eine möglichst große Fläche verteilt werden, durch große Kupferflächen auf der Platine kann dies erreicht werden. Da die Wärmeleitfähigkeit der Kupferauflage deutlich höher ist als die Wärmeleitfähigkeit des Platinenmaterials FR4, wird sich die Wärme hauptsächlich in der Fläche verteilen, jedoch weniger ''durch'' die Platine hindurch. Um die Wärmeleitung durch die Platine (z.B. von Ober- zu Unterseite) zu erhöhen, müssen Durchkontaktierungen gesetzt werden. Sogenannte "Thermal Vias" werden in einer großen Anzahl an das zu entwärmende Bauteil gesetzt und können damit die Wärme zu anderen Kupferlagen der Platine weiterleiten. Die Wärmeleitung durch die Platine hindurch wird verbessert, liegt aber dennoch deutlich unter der Wärmeleitfähigkeit von reinem Kupfer. Thermische Vias können aufgrund ihrer kleinen Masse kaum einen Beitrag zur gesamten "Kühlmasse" beitragen. Ob schließlich eine Entwärmung durch die Platine ausreicht, muss durch Simulation oder Messung gezeigt werden.<br />
<br />
Die Einbaulage der Platine kann die Entwärmung zudem beeinflussen. Erwärmte Umgebungsluft steigt nach oben und kann andere Komponenten oder Platinen aufheizen.<br />
<br />
Maßnahmen für bessere Entwärmung:<br />
<br />
* Durchkontaktierungen zur Wärmeleitung zwischen mehreren Kupferlagen, da der Platinenkern (bei FR4: glasfaserverstärktes Epoxidharz) idR. eine sehr schlechte Wärmeleitfähigkeit hat<br />
* Breite Leiterbahnen, welche Wärme abführen und auf eine große Fläche verteilen<br />
* Für große bedrahtete ICs (TO220, Multiwatt...) eignen sich Board-Level-Kühlkörper<br />
* Für kleinere ICs mit Wärmeentwicklung eignen sich aufklebbare Kühlkörper<br />
* Für SMD-Bauteile exisitieren auch Kühlkörper, die sich direkt auf die Platine löten lassen, diese sind auch maschinenbestückbar<br />
* Einsatz spezieller Platinenmaterialien (Alukern, Kupfer-Inlay)...<br />
* je nach Schaltung: dickere Kupferkaschierung für bessere Wärmeausbreitung in der Fläche (Standard sind 35µm, erhältlich sind auch 70µm und mehr)<br />
<br />
todo<br />
<br />
=Spezielle Kühlkörper=<br />
<br />
todo<br />
<br />
=Autoren=<br />
* BMS<br />
<br />
[[Kategorie:Elektronik]]<br />
[[Kategorie:Mechanik]] <br />
[[Kategorie:Praxis]] <br />
[[Kategorie:Grundlagen]]<br />
<br />
=Quellen und Verweise=<br />
<br />
* Best, Siegfried W.: ''Elektronikkühlung und Wärmemanagement von A bis Z''. In: Elektronikpraxis - Sonderheft Elektromechanik, April 2013. S. 20ff.<br />
* Best, Tobias: ''Thermisches Via, die kleine Schwester der Heatpipe''. In: Elektronikpraxis, April 2013. S. 12ff.<br />
* Erdmann, Marc: ''Beste Effizienz auch beim Thermal Management''. In: Elektronikpraxis - Sonderheft Leistungelektronik und Stromversorgung. März 2015. S. 38ff.<br />
* Kerstin, Nils; Schulz, Martin: ''Thermische Widerstände genau messen - eine Herausforderung''. In: Elektronikpraxis, Nr. 17, September 2014. S. 48ff.<br />
* K.R. (Alutronic): ''Stiftkühlkörper für die Leistungselektronik''. In: Elektronikpraxis Nr.9, Mai 2014. S. 50ff.<br />
* Harpain, Jürgen: ''Wärmeleitmaterial kompensiert Lufteinschlüsse''. In: Elektronikpraxis Nr.1, Januar 2014. S. 36ff.<br />
* Harpain, Jürgen: ''Entwärmungskonzepte für Einzelhalbleiter und ICs''. In: Elektronikpraxis - Sonderheft Elektromechanik, April 2014. S. 14ff.<br />
* Schulz, Martin: ''Fünf Fettnäpfchen beim Bestimmen thermischer Größen''. In: Elektronikpraxis, November 2013. S. 36ff.<br />
* Schulz, Martin: ''Mythen und Legenden über Wärmeleitmaterialien''. In: Elektronikpraxis Nr.2., Januar 2014. S. 42ff.</div>BMShttps://rn-wissen.de/wiki/index.php?title=K%C3%BChlk%C3%B6rper&diff=26370Kühlkörper2015-05-13T18:37:49Z<p>BMS: Quellen und Verweise</p>
<hr />
<div>{{Baustelle|BMS}}<br />
<br />
Dieser Artikel behandelt die Grundlagen zu Kühlkörpern.<br />
<br />
[[Bild:kühlkörper-übersicht.jpg|thumb|Verschiedene Kühlkörper, links ein TO220-Gehäuse zum Größenvergleich]]<br />
<br />
=Einleitung=<br />
<br />
'''Wieso sind überhaupt Kühlkörper in technischen Geräten erforderlich?'''<br />
<br />
Kein Gerät kann einen 100-prozentigen Wirkungsgrad erzielen und somit tritt Verlustleistung auf. Diese Verlustleistung führt zur Erwärmung der Bauteile. Kühlkörper sollen die Entwärmung verbessern, indem die entstehende Wärme auf eine große Fläche verteilt wird und durch Konvektion an der Luft auskühlen kann. Die Temperatur an den heißen Bauteilen ist mit Kühlkörper geringer als ohne Kühlkörper.<br />
<br />
'''Wieso sind hohe Bauteiltemperaturen ungünstig?'''<br />
<br />
Die Lebensdauer aller elektronischen Bauteile ist stark von der Temperatur abhängig. Als Faustregel gilt: Eine Temperaturerhöhung um 10 Grad führt zur Halbierung der Lebensdauer. Außerdem gibt es Grenztemperaturen, die nicht überschritten werden dürfen. Beispielsweise dürfen Halbleiter keine Temperatur über 150°C erreichen. Extrembeispiele sind die Schmelztemperatur von Isolierungen, Lötzinn etc... sowie Brandgefahr durch hohe Temperaturen. Viele Bauteile können ohne vernünftige Kühlung nicht ihren vollen Funktionsumfang erreichen, liefern dann z.B. geringere Maximalströme oder es greift die Temperaturabschaltung. Anders formuliert: Die maximale Leistung eines Bauteils oder Geräts wird durch seine Entwärmung bestimmt! Zur eigenen Sicherheit bietet es sich zudem an, die Temperaturen niedrig zu halten, sodass man sich am Gerät nicht die Finger verbrennen kann ;)<br />
<br />
=Wärmeübertragung=<br />
Prinzipiell kann Wärmeübertragung über Wärmeleitung, Konvektion und Wärmestrahlung geschehen. In vielen Anwendungen treten mehrere Mechanismen gleichzeitig auf. Welcher Mechanismus hauptsächlich auftritt, ist von der mechanischen Anordnung, den Materialien und der Temperatur abhängig. Wärmeleitung und Konvektion sind die wichtigsten Arten der Wärmeübertragung, die in der Praxis auftreten. Nun zu den einzelnen Effekten:<br />
<br />
*'''Wärmeleitung'''<br />
*: Bei der Wärmeleitung wird die Wärme über einen direkten mechanischen Kontakt (Bsp. IC <math>\rightarrow</math>Kühlkörper) übertragen. Den beteiligten Materialien wird jeweils eine spezifische Wärmeleitfähigkeit <math>\lambda</math> zugeordnet, dazu später mehr.<br />
<br />
*'''Konvektion'''<br />
*: Mit Konvektion wird die Strömungsbewegung in Flüssigkeiten und Gasen bezeichnet. Praxisbeispiele sind die Wärmeabgabe eines Kühlkörpers an die Umgebungsluft oder auch eine Wasserkühlung. Von erzwungener Konvektion spricht man, wenn die Strömung durch z.B. einen Ventilator/Lüfter oder eine Wasserpumpe hervorgerufen wird. Im Vakuum kann keine Konvektion auftreten.<br />
<br />
*'''Wärmestrahlung'''<br />
*: Wärmestrahlung ist elektromagnetische Strahlung (hauptsächlich Infrarot und sichtbares Licht), die vom heißen Festkörper abgestrahlt wird. Sie wird erst bei höheren Temperaturen relevant und ist bei den üblichen Kühlkörpertemperaturen meist zu vernachlässigen. Erwähnt werden soll zudem, dass Wärmestrahlung der einzige Mechanismus der Wärmeleitung ist, welcher im Vakuum auftreten kann. (Für Details zu Wärmestrahlung siehe auch: Plancksches Strahlungsgesetz und Schwarzer Strahler).<br />
<br />
=Materialien=<br />
Jedes Material besitzt eine spezifische Wärmeleitfähigkeit, welche angibt, wie gut dieses Material Wärme weiter transportieren kann. Die spezifische Wärmeleitfähigkeit ist unabhängig von der Geometrie des Materials, wird mit der Größe <math>\lambda</math> (Lambda) ausgedrückt und erhält die Einheit <math>\frac{W}{m \cdot K}</math>.<br />
<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
|-<br />
| '''Material''' || '''<math>\lambda</math> in <math>\left[ \frac{W}{m \cdot K} \right]</math>'''<br />
|-<br />
| Silber || 430<br />
|-<br />
| Kupfer || 400<br />
|-<br />
| Aluminium || 230<br />
|-<br />
| Silizium || 140 <br />
|-<br />
| Wärmeleitpaste || 5 ... 10<br />
|-<br />
| Glas || 0,7<br />
|-<br />
| Wasser || 0,5<br />
|-<br />
| Platinenmaterial FR4 || 0,2 ... 0,5<br />
|-<br />
| Luft || 0,02<br />
|}<br />
<br />
Die meisten Kühlkörper werden aus Aluminiumlegierungen hergestellt. Für Aluminium spricht seine relativ hohe Wärmeleitfähigkeit, die hohe Verfügbarkeit und geringe Dichte. Im Vergleich zu Kupfer und Silber ist Aluminium deutlich kostengünstiger. Darüber hinaus lässt sich Aluminium mechanisch gut verarbeiten. Kupfer wird mit seiner höheren Wärmeleitfähigkeit z.B. bei Heatpipes eingesetzt.<br />
<br />
todo<br />
<br />
Wärmewiderstand <math>R_{th}=\frac{d}{\lambda \cdot A}</math><br />
<br />
d: Materialdicke, welche für die Wärmeleitung relevant ist<br />
<br />
<math>\lambda</math>spezifische Wärmeleitfähigkeit des Materials<br />
<br />
A: Querschnitts-/Kontaktfläche<br />
<br />
=Definitionen=<br />
Um vorauszusagen, wie sich die Temperaturen in einer Schaltung verhalten, bedient sich der Ingenieur - wie auch bei vielen anderen Anwendungen - eines Ersatzschaltbildes (ESB). Zur Erstellung eines thermischen Ersatzschaltbildes muss man sich aber zunächst mit den thermischen Größen vertraut machen.<br />
<br />
Die Temperaturen werden mit dem griechischen Buchstaben Theta <math>\theta</math> gekennzeichnet. Temperaturen werden in Grad Celsius (°C), Temperaturdifferenzen in Kelvin (K) angegeben. (Am Rande: Es existiert auch eine Kelvinskala mit dem absoluten Nullpunkt 0 K=-273,15°C). Die Temperaturen werden außerdem noch mit einem Index gekennzeichnet, abhängig von der mechanischen Stelle, an der sie auftreten:<br />
<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
|-<br />
| Symbol || Index || Bedeutung<br />
|-<br />
| <math>\vartheta_{J}</math> || J=Junction || Sperrschichttemperatur des Halbleiters<br />
|-<br />
| <math>\vartheta_{C}</math> || C=Case || Gehäusetemperatur des Bauteils<br />
|-<br />
| <math>\vartheta_{H}</math> || H=Heat Sink || Temperatur des Kühlkörpers<br />
|-<br />
| <math>\vartheta_{A}</math> || A=Ambient || Umgebungstemperatur<br />
|}<br />
<br />
Die Verlustleistung eines Bauteils beschreibt die Größe <math>P_{V}</math> und wird, wie allgemein bekannt, in Watt angegeben.<br />
<br />
Als neue Größe wird nun der thermische Widerstand eingeführt, dieser wird mit <math>R_{th}</math> beschrieben und bekommt die Einheit <math>\frac{K}{W}</math>. <br />
<br />
Für die thermischen Größen gibt es, ähnlich dem Ohmschen Gesetz, einen linearen Zusammenhang. Dieser lautet<br />
<br />
<math>R_{th}=\frac{\vartheta_{ü}}{P_{V}}</math><br />
<br />
todo<br />
<br />
'''Vergleich elektrischer und thermischer Größen'''<br />
Insgesamt können wir nun eine Analogie zwischen bekannten elektrischen Größen und den thermischen Größen angeben. Die schon gelernten Prinzipien zur Lösung linearer Netzwerke lässt sich auch bei den thermischen Ersatzschaltbildern anwenden.<br />
<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
|-<br />
| elektrisch || thermisch<br />
|-<br />
| Spannung U || Temperatur <math>\vartheta</math><br />
|-<br />
| Strom I || Verlustleistung <math>P_{V}</math><br />
|-<br />
| Widerstand R || thermischer Widerstand <math>R_{th}</math><br />
|}<br />
<br />
=Statisches Ersatzschaltbild=<br />
Mit den thermischen Zusammenhängen haben wir uns inzwischen vertraut gemacht. Nun können wir damit beginnen, thermische Ersatzschaltbilder von einfachen Anordnungen zu erstellen. Mit solchen Modellen können Temperaturen, wie z.B. die Chiptemperatur, vorab berechnet werden. Für die Berechnung müssen Wärmewiderstände, Umgebungstemperatur und Verlustleistung bekannt sein, da sie in die Berechnung einfließen.<br />
<br />
Bei den thermischen Ersatzschaltbildern kann man ein statisches oder ein dynamisches Ersatzschaltbild erstellen. Bei den statischen Ersatzschaltbilder wird davon ausgegangen, dass alle Größen zeitlich konstant sind, bzw. sofort ihre Solltemperatur entsprechend dem Modell annehmen. In der Realität dauert es natürlich eine gewisse Zeit, bis sich alle beteiligten Materialien aufgeheizt haben. Die Temperaturen des statischen Modells werden dabei erst nach einer bestimmten Zeit erreicht. <br />
<br />
Für die meisten Anwendungen genügt es jedoch, das statische thermische Ersatzschaltbild zu erstellen und den Kühlkörper dem entsprechend zu dimensionieren. Die Kühlung wird z.B. auf die maximale oder die mittlere auftretende Verlustleistung dimensioniert. Es wurde bereits erwähnt, dass sich die Bauteiltemperatur auf dessen Lebensdauer auswirkt. Dabei gilt: je niedriger die Bauteiltemperatur, desto länger die zu erwartende Lebensdauer. Je nach Anwendung und Rahmenbedingungen muss eventuell ein Kompromiss zwischen Kühlkörpergröße/kosten und Gerätelebensdauer gewählt werden. Beispielsweise kann der verfügbare Platz, ein Gesamtgewicht oder eine Kostenvorgabe begrenzender Faktor sein. Für einen dauerhaften sicheren Betrieb muss der Kühlkörper und weitere beteiligte Materialien für den worst case ausgelegt oder sogar überdimensioniert werden.<br />
<br />
==Bauteil ohne Kühlkörper==<br />
Um den Umgang mit den thermischen Ersatzschaltbildern zu lernen, soll zunächst mit einem einfachen Beispiel begonnen werden. In diesem Fall wird der Wärmeübergang von einem einzelnen Bauteil zu Luft betrachet, es kommt zunächst also noch kein Kühlkörper zum Einsatz. Das Ersatzschaltbild sieht in diesem Fall folgendermaßen aus:<br />
<br />
[[Bild:Therm-esb1.png|450px]]<br />
<br />
Die am Bauteil entstehende Verlustleistung ist Ursache der Abwärme und wird im thermischen Ersatzschaltbild als ideale Stromquelle modelliert.<br />
<br />
Die Abwärme gelangt nun über den Weg Sperrschicht (Junction) <math>\rightarrow</math> Bauteilgehäuse (Case) <math>\rightarrow</math> Umgebung (Ambient) nach außen. Im Ersatzschaltbild ist jeder Übergang als thermischer Widerstand modelliert. Die genauen Zahlenwerte der Wärmewiderstände lassen sich in der Regel dem Datenblatt des Bauteils entnehmen. Benötigt werden die Werte für <math>R_{th(jc)}</math> und <math>R_{th(ca)}</math>. In manchen Datenblättern findet man die Angabe <math>R_{th(ja)}</math>, was der Reihenschaltung aus den beiden vorher genannten Werten entspricht, also <math>R_{th(ja)}=R_{th(jc)}+R_{th(ca)}</math>.<br />
<br />
Die Umgebungstemperatur wird als ideale Spannungsquelle modelliert. Sämtliche Spannungen im Ersatzschaltbild entsprechen den auftretenden Temperaturen.<br />
<br />
Da es sich nun um ein lineares Netzwerk handelt, gelten hier ebenfalls die Kirchhoff'schen Gleichungen. Relativ leicht lässt sich nun die Temperatur am Bauteilgehäuse (Case) und der Sperrschicht (Junction) berechnen:<br />
<br />
<math>\vartheta_{c}=\vartheta_{a}+R_{th(ca)} \cdot P_{V}</math><br />
<br />
<math>\vartheta_{j}=\vartheta_{a}+R_{th(jc)} \cdot P_{V}+R_{th(ca)} \cdot P_{V}=\vartheta_{a}+(R_{th(jc)}+R_{th(ca)}) \cdot P_{V}=\vartheta_{a}+R_{th(ja)} \cdot P_{V}</math><br />
<br />
Da die thermischen Widerstände bei der Reihenschaltung auch zusammengefasst werden dürfen, beschreibt folgendes thermisches Ersatzschaltbild den gleichen Zusammenhang. Nachteil ist hier allerdings, dass die Temperatur am Gehäuse nicht modelliert wird.<br />
<br />
[[Bild:Therm-esb0.png|300px]]<br />
<br />
Die Überlegungen zur Sperrschichttemperatur kann auch anders interpretiert werden. Gibt man die Sperrschichttemperatur vor, kann man die maximal erlaubte Verlustleistung des Bauteils in Abhängigkeit der Umgebungstemperatur bestimmen. Die folgende Formel erhält man aus Umformung der oberen Gleichung:<br />
<br />
<math>P_{V} \leq \frac{\vartheta_{j}-\vartheta_{a}}{R_{th(ja)}}</math><br />
<br />
Bei Halbleitern darf idR. die Sperrschichttemperatur nicht 150°C überschreiten. Der thermische Widerstand wird hauptsächlich durch das Gehäuse vorgegeben. Aus der Formel sieht man nun folgendes: Je höher die Umgebungstemperatur, desto geringer fällt die maximal erlaubte Verlustleistung aus. Diesen Zusammenhang bezeichnet man auch als '''Derating'''.<br />
<br />
===Beispielrechnung===<br />
<br />
Ein Spannungsregler vom Typ 7805 im TO220-Gehäuse soll ohne Kühlkörper betrieben werden. Wie hoch ist die maximal erlaubte Verlustleistung, wenn die Sperrschichttemperatur 120°C nicht überschreiten soll und die Umgebungstemperatur 25°C beträgt?<br />
<br />
Zunächst werfen wir einen Blick ins Datenblatt des Spannungsreglers und entnehmen die Angaben für die thermischen Widerstände. Dann halten wir alle gegebenen Größen fest:<br />
<br />
*'''Gegeben'''<br />
*:* <math>R_{th(jc)}=5 \frac{K}{W}</math> (aus dem Datenblatt)<br />
*:* <math>R_{th(ja)}=62 \frac{K}{W}</math> (aus dem Datenblatt)<br />
*:* <math>\vartheta_{j}=125°C</math><br />
*:* <math>\vartheta_{a}=25°C</math><br />
*'''Gesucht'''<br />
*:* <math>P_{v,max}</math><br />
*'''Rechnung'''<br />
*:Wir verwenden die Formel von oben und erhalten als Ergebnis<br />
*:<math>P_{V,max} = \frac{\vartheta_{j}-\vartheta_{a}}{R_{th(ja)}} = \frac{120°C-25°C}{62\frac{K}{W}} = \frac{95K}{62\frac{K}{W}} \approx 1,5 Watt</math><br />
*:Die maximal erlaubte Verlustleistung des Spannungsreglers ohne Kühlkörper darf demnach 1,5 Watt nicht überschreiten.<br />
*'''Zusatz'''<br />
*:Mit unserem Ersatzschaltbild können wir außerdem die Temperatur des Gehäuses (Case) des Spannungsreglers angeben. Dafür benötigen wir noch die Angabe <math>R_{th(ca)}</math>, welche allerdings im Datenblatt nicht angegeben ist.<br />
*:Da wir aber wissen, dass <math>R_{th(ja)}=R_{th(jc)}+R_{th(ca)}</math> gilt, können wir die fehlende Größe ausrechnen. Diese ist<br />
*:<math>R_{th(ca)}=R_{th(ja)}-R_{th(jc)}=62\frac{K}{W}-5\frac{K}{W}=57\frac{K}{W}</math>.<br />
*:Nun lässt sich die Gehäusetemperatur berechnen:<br />
*:<math>\vartheta_{c}=\vartheta_{a}+R_{th(ca)} \cdot P_{V}=25°C+57\frac{K}{W} \cdot 1,5 W \approx 111 °C</math><br />
*'''Bemerkung'''<br />
*:In der Praxis wird einem TO220-Gehäuse ungekühlt eine maximale Verlustleistung von 1 Watt zugerechnet. Die Temperaturen sind niedriger, die Lebensdauer des Bauteils höher.<br />
<br />
==Bauteil mit Kühlkörper und T.I.M.==<br />
<br />
Der Betrieb eines ICs ohne Kühlkörper, wie im vorigen Abschnitt beschrieben, funktioniert nur bei kleinen Leistungen und führt meist auch zu einer verringerten Lebensdauer des Bauteils. Viele Bauteile können ihre angegebenen Maximalwerte nur bei vernünftiger Kühlung erreichen. In diesem Abschnitt wird nun ein typisches Szenario mit Kühlkörperberechnung vorgestellt.<br />
<br />
Befassen wir uns zunächst mit der typischen mechanischen Anordnung. Das zu kühlende IC wird thermisch an einen Kühlkörper gekoppelt. In der Praxis wird man das IC aber nicht direkt auf dem Kühlkörper befestigen, sondern über ein sogenanntes ''thermisches Interface-Material'' (T.I.M.), um Unebenheiten und mechanische Abstände auszugleichen oder um für Insolierung zu sorgen. Details zum T.I.M. folgen im Unterabschnitt. Die typische Anordnung zeigt die folgende Abbildung.<br />
<br />
[[Bild:kühlkörper-schichten.png|300px]]<br />
<br />
Folgende thermischen Widerstände treten hier in Kraft:<br />
*<math>R_{th(jc)}</math> für den Übergang Chip zu Bauteilgehäuse<br />
*<math>R_{th(ch)}</math> für den Übergang Bauteilgehäuse zu Kühlkörper (also über das T.I.M.)<br />
*<math>R_{th(ha)}</math> für den Übergang Kühlkörper zur Umgebung<br />
<br />
Aus diesen thermischen Widerständen wird ein thermisches Ersatzschaltbild angefertigt. Dieses zeigt die nächste Abbildung.<br />
<br />
[[Bild:Therm-esb2.png|700px]]<br />
<br />
Zunächst soll die Formel zur Berechnung der Chiptemperatur aufgestellt werden, die Formel erhält man wieder durch die Anwendung der Kirchhoffschen Gleichungen im Ersatzschaltbild.<br />
<br />
<math>\vartheta_{j}=\vartheta_{a}+(R_{th(jc)}+R_{th(ch)}+R_{th(ha)}) \cdot P_{V}</math><br />
<br />
Die Formel wird in der Praxis jedoch in einer anderen Form benötigt. Meist steht man als Entwickler vor der Aufgabe, den erforderlichen thermischen Widerstand <math>R_{th(ha)}</math> des Kühlkörpers zu bestimmen, sofern die Größen Umgebungstemperatur, Sperrschichttemperatur, Verlustleistung sowie die verbleibenden thermischen Widerstände gegeben sind. Anhand des berechneten Wärmewiderstands des Kühlkörpers können dann aus Produktkatalogen geeignete Kühlkörper bestimmt werden.<br />
<br />
Wir müssen dafür also die Gleichung nach <math>R_{th(ha)}</math> auflösen. Wir erhalten die praxisübliche Berechnungsformel:<br />
<br />
<math>R_{th(ha)}=\frac{\vartheta_{j}-\vartheta_{a}}{P_{V}}-R_{th(jc)}-R_{th(ch)}</math><br />
<br />
BAUSTELLE<br />
<br />
===Beispielrechnung===<br />
<br />
BAUSTELLE<br />
<br />
===Thermische Interface-Materialien (T.I.M.) und Montage===<br />
Wie bereits erwähnt, werden ICs in der Praxis nicht direkt auf einen Kühlkörper befestigt. Der Grund dafür ist folgender: Durch Unebenheiten und die rauhe Oberfläche von Kühlkörper und IC berühren sich die betreffenden Flächen unter dem Mikroskop gesehen nur minimal. Durch Lufteinschlüsse und die Tatsache, dass Luft ein schlechter Wärmeleiter ist, fällt in diesem Fall die thermische Anbindung des ICs an den Kühlkörper relativ schlecht aus.<br />
<br />
Zum Ausgleich der Unebenheiten eignet sich Wärmeleitpaste, welche dünn auf die Kontaktfläche aufgetragen wird. Es genügt eine sehr geringe Menge der Wärmeleitpaste, die Schichtdicke liegt in der Größenordnung 0,1mm. Die Aufgabe der Wärmeleitpaste ist, die Unebenheiten der Kontaktflächen auszugleichen. Zu viel Wärmeleitpaste erhöht wiederum den thermischen Übergangswiderstand. <br />
<br />
Ist zusätzlich eine elektrische Isolation zwischen IC und Kühlkörper erforderlich, können Glimmerscheiben (engl. mica) eingesetzt werden. Elektrische Isolation ist erforderlich, falls zum Beispiel mehrere Transistoren auf einen Kühlkörper montiert werden sollen und eine elektrische Verbindung der Kühlfahnen über den Kühlkörper zu Kurzschlüssen führen würde. Werden Glimmerscheiben verwendet, müssen diese beidseitig mit Wärmeleitpaste bestrichen werden, um sämtliche Unebenheiten auszugleichen. Die Glimmerscheiben werden zwischen IC und Kühlkörper eingebaut. Werden die ICs an den Kühlkörper geschraubt, muss auch die Schraube elektrisch isoliert werden. Hierfür sind entsprechende Hülsen aus Kunststoff erhältlich.<br />
<br />
Wärmeleitfolien aus Silikon /Gap-Filler<br />
<br />
BAUSTELLE<br />
<br />
Zur Montage der ICs auf dem Kühlkörper gibt es mehrere Möglichkeiten. Üblich sind Schraubmontage oder die Verwendung von Metallclips aus Federstahl. Der Anpressdruck durch die Montage kann die thermische Kopplung des ICs zum Kühlkörper beeinflussen. Die Metallclips haben den Vorteil, dass der Anpressdruck mit der Zeit nicht nachlässt.<br />
<br />
BAUSTELLE<br />
<br />
=Dynamisches Ersatzschaltbild=<br />
<br />
Bei den statischen Ersatzschaltbildern können zeitveränderliche Vorgänge nicht modelliert werden. Um auch den zeitlichen Verlauf der Temperaturen bei z.B. wechselnder Verlustleistung der Bauteile vorhersagen zu können, bedient man sich dem dynamischen Ersatzschaltbild. Dieses enthält neben den thermischen Widerständen auch Wärmekapazitäten. Durch thermische Widerstände und Wärmekapazitäten ergeben sich Zeitkonstanten bei der Erwärmung, sodass das Modell der Realität sehr nahe kommt.<br />
<br />
BAUSTELLE<br />
<br />
=Kühlkörperbauformen=<br />
* Board-Level-Kühlkörper (aufsteckbare/aufklebbare Kühlkörper, auch für SMD, meist 1 Kühlkörper pro IC)<br />
* Strang-/Profilkühlkörper (meist für hohe Leistungen)<br />
* Kühlaggregate (Kanal + Lüfter)<br />
<br />
Wozu eloxierte Oberflächen?<br />
* geringfügig höhere Wärmestrahlung (bei den niedrigen Temperaturen kaum ein Beitrag)<br />
* elektrische Isolation<br />
* Oberflächenschutz<br />
Nachteile:<br />
* erhöhte Wärmeaufnahme aus der unmittelbaren Umgebung!<br />
<br />
Stiftkühlkörper<br />
* hohe Oberfläche<br />
* bei dickem "Rücken"/"Boden" des Kühlkörpers gute Wärmespreizung<br />
* mit erzwungener Konvektion hohe Wärmeübertragung (quer zu den Stiften effektiver als in Stiftrichtung)<br />
* leichter und kompakter als Strangkühlkörper<br />
<br />
todo<br />
<br />
=Lüfter=<br />
Lüfter werden vor allem dann eingesetzt, wenn der Kühlkörper bei rein passiver Kühlung zur groß, zu schwer oder zu teuer wird. Beim Einsatz des Lüfters führt die erzwungene Luftströmung zur besseren Wärmeabgabe an die Luft. Bei gleicher Temperatur kann der Kühlkörper dann kleiner gewählt werden. Bei hohen Leistungen sind der kleinere Kühlkörper mit Lüfter preisgünstiger und kompakter als ein großer, rein passiver Kühlkörper. Um welchen Faktor die Wärmeableitung mit Lüfter verbessert wird, hängt von vielen Parametern ab und kann nicht pauschal angegeben werden.<br />
<br />
Vorteile<br />
* bessere Wärmeabgabe<br />
* Kühlkörper kann bei gleicher Temperatur kleiner, leichter und kostengünstiger werden<br />
* In kleinem Maßstab günstiger als Wasserkühlung o.ä.<br />
<br />
Nachteile<br />
* zusätzlicher Stromverbrauch<br />
* Geräuschentwicklung und Vibrationen<br />
* zusätzliche Kosten für Lüfter und dessen Montage<br />
* Im Falle eines unbemerkten Ausfalls kann die Schaltung überhitzen (Abhilfe: Thermostat, Temperaturfühler oder Tachosignal auswerten)<br />
<br />
Anordnungen:<br />
* Push-Prinzip: Der Lüfter bläst die Luft in den Kühlkörper/-kanal<br />
* Pull-Prinzip: Der Lüfter saugt die Luft aus dem Kühlkörper/-kanal heraus<br />
<br />
Kenngrößen:<br />
* Luftdurchsatz in <math>\frac{m^{3}}{h}</math><br />
* Nennspannung, Nennstrom, Nennleistung<br />
* Typ Axial/Radial<br />
* Größe<br />
* Geräuschpegel<br />
* Art der Lagerung (Kugellager, Sinterbronze-Lager etc.)<br />
* Temperaturbereich<br />
* Lebensdauer, MTBF<br />
<br />
=Kühlung auf einer Platine=<br />
Beim Leiterplattenentwurf muss bereits in der Designphase abgeschätzt werden, welche Verlustleistungen auftreten und wie die entstehende Wärme abgeführt werden kann. Die Größe, Bauform und Befestigung des Kühlkörpers muss ebenfalls berücksichtigt werden. Für Printmontage sind Kühlkörper verfügbar, welche mit lötbaren Stiften in die Platine gesteckt und verlötet werden. Alternativ sind Schraubverbindungen möglich.<br />
<br />
SMD-Bauteile können meist über die Platine gut entwärmt werden. Dies ist normalerweise nur bei geringen Verlustleistungen möglich. Die Abwärme der Bauteile muss auf eine möglichst große Fläche verteilt werden, durch große Kupferflächen auf der Platine kann dies erreicht werden. Da die Wärmeleitfähigkeit der Kupferauflage deutlich höher ist als die Wärmeleitfähigkeit des Platinenmaterials FR4, wird sich die Wärme hauptsächlich in der Fläche verteilen, jedoch weniger ''durch'' die Platine hindurch. Um die Wärmeleitung durch die Platine (z.B. von Ober- zu Unterseite) zu erhöhen, müssen Durchkontaktierungen gesetzt werden. Sogenannte "Thermal Vias" werden in einer großen Anzahl an das zu entwärmende Bauteil gesetzt und können damit die Wärme zu anderen Kupferlagen der Platine weiterleiten. Die Wärmeleitung durch die Platine hindurch wird verbessert, liegt aber dennoch deutlich unter der Wärmeleitfähigkeit von reinem Kupfer. Thermische Vias können aufgrund ihrer kleinen Masse kaum einen Beitrag zur gesamten "Kühlmasse" beitragen. Ob schließlich eine Entwärmung durch die Platine ausreicht, muss durch Simulation oder Messung gezeigt werden.<br />
<br />
Die Einbaulage der Platine kann die Entwärmung zudem beeinflussen. Erwärmte Umgebungsluft steigt nach oben und kann andere Komponenten oder Platinen aufheizen.<br />
<br />
Maßnahmen für bessere Entwärmung:<br />
<br />
* Durchkontaktierungen zur Wärmeleitung zwischen mehreren Kupferlagen, da der Platinenkern (bei FR4: glasfaserverstärktes Epoxidharz) idR. eine sehr schlechte Wärmeleitfähigkeit hat<br />
* Breite Leiterbahnen, welche Wärme abführen und auf eine große Fläche verteilen<br />
* Für große bedrahtete ICs (TO220, Multiwatt...) eignen sich Board-Level-Kühlkörper<br />
* Für kleinere ICs mit Wärmeentwicklung eignen sich aufklebbare Kühlkörper<br />
* Für SMD-Bauteile exisitieren auch Kühlkörper, die sich direkt auf die Platine löten lassen, diese sind auch maschinenbestückbar<br />
* Einsatz spezieller Platinenmaterialien (Alukern, Kupfer-Inlay)...<br />
* je nach Schaltung: dickere Kupferkaschierung für bessere Wärmeausbreitung in der Fläche (Standard sind 35µm, erhältlich sind auch 70µm und mehr)<br />
<br />
todo<br />
<br />
=Spezielle Kühlkörper=<br />
<br />
todo<br />
<br />
=Autoren=<br />
* BMS<br />
<br />
[[Kategorie:Elektronik]]<br />
[[Kategorie:Mechanik]] <br />
[[Kategorie:Praxis]] <br />
[[Kategorie:Grundlagen]]<br />
<br />
=Quellen und Verweise=<br />
<br />
* Best, Siegfried W.: ''Elektronikkühlung und Wärmemanagement von A bis Z''. In: Elektronikpraxis - Sonderheft Elektromechanik, April 2013. S. 20ff.<br />
* Best, Tobias: ''Thermisches Via, die kleine Schwester der Heatpipe''. In: Elektronikpraxis, April 2013. S. 12ff.<br />
* Erdmann, Marc: ''Beste Effizienz auch beim Thermal Management''. In: Elektronikpraxis - Sonderheft Leistungelektronik und Stromversorgung. März 2015. S. 38ff.<br />
* Kerstin, Nils; Schulz, Martin: ''Thermische Widerstände genau messen - eine Herausforderung''. In: Elektronikpraxis, Nr. 17, September 2014. S. 48ff.<br />
* K.R. (Alutronic): ''Stiftkühlkörper für die Leistungselektronik''. In: Elektronikpraxis Nr.9, Mai 2014. S. 50ff.<br />
* Harpain, Jürgen: ''Wärmeleitmaterial kompensiert Lufteinschlüsse''. In: Elektronikpraxis Nr.1, Januar 2014. S. 36ff.<br />
* Harpain, Jürgen: ''Entwärmungskonzepte für Einzelhalbleiter und ICs''. In: Elektronikpraxis - Sonderheft Elektromechanik, April 2014. S. 14ff.<br />
* Schulz, Martin: ''Fünf Fettnäpfchen beim Bestimmen thermischer Größen''. In: Elektronikpraxis, November 2013. S. 36ff.<br />
* Schulz, Martin: ''Mythen und Legenden über Wärmeleitmaterialien''. In: Elektronikpraxis Nr.2., Januar 2014. S. 42ff.</div>BMShttps://rn-wissen.de/wiki/index.php?title=K%C3%BChlk%C3%B6rper&diff=26369Kühlkörper2015-05-10T17:34:16Z<p>BMS: /* Thermische Interface-Materialien (T.I.M.) und Montage */</p>
<hr />
<div>{{Baustelle|BMS}}<br />
<br />
Dieser Artikel behandelt die Grundlagen zu Kühlkörpern.<br />
<br />
[[Bild:kühlkörper-übersicht.jpg|thumb|Verschiedene Kühlkörper, links ein TO220-Gehäuse zum Größenvergleich]]<br />
<br />
=Einleitung=<br />
<br />
'''Wieso sind überhaupt Kühlkörper in technischen Geräten erforderlich?'''<br />
<br />
Kein Gerät kann einen 100-prozentigen Wirkungsgrad erzielen und somit tritt Verlustleistung auf. Diese Verlustleistung führt zur Erwärmung der Bauteile. Kühlkörper sollen die Entwärmung verbessern, indem die entstehende Wärme auf eine große Fläche verteilt wird und durch Konvektion an der Luft auskühlen kann. Die Temperatur an den heißen Bauteilen ist mit Kühlkörper geringer als ohne Kühlkörper.<br />
<br />
'''Wieso sind hohe Bauteiltemperaturen ungünstig?'''<br />
<br />
Die Lebensdauer aller elektronischen Bauteile ist stark von der Temperatur abhängig. Als Faustregel gilt: Eine Temperaturerhöhung um 10 Grad führt zur Halbierung der Lebensdauer. Außerdem gibt es Grenztemperaturen, die nicht überschritten werden dürfen. Beispielsweise dürfen Halbleiter keine Temperatur über 150°C erreichen. Extrembeispiele sind die Schmelztemperatur von Isolierungen, Lötzinn etc... sowie Brandgefahr durch hohe Temperaturen. Viele Bauteile können ohne vernünftige Kühlung nicht ihren vollen Funktionsumfang erreichen, liefern dann z.B. geringere Maximalströme oder es greift die Temperaturabschaltung. Anders formuliert: Die maximale Leistung eines Bauteils oder Geräts wird durch seine Entwärmung bestimmt! Zur eigenen Sicherheit bietet es sich zudem an, die Temperaturen niedrig zu halten, sodass man sich am Gerät nicht die Finger verbrennen kann ;)<br />
<br />
=Wärmeübertragung=<br />
Prinzipiell kann Wärmeübertragung über Wärmeleitung, Konvektion und Wärmestrahlung geschehen. In vielen Anwendungen treten mehrere Mechanismen gleichzeitig auf. Welcher Mechanismus hauptsächlich auftritt, ist von der mechanischen Anordnung, den Materialien und der Temperatur abhängig. Wärmeleitung und Konvektion sind die wichtigsten Arten der Wärmeübertragung, die in der Praxis auftreten. Nun zu den einzelnen Effekten:<br />
<br />
*'''Wärmeleitung'''<br />
*: Bei der Wärmeleitung wird die Wärme über einen direkten mechanischen Kontakt (Bsp. IC <math>\rightarrow</math>Kühlkörper) übertragen. Den beteiligten Materialien wird jeweils eine spezifische Wärmeleitfähigkeit <math>\lambda</math> zugeordnet, dazu später mehr.<br />
<br />
*'''Konvektion'''<br />
*: Mit Konvektion wird die Strömungsbewegung in Flüssigkeiten und Gasen bezeichnet. Praxisbeispiele sind die Wärmeabgabe eines Kühlkörpers an die Umgebungsluft oder auch eine Wasserkühlung. Von erzwungener Konvektion spricht man, wenn die Strömung durch z.B. einen Ventilator/Lüfter oder eine Wasserpumpe hervorgerufen wird. Im Vakuum kann keine Konvektion auftreten.<br />
<br />
*'''Wärmestrahlung'''<br />
*: Wärmestrahlung ist elektromagnetische Strahlung (hauptsächlich Infrarot und sichtbares Licht), die vom heißen Festkörper abgestrahlt wird. Sie wird erst bei höheren Temperaturen relevant und ist bei den üblichen Kühlkörpertemperaturen meist zu vernachlässigen. Erwähnt werden soll zudem, dass Wärmestrahlung der einzige Mechanismus der Wärmeleitung ist, welcher im Vakuum auftreten kann. (Für Details zu Wärmestrahlung siehe auch: Plancksches Strahlungsgesetz und Schwarzer Strahler).<br />
<br />
=Materialien=<br />
Jedes Material besitzt eine spezifische Wärmeleitfähigkeit, welche angibt, wie gut dieses Material Wärme weiter transportieren kann. Die spezifische Wärmeleitfähigkeit ist unabhängig von der Geometrie des Materials, wird mit der Größe <math>\lambda</math> (Lambda) ausgedrückt und erhält die Einheit <math>\frac{W}{m \cdot K}</math>.<br />
<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
|-<br />
| '''Material''' || '''<math>\lambda</math> in <math>\left[ \frac{W}{m \cdot K} \right]</math>'''<br />
|-<br />
| Silber || 430<br />
|-<br />
| Kupfer || 400<br />
|-<br />
| Aluminium || 230<br />
|-<br />
| Silizium || 140 <br />
|-<br />
| Wärmeleitpaste || 5 ... 10<br />
|-<br />
| Glas || 0,7<br />
|-<br />
| Wasser || 0,5<br />
|-<br />
| Platinenmaterial FR4 || 0,2 ... 0,5<br />
|-<br />
| Luft || 0,02<br />
|}<br />
<br />
Die meisten Kühlkörper werden aus Aluminiumlegierungen hergestellt. Für Aluminium spricht seine relativ hohe Wärmeleitfähigkeit, die hohe Verfügbarkeit und geringe Dichte. Im Vergleich zu Kupfer und Silber ist Aluminium deutlich kostengünstiger. Darüber hinaus lässt sich Aluminium mechanisch gut verarbeiten. Kupfer wird mit seiner höheren Wärmeleitfähigkeit z.B. bei Heatpipes eingesetzt.<br />
<br />
todo<br />
<br />
Wärmewiderstand <math>R_{th}=\frac{d}{\lambda \cdot A}</math><br />
<br />
d: Materialdicke, welche für die Wärmeleitung relevant ist<br />
<br />
<math>\lambda</math>spezifische Wärmeleitfähigkeit des Materials<br />
<br />
A: Querschnitts-/Kontaktfläche<br />
<br />
=Definitionen=<br />
Um vorauszusagen, wie sich die Temperaturen in einer Schaltung verhalten, bedient sich der Ingenieur - wie auch bei vielen anderen Anwendungen - eines Ersatzschaltbildes (ESB). Zur Erstellung eines thermischen Ersatzschaltbildes muss man sich aber zunächst mit den thermischen Größen vertraut machen.<br />
<br />
Die Temperaturen werden mit dem griechischen Buchstaben Theta <math>\theta</math> gekennzeichnet. Temperaturen werden in Grad Celsius (°C), Temperaturdifferenzen in Kelvin (K) angegeben. (Am Rande: Es existiert auch eine Kelvinskala mit dem absoluten Nullpunkt 0 K=-273,15°C). Die Temperaturen werden außerdem noch mit einem Index gekennzeichnet, abhängig von der mechanischen Stelle, an der sie auftreten:<br />
<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
|-<br />
| Symbol || Index || Bedeutung<br />
|-<br />
| <math>\vartheta_{J}</math> || J=Junction || Sperrschichttemperatur des Halbleiters<br />
|-<br />
| <math>\vartheta_{C}</math> || C=Case || Gehäusetemperatur des Bauteils<br />
|-<br />
| <math>\vartheta_{H}</math> || H=Heat Sink || Temperatur des Kühlkörpers<br />
|-<br />
| <math>\vartheta_{A}</math> || A=Ambient || Umgebungstemperatur<br />
|}<br />
<br />
Die Verlustleistung eines Bauteils beschreibt die Größe <math>P_{V}</math> und wird, wie allgemein bekannt, in Watt angegeben.<br />
<br />
Als neue Größe wird nun der thermische Widerstand eingeführt, dieser wird mit <math>R_{th}</math> beschrieben und bekommt die Einheit <math>\frac{K}{W}</math>. <br />
<br />
Für die thermischen Größen gibt es, ähnlich dem Ohmschen Gesetz, einen linearen Zusammenhang. Dieser lautet<br />
<br />
<math>R_{th}=\frac{\vartheta_{ü}}{P_{V}}</math><br />
<br />
todo<br />
<br />
'''Vergleich elektrischer und thermischer Größen'''<br />
Insgesamt können wir nun eine Analogie zwischen bekannten elektrischen Größen und den thermischen Größen angeben. Die schon gelernten Prinzipien zur Lösung linearer Netzwerke lässt sich auch bei den thermischen Ersatzschaltbildern anwenden.<br />
<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
|-<br />
| elektrisch || thermisch<br />
|-<br />
| Spannung U || Temperatur <math>\vartheta</math><br />
|-<br />
| Strom I || Verlustleistung <math>P_{V}</math><br />
|-<br />
| Widerstand R || thermischer Widerstand <math>R_{th}</math><br />
|}<br />
<br />
=Statisches Ersatzschaltbild=<br />
Mit den thermischen Zusammenhängen haben wir uns inzwischen vertraut gemacht. Nun können wir damit beginnen, thermische Ersatzschaltbilder von einfachen Anordnungen zu erstellen. Mit solchen Modellen können Temperaturen, wie z.B. die Chiptemperatur, vorab berechnet werden. Für die Berechnung müssen Wärmewiderstände, Umgebungstemperatur und Verlustleistung bekannt sein, da sie in die Berechnung einfließen.<br />
<br />
Bei den thermischen Ersatzschaltbildern kann man ein statisches oder ein dynamisches Ersatzschaltbild erstellen. Bei den statischen Ersatzschaltbilder wird davon ausgegangen, dass alle Größen zeitlich konstant sind, bzw. sofort ihre Solltemperatur entsprechend dem Modell annehmen. In der Realität dauert es natürlich eine gewisse Zeit, bis sich alle beteiligten Materialien aufgeheizt haben. Die Temperaturen des statischen Modells werden dabei erst nach einer bestimmten Zeit erreicht. <br />
<br />
Für die meisten Anwendungen genügt es jedoch, das statische thermische Ersatzschaltbild zu erstellen und den Kühlkörper dem entsprechend zu dimensionieren. Die Kühlung wird z.B. auf die maximale oder die mittlere auftretende Verlustleistung dimensioniert. Es wurde bereits erwähnt, dass sich die Bauteiltemperatur auf dessen Lebensdauer auswirkt. Dabei gilt: je niedriger die Bauteiltemperatur, desto länger die zu erwartende Lebensdauer. Je nach Anwendung und Rahmenbedingungen muss eventuell ein Kompromiss zwischen Kühlkörpergröße/kosten und Gerätelebensdauer gewählt werden. Beispielsweise kann der verfügbare Platz, ein Gesamtgewicht oder eine Kostenvorgabe begrenzender Faktor sein. Für einen dauerhaften sicheren Betrieb muss der Kühlkörper und weitere beteiligte Materialien für den worst case ausgelegt oder sogar überdimensioniert werden.<br />
<br />
==Bauteil ohne Kühlkörper==<br />
Um den Umgang mit den thermischen Ersatzschaltbildern zu lernen, soll zunächst mit einem einfachen Beispiel begonnen werden. In diesem Fall wird der Wärmeübergang von einem einzelnen Bauteil zu Luft betrachet, es kommt zunächst also noch kein Kühlkörper zum Einsatz. Das Ersatzschaltbild sieht in diesem Fall folgendermaßen aus:<br />
<br />
[[Bild:Therm-esb1.png|450px]]<br />
<br />
Die am Bauteil entstehende Verlustleistung ist Ursache der Abwärme und wird im thermischen Ersatzschaltbild als ideale Stromquelle modelliert.<br />
<br />
Die Abwärme gelangt nun über den Weg Sperrschicht (Junction) <math>\rightarrow</math> Bauteilgehäuse (Case) <math>\rightarrow</math> Umgebung (Ambient) nach außen. Im Ersatzschaltbild ist jeder Übergang als thermischer Widerstand modelliert. Die genauen Zahlenwerte der Wärmewiderstände lassen sich in der Regel dem Datenblatt des Bauteils entnehmen. Benötigt werden die Werte für <math>R_{th(jc)}</math> und <math>R_{th(ca)}</math>. In manchen Datenblättern findet man die Angabe <math>R_{th(ja)}</math>, was der Reihenschaltung aus den beiden vorher genannten Werten entspricht, also <math>R_{th(ja)}=R_{th(jc)}+R_{th(ca)}</math>.<br />
<br />
Die Umgebungstemperatur wird als ideale Spannungsquelle modelliert. Sämtliche Spannungen im Ersatzschaltbild entsprechen den auftretenden Temperaturen.<br />
<br />
Da es sich nun um ein lineares Netzwerk handelt, gelten hier ebenfalls die Kirchhoff'schen Gleichungen. Relativ leicht lässt sich nun die Temperatur am Bauteilgehäuse (Case) und der Sperrschicht (Junction) berechnen:<br />
<br />
<math>\vartheta_{c}=\vartheta_{a}+R_{th(ca)} \cdot P_{V}</math><br />
<br />
<math>\vartheta_{j}=\vartheta_{a}+R_{th(jc)} \cdot P_{V}+R_{th(ca)} \cdot P_{V}=\vartheta_{a}+(R_{th(jc)}+R_{th(ca)}) \cdot P_{V}=\vartheta_{a}+R_{th(ja)} \cdot P_{V}</math><br />
<br />
Da die thermischen Widerstände bei der Reihenschaltung auch zusammengefasst werden dürfen, beschreibt folgendes thermisches Ersatzschaltbild den gleichen Zusammenhang. Nachteil ist hier allerdings, dass die Temperatur am Gehäuse nicht modelliert wird.<br />
<br />
[[Bild:Therm-esb0.png|300px]]<br />
<br />
Die Überlegungen zur Sperrschichttemperatur kann auch anders interpretiert werden. Gibt man die Sperrschichttemperatur vor, kann man die maximal erlaubte Verlustleistung des Bauteils in Abhängigkeit der Umgebungstemperatur bestimmen. Die folgende Formel erhält man aus Umformung der oberen Gleichung:<br />
<br />
<math>P_{V} \leq \frac{\vartheta_{j}-\vartheta_{a}}{R_{th(ja)}}</math><br />
<br />
Bei Halbleitern darf idR. die Sperrschichttemperatur nicht 150°C überschreiten. Der thermische Widerstand wird hauptsächlich durch das Gehäuse vorgegeben. Aus der Formel sieht man nun folgendes: Je höher die Umgebungstemperatur, desto geringer fällt die maximal erlaubte Verlustleistung aus. Diesen Zusammenhang bezeichnet man auch als '''Derating'''.<br />
<br />
===Beispielrechnung===<br />
<br />
Ein Spannungsregler vom Typ 7805 im TO220-Gehäuse soll ohne Kühlkörper betrieben werden. Wie hoch ist die maximal erlaubte Verlustleistung, wenn die Sperrschichttemperatur 120°C nicht überschreiten soll und die Umgebungstemperatur 25°C beträgt?<br />
<br />
Zunächst werfen wir einen Blick ins Datenblatt des Spannungsreglers und entnehmen die Angaben für die thermischen Widerstände. Dann halten wir alle gegebenen Größen fest:<br />
<br />
*'''Gegeben'''<br />
*:* <math>R_{th(jc)}=5 \frac{K}{W}</math> (aus dem Datenblatt)<br />
*:* <math>R_{th(ja)}=62 \frac{K}{W}</math> (aus dem Datenblatt)<br />
*:* <math>\vartheta_{j}=125°C</math><br />
*:* <math>\vartheta_{a}=25°C</math><br />
*'''Gesucht'''<br />
*:* <math>P_{v,max}</math><br />
*'''Rechnung'''<br />
*:Wir verwenden die Formel von oben und erhalten als Ergebnis<br />
*:<math>P_{V,max} = \frac{\vartheta_{j}-\vartheta_{a}}{R_{th(ja)}} = \frac{120°C-25°C}{62\frac{K}{W}} = \frac{95K}{62\frac{K}{W}} \approx 1,5 Watt</math><br />
*:Die maximal erlaubte Verlustleistung des Spannungsreglers ohne Kühlkörper darf demnach 1,5 Watt nicht überschreiten.<br />
*'''Zusatz'''<br />
*:Mit unserem Ersatzschaltbild können wir außerdem die Temperatur des Gehäuses (Case) des Spannungsreglers angeben. Dafür benötigen wir noch die Angabe <math>R_{th(ca)}</math>, welche allerdings im Datenblatt nicht angegeben ist.<br />
*:Da wir aber wissen, dass <math>R_{th(ja)}=R_{th(jc)}+R_{th(ca)}</math> gilt, können wir die fehlende Größe ausrechnen. Diese ist<br />
*:<math>R_{th(ca)}=R_{th(ja)}-R_{th(jc)}=62\frac{K}{W}-5\frac{K}{W}=57\frac{K}{W}</math>.<br />
*:Nun lässt sich die Gehäusetemperatur berechnen:<br />
*:<math>\vartheta_{c}=\vartheta_{a}+R_{th(ca)} \cdot P_{V}=25°C+57\frac{K}{W} \cdot 1,5 W \approx 111 °C</math><br />
*'''Bemerkung'''<br />
*:In der Praxis wird einem TO220-Gehäuse ungekühlt eine maximale Verlustleistung von 1 Watt zugerechnet. Die Temperaturen sind niedriger, die Lebensdauer des Bauteils höher.<br />
<br />
==Bauteil mit Kühlkörper und T.I.M.==<br />
<br />
Der Betrieb eines ICs ohne Kühlkörper, wie im vorigen Abschnitt beschrieben, funktioniert nur bei kleinen Leistungen und führt meist auch zu einer verringerten Lebensdauer des Bauteils. Viele Bauteile können ihre angegebenen Maximalwerte nur bei vernünftiger Kühlung erreichen. In diesem Abschnitt wird nun ein typisches Szenario mit Kühlkörperberechnung vorgestellt.<br />
<br />
Befassen wir uns zunächst mit der typischen mechanischen Anordnung. Das zu kühlende IC wird thermisch an einen Kühlkörper gekoppelt. In der Praxis wird man das IC aber nicht direkt auf dem Kühlkörper befestigen, sondern über ein sogenanntes ''thermisches Interface-Material'' (T.I.M.), um Unebenheiten und mechanische Abstände auszugleichen oder um für Insolierung zu sorgen. Details zum T.I.M. folgen im Unterabschnitt. Die typische Anordnung zeigt die folgende Abbildung.<br />
<br />
[[Bild:kühlkörper-schichten.png|300px]]<br />
<br />
Folgende thermischen Widerstände treten hier in Kraft:<br />
*<math>R_{th(jc)}</math> für den Übergang Chip zu Bauteilgehäuse<br />
*<math>R_{th(ch)}</math> für den Übergang Bauteilgehäuse zu Kühlkörper (also über das T.I.M.)<br />
*<math>R_{th(ha)}</math> für den Übergang Kühlkörper zur Umgebung<br />
<br />
Aus diesen thermischen Widerständen wird ein thermisches Ersatzschaltbild angefertigt. Dieses zeigt die nächste Abbildung.<br />
<br />
[[Bild:Therm-esb2.png|700px]]<br />
<br />
Zunächst soll die Formel zur Berechnung der Chiptemperatur aufgestellt werden, die Formel erhält man wieder durch die Anwendung der Kirchhoffschen Gleichungen im Ersatzschaltbild.<br />
<br />
<math>\vartheta_{j}=\vartheta_{a}+(R_{th(jc)}+R_{th(ch)}+R_{th(ha)}) \cdot P_{V}</math><br />
<br />
Die Formel wird in der Praxis jedoch in einer anderen Form benötigt. Meist steht man als Entwickler vor der Aufgabe, den erforderlichen thermischen Widerstand <math>R_{th(ha)}</math> des Kühlkörpers zu bestimmen, sofern die Größen Umgebungstemperatur, Sperrschichttemperatur, Verlustleistung sowie die verbleibenden thermischen Widerstände gegeben sind. Anhand des berechneten Wärmewiderstands des Kühlkörpers können dann aus Produktkatalogen geeignete Kühlkörper bestimmt werden.<br />
<br />
Wir müssen dafür also die Gleichung nach <math>R_{th(ha)}</math> auflösen. Wir erhalten die praxisübliche Berechnungsformel:<br />
<br />
<math>R_{th(ha)}=\frac{\vartheta_{j}-\vartheta_{a}}{P_{V}}-R_{th(jc)}-R_{th(ch)}</math><br />
<br />
BAUSTELLE<br />
<br />
===Beispielrechnung===<br />
<br />
BAUSTELLE<br />
<br />
===Thermische Interface-Materialien (T.I.M.) und Montage===<br />
Wie bereits erwähnt, werden ICs in der Praxis nicht direkt auf einen Kühlkörper befestigt. Der Grund dafür ist folgender: Durch Unebenheiten und die rauhe Oberfläche von Kühlkörper und IC berühren sich die betreffenden Flächen unter dem Mikroskop gesehen nur minimal. Durch Lufteinschlüsse und die Tatsache, dass Luft ein schlechter Wärmeleiter ist, fällt in diesem Fall die thermische Anbindung des ICs an den Kühlkörper relativ schlecht aus.<br />
<br />
Zum Ausgleich der Unebenheiten eignet sich Wärmeleitpaste, welche dünn auf die Kontaktfläche aufgetragen wird. Es genügt eine sehr geringe Menge der Wärmeleitpaste, die Schichtdicke liegt in der Größenordnung 0,1mm. Die Aufgabe der Wärmeleitpaste ist, die Unebenheiten der Kontaktflächen auszugleichen. Zu viel Wärmeleitpaste erhöht wiederum den thermischen Übergangswiderstand. <br />
<br />
Ist zusätzlich eine elektrische Isolation zwischen IC und Kühlkörper erforderlich, können Glimmerscheiben (engl. mica) eingesetzt werden. Elektrische Isolation ist erforderlich, falls zum Beispiel mehrere Transistoren auf einen Kühlkörper montiert werden sollen und eine elektrische Verbindung der Kühlfahnen über den Kühlkörper zu Kurzschlüssen führen würde. Werden Glimmerscheiben verwendet, müssen diese beidseitig mit Wärmeleitpaste bestrichen werden, um sämtliche Unebenheiten auszugleichen. Die Glimmerscheiben werden zwischen IC und Kühlkörper eingebaut. Werden die ICs an den Kühlkörper geschraubt, muss auch die Schraube elektrisch isoliert werden. Hierfür sind entsprechende Hülsen aus Kunststoff erhältlich.<br />
<br />
Wärmeleitfolien aus Silikon /Gap-Filler<br />
<br />
BAUSTELLE<br />
<br />
Zur Montage der ICs auf dem Kühlkörper gibt es mehrere Möglichkeiten. Üblich sind Schraubmontage oder die Verwendung von Metallclips aus Federstahl. Der Anpressdruck durch die Montage kann die thermische Kopplung des ICs zum Kühlkörper beeinflussen. Die Metallclips haben den Vorteil, dass der Anpressdruck mit der Zeit nicht nachlässt.<br />
<br />
BAUSTELLE<br />
<br />
=Dynamisches Ersatzschaltbild=<br />
<br />
Bei den statischen Ersatzschaltbildern können zeitveränderliche Vorgänge nicht modelliert werden. Um auch den zeitlichen Verlauf der Temperaturen bei z.B. wechselnder Verlustleistung der Bauteile vorhersagen zu können, bedient man sich dem dynamischen Ersatzschaltbild. Dieses enthält neben den thermischen Widerständen auch Wärmekapazitäten. Durch thermische Widerstände und Wärmekapazitäten ergeben sich Zeitkonstanten bei der Erwärmung, sodass das Modell der Realität sehr nahe kommt.<br />
<br />
BAUSTELLE<br />
<br />
=Kühlkörperbauformen=<br />
* Board-Level-Kühlkörper (aufsteckbare/aufklebbare Kühlkörper, auch für SMD, meist 1 Kühlkörper pro IC)<br />
* Strang-/Profilkühlkörper (meist für hohe Leistungen)<br />
* Kühlaggregate (Kanal + Lüfter)<br />
<br />
Wozu eloxierte Oberflächen?<br />
* geringfügig höhere Wärmestrahlung (bei den niedrigen Temperaturen kaum ein Beitrag)<br />
* elektrische Isolation<br />
* Oberflächenschutz<br />
Nachteile:<br />
* erhöhte Wärmeaufnahme aus der unmittelbaren Umgebung!<br />
<br />
Stiftkühlkörper<br />
* hohe Oberfläche<br />
* bei dickem "Rücken"/"Boden" des Kühlkörpers gute Wärmespreizung<br />
* mit erzwungener Konvektion hohe Wärmeübertragung (quer zu den Stiften effektiver als in Stiftrichtung)<br />
* leichter und kompakter als Strangkühlkörper<br />
<br />
todo<br />
<br />
=Lüfter=<br />
Lüfter werden vor allem dann eingesetzt, wenn der Kühlkörper bei rein passiver Kühlung zur groß, zu schwer oder zu teuer wird. Beim Einsatz des Lüfters führt die erzwungene Luftströmung zur besseren Wärmeabgabe an die Luft. Bei gleicher Temperatur kann der Kühlkörper dann kleiner gewählt werden. Bei hohen Leistungen sind der kleinere Kühlkörper mit Lüfter preisgünstiger und kompakter als ein großer, rein passiver Kühlkörper. Um welchen Faktor die Wärmeableitung mit Lüfter verbessert wird, hängt von vielen Parametern ab und kann nicht pauschal angegeben werden.<br />
<br />
Vorteile<br />
* bessere Wärmeabgabe<br />
* Kühlkörper kann bei gleicher Temperatur kleiner, leichter und kostengünstiger werden<br />
* In kleinem Maßstab günstiger als Wasserkühlung o.ä.<br />
<br />
Nachteile<br />
* zusätzlicher Stromverbrauch<br />
* Geräuschentwicklung und Vibrationen<br />
* zusätzliche Kosten für Lüfter und dessen Montage<br />
* Im Falle eines unbemerkten Ausfalls kann die Schaltung überhitzen (Abhilfe: Thermostat, Temperaturfühler oder Tachosignal auswerten)<br />
<br />
Anordnungen:<br />
* Push-Prinzip: Der Lüfter bläst die Luft in den Kühlkörper/-kanal<br />
* Pull-Prinzip: Der Lüfter saugt die Luft aus dem Kühlkörper/-kanal heraus<br />
<br />
Kenngrößen:<br />
* Luftdurchsatz in <math>\frac{m^{3}}{h}</math><br />
* Nennspannung, Nennstrom, Nennleistung<br />
* Typ Axial/Radial<br />
* Größe<br />
* Geräuschpegel<br />
* Art der Lagerung (Kugellager, Sinterbronze-Lager etc.)<br />
* Temperaturbereich<br />
* Lebensdauer, MTBF<br />
<br />
=Kühlung auf einer Platine=<br />
Beim Leiterplattenentwurf muss bereits in der Designphase abgeschätzt werden, welche Verlustleistungen auftreten und wie die entstehende Wärme abgeführt werden kann. Die Größe, Bauform und Befestigung des Kühlkörpers muss ebenfalls berücksichtigt werden. Für Printmontage sind Kühlkörper verfügbar, welche mit lötbaren Stiften in die Platine gesteckt und verlötet werden. Alternativ sind Schraubverbindungen möglich.<br />
<br />
SMD-Bauteile können meist über die Platine gut entwärmt werden. Dies ist normalerweise nur bei geringen Verlustleistungen möglich. Die Abwärme der Bauteile muss auf eine möglichst große Fläche verteilt werden, durch große Kupferflächen auf der Platine kann dies erreicht werden. Da die Wärmeleitfähigkeit der Kupferauflage deutlich höher ist als die Wärmeleitfähigkeit des Platinenmaterials FR4, wird sich die Wärme hauptsächlich in der Fläche verteilen, jedoch weniger ''durch'' die Platine hindurch. Um die Wärmeleitung durch die Platine (z.B. von Ober- zu Unterseite) zu erhöhen, müssen Durchkontaktierungen gesetzt werden. Sogenannte "Thermal Vias" werden in einer großen Anzahl an das zu entwärmende Bauteil gesetzt und können damit die Wärme zu anderen Kupferlagen der Platine weiterleiten. Die Wärmeleitung durch die Platine hindurch wird verbessert, liegt aber dennoch deutlich unter der Wärmeleitfähigkeit von reinem Kupfer. Thermische Vias können aufgrund ihrer kleinen Masse kaum einen Beitrag zur gesamten "Kühlmasse" beitragen. Ob schließlich eine Entwärmung durch die Platine ausreicht, muss durch Simulation oder Messung gezeigt werden.<br />
<br />
Die Einbaulage der Platine kann die Entwärmung zudem beeinflussen. Erwärmte Umgebungsluft steigt nach oben und kann andere Komponenten oder Platinen aufheizen.<br />
<br />
Maßnahmen für bessere Entwärmung:<br />
<br />
* Durchkontaktierungen zur Wärmeleitung zwischen mehreren Kupferlagen, da der Platinenkern (bei FR4: glasfaserverstärktes Epoxidharz) idR. eine sehr schlechte Wärmeleitfähigkeit hat<br />
* Breite Leiterbahnen, welche Wärme abführen und auf eine große Fläche verteilen<br />
* Für große bedrahtete ICs (TO220, Multiwatt...) eignen sich Board-Level-Kühlkörper<br />
* Für kleinere ICs mit Wärmeentwicklung eignen sich aufklebbare Kühlkörper<br />
* Für SMD-Bauteile exisitieren auch Kühlkörper, die sich direkt auf die Platine löten lassen, diese sind auch maschinenbestückbar<br />
* Einsatz spezieller Platinenmaterialien (Alukern, Kupfer-Inlay)...<br />
* je nach Schaltung: dickere Kupferkaschierung für bessere Wärmeausbreitung in der Fläche (Standard sind 35µm, erhältlich sind auch 70µm und mehr)<br />
<br />
todo<br />
<br />
=Spezielle Kühlkörper=<br />
<br />
todo<br />
<br />
=Autoren=<br />
* BMS<br />
<br />
[[Kategorie:Elektronik]]<br />
[[Kategorie:Mechanik]] <br />
[[Kategorie:Praxis]] <br />
[[Kategorie:Grundlagen]]</div>BMShttps://rn-wissen.de/wiki/index.php?title=K%C3%BChlk%C3%B6rper&diff=26368Kühlkörper2015-05-10T17:32:31Z<p>BMS: /* Bauteil mit Kühlkörper und T.I.M. */</p>
<hr />
<div>{{Baustelle|BMS}}<br />
<br />
Dieser Artikel behandelt die Grundlagen zu Kühlkörpern.<br />
<br />
[[Bild:kühlkörper-übersicht.jpg|thumb|Verschiedene Kühlkörper, links ein TO220-Gehäuse zum Größenvergleich]]<br />
<br />
=Einleitung=<br />
<br />
'''Wieso sind überhaupt Kühlkörper in technischen Geräten erforderlich?'''<br />
<br />
Kein Gerät kann einen 100-prozentigen Wirkungsgrad erzielen und somit tritt Verlustleistung auf. Diese Verlustleistung führt zur Erwärmung der Bauteile. Kühlkörper sollen die Entwärmung verbessern, indem die entstehende Wärme auf eine große Fläche verteilt wird und durch Konvektion an der Luft auskühlen kann. Die Temperatur an den heißen Bauteilen ist mit Kühlkörper geringer als ohne Kühlkörper.<br />
<br />
'''Wieso sind hohe Bauteiltemperaturen ungünstig?'''<br />
<br />
Die Lebensdauer aller elektronischen Bauteile ist stark von der Temperatur abhängig. Als Faustregel gilt: Eine Temperaturerhöhung um 10 Grad führt zur Halbierung der Lebensdauer. Außerdem gibt es Grenztemperaturen, die nicht überschritten werden dürfen. Beispielsweise dürfen Halbleiter keine Temperatur über 150°C erreichen. Extrembeispiele sind die Schmelztemperatur von Isolierungen, Lötzinn etc... sowie Brandgefahr durch hohe Temperaturen. Viele Bauteile können ohne vernünftige Kühlung nicht ihren vollen Funktionsumfang erreichen, liefern dann z.B. geringere Maximalströme oder es greift die Temperaturabschaltung. Anders formuliert: Die maximale Leistung eines Bauteils oder Geräts wird durch seine Entwärmung bestimmt! Zur eigenen Sicherheit bietet es sich zudem an, die Temperaturen niedrig zu halten, sodass man sich am Gerät nicht die Finger verbrennen kann ;)<br />
<br />
=Wärmeübertragung=<br />
Prinzipiell kann Wärmeübertragung über Wärmeleitung, Konvektion und Wärmestrahlung geschehen. In vielen Anwendungen treten mehrere Mechanismen gleichzeitig auf. Welcher Mechanismus hauptsächlich auftritt, ist von der mechanischen Anordnung, den Materialien und der Temperatur abhängig. Wärmeleitung und Konvektion sind die wichtigsten Arten der Wärmeübertragung, die in der Praxis auftreten. Nun zu den einzelnen Effekten:<br />
<br />
*'''Wärmeleitung'''<br />
*: Bei der Wärmeleitung wird die Wärme über einen direkten mechanischen Kontakt (Bsp. IC <math>\rightarrow</math>Kühlkörper) übertragen. Den beteiligten Materialien wird jeweils eine spezifische Wärmeleitfähigkeit <math>\lambda</math> zugeordnet, dazu später mehr.<br />
<br />
*'''Konvektion'''<br />
*: Mit Konvektion wird die Strömungsbewegung in Flüssigkeiten und Gasen bezeichnet. Praxisbeispiele sind die Wärmeabgabe eines Kühlkörpers an die Umgebungsluft oder auch eine Wasserkühlung. Von erzwungener Konvektion spricht man, wenn die Strömung durch z.B. einen Ventilator/Lüfter oder eine Wasserpumpe hervorgerufen wird. Im Vakuum kann keine Konvektion auftreten.<br />
<br />
*'''Wärmestrahlung'''<br />
*: Wärmestrahlung ist elektromagnetische Strahlung (hauptsächlich Infrarot und sichtbares Licht), die vom heißen Festkörper abgestrahlt wird. Sie wird erst bei höheren Temperaturen relevant und ist bei den üblichen Kühlkörpertemperaturen meist zu vernachlässigen. Erwähnt werden soll zudem, dass Wärmestrahlung der einzige Mechanismus der Wärmeleitung ist, welcher im Vakuum auftreten kann. (Für Details zu Wärmestrahlung siehe auch: Plancksches Strahlungsgesetz und Schwarzer Strahler).<br />
<br />
=Materialien=<br />
Jedes Material besitzt eine spezifische Wärmeleitfähigkeit, welche angibt, wie gut dieses Material Wärme weiter transportieren kann. Die spezifische Wärmeleitfähigkeit ist unabhängig von der Geometrie des Materials, wird mit der Größe <math>\lambda</math> (Lambda) ausgedrückt und erhält die Einheit <math>\frac{W}{m \cdot K}</math>.<br />
<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
|-<br />
| '''Material''' || '''<math>\lambda</math> in <math>\left[ \frac{W}{m \cdot K} \right]</math>'''<br />
|-<br />
| Silber || 430<br />
|-<br />
| Kupfer || 400<br />
|-<br />
| Aluminium || 230<br />
|-<br />
| Silizium || 140 <br />
|-<br />
| Wärmeleitpaste || 5 ... 10<br />
|-<br />
| Glas || 0,7<br />
|-<br />
| Wasser || 0,5<br />
|-<br />
| Platinenmaterial FR4 || 0,2 ... 0,5<br />
|-<br />
| Luft || 0,02<br />
|}<br />
<br />
Die meisten Kühlkörper werden aus Aluminiumlegierungen hergestellt. Für Aluminium spricht seine relativ hohe Wärmeleitfähigkeit, die hohe Verfügbarkeit und geringe Dichte. Im Vergleich zu Kupfer und Silber ist Aluminium deutlich kostengünstiger. Darüber hinaus lässt sich Aluminium mechanisch gut verarbeiten. Kupfer wird mit seiner höheren Wärmeleitfähigkeit z.B. bei Heatpipes eingesetzt.<br />
<br />
todo<br />
<br />
Wärmewiderstand <math>R_{th}=\frac{d}{\lambda \cdot A}</math><br />
<br />
d: Materialdicke, welche für die Wärmeleitung relevant ist<br />
<br />
<math>\lambda</math>spezifische Wärmeleitfähigkeit des Materials<br />
<br />
A: Querschnitts-/Kontaktfläche<br />
<br />
=Definitionen=<br />
Um vorauszusagen, wie sich die Temperaturen in einer Schaltung verhalten, bedient sich der Ingenieur - wie auch bei vielen anderen Anwendungen - eines Ersatzschaltbildes (ESB). Zur Erstellung eines thermischen Ersatzschaltbildes muss man sich aber zunächst mit den thermischen Größen vertraut machen.<br />
<br />
Die Temperaturen werden mit dem griechischen Buchstaben Theta <math>\theta</math> gekennzeichnet. Temperaturen werden in Grad Celsius (°C), Temperaturdifferenzen in Kelvin (K) angegeben. (Am Rande: Es existiert auch eine Kelvinskala mit dem absoluten Nullpunkt 0 K=-273,15°C). Die Temperaturen werden außerdem noch mit einem Index gekennzeichnet, abhängig von der mechanischen Stelle, an der sie auftreten:<br />
<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
|-<br />
| Symbol || Index || Bedeutung<br />
|-<br />
| <math>\vartheta_{J}</math> || J=Junction || Sperrschichttemperatur des Halbleiters<br />
|-<br />
| <math>\vartheta_{C}</math> || C=Case || Gehäusetemperatur des Bauteils<br />
|-<br />
| <math>\vartheta_{H}</math> || H=Heat Sink || Temperatur des Kühlkörpers<br />
|-<br />
| <math>\vartheta_{A}</math> || A=Ambient || Umgebungstemperatur<br />
|}<br />
<br />
Die Verlustleistung eines Bauteils beschreibt die Größe <math>P_{V}</math> und wird, wie allgemein bekannt, in Watt angegeben.<br />
<br />
Als neue Größe wird nun der thermische Widerstand eingeführt, dieser wird mit <math>R_{th}</math> beschrieben und bekommt die Einheit <math>\frac{K}{W}</math>. <br />
<br />
Für die thermischen Größen gibt es, ähnlich dem Ohmschen Gesetz, einen linearen Zusammenhang. Dieser lautet<br />
<br />
<math>R_{th}=\frac{\vartheta_{ü}}{P_{V}}</math><br />
<br />
todo<br />
<br />
'''Vergleich elektrischer und thermischer Größen'''<br />
Insgesamt können wir nun eine Analogie zwischen bekannten elektrischen Größen und den thermischen Größen angeben. Die schon gelernten Prinzipien zur Lösung linearer Netzwerke lässt sich auch bei den thermischen Ersatzschaltbildern anwenden.<br />
<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
|-<br />
| elektrisch || thermisch<br />
|-<br />
| Spannung U || Temperatur <math>\vartheta</math><br />
|-<br />
| Strom I || Verlustleistung <math>P_{V}</math><br />
|-<br />
| Widerstand R || thermischer Widerstand <math>R_{th}</math><br />
|}<br />
<br />
=Statisches Ersatzschaltbild=<br />
Mit den thermischen Zusammenhängen haben wir uns inzwischen vertraut gemacht. Nun können wir damit beginnen, thermische Ersatzschaltbilder von einfachen Anordnungen zu erstellen. Mit solchen Modellen können Temperaturen, wie z.B. die Chiptemperatur, vorab berechnet werden. Für die Berechnung müssen Wärmewiderstände, Umgebungstemperatur und Verlustleistung bekannt sein, da sie in die Berechnung einfließen.<br />
<br />
Bei den thermischen Ersatzschaltbildern kann man ein statisches oder ein dynamisches Ersatzschaltbild erstellen. Bei den statischen Ersatzschaltbilder wird davon ausgegangen, dass alle Größen zeitlich konstant sind, bzw. sofort ihre Solltemperatur entsprechend dem Modell annehmen. In der Realität dauert es natürlich eine gewisse Zeit, bis sich alle beteiligten Materialien aufgeheizt haben. Die Temperaturen des statischen Modells werden dabei erst nach einer bestimmten Zeit erreicht. <br />
<br />
Für die meisten Anwendungen genügt es jedoch, das statische thermische Ersatzschaltbild zu erstellen und den Kühlkörper dem entsprechend zu dimensionieren. Die Kühlung wird z.B. auf die maximale oder die mittlere auftretende Verlustleistung dimensioniert. Es wurde bereits erwähnt, dass sich die Bauteiltemperatur auf dessen Lebensdauer auswirkt. Dabei gilt: je niedriger die Bauteiltemperatur, desto länger die zu erwartende Lebensdauer. Je nach Anwendung und Rahmenbedingungen muss eventuell ein Kompromiss zwischen Kühlkörpergröße/kosten und Gerätelebensdauer gewählt werden. Beispielsweise kann der verfügbare Platz, ein Gesamtgewicht oder eine Kostenvorgabe begrenzender Faktor sein. Für einen dauerhaften sicheren Betrieb muss der Kühlkörper und weitere beteiligte Materialien für den worst case ausgelegt oder sogar überdimensioniert werden.<br />
<br />
==Bauteil ohne Kühlkörper==<br />
Um den Umgang mit den thermischen Ersatzschaltbildern zu lernen, soll zunächst mit einem einfachen Beispiel begonnen werden. In diesem Fall wird der Wärmeübergang von einem einzelnen Bauteil zu Luft betrachet, es kommt zunächst also noch kein Kühlkörper zum Einsatz. Das Ersatzschaltbild sieht in diesem Fall folgendermaßen aus:<br />
<br />
[[Bild:Therm-esb1.png|450px]]<br />
<br />
Die am Bauteil entstehende Verlustleistung ist Ursache der Abwärme und wird im thermischen Ersatzschaltbild als ideale Stromquelle modelliert.<br />
<br />
Die Abwärme gelangt nun über den Weg Sperrschicht (Junction) <math>\rightarrow</math> Bauteilgehäuse (Case) <math>\rightarrow</math> Umgebung (Ambient) nach außen. Im Ersatzschaltbild ist jeder Übergang als thermischer Widerstand modelliert. Die genauen Zahlenwerte der Wärmewiderstände lassen sich in der Regel dem Datenblatt des Bauteils entnehmen. Benötigt werden die Werte für <math>R_{th(jc)}</math> und <math>R_{th(ca)}</math>. In manchen Datenblättern findet man die Angabe <math>R_{th(ja)}</math>, was der Reihenschaltung aus den beiden vorher genannten Werten entspricht, also <math>R_{th(ja)}=R_{th(jc)}+R_{th(ca)}</math>.<br />
<br />
Die Umgebungstemperatur wird als ideale Spannungsquelle modelliert. Sämtliche Spannungen im Ersatzschaltbild entsprechen den auftretenden Temperaturen.<br />
<br />
Da es sich nun um ein lineares Netzwerk handelt, gelten hier ebenfalls die Kirchhoff'schen Gleichungen. Relativ leicht lässt sich nun die Temperatur am Bauteilgehäuse (Case) und der Sperrschicht (Junction) berechnen:<br />
<br />
<math>\vartheta_{c}=\vartheta_{a}+R_{th(ca)} \cdot P_{V}</math><br />
<br />
<math>\vartheta_{j}=\vartheta_{a}+R_{th(jc)} \cdot P_{V}+R_{th(ca)} \cdot P_{V}=\vartheta_{a}+(R_{th(jc)}+R_{th(ca)}) \cdot P_{V}=\vartheta_{a}+R_{th(ja)} \cdot P_{V}</math><br />
<br />
Da die thermischen Widerstände bei der Reihenschaltung auch zusammengefasst werden dürfen, beschreibt folgendes thermisches Ersatzschaltbild den gleichen Zusammenhang. Nachteil ist hier allerdings, dass die Temperatur am Gehäuse nicht modelliert wird.<br />
<br />
[[Bild:Therm-esb0.png|300px]]<br />
<br />
Die Überlegungen zur Sperrschichttemperatur kann auch anders interpretiert werden. Gibt man die Sperrschichttemperatur vor, kann man die maximal erlaubte Verlustleistung des Bauteils in Abhängigkeit der Umgebungstemperatur bestimmen. Die folgende Formel erhält man aus Umformung der oberen Gleichung:<br />
<br />
<math>P_{V} \leq \frac{\vartheta_{j}-\vartheta_{a}}{R_{th(ja)}}</math><br />
<br />
Bei Halbleitern darf idR. die Sperrschichttemperatur nicht 150°C überschreiten. Der thermische Widerstand wird hauptsächlich durch das Gehäuse vorgegeben. Aus der Formel sieht man nun folgendes: Je höher die Umgebungstemperatur, desto geringer fällt die maximal erlaubte Verlustleistung aus. Diesen Zusammenhang bezeichnet man auch als '''Derating'''.<br />
<br />
===Beispielrechnung===<br />
<br />
Ein Spannungsregler vom Typ 7805 im TO220-Gehäuse soll ohne Kühlkörper betrieben werden. Wie hoch ist die maximal erlaubte Verlustleistung, wenn die Sperrschichttemperatur 120°C nicht überschreiten soll und die Umgebungstemperatur 25°C beträgt?<br />
<br />
Zunächst werfen wir einen Blick ins Datenblatt des Spannungsreglers und entnehmen die Angaben für die thermischen Widerstände. Dann halten wir alle gegebenen Größen fest:<br />
<br />
*'''Gegeben'''<br />
*:* <math>R_{th(jc)}=5 \frac{K}{W}</math> (aus dem Datenblatt)<br />
*:* <math>R_{th(ja)}=62 \frac{K}{W}</math> (aus dem Datenblatt)<br />
*:* <math>\vartheta_{j}=125°C</math><br />
*:* <math>\vartheta_{a}=25°C</math><br />
*'''Gesucht'''<br />
*:* <math>P_{v,max}</math><br />
*'''Rechnung'''<br />
*:Wir verwenden die Formel von oben und erhalten als Ergebnis<br />
*:<math>P_{V,max} = \frac{\vartheta_{j}-\vartheta_{a}}{R_{th(ja)}} = \frac{120°C-25°C}{62\frac{K}{W}} = \frac{95K}{62\frac{K}{W}} \approx 1,5 Watt</math><br />
*:Die maximal erlaubte Verlustleistung des Spannungsreglers ohne Kühlkörper darf demnach 1,5 Watt nicht überschreiten.<br />
*'''Zusatz'''<br />
*:Mit unserem Ersatzschaltbild können wir außerdem die Temperatur des Gehäuses (Case) des Spannungsreglers angeben. Dafür benötigen wir noch die Angabe <math>R_{th(ca)}</math>, welche allerdings im Datenblatt nicht angegeben ist.<br />
*:Da wir aber wissen, dass <math>R_{th(ja)}=R_{th(jc)}+R_{th(ca)}</math> gilt, können wir die fehlende Größe ausrechnen. Diese ist<br />
*:<math>R_{th(ca)}=R_{th(ja)}-R_{th(jc)}=62\frac{K}{W}-5\frac{K}{W}=57\frac{K}{W}</math>.<br />
*:Nun lässt sich die Gehäusetemperatur berechnen:<br />
*:<math>\vartheta_{c}=\vartheta_{a}+R_{th(ca)} \cdot P_{V}=25°C+57\frac{K}{W} \cdot 1,5 W \approx 111 °C</math><br />
*'''Bemerkung'''<br />
*:In der Praxis wird einem TO220-Gehäuse ungekühlt eine maximale Verlustleistung von 1 Watt zugerechnet. Die Temperaturen sind niedriger, die Lebensdauer des Bauteils höher.<br />
<br />
==Bauteil mit Kühlkörper und T.I.M.==<br />
<br />
Der Betrieb eines ICs ohne Kühlkörper, wie im vorigen Abschnitt beschrieben, funktioniert nur bei kleinen Leistungen und führt meist auch zu einer verringerten Lebensdauer des Bauteils. Viele Bauteile können ihre angegebenen Maximalwerte nur bei vernünftiger Kühlung erreichen. In diesem Abschnitt wird nun ein typisches Szenario mit Kühlkörperberechnung vorgestellt.<br />
<br />
Befassen wir uns zunächst mit der typischen mechanischen Anordnung. Das zu kühlende IC wird thermisch an einen Kühlkörper gekoppelt. In der Praxis wird man das IC aber nicht direkt auf dem Kühlkörper befestigen, sondern über ein sogenanntes ''thermisches Interface-Material'' (T.I.M.), um Unebenheiten und mechanische Abstände auszugleichen oder um für Insolierung zu sorgen. Details zum T.I.M. folgen im Unterabschnitt. Die typische Anordnung zeigt die folgende Abbildung.<br />
<br />
[[Bild:kühlkörper-schichten.png|300px]]<br />
<br />
Folgende thermischen Widerstände treten hier in Kraft:<br />
*<math>R_{th(jc)}</math> für den Übergang Chip zu Bauteilgehäuse<br />
*<math>R_{th(ch)}</math> für den Übergang Bauteilgehäuse zu Kühlkörper (also über das T.I.M.)<br />
*<math>R_{th(ha)}</math> für den Übergang Kühlkörper zur Umgebung<br />
<br />
Aus diesen thermischen Widerständen wird ein thermisches Ersatzschaltbild angefertigt. Dieses zeigt die nächste Abbildung.<br />
<br />
[[Bild:Therm-esb2.png|700px]]<br />
<br />
Zunächst soll die Formel zur Berechnung der Chiptemperatur aufgestellt werden, die Formel erhält man wieder durch die Anwendung der Kirchhoffschen Gleichungen im Ersatzschaltbild.<br />
<br />
<math>\vartheta_{j}=\vartheta_{a}+(R_{th(jc)}+R_{th(ch)}+R_{th(ha)}) \cdot P_{V}</math><br />
<br />
Die Formel wird in der Praxis jedoch in einer anderen Form benötigt. Meist steht man als Entwickler vor der Aufgabe, den erforderlichen thermischen Widerstand <math>R_{th(ha)}</math> des Kühlkörpers zu bestimmen, sofern die Größen Umgebungstemperatur, Sperrschichttemperatur, Verlustleistung sowie die verbleibenden thermischen Widerstände gegeben sind. Anhand des berechneten Wärmewiderstands des Kühlkörpers können dann aus Produktkatalogen geeignete Kühlkörper bestimmt werden.<br />
<br />
Wir müssen dafür also die Gleichung nach <math>R_{th(ha)}</math> auflösen. Wir erhalten die praxisübliche Berechnungsformel:<br />
<br />
<math>R_{th(ha)}=\frac{\vartheta_{j}-\vartheta_{a}}{P_{V}}-R_{th(jc)}-R_{th(ch)}</math><br />
<br />
BAUSTELLE<br />
<br />
===Beispielrechnung===<br />
<br />
BAUSTELLE<br />
<br />
===Thermische Interface-Materialien (T.I.M.) und Montage===<br />
Wie bereits erwähnt, werden ICs in der Praxis nicht direkt auf einen Kühlkörper befestigt. Der Grund dafür ist folgender: Durch Unebenheiten und die rauhe Oberfläche von Kühlkörper und IC berühren sich die betreffenden Flächen unter dem Mikroskop gesehen nur minimal. Durch Lufteinschlüsse und die Tatsache, dass Luft ein schlechter Wärmeleiter ist, fällt in diesem Fall die thermische Anbindung des ICs an den Kühlkörper relativ schlecht aus.<br />
<br />
Zum Ausgleich der Unebenheiten eignet sich Wärmeleitpaste, welche dünn auf die Kontaktfläche aufgetragen wird. Es genügt eine sehr geringe Menge der Wärmeleitpaste, die Schichtdicke liegt in der Größenordnung 0,1mm. Die Aufgabe der Wärmeleitpaste ist, die Unebenheiten der Kontaktflächen auszugleichen. Zu viel Wärmeleitpaste erhöht wiederum den thermischen Übergangswiderstand. <br />
<br />
Ist zusätzlich eine elektrische Isolation zwischen IC und Kühlkörper erforderlich, können Glimmerscheiben (engl. mika) eingesetzt werden. Elektrische Isolation ist erforderlich, falls zum Beispiel mehrere Transistoren auf einen Kühlkörper montiert werden sollen und eine elektrische Verbindung der Kühlfahnen über den Kühlkörper zu Kurzschlüssen führen würde. Werden Glimmerscheiben verwendet, müssen diese beidseitig mit Wärmeleitpaste bestrichen werden, um sämtliche Unebenheiten auszugleichen. Die Glimmerscheiben werden zwischen IC und Kühlkörper eingebaut. Werden die ICs an den Kühlkörper geschraubt, muss auch die Schraube elektrisch isoliert werden. Hierfür sind entsprechende Hülsen aus Kunststoff erhältlich.<br />
<br />
Wärmeleitfolien aus Silikon /Gap-Filler<br />
<br />
BAUSTELLE<br />
<br />
Zur Montage der ICs auf dem Kühlkörper gibt es mehrere Möglichkeiten. Üblich sind Schraubmontage oder die Verwendung von Metallclips aus Federstahl. Der Anpressdruck durch die Montage kann die thermische Kopplung des ICs zum Kühlkörper beeinflussen. Die Metallclips haben den Vorteil, dass der Anpressdruck mit der Zeit nicht nachlässt.<br />
<br />
BAUSTELLE<br />
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=Dynamisches Ersatzschaltbild=<br />
<br />
Bei den statischen Ersatzschaltbildern können zeitveränderliche Vorgänge nicht modelliert werden. Um auch den zeitlichen Verlauf der Temperaturen bei z.B. wechselnder Verlustleistung der Bauteile vorhersagen zu können, bedient man sich dem dynamischen Ersatzschaltbild. Dieses enthält neben den thermischen Widerständen auch Wärmekapazitäten. Durch thermische Widerstände und Wärmekapazitäten ergeben sich Zeitkonstanten bei der Erwärmung, sodass das Modell der Realität sehr nahe kommt.<br />
<br />
BAUSTELLE<br />
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=Kühlkörperbauformen=<br />
* Board-Level-Kühlkörper (aufsteckbare/aufklebbare Kühlkörper, auch für SMD, meist 1 Kühlkörper pro IC)<br />
* Strang-/Profilkühlkörper (meist für hohe Leistungen)<br />
* Kühlaggregate (Kanal + Lüfter)<br />
<br />
Wozu eloxierte Oberflächen?<br />
* geringfügig höhere Wärmestrahlung (bei den niedrigen Temperaturen kaum ein Beitrag)<br />
* elektrische Isolation<br />
* Oberflächenschutz<br />
Nachteile:<br />
* erhöhte Wärmeaufnahme aus der unmittelbaren Umgebung!<br />
<br />
Stiftkühlkörper<br />
* hohe Oberfläche<br />
* bei dickem "Rücken"/"Boden" des Kühlkörpers gute Wärmespreizung<br />
* mit erzwungener Konvektion hohe Wärmeübertragung (quer zu den Stiften effektiver als in Stiftrichtung)<br />
* leichter und kompakter als Strangkühlkörper<br />
<br />
todo<br />
<br />
=Lüfter=<br />
Lüfter werden vor allem dann eingesetzt, wenn der Kühlkörper bei rein passiver Kühlung zur groß, zu schwer oder zu teuer wird. Beim Einsatz des Lüfters führt die erzwungene Luftströmung zur besseren Wärmeabgabe an die Luft. Bei gleicher Temperatur kann der Kühlkörper dann kleiner gewählt werden. Bei hohen Leistungen sind der kleinere Kühlkörper mit Lüfter preisgünstiger und kompakter als ein großer, rein passiver Kühlkörper. Um welchen Faktor die Wärmeableitung mit Lüfter verbessert wird, hängt von vielen Parametern ab und kann nicht pauschal angegeben werden.<br />
<br />
Vorteile<br />
* bessere Wärmeabgabe<br />
* Kühlkörper kann bei gleicher Temperatur kleiner, leichter und kostengünstiger werden<br />
* In kleinem Maßstab günstiger als Wasserkühlung o.ä.<br />
<br />
Nachteile<br />
* zusätzlicher Stromverbrauch<br />
* Geräuschentwicklung und Vibrationen<br />
* zusätzliche Kosten für Lüfter und dessen Montage<br />
* Im Falle eines unbemerkten Ausfalls kann die Schaltung überhitzen (Abhilfe: Thermostat, Temperaturfühler oder Tachosignal auswerten)<br />
<br />
Anordnungen:<br />
* Push-Prinzip: Der Lüfter bläst die Luft in den Kühlkörper/-kanal<br />
* Pull-Prinzip: Der Lüfter saugt die Luft aus dem Kühlkörper/-kanal heraus<br />
<br />
Kenngrößen:<br />
* Luftdurchsatz in <math>\frac{m^{3}}{h}</math><br />
* Nennspannung, Nennstrom, Nennleistung<br />
* Typ Axial/Radial<br />
* Größe<br />
* Geräuschpegel<br />
* Art der Lagerung (Kugellager, Sinterbronze-Lager etc.)<br />
* Temperaturbereich<br />
* Lebensdauer, MTBF<br />
<br />
=Kühlung auf einer Platine=<br />
Beim Leiterplattenentwurf muss bereits in der Designphase abgeschätzt werden, welche Verlustleistungen auftreten und wie die entstehende Wärme abgeführt werden kann. Die Größe, Bauform und Befestigung des Kühlkörpers muss ebenfalls berücksichtigt werden. Für Printmontage sind Kühlkörper verfügbar, welche mit lötbaren Stiften in die Platine gesteckt und verlötet werden. Alternativ sind Schraubverbindungen möglich.<br />
<br />
SMD-Bauteile können meist über die Platine gut entwärmt werden. Dies ist normalerweise nur bei geringen Verlustleistungen möglich. Die Abwärme der Bauteile muss auf eine möglichst große Fläche verteilt werden, durch große Kupferflächen auf der Platine kann dies erreicht werden. Da die Wärmeleitfähigkeit der Kupferauflage deutlich höher ist als die Wärmeleitfähigkeit des Platinenmaterials FR4, wird sich die Wärme hauptsächlich in der Fläche verteilen, jedoch weniger ''durch'' die Platine hindurch. Um die Wärmeleitung durch die Platine (z.B. von Ober- zu Unterseite) zu erhöhen, müssen Durchkontaktierungen gesetzt werden. Sogenannte "Thermal Vias" werden in einer großen Anzahl an das zu entwärmende Bauteil gesetzt und können damit die Wärme zu anderen Kupferlagen der Platine weiterleiten. Die Wärmeleitung durch die Platine hindurch wird verbessert, liegt aber dennoch deutlich unter der Wärmeleitfähigkeit von reinem Kupfer. Thermische Vias können aufgrund ihrer kleinen Masse kaum einen Beitrag zur gesamten "Kühlmasse" beitragen. Ob schließlich eine Entwärmung durch die Platine ausreicht, muss durch Simulation oder Messung gezeigt werden.<br />
<br />
Die Einbaulage der Platine kann die Entwärmung zudem beeinflussen. Erwärmte Umgebungsluft steigt nach oben und kann andere Komponenten oder Platinen aufheizen.<br />
<br />
Maßnahmen für bessere Entwärmung:<br />
<br />
* Durchkontaktierungen zur Wärmeleitung zwischen mehreren Kupferlagen, da der Platinenkern (bei FR4: glasfaserverstärktes Epoxidharz) idR. eine sehr schlechte Wärmeleitfähigkeit hat<br />
* Breite Leiterbahnen, welche Wärme abführen und auf eine große Fläche verteilen<br />
* Für große bedrahtete ICs (TO220, Multiwatt...) eignen sich Board-Level-Kühlkörper<br />
* Für kleinere ICs mit Wärmeentwicklung eignen sich aufklebbare Kühlkörper<br />
* Für SMD-Bauteile exisitieren auch Kühlkörper, die sich direkt auf die Platine löten lassen, diese sind auch maschinenbestückbar<br />
* Einsatz spezieller Platinenmaterialien (Alukern, Kupfer-Inlay)...<br />
* je nach Schaltung: dickere Kupferkaschierung für bessere Wärmeausbreitung in der Fläche (Standard sind 35µm, erhältlich sind auch 70µm und mehr)<br />
<br />
todo<br />
<br />
=Spezielle Kühlkörper=<br />
<br />
todo<br />
<br />
=Autoren=<br />
* BMS<br />
<br />
[[Kategorie:Elektronik]]<br />
[[Kategorie:Mechanik]] <br />
[[Kategorie:Praxis]] <br />
[[Kategorie:Grundlagen]]</div>BMShttps://rn-wissen.de/wiki/index.php?title=K%C3%BChlk%C3%B6rper&diff=26367Kühlkörper2015-05-09T09:27:26Z<p>BMS: Statisches ESB; T.I.M.</p>
<hr />
<div>{{Baustelle|BMS}}<br />
<br />
Dieser Artikel behandelt die Grundlagen zu Kühlkörpern.<br />
<br />
[[Bild:kühlkörper-übersicht.jpg|thumb|Verschiedene Kühlkörper, links ein TO220-Gehäuse zum Größenvergleich]]<br />
<br />
=Einleitung=<br />
<br />
'''Wieso sind überhaupt Kühlkörper in technischen Geräten erforderlich?'''<br />
<br />
Kein Gerät kann einen 100-prozentigen Wirkungsgrad erzielen und somit tritt Verlustleistung auf. Diese Verlustleistung führt zur Erwärmung der Bauteile. Kühlkörper sollen die Entwärmung verbessern, indem die entstehende Wärme auf eine große Fläche verteilt wird und durch Konvektion an der Luft auskühlen kann. Die Temperatur an den heißen Bauteilen ist mit Kühlkörper geringer als ohne Kühlkörper.<br />
<br />
'''Wieso sind hohe Bauteiltemperaturen ungünstig?'''<br />
<br />
Die Lebensdauer aller elektronischen Bauteile ist stark von der Temperatur abhängig. Als Faustregel gilt: Eine Temperaturerhöhung um 10 Grad führt zur Halbierung der Lebensdauer. Außerdem gibt es Grenztemperaturen, die nicht überschritten werden dürfen. Beispielsweise dürfen Halbleiter keine Temperatur über 150°C erreichen. Extrembeispiele sind die Schmelztemperatur von Isolierungen, Lötzinn etc... sowie Brandgefahr durch hohe Temperaturen. Viele Bauteile können ohne vernünftige Kühlung nicht ihren vollen Funktionsumfang erreichen, liefern dann z.B. geringere Maximalströme oder es greift die Temperaturabschaltung. Anders formuliert: Die maximale Leistung eines Bauteils oder Geräts wird durch seine Entwärmung bestimmt! Zur eigenen Sicherheit bietet es sich zudem an, die Temperaturen niedrig zu halten, sodass man sich am Gerät nicht die Finger verbrennen kann ;)<br />
<br />
=Wärmeübertragung=<br />
Prinzipiell kann Wärmeübertragung über Wärmeleitung, Konvektion und Wärmestrahlung geschehen. In vielen Anwendungen treten mehrere Mechanismen gleichzeitig auf. Welcher Mechanismus hauptsächlich auftritt, ist von der mechanischen Anordnung, den Materialien und der Temperatur abhängig. Wärmeleitung und Konvektion sind die wichtigsten Arten der Wärmeübertragung, die in der Praxis auftreten. Nun zu den einzelnen Effekten:<br />
<br />
*'''Wärmeleitung'''<br />
*: Bei der Wärmeleitung wird die Wärme über einen direkten mechanischen Kontakt (Bsp. IC <math>\rightarrow</math>Kühlkörper) übertragen. Den beteiligten Materialien wird jeweils eine spezifische Wärmeleitfähigkeit <math>\lambda</math> zugeordnet, dazu später mehr.<br />
<br />
*'''Konvektion'''<br />
*: Mit Konvektion wird die Strömungsbewegung in Flüssigkeiten und Gasen bezeichnet. Praxisbeispiele sind die Wärmeabgabe eines Kühlkörpers an die Umgebungsluft oder auch eine Wasserkühlung. Von erzwungener Konvektion spricht man, wenn die Strömung durch z.B. einen Ventilator/Lüfter oder eine Wasserpumpe hervorgerufen wird. Im Vakuum kann keine Konvektion auftreten.<br />
<br />
*'''Wärmestrahlung'''<br />
*: Wärmestrahlung ist elektromagnetische Strahlung (hauptsächlich Infrarot und sichtbares Licht), die vom heißen Festkörper abgestrahlt wird. Sie wird erst bei höheren Temperaturen relevant und ist bei den üblichen Kühlkörpertemperaturen meist zu vernachlässigen. Erwähnt werden soll zudem, dass Wärmestrahlung der einzige Mechanismus der Wärmeleitung ist, welcher im Vakuum auftreten kann. (Für Details zu Wärmestrahlung siehe auch: Plancksches Strahlungsgesetz und Schwarzer Strahler).<br />
<br />
=Materialien=<br />
Jedes Material besitzt eine spezifische Wärmeleitfähigkeit, welche angibt, wie gut dieses Material Wärme weiter transportieren kann. Die spezifische Wärmeleitfähigkeit ist unabhängig von der Geometrie des Materials, wird mit der Größe <math>\lambda</math> (Lambda) ausgedrückt und erhält die Einheit <math>\frac{W}{m \cdot K}</math>.<br />
<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
|-<br />
| '''Material''' || '''<math>\lambda</math> in <math>\left[ \frac{W}{m \cdot K} \right]</math>'''<br />
|-<br />
| Silber || 430<br />
|-<br />
| Kupfer || 400<br />
|-<br />
| Aluminium || 230<br />
|-<br />
| Silizium || 140 <br />
|-<br />
| Wärmeleitpaste || 5 ... 10<br />
|-<br />
| Glas || 0,7<br />
|-<br />
| Wasser || 0,5<br />
|-<br />
| Platinenmaterial FR4 || 0,2 ... 0,5<br />
|-<br />
| Luft || 0,02<br />
|}<br />
<br />
Die meisten Kühlkörper werden aus Aluminiumlegierungen hergestellt. Für Aluminium spricht seine relativ hohe Wärmeleitfähigkeit, die hohe Verfügbarkeit und geringe Dichte. Im Vergleich zu Kupfer und Silber ist Aluminium deutlich kostengünstiger. Darüber hinaus lässt sich Aluminium mechanisch gut verarbeiten. Kupfer wird mit seiner höheren Wärmeleitfähigkeit z.B. bei Heatpipes eingesetzt.<br />
<br />
todo<br />
<br />
Wärmewiderstand <math>R_{th}=\frac{d}{\lambda \cdot A}</math><br />
<br />
d: Materialdicke, welche für die Wärmeleitung relevant ist<br />
<br />
<math>\lambda</math>spezifische Wärmeleitfähigkeit des Materials<br />
<br />
A: Querschnitts-/Kontaktfläche<br />
<br />
=Definitionen=<br />
Um vorauszusagen, wie sich die Temperaturen in einer Schaltung verhalten, bedient sich der Ingenieur - wie auch bei vielen anderen Anwendungen - eines Ersatzschaltbildes (ESB). Zur Erstellung eines thermischen Ersatzschaltbildes muss man sich aber zunächst mit den thermischen Größen vertraut machen.<br />
<br />
Die Temperaturen werden mit dem griechischen Buchstaben Theta <math>\theta</math> gekennzeichnet. Temperaturen werden in Grad Celsius (°C), Temperaturdifferenzen in Kelvin (K) angegeben. (Am Rande: Es existiert auch eine Kelvinskala mit dem absoluten Nullpunkt 0 K=-273,15°C). Die Temperaturen werden außerdem noch mit einem Index gekennzeichnet, abhängig von der mechanischen Stelle, an der sie auftreten:<br />
<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
|-<br />
| Symbol || Index || Bedeutung<br />
|-<br />
| <math>\vartheta_{J}</math> || J=Junction || Sperrschichttemperatur des Halbleiters<br />
|-<br />
| <math>\vartheta_{C}</math> || C=Case || Gehäusetemperatur des Bauteils<br />
|-<br />
| <math>\vartheta_{H}</math> || H=Heat Sink || Temperatur des Kühlkörpers<br />
|-<br />
| <math>\vartheta_{A}</math> || A=Ambient || Umgebungstemperatur<br />
|}<br />
<br />
Die Verlustleistung eines Bauteils beschreibt die Größe <math>P_{V}</math> und wird, wie allgemein bekannt, in Watt angegeben.<br />
<br />
Als neue Größe wird nun der thermische Widerstand eingeführt, dieser wird mit <math>R_{th}</math> beschrieben und bekommt die Einheit <math>\frac{K}{W}</math>. <br />
<br />
Für die thermischen Größen gibt es, ähnlich dem Ohmschen Gesetz, einen linearen Zusammenhang. Dieser lautet<br />
<br />
<math>R_{th}=\frac{\vartheta_{ü}}{P_{V}}</math><br />
<br />
todo<br />
<br />
'''Vergleich elektrischer und thermischer Größen'''<br />
Insgesamt können wir nun eine Analogie zwischen bekannten elektrischen Größen und den thermischen Größen angeben. Die schon gelernten Prinzipien zur Lösung linearer Netzwerke lässt sich auch bei den thermischen Ersatzschaltbildern anwenden.<br />
<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
|-<br />
| elektrisch || thermisch<br />
|-<br />
| Spannung U || Temperatur <math>\vartheta</math><br />
|-<br />
| Strom I || Verlustleistung <math>P_{V}</math><br />
|-<br />
| Widerstand R || thermischer Widerstand <math>R_{th}</math><br />
|}<br />
<br />
=Statisches Ersatzschaltbild=<br />
Mit den thermischen Zusammenhängen haben wir uns inzwischen vertraut gemacht. Nun können wir damit beginnen, thermische Ersatzschaltbilder von einfachen Anordnungen zu erstellen. Mit solchen Modellen können Temperaturen, wie z.B. die Chiptemperatur, vorab berechnet werden. Für die Berechnung müssen Wärmewiderstände, Umgebungstemperatur und Verlustleistung bekannt sein, da sie in die Berechnung einfließen.<br />
<br />
Bei den thermischen Ersatzschaltbildern kann man ein statisches oder ein dynamisches Ersatzschaltbild erstellen. Bei den statischen Ersatzschaltbilder wird davon ausgegangen, dass alle Größen zeitlich konstant sind, bzw. sofort ihre Solltemperatur entsprechend dem Modell annehmen. In der Realität dauert es natürlich eine gewisse Zeit, bis sich alle beteiligten Materialien aufgeheizt haben. Die Temperaturen des statischen Modells werden dabei erst nach einer bestimmten Zeit erreicht. <br />
<br />
Für die meisten Anwendungen genügt es jedoch, das statische thermische Ersatzschaltbild zu erstellen und den Kühlkörper dem entsprechend zu dimensionieren. Die Kühlung wird z.B. auf die maximale oder die mittlere auftretende Verlustleistung dimensioniert. Es wurde bereits erwähnt, dass sich die Bauteiltemperatur auf dessen Lebensdauer auswirkt. Dabei gilt: je niedriger die Bauteiltemperatur, desto länger die zu erwartende Lebensdauer. Je nach Anwendung und Rahmenbedingungen muss eventuell ein Kompromiss zwischen Kühlkörpergröße/kosten und Gerätelebensdauer gewählt werden. Beispielsweise kann der verfügbare Platz, ein Gesamtgewicht oder eine Kostenvorgabe begrenzender Faktor sein. Für einen dauerhaften sicheren Betrieb muss der Kühlkörper und weitere beteiligte Materialien für den worst case ausgelegt oder sogar überdimensioniert werden.<br />
<br />
==Bauteil ohne Kühlkörper==<br />
Um den Umgang mit den thermischen Ersatzschaltbildern zu lernen, soll zunächst mit einem einfachen Beispiel begonnen werden. In diesem Fall wird der Wärmeübergang von einem einzelnen Bauteil zu Luft betrachet, es kommt zunächst also noch kein Kühlkörper zum Einsatz. Das Ersatzschaltbild sieht in diesem Fall folgendermaßen aus:<br />
<br />
[[Bild:Therm-esb1.png|450px]]<br />
<br />
Die am Bauteil entstehende Verlustleistung ist Ursache der Abwärme und wird im thermischen Ersatzschaltbild als ideale Stromquelle modelliert.<br />
<br />
Die Abwärme gelangt nun über den Weg Sperrschicht (Junction) <math>\rightarrow</math> Bauteilgehäuse (Case) <math>\rightarrow</math> Umgebung (Ambient) nach außen. Im Ersatzschaltbild ist jeder Übergang als thermischer Widerstand modelliert. Die genauen Zahlenwerte der Wärmewiderstände lassen sich in der Regel dem Datenblatt des Bauteils entnehmen. Benötigt werden die Werte für <math>R_{th(jc)}</math> und <math>R_{th(ca)}</math>. In manchen Datenblättern findet man die Angabe <math>R_{th(ja)}</math>, was der Reihenschaltung aus den beiden vorher genannten Werten entspricht, also <math>R_{th(ja)}=R_{th(jc)}+R_{th(ca)}</math>.<br />
<br />
Die Umgebungstemperatur wird als ideale Spannungsquelle modelliert. Sämtliche Spannungen im Ersatzschaltbild entsprechen den auftretenden Temperaturen.<br />
<br />
Da es sich nun um ein lineares Netzwerk handelt, gelten hier ebenfalls die Kirchhoff'schen Gleichungen. Relativ leicht lässt sich nun die Temperatur am Bauteilgehäuse (Case) und der Sperrschicht (Junction) berechnen:<br />
<br />
<math>\vartheta_{c}=\vartheta_{a}+R_{th(ca)} \cdot P_{V}</math><br />
<br />
<math>\vartheta_{j}=\vartheta_{a}+R_{th(jc)} \cdot P_{V}+R_{th(ca)} \cdot P_{V}=\vartheta_{a}+(R_{th(jc)}+R_{th(ca)}) \cdot P_{V}=\vartheta_{a}+R_{th(ja)} \cdot P_{V}</math><br />
<br />
Da die thermischen Widerstände bei der Reihenschaltung auch zusammengefasst werden dürfen, beschreibt folgendes thermisches Ersatzschaltbild den gleichen Zusammenhang. Nachteil ist hier allerdings, dass die Temperatur am Gehäuse nicht modelliert wird.<br />
<br />
[[Bild:Therm-esb0.png|300px]]<br />
<br />
Die Überlegungen zur Sperrschichttemperatur kann auch anders interpretiert werden. Gibt man die Sperrschichttemperatur vor, kann man die maximal erlaubte Verlustleistung des Bauteils in Abhängigkeit der Umgebungstemperatur bestimmen. Die folgende Formel erhält man aus Umformung der oberen Gleichung:<br />
<br />
<math>P_{V} \leq \frac{\vartheta_{j}-\vartheta_{a}}{R_{th(ja)}}</math><br />
<br />
Bei Halbleitern darf idR. die Sperrschichttemperatur nicht 150°C überschreiten. Der thermische Widerstand wird hauptsächlich durch das Gehäuse vorgegeben. Aus der Formel sieht man nun folgendes: Je höher die Umgebungstemperatur, desto geringer fällt die maximal erlaubte Verlustleistung aus. Diesen Zusammenhang bezeichnet man auch als '''Derating'''.<br />
<br />
===Beispielrechnung===<br />
<br />
Ein Spannungsregler vom Typ 7805 im TO220-Gehäuse soll ohne Kühlkörper betrieben werden. Wie hoch ist die maximal erlaubte Verlustleistung, wenn die Sperrschichttemperatur 120°C nicht überschreiten soll und die Umgebungstemperatur 25°C beträgt?<br />
<br />
Zunächst werfen wir einen Blick ins Datenblatt des Spannungsreglers und entnehmen die Angaben für die thermischen Widerstände. Dann halten wir alle gegebenen Größen fest:<br />
<br />
*'''Gegeben'''<br />
*:* <math>R_{th(jc)}=5 \frac{K}{W}</math> (aus dem Datenblatt)<br />
*:* <math>R_{th(ja)}=62 \frac{K}{W}</math> (aus dem Datenblatt)<br />
*:* <math>\vartheta_{j}=125°C</math><br />
*:* <math>\vartheta_{a}=25°C</math><br />
*'''Gesucht'''<br />
*:* <math>P_{v,max}</math><br />
*'''Rechnung'''<br />
*:Wir verwenden die Formel von oben und erhalten als Ergebnis<br />
*:<math>P_{V,max} = \frac{\vartheta_{j}-\vartheta_{a}}{R_{th(ja)}} = \frac{120°C-25°C}{62\frac{K}{W}} = \frac{95K}{62\frac{K}{W}} \approx 1,5 Watt</math><br />
*:Die maximal erlaubte Verlustleistung des Spannungsreglers ohne Kühlkörper darf demnach 1,5 Watt nicht überschreiten.<br />
*'''Zusatz'''<br />
*:Mit unserem Ersatzschaltbild können wir außerdem die Temperatur des Gehäuses (Case) des Spannungsreglers angeben. Dafür benötigen wir noch die Angabe <math>R_{th(ca)}</math>, welche allerdings im Datenblatt nicht angegeben ist.<br />
*:Da wir aber wissen, dass <math>R_{th(ja)}=R_{th(jc)}+R_{th(ca)}</math> gilt, können wir die fehlende Größe ausrechnen. Diese ist<br />
*:<math>R_{th(ca)}=R_{th(ja)}-R_{th(jc)}=62\frac{K}{W}-5\frac{K}{W}=57\frac{K}{W}</math>.<br />
*:Nun lässt sich die Gehäusetemperatur berechnen:<br />
*:<math>\vartheta_{c}=\vartheta_{a}+R_{th(ca)} \cdot P_{V}=25°C+57\frac{K}{W} \cdot 1,5 W \approx 111 °C</math><br />
*'''Bemerkung'''<br />
*:In der Praxis wird einem TO220-Gehäuse ungekühlt eine maximale Verlustleistung von 1 Watt zugerechnet. Die Temperaturen sind niedriger, die Lebensdauer des Bauteils höher.<br />
<br />
==Bauteil mit Kühlkörper und T.I.M.==<br />
<br />
Der Betrieb eines ICs ohne Kühlkörper, wie im vorigen Abschnitt beschrieben, funktioniert nur bei kleinen Leistungen und führt meist auch zu einer verringerten Lebensdauer des Bauteils. Viele Bauteile können ihre angegebenen Maximalwerte nur bei vernünftiger Kühlung erreichen. In diesem Abschnitt wird nun ein typisches Szenario mit Kühlkörperberechnung vorgestellt.<br />
<br />
Befassen wir uns zunächst mit der typischen mechanischen Anordnung. Das zu kühlende IC wird thermisch an einen Kühlkörper gekoppelt. In der Praxis wird man das IC aber nicht direkt auf dem Kühlkörper befestigen, sondern über ein sogenanntes ''thermisches Interface-Material'' (T.I.M.), um Unebenheiten und mechanische Abstände auszugleichen oder um für Insolierung zu sorgen. Details zum T.I.M. folgen im Unterabschnitt. Die typische Anordnung zeigt die folgende Abbildung.<br />
<br />
[[Bild:kühlkörper-schichten.png|300px]]<br />
<br />
Folgende thermischen Widerstände treten hier in Kraft:<br />
*<math>R_{th(jc)}</math> für den Übergang Chip zu Bauteilgehäuse<br />
*<math>R_{th(ch)}</math> für den Übergang Bauteilgehäuse zu Kühlkörper (also über das T.I.M.)<br />
*<math>R_{th(ha)}</math> für den Übergang Kühlkörper zur Umgebung<br />
<br />
Aus diesen thermischen Widerständen wird ein thermisches Ersatzschaltbild angefertigt. Dieses zeigt die nächste Abbildung.<br />
<br />
[[Bild:Therm-esb2.png|700px]]<br />
<br />
Zunächst soll die Formel zur Berechnung der Chiptemperatur aufgestellt werden:<br />
<br />
<math>\vartheta_{j}=\vartheta_{a}+(R_{th(jc)}+R_{th(ch)}+R_{th(ha)}) \cdot P_{V}</math><br />
<br />
BAUSTELLE<br />
<br />
===Thermische Interface-Materialien (T.I.M.) und Montage===<br />
Wie bereits erwähnt, werden ICs in der Praxis nicht direkt auf einen Kühlkörper befestigt. Der Grund dafür ist folgender: Durch Unebenheiten und die rauhe Oberfläche von Kühlkörper und IC berühren sich die betreffenden Flächen unter dem Mikroskop gesehen nur minimal. Durch Lufteinschlüsse und die Tatsache, dass Luft ein schlechter Wärmeleiter ist, fällt in diesem Fall die thermische Anbindung des ICs an den Kühlkörper relativ schlecht aus.<br />
<br />
'''Wärmeleitpaste'''<br />
<br />
Zum Ausgleich der Unebenheiten eignet sich Wärmeleitpaste, welche dünn auf die Kontaktfläche aufgetragen wird. Es genügt eine sehr geringe Menge der Wärmeleitpaste, die Schichtdicke liegt in der Größenordnung 0,1mm. Die Aufgabe der Wärmeleitpaste ist, die Unebenheiten der Kontaktflächen auszugleichen. Zu viel Wärmeleitpaste erhöht wiederum den thermischen Übergangswiderstand. <br />
<br />
'''Glimmerscheiben'''<br />
<br />
Ist zusätzlich eine elektrische Isolation zwischen IC und Kühlkörper erforderlich, können Glimmerscheiben (engl. mika) eingesetzt werden. Elektrische Isolation ist erforderlich, falls zum Beispiel mehrere Transistoren auf einen Kühlkörper montiert werden sollen und eine elektrische Verbindung der Kühlfahnen über den Kühlkörper zu Kurzschlüssen führen würde. Werden Glimmerscheiben verwendet, müssen diese beidseitig mit Wärmeleitpaste bestrichen werden, um sämtliche Unebenheiten auszugleichen. Die Glimmerscheiben werden zwischen IC und Kühlkörper eingebaut. Werden die ICs an den Kühlkörper geschraubt, muss auch die Schraube elektrisch isoliert werden. Hierfür sind entsprechende Hülsen aus Kunststoff erhältlich.<br />
<br />
'''Wärmeleitfolien aus Silikon /Gap-Filler'''<br />
<br />
BAUSTELLE<br />
<br />
Zur Montage der ICs auf dem Kühlkörper gibt es mehrere Möglichkeiten. Üblich sind Schraubmontage oder die Verwendung von Metallclips aus Federstahl. Der Anpressdruck durch die Montage kann die thermische Kopplung des ICs zum Kühlkörper beeinflussen. Die Metallclips haben den Vorteil, dass der Anpressdruck mit der Zeit nicht nachlässt.<br />
<br />
BAUSTELLE<br />
<br />
=Dynamisches Ersatzschaltbild=<br />
<br />
Bei den statischen Ersatzschaltbildern können zeitveränderliche Vorgänge nicht modelliert werden. Um auch den zeitlichen Verlauf der Temperaturen bei z.B. wechselnder Verlustleistung der Bauteile vorhersagen zu können, bedient man sich dem dynamischen Ersatzschaltbild. Dieses enthält neben den thermischen Widerständen auch Wärmekapazitäten. Durch thermische Widerstände und Wärmekapazitäten ergeben sich Zeitkonstanten bei der Erwärmung, sodass das Modell der Realität sehr nahe kommt.<br />
<br />
BAUSTELLE<br />
<br />
=Kühlkörperbauformen=<br />
* Board-Level-Kühlkörper (aufsteckbare/aufklebbare Kühlkörper, auch für SMD, meist 1 Kühlkörper pro IC)<br />
* Strang-/Profilkühlkörper (meist für hohe Leistungen)<br />
* Kühlaggregate (Kanal + Lüfter)<br />
<br />
Wozu eloxierte Oberflächen?<br />
* geringfügig höhere Wärmestrahlung (bei den niedrigen Temperaturen kaum ein Beitrag)<br />
* elektrische Isolation<br />
* Oberflächenschutz<br />
Nachteile:<br />
* erhöhte Wärmeaufnahme aus der unmittelbaren Umgebung!<br />
<br />
Stiftkühlkörper<br />
* hohe Oberfläche<br />
* bei dickem "Rücken"/"Boden" des Kühlkörpers gute Wärmespreizung<br />
* mit erzwungener Konvektion hohe Wärmeübertragung (quer zu den Stiften effektiver als in Stiftrichtung)<br />
* leichter und kompakter als Strangkühlkörper<br />
<br />
todo<br />
<br />
=Lüfter=<br />
Lüfter werden vor allem dann eingesetzt, wenn der Kühlkörper bei rein passiver Kühlung zur groß, zu schwer oder zu teuer wird. Beim Einsatz des Lüfters führt die erzwungene Luftströmung zur besseren Wärmeabgabe an die Luft. Bei gleicher Temperatur kann der Kühlkörper dann kleiner gewählt werden. Bei hohen Leistungen sind der kleinere Kühlkörper mit Lüfter preisgünstiger und kompakter als ein großer, rein passiver Kühlkörper. Um welchen Faktor die Wärmeableitung mit Lüfter verbessert wird, hängt von vielen Parametern ab und kann nicht pauschal angegeben werden.<br />
<br />
Vorteile<br />
* bessere Wärmeabgabe<br />
* Kühlkörper kann bei gleicher Temperatur kleiner, leichter und kostengünstiger werden<br />
* In kleinem Maßstab günstiger als Wasserkühlung o.ä.<br />
<br />
Nachteile<br />
* zusätzlicher Stromverbrauch<br />
* Geräuschentwicklung und Vibrationen<br />
* zusätzliche Kosten für Lüfter und dessen Montage<br />
* Im Falle eines unbemerkten Ausfalls kann die Schaltung überhitzen (Abhilfe: Thermostat, Temperaturfühler oder Tachosignal auswerten)<br />
<br />
Anordnungen:<br />
* Push-Prinzip: Der Lüfter bläst die Luft in den Kühlkörper/-kanal<br />
* Pull-Prinzip: Der Lüfter saugt die Luft aus dem Kühlkörper/-kanal heraus<br />
<br />
Kenngrößen:<br />
* Luftdurchsatz in <math>\frac{m^{3}}{h}</math><br />
* Nennspannung, Nennstrom, Nennleistung<br />
* Typ Axial/Radial<br />
* Größe<br />
* Geräuschpegel<br />
* Art der Lagerung (Kugellager, Sinterbronze-Lager etc.)<br />
* Temperaturbereich<br />
* Lebensdauer, MTBF<br />
<br />
=Kühlung auf einer Platine=<br />
Beim Leiterplattenentwurf muss bereits in der Designphase abgeschätzt werden, welche Verlustleistungen auftreten und wie die entstehende Wärme abgeführt werden kann. Die Größe, Bauform und Befestigung des Kühlkörpers muss ebenfalls berücksichtigt werden. Für Printmontage sind Kühlkörper verfügbar, welche mit lötbaren Stiften in die Platine gesteckt und verlötet werden. Alternativ sind Schraubverbindungen möglich.<br />
<br />
SMD-Bauteile können meist über die Platine gut entwärmt werden. Dies ist normalerweise nur bei geringen Verlustleistungen möglich. Die Abwärme der Bauteile muss auf eine möglichst große Fläche verteilt werden, durch große Kupferflächen auf der Platine kann dies erreicht werden. Da die Wärmeleitfähigkeit der Kupferauflage deutlich höher ist als die Wärmeleitfähigkeit des Platinenmaterials FR4, wird sich die Wärme hauptsächlich in der Fläche verteilen, jedoch weniger ''durch'' die Platine hindurch. Um die Wärmeleitung durch die Platine (z.B. von Ober- zu Unterseite) zu erhöhen, müssen Durchkontaktierungen gesetzt werden. Sogenannte "Thermal Vias" werden in einer großen Anzahl an das zu entwärmende Bauteil gesetzt und können damit die Wärme zu anderen Kupferlagen der Platine weiterleiten. Die Wärmeleitung durch die Platine hindurch wird verbessert, liegt aber dennoch deutlich unter der Wärmeleitfähigkeit von reinem Kupfer. Thermische Vias können aufgrund ihrer kleinen Masse kaum einen Beitrag zur gesamten "Kühlmasse" beitragen. Ob schließlich eine Entwärmung durch die Platine ausreicht, muss durch Simulation oder Messung gezeigt werden.<br />
<br />
Die Einbaulage der Platine kann die Entwärmung zudem beeinflussen. Erwärmte Umgebungsluft steigt nach oben und kann andere Komponenten oder Platinen aufheizen.<br />
<br />
Maßnahmen für bessere Entwärmung:<br />
<br />
* Durchkontaktierungen zur Wärmeleitung zwischen mehreren Kupferlagen, da der Platinenkern (bei FR4: glasfaserverstärktes Epoxidharz) idR. eine sehr schlechte Wärmeleitfähigkeit hat<br />
* Breite Leiterbahnen, welche Wärme abführen und auf eine große Fläche verteilen<br />
* Für große bedrahtete ICs (TO220, Multiwatt...) eignen sich Board-Level-Kühlkörper<br />
* Für kleinere ICs mit Wärmeentwicklung eignen sich aufklebbare Kühlkörper<br />
* Für SMD-Bauteile exisitieren auch Kühlkörper, die sich direkt auf die Platine löten lassen, diese sind auch maschinenbestückbar<br />
* Einsatz spezieller Platinenmaterialien (Alukern, Kupfer-Inlay)...<br />
* je nach Schaltung: dickere Kupferkaschierung für bessere Wärmeausbreitung in der Fläche (Standard sind 35µm, erhältlich sind auch 70µm und mehr)<br />
<br />
todo<br />
<br />
=Spezielle Kühlkörper=<br />
<br />
todo<br />
<br />
=Autoren=<br />
* BMS<br />
<br />
[[Kategorie:Elektronik]]<br />
[[Kategorie:Mechanik]] <br />
[[Kategorie:Praxis]] <br />
[[Kategorie:Grundlagen]]</div>BMShttps://rn-wissen.de/wiki/index.php?title=K%C3%BChlk%C3%B6rper&diff=26353Kühlkörper2015-05-03T11:54:05Z<p>BMS: Strukturierung</p>
<hr />
<div>{{Baustelle|BMS}}<br />
<br />
Dieser Artikel behandelt die Grundlagen zu Kühlkörpern.<br />
<br />
[[Bild:kühlkörper-übersicht.jpg|thumb|Verschiedene Kühlkörper, links ein TO220-Gehäuse zum Größenvergleich]]<br />
<br />
=Einleitung=<br />
<br />
'''Wieso sind überhaupt Kühlkörper in technischen Geräten erforderlich?'''<br />
<br />
Kein Gerät kann einen 100-prozentigen Wirkungsgrad erzielen und somit tritt Verlustleistung auf. Diese Verlustleistung führt zur Erwärmung der Bauteile. Kühlkörper sollen die Entwärmung verbessern, indem die entstehende Wärme auf eine große Fläche verteilt wird und durch Konvektion an der Luft auskühlen kann. Die Temperatur an den heißen Bauteilen ist mit Kühlkörper geringer als ohne Kühlkörper.<br />
<br />
'''Wieso sind hohe Bauteiltemperaturen ungünstig?'''<br />
<br />
Die Lebensdauer aller elektronischen Bauteile ist stark von der Temperatur abhängig. Als Faustregel gilt: Eine Temperaturerhöhung um 10 Grad führt zur Halbierung der Lebensdauer. Außerdem gibt es Grenztemperaturen, die nicht überschritten werden dürfen. Beispielsweise dürfen Halbleiter keine Temperatur über 150°C erreichen. Extrembeispiele sind die Schmelztemperatur von Isolierungen, Lötzinn etc... sowie Brandgefahr durch hohe Temperaturen. Viele Bauteile können ohne vernünftige Kühlung nicht ihren vollen Funktionsumfang erreichen, liefern dann z.B. geringere Maximalströme oder es greift die Temperaturabschaltung. Anders formuliert: Die maximale Leistung eines Bauteils oder Geräts wird durch seine Entwärmung bestimmt! Zur eigenen Sicherheit bietet es sich zudem an, die Temperaturen niedrig zu halten, sodass man sich am Gerät nicht die Finger verbrennen kann ;)<br />
<br />
=Wärmeübertragung=<br />
Prinzipiell kann Wärmeübertragung über Wärmeleitung, Konvektion und Wärmestrahlung geschehen. In vielen Anwendungen treten mehrere Mechanismen gleichzeitig auf. Welcher Mechanismus hauptsächlich auftritt, ist von der mechanischen Anordnung, den Materialien und der Temperatur abhängig. Wärmeleitung und Konvektion sind die wichtigsten Arten der Wärmeübertragung, die in der Praxis auftreten. Nun zu den einzelnen Effekten:<br />
<br />
*'''Wärmeleitung'''<br />
*: Bei der Wärmeleitung wird die Wärme über einen direkten mechanischen Kontakt (Bsp. IC <math>\rightarrow</math>Kühlkörper) übertragen. Den beteiligten Materialien wird jeweils eine spezifische Wärmeleitfähigkeit <math>\lambda</math> zugeordnet, dazu später mehr.<br />
<br />
*'''Konvektion'''<br />
*: Mit Konvektion wird die Strömungsbewegung in Flüssigkeiten und Gasen bezeichnet. Praxisbeispiele sind die Wärmeabgabe eines Kühlkörpers an die Umgebungsluft oder auch eine Wasserkühlung. Von erzwungener Konvektion spricht man, wenn die Strömung durch z.B. einen Ventilator/Lüfter oder eine Wasserpumpe hervorgerufen wird. Im Vakuum kann keine Konvektion auftreten.<br />
<br />
*'''Wärmestrahlung'''<br />
*: Wärmestrahlung ist elektromagnetische Strahlung (hauptsächlich Infrarot und sichtbares Licht), die vom heißen Festkörper abgestrahlt wird. Sie wird erst bei höheren Temperaturen relevant und ist bei den üblichen Kühlkörpertemperaturen meist zu vernachlässigen. Erwähnt werden soll zudem, dass Wärmestrahlung der einzige Mechanismus der Wärmeleitung ist, welcher im Vakuum auftreten kann. (Für Details zu Wärmestrahlung siehe auch: Plancksches Strahlungsgesetz und Schwarzer Strahler).<br />
<br />
=Materialien=<br />
Jedes Material besitzt eine spezifische Wärmeleitfähigkeit, welche angibt, wie gut dieses Material Wärme weiter transportieren kann. Die spezifische Wärmeleitfähigkeit ist unabhängig von der Geometrie des Materials, wird mit der Größe <math>\lambda</math> (Lambda) ausgedrückt und erhält die Einheit <math>\frac{W}{m \cdot K}</math>.<br />
<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
|-<br />
| '''Material''' || '''<math>\lambda</math> in <math>\left[ \frac{W}{m \cdot K} \right]</math>'''<br />
|-<br />
| Silber || 430<br />
|-<br />
| Kupfer || 400<br />
|-<br />
| Aluminium || 230<br />
|-<br />
| Silizium || 140 <br />
|-<br />
| Wärmeleitpaste || 5 ... 10<br />
|-<br />
| Glas || 0,7<br />
|-<br />
| Wasser || 0,5<br />
|-<br />
| Platinenmaterial FR4 || 0,2 ... 0,5<br />
|-<br />
| Luft || 0,02<br />
|}<br />
<br />
Die meisten Kühlkörper werden aus Aluminiumlegierungen hergestellt. Für Aluminium spricht seine relativ hohe Wärmeleitfähigkeit, die hohe Verfügbarkeit und geringe Dichte. Im Vergleich zu Kupfer und Silber ist Aluminium deutlich kostengünstiger. Darüber hinaus lässt sich Aluminium mechanisch gut verarbeiten. Kupfer wird mit seiner höheren Wärmeleitfähigkeit z.B. bei Heatpipes eingesetzt.<br />
<br />
todo<br />
<br />
Wärmewiderstand <math>R_{th}=\frac{d}{\lambda \cdot A}</math><br />
<br />
d: Materialdicke, welche für die Wärmeleitung relevant ist<br />
<br />
<math>\lambda</math>spezifische Wärmeleitfähigkeit des Materials<br />
<br />
A: Querschnitts-/Kontaktfläche<br />
<br />
=Definitionen=<br />
Um vorauszusagen, wie sich die Temperaturen in einer Schaltung verhalten, bedient sich der Ingenieur - wie auch bei vielen anderen Anwendungen - eines Ersatzschaltbildes (ESB). Zur Erstellung eines thermischen Ersatzschaltbildes muss man sich aber zunächst mit den thermischen Größen vertraut machen.<br />
<br />
Die Temperaturen werden mit dem griechischen Buchstaben Theta <math>\theta</math> gekennzeichnet. Temperaturen werden in Grad Celsius (°C), Temperaturdifferenzen in Kelvin (K) angegeben. (Am Rande: Es existiert auch eine Kelvinskala mit dem absoluten Nullpunkt 0 K=-273,15°C). Die Temperaturen werden außerdem noch mit einem Index gekennzeichnet, abhängig von der mechanischen Stelle, an der sie auftreten:<br />
<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
|-<br />
| Symbol || Index || Bedeutung<br />
|-<br />
| <math>\vartheta_{J}</math> || J=Junction || Sperrschichttemperatur des Halbleiters<br />
|-<br />
| <math>\vartheta_{C}</math> || C=Case || Gehäusetemperatur des Bauteils<br />
|-<br />
| <math>\vartheta_{H}</math> || H=Heat Sink || Temperatur des Kühlkörpers<br />
|-<br />
| <math>\vartheta_{A}</math> || A=Ambient || Umgebungstemperatur<br />
|}<br />
<br />
Die Verlustleistung eines Bauteils beschreibt die Größe <math>P_{V}</math> und wird, wie allgemein bekannt, in Watt angegeben.<br />
<br />
Als neue Größe wird nun der thermische Widerstand eingeführt, dieser wird mit <math>R_{th}</math> beschrieben und bekommt die Einheit <math>\frac{K}{W}</math>. <br />
<br />
Für die thermischen Größen gibt es, ähnlich dem Ohmschen Gesetz, einen linearen Zusammenhang. Dieser lautet<br />
<br />
<math>R_{th}=\frac{\vartheta_{ü}}{P_{V}}</math><br />
<br />
todo<br />
<br />
'''Vergleich elektrischer und thermischer Größen'''<br />
Insgesamt können wir nun eine Analogie zwischen bekannten elektrischen Größen und den thermischen Größen angeben. Die schon gelernten Prinzipien zur Lösung linearer Netzwerke lässt sich auch bei den thermischen Ersatzschaltbildern anwenden.<br />
<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
|-<br />
| elektrisch || thermisch<br />
|-<br />
| Spannung U || Temperatur <math>\vartheta</math><br />
|-<br />
| Strom I || Verlustleistung <math>P_{V}</math><br />
|-<br />
| Widerstand R || thermischer Widerstand <math>R_{th}</math><br />
|}<br />
<br />
=Statisches Ersatzschaltbild=<br />
Mit den thermischen Zusammenhängen haben wir uns inzwischen vertraut gemacht. Nun können wir damit beginnen, thermische Ersatzschaltbilder von einfachen Anordnungen zu erstellen. Mit solchen Modellen können Temperaturen, wie z.B. die Chiptemperatur, vorab berechnet werden. Für die Berechnung müssen Wärmewiderstände, Umgebungstemperatur und Verlustleistung bekannt sein, da sie in die Berechnung einfließen.<br />
<br />
Bei den thermischen Ersatzschaltbildern kann man ein statisches oder ein dynamisches Ersatzschaltbild erstellen. Bei den statischen Ersatzschaltbilder wird davon ausgegangen, dass alle Größen zeitlich konstant sind, bzw. sofort ihre Solltemperatur entsprechend dem Modell annehmen. In der Realität dauert es natürlich eine gewisse Zeit, bis sich alle beteiligten Materialien aufgeheizt haben. Die Temperaturen des statischen Modells werden dabei erst nach einer bestimmten Zeit erreicht. <br />
<br />
Für die meisten Anwendungen genügt es jedoch, das statische thermische Ersatzschaltbild zu erstellen und den Kühlkörper dem entsprechend zu dimensionieren. Die Kühlung wird z.B. auf die maximale oder die mittlere auftretende Verlustleistung dimensioniert. Es wurde bereits erwähnt, dass sich die Bauteiltemperatur auf dessen Lebensdauer auswirkt. Dabei gilt: je niedriger die Bauteiltemperatur, desto länger die zu erwartende Lebensdauer. Je nach Anwendung und Rahmenbedingungen muss eventuell ein Kompromiss zwischen Kühlkörpergröße/kosten und Gerätelebensdauer gewählt werden. Beispielsweise kann der verfügbare Platz, ein Gesamtgewicht oder eine Kostenvorgabe begrenzender Faktor sein. Für einen dauerhaften sicheren Betrieb muss der Kühlkörper und weitere beteiligte Materialien für den worst case ausgelegt oder sogar überdimensioniert werden.<br />
<br />
==Bauteil ohne Kühlkörper==<br />
Um den Umgang mit den thermischen Ersatzschaltbildern zu lernen, soll zunächst mit einem einfachen Beispiel begonnen werden. In diesem Fall wird der Wärmeübergang von einem einzelnen Bauteil zu Luft betrachet, es kommt zunächst also noch kein Kühlkörper zum Einsatz. Das Ersatzschaltbild sieht in diesem Fall folgendermaßen aus:<br />
<br />
[[Bild:Therm-esb1.png|450px]]<br />
<br />
Die am Bauteil entstehende Verlustleistung ist Ursache der Abwärme und wird im thermischen Ersatzschaltbild als ideale Stromquelle modelliert.<br />
<br />
Die Abwärme gelangt nun über den Weg Sperrschicht (Junction) <math>\rightarrow</math> Bauteilgehäuse (Case) <math>\rightarrow</math> Umgebung (Ambient) nach außen. Im Ersatzschaltbild ist jeder Übergang als thermischer Widerstand modelliert. Die genauen Zahlenwerte der Wärmewiderstände lassen sich in der Regel dem Datenblatt des Bauteils entnehmen. Benötigt werden die Werte für <math>R_{th(jc)}</math> und <math>R_{th(ca)}</math>. In manchen Datenblättern findet man die Angabe <math>R_{th(ja)}</math>, was der Reihenschaltung aus den beiden vorher genannten Werten entspricht, also <math>R_{th(ja)}=R_{th(jc)}+R_{th(ca)}</math>.<br />
<br />
Die Umgebungstemperatur wird als ideale Spannungsquelle modelliert. Sämtliche Spannungen im Ersatzschaltbild entsprechen den auftretenden Temperaturen.<br />
<br />
Da es sich nun um ein lineares Netzwerk handelt, gelten hier ebenfalls die Kirchhoff'schen Gleichungen. Relativ leicht lässt sich nun die Temperatur am Bauteilgehäuse (Case) und der Sperrschicht (Junction) berechnen:<br />
<br />
<math>\vartheta_{c}=\vartheta_{a}+R_{th(ca)} \cdot P_{V}</math><br />
<br />
<math>\vartheta_{j}=\vartheta_{a}+R_{th(jc)} \cdot P_{V}+R_{th(ca)} \cdot P_{V}=\vartheta_{a}+(R_{th(jc)}+R_{th(ca)}) \cdot P_{V}=\vartheta_{a}+R_{th(ja)} \cdot P_{V}</math><br />
<br />
Da die thermischen Widerstände bei der Reihenschaltung auch zusammengefasst werden dürfen, beschreibt folgendes thermisches Ersatzschaltbild den gleichen Zusammenhang. Nachteil ist hier allerdings, dass die Temperatur am Gehäuse nicht modelliert wird.<br />
<br />
[[Bild:Therm-esb0.png|300px]]<br />
<br />
Die Überlegungen zur Sperrschichttemperatur kann auch anders interpretiert werden. Gibt man die Sperrschichttemperatur vor, kann man die maximal erlaubte Verlustleistung des Bauteils in Abhängigkeit der Umgebungstemperatur bestimmen. Die folgende Formel erhält man aus Umformung der oberen Gleichung:<br />
<br />
<math>P_{V} \leq \frac{\vartheta_{j}-\vartheta_{a}}{R_{th(ja)}}</math><br />
<br />
Bei Halbleitern darf idR. die Sperrschichttemperatur nicht 150°C überschreiten. Der thermische Widerstand wird hauptsächlich durch das Gehäuse vorgegeben. Aus der Formel sieht man nun folgendes: Je höher die Umgebungstemperatur, desto geringer fällt die maximal erlaubte Verlustleistung aus. Diesen Zusammenhang bezeichnet man auch als '''Derating'''.<br />
<br />
===Beispielrechnung===<br />
<br />
Ein Spannungsregler vom Typ 7805 im TO220-Gehäuse soll ohne Kühlkörper betrieben werden. Wie hoch ist die maximal erlaubte Verlustleistung, wenn die Sperrschichttemperatur 120°C nicht überschreiten soll und die Umgebungstemperatur 25°C beträgt?<br />
<br />
Zunächst werfen wir einen Blick ins Datenblatt des Spannungsreglers und entnehmen die Angaben für die thermischen Widerstände. Dann halten wir alle gegebenen Größen fest:<br />
<br />
*'''Gegeben'''<br />
*:* <math>R_{th(jc)}=5 \frac{K}{W}</math> (aus dem Datenblatt)<br />
*:* <math>R_{th(ja)}=62 \frac{K}{W}</math> (aus dem Datenblatt)<br />
*:* <math>\vartheta_{j}=125°C</math><br />
*:* <math>\vartheta_{a}=25°C</math><br />
*'''Gesucht'''<br />
*:* <math>P_{v,max}</math><br />
*'''Rechnung'''<br />
*:Wir verwenden die Formel von oben und erhalten als Ergebnis<br />
*:<math>P_{V,max} = \frac{\vartheta_{j}-\vartheta_{a}}{R_{th(ja)}} = \frac{120°C-25°C}{62\frac{K}{W}} = \frac{95K}{62\frac{K}{W}} \approx 1,5 Watt</math><br />
*:Die maximal erlaubte Verlustleistung des Spannungsreglers ohne Kühlkörper darf demnach 1,5 Watt nicht überschreiten.<br />
*'''Zusatz'''<br />
*:Mit unserem Ersatzschaltbild können wir außerdem die Temperatur des Gehäuses (Case) des Spannungsreglers angeben. Dafür benötigen wir noch die Angabe <math>R_{th(ca)}</math>, welche allerdings im Datenblatt nicht angegeben ist.<br />
*:Da wir aber wissen, dass <math>R_{th(ja)}=R_{th(jc)}+R_{th(ca)}</math> gilt, können wir die fehlende Größe ausrechnen. Diese ist<br />
*:<math>R_{th(ca)}=R_{th(ja)}-R_{th(jc)}=62\frac{K}{W}-5\frac{K}{W}=57\frac{K}{W}</math>.<br />
*:Nun lässt sich die Gehäusetemperatur berechnen:<br />
*:<math>\vartheta_{c}=\vartheta_{a}+R_{th(ca)} \cdot P_{V}=25°C+57\frac{K}{W} \cdot 1,5 W \approx 111 °C</math><br />
*'''Bemerkung'''<br />
*:In der Praxis wird einem TO220-Gehäuse ungekühlt eine maximale Verlustleistung von 1 Watt zugerechnet. Die Temperaturen sind niedriger, die Lebensdauer des Bauteils höher.<br />
<br />
==Bauteil mit Kühlkörper und T.I.M.==<br />
<br />
BAUSTELLE<br />
<br />
[[Bild:kühlkörper-schichten.png|300px]]<br />
<br />
TIM: Thermisches Interface-Material<br />
<br />
BAUSTELLE<br />
<br />
[[Bild:Therm-esb2.png|700px]]<br />
<br />
BAUSTELLE<br />
<br />
=Dynamisches Ersatzschaltbild=<br />
<br />
Bei den statischen Ersatzschaltbildern können zeitveränderliche Vorgänge nicht modelliert werden. Um auch den zeitlichen Verlauf der Temperaturen bei z.B. wechselnder Verlustleistung der Bauteile vorhersagen zu können, bedient man sich dem dynamischen Ersatzschaltbild. Dieses enthält neben den thermischen Widerständen auch Wärmekapazitäten. Durch thermische Widerstände und Wärmekapazitäten ergeben sich Zeitkonstanten bei der Erwärmung, sodass das Modell der Realität sehr nahe kommt.<br />
<br />
BAUSTELLE<br />
<br />
=Kühlkörperbauformen=<br />
* Board-Level-Kühlkörper (aufsteckbare/aufklebbare Kühlkörper, auch für SMD, meist 1 Kühlkörper pro IC)<br />
* Strang-/Profilkühlkörper (meist für hohe Leistungen)<br />
* Kühlaggregate (Kanal + Lüfter)<br />
<br />
Wozu eloxierte Oberflächen?<br />
* geringfügig höhere Wärmestrahlung (bei den niedrigen Temperaturen kaum ein Beitrag)<br />
* elektrische Isolation<br />
* Oberflächenschutz<br />
Nachteile:<br />
* erhöhte Wärmeaufnahme aus der unmittelbaren Umgebung!<br />
<br />
Stiftkühlkörper<br />
* hohe Oberfläche<br />
* bei dickem "Rücken"/"Boden" des Kühlkörpers gute Wärmespreizung<br />
* mit erzwungener Konvektion hohe Wärmeübertragung (quer zu den Stiften effektiver als in Stiftrichtung)<br />
* leichter und kompakter als Strangkühlkörper<br />
<br />
todo<br />
<br />
=Lüfter=<br />
Lüfter werden vor allem dann eingesetzt, wenn der Kühlkörper bei rein passiver Kühlung zur groß, zu schwer oder zu teuer wird. Beim Einsatz des Lüfters führt die erzwungene Luftströmung zur besseren Wärmeabgabe an die Luft. Bei gleicher Temperatur kann der Kühlkörper dann kleiner gewählt werden. Bei hohen Leistungen sind der kleinere Kühlkörper mit Lüfter preisgünstiger und kompakter als ein großer, rein passiver Kühlkörper. Um welchen Faktor die Wärmeableitung mit Lüfter verbessert wird, hängt von vielen Parametern ab und kann nicht pauschal angegeben werden.<br />
<br />
Vorteile<br />
* bessere Wärmeabgabe<br />
* Kühlkörper kann bei gleicher Temperatur kleiner, leichter und kostengünstiger werden<br />
* In kleinem Maßstab günstiger als Wasserkühlung o.ä.<br />
<br />
Nachteile<br />
* zusätzlicher Stromverbrauch<br />
* Geräuschentwicklung und Vibrationen<br />
* zusätzliche Kosten für Lüfter und dessen Montage<br />
* Im Falle eines unbemerkten Ausfalls kann die Schaltung überhitzen (Abhilfe: Thermostat, Temperaturfühler oder Tachosignal auswerten)<br />
<br />
Anordnungen:<br />
* Push-Prinzip: Der Lüfter bläst die Luft in den Kühlkörper/-kanal<br />
* Pull-Prinzip: Der Lüfter saugt die Luft aus dem Kühlkörper/-kanal heraus<br />
<br />
Kenngrößen:<br />
* Luftdurchsatz in <math>\frac{m^{3}}{h}</math><br />
* Nennspannung, Nennstrom, Nennleistung<br />
* Typ Axial/Radial<br />
* Größe<br />
* Geräuschpegel<br />
* Art der Lagerung (Kugellager, Sinterbronze-Lager etc.)<br />
* Temperaturbereich<br />
* Lebensdauer, MTBF<br />
<br />
=Kühlung auf einer Platine=<br />
Beim Leiterplattenentwurf muss bereits in der Designphase abgeschätzt werden, welche Verlustleistungen auftreten und wie die entstehende Wärme abgeführt werden kann. Die Größe, Bauform und Befestigung des Kühlkörpers muss ebenfalls berücksichtigt werden. Für Printmontage sind Kühlkörper verfügbar, welche mit lötbaren Stiften in die Platine gesteckt und verlötet werden. Alternativ sind Schraubverbindungen möglich.<br />
<br />
SMD-Bauteile können meist über die Platine gut entwärmt werden. Dies ist normalerweise nur bei geringen Verlustleistungen möglich. Die Abwärme der Bauteile muss auf eine möglichst große Fläche verteilt werden, durch große Kupferflächen auf der Platine kann dies erreicht werden. Da die Wärmeleitfähigkeit der Kupferauflage deutlich höher ist als die Wärmeleitfähigkeit des Platinenmaterials FR4, wird sich die Wärme hauptsächlich in der Fläche verteilen, jedoch weniger ''durch'' die Platine hindurch. Um die Wärmeleitung durch die Platine (z.B. von Ober- zu Unterseite) zu erhöhen, müssen Durchkontaktierungen gesetzt werden. Sogenannte "Thermal Vias" werden in einer großen Anzahl an das zu entwärmende Bauteil gesetzt und können damit die Wärme zu anderen Kupferlagen der Platine weiterleiten. Die Wärmeleitung durch die Platine hindurch wird verbessert, liegt aber dennoch deutlich unter der Wärmeleitfähigkeit von reinem Kupfer. Thermische Vias können aufgrund ihrer kleinen Masse kaum einen Beitrag zur gesamten "Kühlmasse" beitragen. Ob schließlich eine Entwärmung durch die Platine ausreicht, muss durch Simulation oder Messung gezeigt werden.<br />
<br />
Die Einbaulage der Platine kann die Entwärmung zudem beeinflussen. Erwärmte Umgebungsluft steigt nach oben und kann andere Komponenten oder Platinen aufheizen.<br />
<br />
Maßnahmen für bessere Entwärmung:<br />
<br />
* Durchkontaktierungen zur Wärmeleitung zwischen mehreren Kupferlagen, da der Platinenkern (bei FR4: glasfaserverstärktes Epoxidharz) idR. eine sehr schlechte Wärmeleitfähigkeit hat<br />
* Breite Leiterbahnen, welche Wärme abführen und auf eine große Fläche verteilen<br />
* Für große bedrahtete ICs (TO220, Multiwatt...) eignen sich Board-Level-Kühlkörper<br />
* Für kleinere ICs mit Wärmeentwicklung eignen sich aufklebbare Kühlkörper<br />
* Für SMD-Bauteile exisitieren auch Kühlkörper, die sich direkt auf die Platine löten lassen, diese sind auch maschinenbestückbar<br />
* Einsatz spezieller Platinenmaterialien (Alukern, Kupfer-Inlay)...<br />
* je nach Schaltung: dickere Kupferkaschierung für bessere Wärmeausbreitung in der Fläche (Standard sind 35µm, erhältlich sind auch 70µm und mehr)<br />
<br />
todo<br />
<br />
=Spezielle Kühlkörper=<br />
<br />
todo<br />
<br />
=Autoren=<br />
* BMS<br />
<br />
[[Kategorie:Elektronik]]<br />
[[Kategorie:Mechanik]] <br />
[[Kategorie:Praxis]] <br />
[[Kategorie:Grundlagen]]</div>BMShttps://rn-wissen.de/wiki/index.php?title=K%C3%BChlk%C3%B6rper&diff=26352Kühlkörper2015-05-03T09:17:08Z<p>BMS: Beispielrechnung</p>
<hr />
<div>{{Baustelle|BMS}}<br />
<br />
Dieser Artikel behandelt die Grundlagen zu Kühlkörpern.<br />
<br />
[[Bild:kühlkörper-übersicht.jpg|thumb|Verschiedene Kühlkörper, links ein TO220-Gehäuse zum Größenvergleich]]<br />
<br />
=Einleitung=<br />
<br />
'''Wieso sind überhaupt Kühlkörper in technischen Geräten erforderlich?'''<br />
<br />
Kein Gerät kann einen 100-prozentigen Wirkungsgrad erzielen und somit tritt Verlustleistung auf. Diese Verlustleistung führt zur Erwärmung der Bauteile. Kühlkörper sollen die Entwärmung verbessern, indem die entstehende Wärme auf eine große Fläche verteilt wird und durch Konvektion an der Luft auskühlen kann. Die Temperatur an den heißen Bauteilen ist mit Kühlkörper geringer als ohne Kühlkörper.<br />
<br />
'''Wieso sind hohe Bauteiltemperaturen ungünstig?'''<br />
<br />
Die Lebensdauer aller elektronischen Bauteile ist stark von der Temperatur abhängig. Als Faustregel gilt: Eine Temperaturerhöhung um 10 Grad führt zur Halbierung der Lebensdauer. Außerdem gibt es Grenztemperaturen, die nicht überschritten werden dürfen. Beispielsweise dürfen Halbleiter keine Temperatur über 150°C erreichen. Extrembeispiele sind die Schmelztemperatur von Isolierungen, Lötzinn etc... sowie Brandgefahr durch hohe Temperaturen. Viele Bauteile können ohne vernünftige Kühlung nicht ihren vollen Funktionsumfang erreichen, liefern dann z.B. geringere Maximalströme oder es greift die Temperaturabschaltung. Anders formuliert: Die maximale Leistung eines Bauteils oder Geräts wird durch seine Entwärmung bestimmt! Zur eigenen Sicherheit bietet es sich zudem an, die Temperaturen niedrig zu halten, sodass man sich am Gerät nicht die Finger verbrennen kann ;)<br />
<br />
=Wärmeübertragung=<br />
Prinzipiell kann Wärmeübertragung über Wärmeleitung, Konvektion und Wärmestrahlung geschehen. In vielen Anwendungen treten mehrere Mechanismen gleichzeitig auf. Welcher Mechanismus hauptsächlich auftritt, ist von der mechanischen Anordnung, den Materialien und der Temperatur abhängig. Wärmeleitung und Konvektion sind die wichtigsten Arten der Wärmeübertragung, die in der Praxis auftreten. Nun zu den einzelnen Effekten:<br />
<br />
*'''Wärmeleitung'''<br />
*: Bei der Wärmeleitung wird die Wärme über einen direkten mechanischen Kontakt (Bsp. IC <math>\rightarrow</math>Kühlkörper) übertragen. Den beteiligten Materialien wird jeweils eine spezifische Wärmeleitfähigkeit <math>\lambda</math> zugeordnet, dazu später mehr.<br />
<br />
*'''Konvektion'''<br />
*: Mit Konvektion wird die Strömungsbewegung in Flüssigkeiten und Gasen bezeichnet. Praxisbeispiele sind die Wärmeabgabe eines Kühlkörpers an die Umgebungsluft oder auch eine Wasserkühlung. Von erzwungener Konvektion spricht man, wenn die Strömung durch z.B. einen Ventilator/Lüfter oder eine Wasserpumpe hervorgerufen wird. Im Vakuum kann keine Konvektion auftreten.<br />
<br />
*'''Wärmestrahlung'''<br />
*: Wärmestrahlung ist elektromagnetische Strahlung (hauptsächlich Infrarot und sichtbares Licht), die vom heißen Festkörper abgestrahlt wird. Sie wird erst bei höheren Temperaturen relevant und ist bei den üblichen Kühlkörpertemperaturen meist zu vernachlässigen. Erwähnt werden soll zudem, dass Wärmestrahlung der einzige Mechanismus der Wärmeleitung ist, welcher im Vakuum auftreten kann. (Für Details zu Wärmestrahlung siehe auch: Plancksches Strahlungsgesetz und Schwarzer Strahler).<br />
<br />
=Materialien=<br />
Jedes Material besitzt eine spezifische Wärmeleitfähigkeit, welche angibt, wie gut dieses Material Wärme weiter transportieren kann. Die spezifische Wärmeleitfähigkeit ist unabhängig von der Geometrie des Materials, wird mit der Größe <math>\lambda</math> (Lambda) ausgedrückt und erhält die Einheit <math>\frac{W}{m \cdot K}</math>.<br />
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{| {{Blauetabelle}}<br />
|-<br />
| '''Material''' || '''<math>\lambda</math> in <math>\left[ \frac{W}{m \cdot K} \right]</math>'''<br />
|-<br />
| Silber || 430<br />
|-<br />
| Kupfer || 400<br />
|-<br />
| Aluminium || 230<br />
|-<br />
| Silizium || 140 <br />
|-<br />
| Wärmeleitpaste || 5 ... 10<br />
|-<br />
| Glas || 0,7<br />
|-<br />
| Wasser || 0,5<br />
|-<br />
| Platinenmaterial FR4 || 0,2 ... 0,5<br />
|-<br />
| Luft || 0,02<br />
|}<br />
<br />
Die meisten Kühlkörper werden aus Aluminiumlegierungen hergestellt. Für Aluminium spricht seine relativ hohe Wärmeleitfähigkeit, die hohe Verfügbarkeit und geringe Dichte. Im Vergleich zu Kupfer und Silber ist Aluminium deutlich kostengünstiger. Darüber hinaus lässt sich Aluminium mechanisch gut verarbeiten. Kupfer wird mit seiner höheren Wärmeleitfähigkeit z.B. bei Heatpipes eingesetzt.<br />
<br />
todo<br />
<br />
Wärmewiderstand <math>R_{th}=\frac{d}{\lambda \cdot A}</math><br />
<br />
d: Materialdicke, welche für die Wärmeleitung relevant ist<br />
<br />
<math>\lambda</math>spezifische Wärmeleitfähigkeit des Materials<br />
<br />
A: Querschnitts-/Kontaktfläche<br />
<br />
=Definitionen=<br />
Um vorauszusagen, wie sich die Temperaturen in einer Schaltung verhalten, bedient sich der Ingenieur - wie auch bei vielen anderen Anwendungen - eines Ersatzschaltbildes (ESB). Zur Erstellung eines thermischen Ersatzschaltbildes muss man sich aber zunächst mit den thermischen Größen vertraut machen.<br />
<br />
Die Temperaturen werden mit dem griechischen Buchstaben Theta <math>\theta</math> gekennzeichnet. Temperaturen werden in Grad Celsius (°C), Temperaturdifferenzen in Kelvin (K) angegeben. (Am Rande: Es existiert auch eine Kelvinskala mit dem absoluten Nullpunkt 0 K=-273,15°C). Die Temperaturen werden außerdem noch mit einem Index gekennzeichnet, abhängig von der mechanischen Stelle, an der sie auftreten:<br />
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{| {{Blauetabelle}}<br />
|-<br />
| Symbol || Index || Bedeutung<br />
|-<br />
| <math>\vartheta_{J}</math> || J=Junction || Sperrschichttemperatur des Halbleiters<br />
|-<br />
| <math>\vartheta_{C}</math> || C=Case || Gehäusetemperatur des Bauteils<br />
|-<br />
| <math>\vartheta_{H}</math> || H=Heat Sink || Temperatur des Kühlkörpers<br />
|-<br />
| <math>\vartheta_{A}</math> || A=Ambient || Umgebungstemperatur<br />
|}<br />
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Die Verlustleistung eines Bauteils beschreibt die Größe <math>P_{V}</math> und wird, wie allgemein bekannt, in Watt angegeben.<br />
<br />
Als neue Größe wird nun der thermische Widerstand eingeführt, dieser wird mit <math>R_{th}</math> beschrieben und bekommt die Einheit <math>\frac{K}{W}</math>. <br />
<br />
Für die thermischen Größen gibt es, ähnlich dem Ohmschen Gesetz, einen linearen Zusammenhang. Dieser lautet<br />
<br />
<math>R_{th}=\frac{\vartheta_{ü}}{P_{V}}</math><br />
<br />
todo<br />
<br />
==Vergleich elektrischer und thermischer Größen==<br />
Insgesamt können wir nun eine Analogie zwischen bekannten elektrischen Größen und den thermischen Größen angeben. Die schon gelernten Prinzipien zur Lösung linearer Netzwerke lässt sich auch bei den thermischen Ersatzschaltbildern anwenden.<br />
<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
|-<br />
| elektrisch || thermisch<br />
|-<br />
| Spannung U || Temperatur <math>\vartheta</math><br />
|-<br />
| Strom I || Verlustleistung <math>P_{V}</math><br />
|-<br />
| Widerstand R || thermischer Widerstand <math>R_{th}</math><br />
|}<br />
<br />
=Thermische Ersatzschaltbilder=<br />
Mit den thermischen Zusammenhängen haben wir uns inzwischen vertraut gemacht. Nun können wir damit beginnen, thermische Ersatzschaltbilder von einfachen Anordnungen zu erstellen. Mit solchen Modellen können Temperaturen, wie z.B. die Chiptemperatur, vorab berechnet werden. Für die Berechnung müssen Wärmewiderstände, Umgebungstemperatur und Verlustleistung bekannt sein, da sie in die Berechnung einfließen.<br />
<br />
Bei den thermischen Ersatzschaltbildern kann man ein statisches oder ein dynamisches Ersatzschaltbild erstellen. Bei den statischen Ersatzschaltbilder wird davon ausgegangen, dass alle Größen zeitlich konstant sind, bzw. sofort ihre Solltemperatur entsprechend dem Modell annehmen. In der Realität dauert es natürlich eine gewisse Zeit, bis sich alle beteiligten Materialien aufgeheizt haben. Die Temperaturen des statischen Modells werden dabei erst nach einer bestimmten Zeit erreicht. Um auch den zeitlichen Verlauf der Temperaturen bei z.B. wechselnder Verlustleistung der Bauteile vorhersagen zu können, bedient man sich dem dynamischen Ersatzschaltbild. Dieses enthält neben den thermischen Widerständen auch Wärmekapazitäten. Durch thermische Widerstände und Wärmekapazitäten ergeben sich Zeitkonstanten bei der Erwärmung, sodass das Modell der Realität sehr nahe kommt.<br />
<br />
Für die meisten Anwendungen genügt es jedoch, das statische thermische Ersatzschaltbild zu erstellen und den Kühlkörper dem entsprechend zu dimensionieren. Die Kühlung wird z.B. auf die maximale oder die mittlere auftretende Verlustleistung dimensioniert. Es wurde bereits erwähnt, dass sich die Bauteiltemperatur auf dessen Lebensdauer auswirkt. Dabei gilt: je niedriger die Bauteiltemperatur, desto länger die zu erwartende Lebensdauer. Je nach Anwendung und Rahmenbedingungen muss eventuell ein Kompromiss zwischen Kühlkörpergröße/kosten und Gerätelebensdauer gewählt werden. Beispielsweise kann der verfügbare Platz, ein Gesamtgewicht oder eine Kostenvorgabe begrenzender Faktor sein. Für einen dauerhaften sicheren Betrieb muss der Kühlkörper und weitere beteiligte Materialien für den worst case ausgelegt oder sogar überdimenioniert werden.<br />
<br />
==Statisches Ersatzschaltbild==<br />
===Bauteil ohne Kühlkörper===<br />
Um den Umgang mit den thermischen Ersatzschaltbildern zu lernen, soll zunächst mit einem einfachen Beispiel begonnen werden. In diesem Fall wird der Wärmeübergang von einem einzelnen Bauteil zu Luft betrachet, es kommt zunächst also noch kein Kühlkörper zum Einsatz. Das Ersatzschaltbild sieht in diesem Fall folgendermaßen aus:<br />
<br />
[[Bild:Therm-esb1.png|450px]]<br />
<br />
Die am Bauteil entstehende Verlustleistung ist Ursache der Abwärme und wird im thermischen Ersatzschaltbild als ideale Stromquelle modelliert.<br />
<br />
Die Abwärme gelangt nun über den Weg Sperrschicht (Junction) <math>\rightarrow</math> Bauteilgehäuse (Case) <math>\rightarrow</math> Umgebung (Ambient) nach außen. Im Ersatzschaltbild ist jeder Übergang als thermischer Widerstand modelliert. Die genauen Zahlenwerte der Wärmewiderstände lassen sich in der Regel dem Datenblatt des Bauteils entnehmen. Benötigt werden die Werte für <math>R_{th(jc)}</math> und <math>R_{th(ca)}</math>. In manchen Datenblättern findet man die Angabe <math>R_{th(ja)}</math>, was der Reihenschaltung aus den beiden vorher genannten Werten entspricht, also <math>R_{th(ja)}=R_{th(jc)}+R_{th(ca)}</math>.<br />
<br />
Die Umgebungstemperatur wird als ideale Spannungsquelle modelliert. Sämtliche Spannungen im Ersatzschaltbild entsprechen den auftretenden Temperaturen.<br />
<br />
Da es sich nun um ein lineares Netzwerk handelt, gelten hier ebenfalls die Kirchhoff'schen Gleichungen. Relativ leicht lässt sich nun die Temperatur am Bauteilgehäuse (Case) und der Sperrschicht (Junction) berechnen:<br />
<br />
<math>\vartheta_{c}=\vartheta_{a}+R_{th(ca)} \cdot P_{V}</math><br />
<br />
<math>\vartheta_{j}=\vartheta_{a}+R_{th(jc)} \cdot P_{V}+R_{th(ca)} \cdot P_{V}=\vartheta_{a}+(R_{th(jc)}+R_{th(ca)}) \cdot P_{V}=\vartheta_{a}+R_{th(ja)} \cdot P_{V}</math><br />
<br />
Da die thermischen Widerstände bei der Reihenschaltung auch zusammengefasst werden dürfen, beschreibt folgendes thermisches Ersatzschaltbild den gleichen Zusammenhang. Nachteil ist hier allerdings, dass die Temperatur am Gehäuse nicht modelliert wird.<br />
<br />
[[Bild:Therm-esb0.png|300px]]<br />
<br />
Die Überlegungen zur Sperrschichttemperatur kann auch anders interpretiert werden. Gibt man die Sperrschichttemperatur vor, kann man die maximal erlaubte Verlustleistung des Bauteils in Abhängigkeit der Umgebungstemperatur bestimmen. Die folgende Formel erhält man aus Umformung der oberen Gleichung:<br />
<br />
<math>P_{V} \leq \frac{\vartheta_{j}-\vartheta_{a}}{R_{th(ja)}}</math><br />
<br />
Bei Halbleitern darf idR. die Sperrschichttemperatur nicht 150°C überschreiten. Der thermische Widerstand wird hauptsächlich durch das Gehäuse vorgegeben. Aus der Formel sieht man nun folgendes: Je höher die Umgebungstemperatur, desto geringer fällt die maximal erlaubte Verlustleistung aus. Diesen Zusammenhang bezeichnet man auch als '''Derating'''.<br />
<br />
====Beispielrechnung====<br />
<br />
Ein Spannungsregler vom Typ 7805 im TO220-Gehäuse soll ohne Kühlkörper betrieben werden. Wie hoch ist die maximal erlaubte Verlustleistung, wenn die Sperrschichttemperatur 120°C nicht überschreiten soll und die Umgebungstemperatur 25°C beträgt?<br />
<br />
Zunächst werfen wir einen Blick ins Datenblatt des Spannungsreglers und entnehmen die Angaben für die thermischen Widerstände. Dann halten wir alle gegebenen Größen fest:<br />
<br />
*'''Gegeben'''<br />
*:* <math>R_{th(jc)}=5 \frac{K}{W}</math> (aus dem Datenblatt)<br />
*:* <math>R_{th(ja)}=62 \frac{K}{W}</math> (aus dem Datenblatt)<br />
*:* <math>\vartheta_{j}=125°C</math><br />
*:* <math>\vartheta_{a}=25°C</math><br />
*'''Gesucht'''<br />
*:* <math>P_{v,max}</math><br />
*'''Rechnung'''<br />
*:Wir verwenden die Formel von oben und erhalten als Ergebnis<br />
*:<math>P_{V,max} = \frac{\vartheta_{j}-\vartheta_{a}}{R_{th(ja)}} = \frac{120°C-25°C}{62\frac{K}{W}} = \frac{95K}{62\frac{K}{W}} \approx 1,5 Watt</math><br />
*:Die maximal erlaubte Verlustleistung des Spannungsreglers ohne Kühlkörper darf demnach 1,5 Watt nicht überschreiten.<br />
*'''Zusatz'''<br />
*:Mit unserem Ersatzschaltbild können wir außerdem die Temperatur des Gehäuses (Case) des Spannungsreglers angeben. Dafür benötigen wir noch die Angabe <math>R_{th(ca)}</math>, welche allerdings im Datenblatt nicht angegeben ist.<br />
*:Da wir aber wissen, dass <math>R_{th(ja)}=R_{th(jc)}+R_{th(ca)}</math> gilt, können wir die fehlende Größe ausrechnen. Diese ist<br />
*:<math>R_{th(ca)}=R_{th(ja)}-R_{th(jc)}=62\frac{K}{W}-5\frac{K}{W}=57\frac{K}{W}</math>.<br />
*:Nun lässt sich die Gehäusetemperatur berechnen:<br />
*:<math>\vartheta_{c}=\vartheta_{a}+R_{th(ca)} \cdot P_{V}=25°C+57\frac{K}{W} \cdot 1,5 W \approx 111 °C</math><br />
*'''Bemerkung'''<br />
*:In der Praxis wird einem TO220-Gehäuse ungekühlt eine maximale Verlustleistung von 1 Watt zugerechnet. Die Temperaturen sind niedriger, die Lebensdauer des Bauteils höher.<br />
<br />
===Bauteil mit Kühlkörper und T.I.M.===<br />
<br />
BAUSTELLE<br />
<br />
[[Bild:kühlkörper-schichten.png|300px]]<br />
<br />
TIM: Thermisches Interface-Material<br />
<br />
BAUSTELLE<br />
<br />
[[Bild:Therm-esb2.png|700px]]<br />
<br />
BAUSTELLE<br />
<br />
==Dynamisches Ersatzschaltbild==<br />
<br />
=Kühlkörperbauformen=<br />
* Board-Level-Kühlkörper (aufsteckbare/aufklebbare Kühlkörper, auch für SMD, meist 1 Kühlkörper pro IC)<br />
* Strang-/Profilkühlkörper (meist für hohe Leistungen)<br />
* Kühlaggregate (Kanal + Lüfter)<br />
<br />
Wozu eloxierte Oberflächen?<br />
* geringfügig höhere Wärmestrahlung (bei den niedrigen Temperaturen kaum ein Beitrag)<br />
* elektrische Isolation<br />
* Oberflächenschutz<br />
Nachteile:<br />
* erhöhte Wärmeaufnahme aus der unmittelbaren Umgebung!<br />
<br />
Stiftkühlkörper<br />
* hohe Oberfläche<br />
* bei dickem "Rücken"/"Boden" des Kühlkörpers gute Wärmespreizung<br />
* mit erzwungener Konvektion hohe Wärmeübertragung (quer zu den Stiften effektiver als in Stiftrichtung)<br />
* leichter und kompakter als Strangkühlkörper<br />
<br />
todo<br />
<br />
=Lüfter=<br />
Lüfter werden vor allem dann eingesetzt, wenn der Kühlkörper bei rein passiver Kühlung zur groß, zu schwer oder zu teuer wird. Beim Einsatz des Lüfters führt die erzwungene Luftströmung zur besseren Wärmeabgabe an die Luft. Bei gleicher Temperatur kann der Kühlkörper dann kleiner gewählt werden. Bei hohen Leistungen sind der kleinere Kühlkörper mit Lüfter preisgünstiger und kompakter als ein großer, rein passiver Kühlkörper. Um welchen Faktor die Wärmeableitung mit Lüfter verbessert wird, hängt von vielen Parametern ab und kann nicht pauschal angegeben werden.<br />
<br />
Vorteile<br />
* bessere Wärmeabgabe<br />
* Kühlkörper kann bei gleicher Temperatur kleiner, leichter und kostengünstiger werden<br />
* In kleinem Maßstab günstiger als Wasserkühlung o.ä.<br />
<br />
Nachteile<br />
* zusätzlicher Stromverbrauch<br />
* Geräuschentwicklung und Vibrationen<br />
* zusätzliche Kosten für Lüfter und dessen Montage<br />
* Im Falle eines unbemerkten Ausfalls kann die Schaltung überhitzen (Abhilfe: Thermostat, Temperaturfühler oder Tachosignal auswerten)<br />
<br />
Anordnungen:<br />
* Push-Prinzip: Der Lüfter bläst die Luft in den Kühlkörper/-kanal<br />
* Pull-Prinzip: Der Lüfter saugt die Luft aus dem Kühlkörper/-kanal heraus<br />
<br />
Kenngrößen:<br />
* Luftdurchsatz in <math>\frac{m^{3}}{h}</math><br />
* Nennspannung, Nennstrom, Nennleistung<br />
* Typ Axial/Radial<br />
* Größe<br />
* Geräuschpegel<br />
* Art der Lagerung (Kugellager, Sinterbronze-Lager etc.)<br />
* Temperaturbereich<br />
* Lebensdauer, MTBF<br />
<br />
=Kühlung auf einer Platine=<br />
Beim Leiterplattenentwurf muss bereits in der Designphase abgeschätzt werden, welche Verlustleistungen auftreten und wie die entstehende Wärme abgeführt werden kann. Die Größe, Bauform und Befestigung des Kühlkörpers muss ebenfalls berücksichtigt werden. Für Printmontage sind Kühlkörper verfügbar, welche mit lötbaren Stiften in die Platine gesteckt und verlötet werden. Alternativ sind Schraubverbindungen möglich.<br />
<br />
SMD-Bauteile können meist über die Platine gut entwärmt werden. Dies ist normalerweise nur bei geringen Verlustleistungen möglich. Die Abwärme der Bauteile muss auf eine möglichst große Fläche verteilt werden, durch große Kupferflächen auf der Platine kann dies erreicht werden. Da die Wärmeleitfähigkeit der Kupferauflage deutlich höher ist als die Wärmeleitfähigkeit des Platinenmaterials FR4, wird sich die Wärme hauptsächlich in der Fläche verteilen, jedoch weniger ''durch'' die Platine hindurch. Um die Wärmeleitung durch die Platine (z.B. von Ober- zu Unterseite) zu erhöhen, müssen Durchkontaktierungen gesetzt werden. Sogenannte "Thermal Vias" werden in einer großen Anzahl an das zu entwärmende Bauteil gesetzt und können damit die Wärme zu anderen Kupferlagen der Platine weiterleiten. Die Wärmeleitung durch die Platine hindurch wird verbessert, liegt aber dennoch deutlich unter der Wärmeleitfähigkeit von reinem Kupfer. Thermische Vias können aufgrund ihrer kleinen Masse kaum einen Beitrag zur gesamten "Kühlmasse" beitragen. Ob schließlich eine Entwärmung durch die Platine ausreicht, muss durch Simulation oder Messung gezeigt werden.<br />
<br />
Die Einbaulage der Platine kann die Entwärmung zudem beeinflussen. Erwärmte Umgebungsluft steigt nach oben und kann andere Komponenten oder Platinen aufheizen.<br />
<br />
Maßnahmen für bessere Entwärmung:<br />
<br />
* Durchkontaktierungen zur Wärmeleitung zwischen mehreren Kupferlagen, da der Platinenkern (bei FR4: glasfaserverstärktes Epoxidharz) idR. eine sehr schlechte Wärmeleitfähigkeit hat<br />
* Breite Leiterbahnen, welche Wärme abführen und auf eine große Fläche verteilen<br />
* Für große bedrahtete ICs (TO220, Multiwatt...) eignen sich Board-Level-Kühlkörper<br />
* Für kleinere ICs mit Wärmeentwicklung eignen sich aufklebbare Kühlkörper<br />
* Für SMD-Bauteile exisitieren auch Kühlkörper, die sich direkt auf die Platine löten lassen, diese sind auch maschinenbestückbar<br />
* Einsatz spezieller Platinenmaterialien (Alukern, Kupfer-Inlay)...<br />
* je nach Schaltung: dickere Kupferkaschierung für bessere Wärmeausbreitung in der Fläche (Standard sind 35µm, erhältlich sind auch 70µm und mehr)<br />
<br />
todo<br />
<br />
=Spezielle Kühlkörper=<br />
<br />
todo<br />
<br />
[[Kategorie:Elektronik]]<br />
[[Kategorie:Mechanik]] <br />
[[Kategorie:Praxis]] <br />
[[Kategorie:Grundlagen]]</div>BMShttps://rn-wissen.de/wiki/index.php?title=K%C3%BChlk%C3%B6rper&diff=26351Kühlkörper2015-05-02T19:21:48Z<p>BMS: Statisches Ersatzschaltbild 1</p>
<hr />
<div>{{Baustelle|BMS}}<br />
<br />
Dieser Artikel behandelt die Grundlagen zu Kühlkörpern.<br />
<br />
[[Bild:kühlkörper-übersicht.jpg|thumb|Verschiedene Kühlkörper, links ein TO220-Gehäuse zum Größenvergleich]]<br />
<br />
=Einleitung=<br />
<br />
'''Wieso sind überhaupt Kühlkörper in technischen Geräten erforderlich?'''<br />
<br />
Kein Gerät kann einen 100-prozentigen Wirkungsgrad erzielen und somit tritt Verlustleistung auf. Diese Verlustleistung führt zur Erwärmung der Bauteile. Kühlkörper sollen die Entwärmung verbessern, indem die entstehende Wärme auf eine große Fläche verteilt wird und durch Konvektion an der Luft auskühlen kann. Die Temperatur an den heißen Bauteilen ist mit Kühlkörper geringer als ohne Kühlkörper.<br />
<br />
'''Wieso sind hohe Bauteiltemperaturen ungünstig?'''<br />
<br />
Die Lebensdauer aller elektronischen Bauteile ist stark von der Temperatur abhängig. Als Faustregel gilt: Eine Temperaturerhöhung um 10 Grad führt zur Halbierung der Lebensdauer. Außerdem gibt es Grenztemperaturen, die nicht überschritten werden dürfen. Beispielsweise dürfen Halbleiter keine Temperatur über 150°C erreichen. Extrembeispiele sind die Schmelztemperatur von Isolierungen, Lötzinn etc... sowie Brandgefahr durch hohe Temperaturen. Viele Bauteile können ohne vernünftige Kühlung nicht ihren vollen Funktionsumfang erreichen, liefern dann z.B. geringere Maximalströme oder es greift die Temperaturabschaltung. Anders formuliert: Die maximale Leistung eines Bauteils oder Geräts wird durch seine Entwärmung bestimmt! Zur eigenen Sicherheit bietet es sich zudem an, die Temperaturen niedrig zu halten, sodass man sich am Gerät nicht die Finger verbrennen kann ;)<br />
<br />
=Wärmeübertragung=<br />
Prinzipiell kann Wärmeübertragung über Wärmeleitung, Konvektion und Wärmestrahlung geschehen. In vielen Anwendungen treten mehrere Mechanismen gleichzeitig auf. Welcher Mechanismus hauptsächlich auftritt, ist von der mechanischen Anordnung, den Materialien und der Temperatur abhängig. Wärmeleitung und Konvektion sind die wichtigsten Arten der Wärmeübertragung, die in der Praxis auftreten. Nun zu den einzelnen Effekten:<br />
<br />
*'''Wärmeleitung'''<br />
*: Bei der Wärmeleitung wird die Wärme über einen direkten mechanischen Kontakt (Bsp. IC <math>\rightarrow</math>Kühlkörper) übertragen. Den beteiligten Materialien wird jeweils eine spezifische Wärmeleitfähigkeit <math>\lambda</math> zugeordnet, dazu später mehr.<br />
<br />
*'''Konvektion'''<br />
*: Mit Konvektion wird die Strömungsbewegung in Flüssigkeiten und Gasen bezeichnet. Praxisbeispiele sind die Wärmeabgabe eines Kühlkörpers an die Umgebungsluft oder auch eine Wasserkühlung. Von erzwungener Konvektion spricht man, wenn die Strömung durch z.B. einen Ventilator/Lüfter oder eine Wasserpumpe hervorgerufen wird. Im Vakuum kann keine Konvektion auftreten.<br />
<br />
*'''Wärmestrahlung'''<br />
*: Wärmestrahlung ist elektromagnetische Strahlung (hauptsächlich Infrarot und sichtbares Licht), die vom heißen Festkörper abgestrahlt wird. Sie wird erst bei höheren Temperaturen relevant und ist bei den üblichen Kühlkörpertemperaturen meist zu vernachlässigen. Erwähnt werden soll zudem, dass Wärmestrahlung der einzige Mechanismus der Wärmeleitung ist, welcher im Vakuum auftreten kann. (Für Details zu Wärmestrahlung siehe auch: Plancksches Strahlungsgesetz und Schwarzer Strahler).<br />
<br />
=Materialien=<br />
Jedes Material besitzt eine spezifische Wärmeleitfähigkeit, welche angibt, wie gut dieses Material Wärme weiter transportieren kann. Die spezifische Wärmeleitfähigkeit ist unabhängig von der Geometrie des Materials, wird mit der Größe <math>\lambda</math> (Lambda) ausgedrückt und erhält die Einheit <math>\frac{W}{m \cdot K}</math>.<br />
<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
|-<br />
| '''Material''' || '''<math>\lambda</math> in <math>\left[ \frac{W}{m \cdot K} \right]</math>'''<br />
|-<br />
| Silber || 430<br />
|-<br />
| Kupfer || 400<br />
|-<br />
| Aluminium || 230<br />
|-<br />
| Silizium || 140 <br />
|-<br />
| Wärmeleitpaste || 5 ... 10<br />
|-<br />
| Glas || 0,7<br />
|-<br />
| Wasser || 0,5<br />
|-<br />
| Platinenmaterial FR4 || 0,2 ... 0,5<br />
|-<br />
| Luft || 0,02<br />
|}<br />
<br />
Die meisten Kühlkörper werden aus Aluminiumlegierungen hergestellt. Für Aluminium spricht seine relativ hohe Wärmeleitfähigkeit, die hohe Verfügbarkeit und geringe Dichte. Im Vergleich zu Kupfer und Silber ist Aluminium deutlich kostengünstiger. Darüber hinaus lässt sich Aluminium mechanisch gut verarbeiten. Kupfer wird mit seiner höheren Wärmeleitfähigkeit z.B. bei Heatpipes eingesetzt.<br />
<br />
todo<br />
<br />
Wärmewiderstand <math>R_{th}=\frac{d}{\lambda \cdot A}</math><br />
<br />
d: Materialdicke, welche für die Wärmeleitung relevant ist<br />
<br />
<math>\lambda</math>spezifische Wärmeleitfähigkeit des Materials<br />
<br />
A: Querschnitts-/Kontaktfläche<br />
<br />
=Definitionen=<br />
Um vorauszusagen, wie sich die Temperaturen in einer Schaltung verhalten, bedient sich der Ingenieur - wie auch bei vielen anderen Anwendungen - eines Ersatzschaltbildes (ESB). Zur Erstellung eines thermischen Ersatzschaltbildes muss man sich aber zunächst mit den thermischen Größen vertraut machen.<br />
<br />
Die Temperaturen werden mit dem griechischen Buchstaben Theta <math>\theta</math> gekennzeichnet. Temperaturen werden in Grad Celsius (°C), Temperaturdifferenzen in Kelvin (K) angegeben. (Am Rande: Es existiert auch eine Kelvinskala mit dem absoluten Nullpunkt 0 K=-273,15°C). Die Temperaturen werden außerdem noch mit einem Index gekennzeichnet, abhängig von der mechanischen Stelle, an der sie auftreten:<br />
<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
|-<br />
| Symbol || Index || Bedeutung<br />
|-<br />
| <math>\vartheta_{J}</math> || J=Junction || Sperrschichttemperatur des Halbleiters<br />
|-<br />
| <math>\vartheta_{C}</math> || C=Case || Gehäusetemperatur des Bauteils<br />
|-<br />
| <math>\vartheta_{H}</math> || H=Heat Sink || Temperatur des Kühlkörpers<br />
|-<br />
| <math>\vartheta_{A}</math> || A=Ambient || Umgebungstemperatur<br />
|}<br />
<br />
Die Verlustleistung eines Bauteils beschreibt die Größe <math>P_{V}</math> und wird, wie allgemein bekannt, in Watt angegeben.<br />
<br />
Als neue Größe wird nun der thermische Widerstand eingeführt, dieser wird mit <math>R_{th}</math> beschrieben und bekommt die Einheit <math>\frac{K}{W}</math>. <br />
<br />
Für die thermischen Größen gibt es, ähnlich dem Ohmschen Gesetz, einen linearen Zusammenhang. Dieser lautet<br />
<br />
<math>R_{th}=\frac{\vartheta_{ü}}{P_{V}}</math><br />
<br />
todo<br />
<br />
==Vergleich elektrischer und thermischer Größen==<br />
Insgesamt können wir nun eine Analogie zwischen bekannten elektrischen Größen und den thermischen Größen angeben. Die schon gelernten Prinzipien zur Lösung linearer Netzwerke lässt sich auch bei den thermischen Ersatzschaltbildern anwenden.<br />
<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
|-<br />
| elektrisch || thermisch<br />
|-<br />
| Spannung U || Temperatur <math>\vartheta</math><br />
|-<br />
| Strom I || Verlustleistung <math>P_{V}</math><br />
|-<br />
| Widerstand R || thermischer Widerstand <math>R_{th}</math><br />
|}<br />
<br />
=Thermische Ersatzschaltbilder=<br />
Mit den thermischen Zusammenhängen haben wir uns inzwischen vertraut gemacht. Nun können wir damit beginnen, thermische Ersatzschaltbilder von einfachen Anordnungen zu erstellen. Mit solchen Modellen können Temperaturen, wie z.B. die Chiptemperatur, vorab berechnet werden. Für die Berechnung müssen Wärmewiderstände, Umgebungstemperatur und Verlustleistung bekannt sein, da sie in die Berechnung einfließen.<br />
<br />
Bei den thermischen Ersatzschaltbildern kann man ein statisches oder ein dynamisches Ersatzschaltbild erstellen. Bei den statischen Ersatzschaltbilder wird davon ausgegangen, dass alle Größen zeitlich konstant sind, bzw. sofort ihre Solltemperatur entsprechend dem Modell annehmen. In der Realität dauert es natürlich eine gewisse Zeit, bis sich alle beteiligten Materialien aufgeheizt haben. Die Temperaturen des statischen Modells werden dabei erst nach einer bestimmten Zeit erreicht. Um auch den zeitlichen Verlauf der Temperaturen bei z.B. wechselnder Verlustleistung der Bauteile vorhersagen zu können, bedient man sich dem dynamischen Ersatzschaltbild. Dieses enthält neben den thermischen Widerständen auch Wärmekapazitäten. Durch thermische Widerstände und Wärmekapazitäten ergeben sich Zeitkonstanten bei der Erwärmung, sodass das Modell der Realität sehr nahe kommt.<br />
<br />
Für die meisten Anwendungen genügt es jedoch, das statische thermische Ersatzschaltbild zu erstellen und den Kühlkörper dem entsprechend zu dimensionieren. Die Kühlung wird z.B. auf die maximale oder die mittlere auftretende Verlustleistung dimensioniert. Es wurde bereits erwähnt, dass sich die Bauteiltemperatur auf dessen Lebensdauer auswirkt. Dabei gilt: je niedriger die Bauteiltemperatur, desto länger die zu erwartende Lebensdauer. Je nach Anwendung und Rahmenbedingungen muss eventuell ein Kompromiss zwischen Kühlkörpergröße/kosten und Gerätelebensdauer gewählt werden. Beispielsweise kann der verfügbare Platz, ein Gesamtgewicht oder eine Kostenvorgabe begrenzender Faktor sein. Für einen dauerhaften sicheren Betrieb muss der Kühlkörper und weitere beteiligte Materialien für den worst case ausgelegt oder sogar überdimenioniert werden.<br />
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==Statisches Ersatzschaltbild==<br />
===Bauteil ohne Kühlkörper===<br />
Um den Umgang mit den thermischen Ersatzschaltbildern zu lernen, soll zunächst mit einem einfachen Beispiel begonnen werden. In diesem Fall wird der Wärmeübergang von einem einzelnen Bauteil zu Luft betrachet, es kommt zunächst also noch kein Kühlkörper zum Einsatz. Das Ersatzschaltbild sieht in diesem Fall folgendermaßen aus:<br />
<br />
[[Bild:Therm-esb1.png|450px]]<br />
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Die am Bauteil entstehende Verlustleistung ist Ursache der Abwärme und wird im thermischen Ersatzschaltbild als ideale Stromquelle modelliert.<br />
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Die Abwärme gelangt nun über den Weg Sperrschicht (Junction) <math>\rightarrow</math> Bauteilgehäuse (Case) <math>\rightarrow</math> Umgebung (Ambient) nach außen. Im Ersatzschaltbild ist jeder Übergang als thermischer Widerstand modelliert. Die genauen Zahlenwerte der Wärmewiderstände lassen sich in der Regel dem Datenblatt des Bauteils entnehmen. Benötigt werden die Werte für <math>R_{th(jc)}</math> und <math>R_{th(ca)}</math>. In manchen Datenblättern findet man die Angabe <math>R_{th(ja)}</math>, was der Reihenschaltung aus den beiden vorher genannten Werten entspricht, also <math>R_{th(ja)}=R_{th(jc)}+R_{th(ca)}</math>.<br />
<br />
Die Umgebungstemperatur wird als ideale Spannungsquelle modelliert. Sämtliche Spannungen im Ersatzschaltbild entsprechen den auftretenden Temperaturen.<br />
<br />
Da es sich nun um ein lineares Netzwerk handelt, gelten hier ebenfalls die Kirchhoff'schen Gleichungen. Relativ leicht lässt sich nun die Temperatur am Bauteilgehäuse (Case) und der Sperrschicht (Junction) berechnen:<br />
<br />
<math>\vartheta_{c}=\vartheta_{a}+R_{th(ca)} \cdot P_{V}</math><br />
<br />
<math>\vartheta_{j}=\vartheta_{a}+R_{th(jc)} \cdot P_{V}+R_{th(ca)} \cdot P_{V}=\vartheta_{a}+(R_{th(jc)}+R_{th(ca)}) \cdot P_{V}=\vartheta_{a}+R_{th(ja)} \cdot P_{V}</math><br />
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Da die thermischen Widerstände bei der Reihenschaltung auch zusammengefasst werden dürfen, beschreibt folgendes thermisches Ersatzschaltbild den gleichen Zusammenhang. Nachteil ist hier allerdings, dass die Temperatur am Gehäuse nicht modelliert wird.<br />
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[[Bild:Therm-esb0.png|300px]]<br />
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Die Überlegungen zur Sperrschichttemperatur kann auch anders interpretiert werden. Gibt man die Sperrschichttemperatur vor, kann man die maximal erlaubte Verlustleistung des Bauteils in Abhängigkeit der Umgebungstemperatur bestimmen. Die folgende Formel erhält man aus Umformung der oberen Gleichung:<br />
<br />
<math>P_{V} \leq \frac{\vartheta_{j}-\vartheta_{a}}{R_{th(ja)}}</math><br />
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Bei Halbleitern darf idR. die Sperrschichttemperatur nicht 150°C überschreiten. Der thermische Widerstand wird hauptsächlich durch das Gehäuse vorgegeben. Aus der Formel sieht man nun folgendes: Je höher die Umgebungstemperatur, desto geringer fällt die maximal erlaubte Verlustleistung aus. Diesen Zusammenhang bezeichnet man auch als '''Derating'''.<br />
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===Bauteil mit Kühlkörper und T.I.M.===<br />
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BAUSTELLE<br />
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[[Bild:kühlkörper-schichten.png|300px]]<br />
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TIM: Thermisches Interface-Material<br />
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BAUSTELLE<br />
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[[Bild:Therm-esb2.png|700px]]<br />
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BAUSTELLE<br />
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==Dynamisches Ersatzschaltbild==<br />
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=Kühlkörperbauformen=<br />
* Board-Level-Kühlkörper (aufsteckbare/aufklebbare Kühlkörper, auch für SMD, meist 1 Kühlkörper pro IC)<br />
* Strang-/Profilkühlkörper (meist für hohe Leistungen)<br />
* Kühlaggregate (Kanal + Lüfter)<br />
<br />
Wozu eloxierte Oberflächen?<br />
* geringfügig höhere Wärmestrahlung (bei den niedrigen Temperaturen kaum ein Beitrag)<br />
* elektrische Isolation<br />
* Oberflächenschutz<br />
Nachteile:<br />
* erhöhte Wärmeaufnahme aus der unmittelbaren Umgebung!<br />
<br />
Stiftkühlkörper<br />
* hohe Oberfläche<br />
* bei dickem "Rücken"/"Boden" des Kühlkörpers gute Wärmespreizung<br />
* mit erzwungener Konvektion hohe Wärmeübertragung (quer zu den Stiften effektiver als in Stiftrichtung)<br />
* leichter und kompakter als Strangkühlkörper<br />
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todo<br />
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=Lüfter=<br />
Lüfter werden vor allem dann eingesetzt, wenn der Kühlkörper bei rein passiver Kühlung zur groß, zu schwer oder zu teuer wird. Beim Einsatz des Lüfters führt die erzwungene Luftströmung zur besseren Wärmeabgabe an die Luft. Bei gleicher Temperatur kann der Kühlkörper dann kleiner gewählt werden. Bei hohen Leistungen sind der kleinere Kühlkörper mit Lüfter preisgünstiger und kompakter als ein großer, rein passiver Kühlkörper. Um welchen Faktor die Wärmeableitung mit Lüfter verbessert wird, hängt von vielen Parametern ab und kann nicht pauschal angegeben werden.<br />
<br />
Vorteile<br />
* bessere Wärmeabgabe<br />
* Kühlkörper kann bei gleicher Temperatur kleiner, leichter und kostengünstiger werden<br />
* In kleinem Maßstab günstiger als Wasserkühlung o.ä.<br />
<br />
Nachteile<br />
* zusätzlicher Stromverbrauch<br />
* Geräuschentwicklung und Vibrationen<br />
* zusätzliche Kosten für Lüfter und dessen Montage<br />
* Im Falle eines unbemerkten Ausfalls kann die Schaltung überhitzen (Abhilfe: Thermostat, Temperaturfühler oder Tachosignal auswerten)<br />
<br />
Anordnungen:<br />
* Push-Prinzip: Der Lüfter bläst die Luft in den Kühlkörper/-kanal<br />
* Pull-Prinzip: Der Lüfter saugt die Luft aus dem Kühlkörper/-kanal heraus<br />
<br />
Kenngrößen:<br />
* Luftdurchsatz in <math>\frac{m^{3}}{h}</math><br />
* Nennspannung, Nennstrom, Nennleistung<br />
* Typ Axial/Radial<br />
* Größe<br />
* Geräuschpegel<br />
* Art der Lagerung (Kugellager, Sinterbronze-Lager etc.)<br />
* Temperaturbereich<br />
* Lebensdauer, MTBF<br />
<br />
=Kühlung auf einer Platine=<br />
Beim Leiterplattenentwurf muss bereits in der Designphase abgeschätzt werden, welche Verlustleistungen auftreten und wie die entstehende Wärme abgeführt werden kann. Die Größe, Bauform und Befestigung des Kühlkörpers muss ebenfalls berücksichtigt werden. Für Printmontage sind Kühlkörper verfügbar, welche mit lötbaren Stiften in die Platine gesteckt und verlötet werden. Alternativ sind Schraubverbindungen möglich.<br />
<br />
SMD-Bauteile können meist über die Platine gut entwärmt werden. Dies ist normalerweise nur bei geringen Verlustleistungen möglich. Die Abwärme der Bauteile muss auf eine möglichst große Fläche verteilt werden, durch große Kupferflächen auf der Platine kann dies erreicht werden. Da die Wärmeleitfähigkeit der Kupferauflage deutlich höher ist als die Wärmeleitfähigkeit des Platinenmaterials FR4, wird sich die Wärme hauptsächlich in der Fläche verteilen, jedoch weniger ''durch'' die Platine hindurch. Um die Wärmeleitung durch die Platine (z.B. von Ober- zu Unterseite) zu erhöhen, müssen Durchkontaktierungen gesetzt werden. Sogenannte "Thermal Vias" werden in einer großen Anzahl an das zu entwärmende Bauteil gesetzt und können damit die Wärme zu anderen Kupferlagen der Platine weiterleiten. Die Wärmeleitung durch die Platine hindurch wird verbessert, liegt aber dennoch deutlich unter der Wärmeleitfähigkeit von reinem Kupfer. Thermische Vias können aufgrund ihrer kleinen Masse kaum einen Beitrag zur gesamten "Kühlmasse" beitragen. Ob schließlich eine Entwärmung durch die Platine ausreicht, muss durch Simulation oder Messung gezeigt werden.<br />
<br />
Die Einbaulage der Platine kann die Entwärmung zudem beeinflussen. Erwärmte Umgebungsluft steigt nach oben und kann andere Komponenten oder Platinen aufheizen.<br />
<br />
Maßnahmen für bessere Entwärmung:<br />
<br />
* Durchkontaktierungen zur Wärmeleitung zwischen mehreren Kupferlagen, da der Platinenkern (bei FR4: glasfaserverstärktes Epoxidharz) idR. eine sehr schlechte Wärmeleitfähigkeit hat<br />
* Breite Leiterbahnen, welche Wärme abführen und auf eine große Fläche verteilen<br />
* Für große bedrahtete ICs (TO220, Multiwatt...) eignen sich Board-Level-Kühlkörper<br />
* Für kleinere ICs mit Wärmeentwicklung eignen sich aufklebbare Kühlkörper<br />
* Für SMD-Bauteile exisitieren auch Kühlkörper, die sich direkt auf die Platine löten lassen, diese sind auch maschinenbestückbar<br />
* Einsatz spezieller Platinenmaterialien (Alukern, Kupfer-Inlay)...<br />
* je nach Schaltung: dickere Kupferkaschierung für bessere Wärmeausbreitung in der Fläche (Standard sind 35µm, erhältlich sind auch 70µm und mehr)<br />
<br />
todo<br />
<br />
=Spezielle Kühlkörper=<br />
<br />
todo<br />
<br />
[[Kategorie:Elektronik]]<br />
[[Kategorie:Mechanik]] <br />
[[Kategorie:Praxis]] <br />
[[Kategorie:Grundlagen]]</div>BMShttps://rn-wissen.de/wiki/index.php?title=Datei:Therm-esb0.png&diff=26350Datei:Therm-esb0.png2015-05-02T18:28:06Z<p>BMS: Thermisches Ersatzschaltbild Junction-Ambient
Eigene Zeichnung</p>
<hr />
<div>Thermisches Ersatzschaltbild Junction-Ambient<br />
<br />
Eigene Zeichnung</div>BMShttps://rn-wissen.de/wiki/index.php?title=Datei:Therm-esb2.png&diff=26349Datei:Therm-esb2.png2015-05-02T18:24:16Z<p>BMS: BMS lud eine neue Version von „Datei:Therm-esb2.png“ hoch</p>
<hr />
<div>Thermisches Ersatzschaltbild mit Junction-Case-TIM-Heatsink-Ambient<br />
<br />
Eigene Zeichnung</div>BMShttps://rn-wissen.de/wiki/index.php?title=K%C3%BChlk%C3%B6rper&diff=26348Kühlkörper2015-05-02T09:15:34Z<p>BMS: /* Wärme-Ersatzschaltbilder */</p>
<hr />
<div>{{Baustelle|BMS}}<br />
<br />
Dieser Artikel behandelt die Grundlagen zu Kühlkörpern.<br />
<br />
[[Bild:kühlkörper-übersicht.jpg|thumb|Verschiedene Kühlkörper, links ein TO220-Gehäuse zum Größenvergleich]]<br />
<br />
=Einleitung=<br />
<br />
'''Wieso sind überhaupt Kühlkörper in technischen Geräten erforderlich?'''<br />
<br />
Kein Gerät kann einen 100-prozentigen Wirkungsgrad erzielen und somit tritt Verlustleistung auf. Diese Verlustleistung führt zur Erwärmung der Bauteile. Kühlkörper sollen die Entwärmung verbessern, indem die entstehende Wärme auf eine große Fläche verteilt wird und durch Konvektion an der Luft auskühlen kann. Die Temperatur an den heißen Bauteilen ist mit Kühlkörper geringer als ohne Kühlkörper.<br />
<br />
'''Wieso sind hohe Bauteiltemperaturen ungünstig?'''<br />
<br />
Die Lebensdauer aller elektronischen Bauteile ist stark von der Temperatur abhängig. Als Faustregel gilt: Eine Temperaturerhöhung um 10 Grad führt zur Halbierung der Lebensdauer. Außerdem gibt es Grenztemperaturen, die nicht überschritten werden dürfen. Beispielsweise dürfen Halbleiter keine Temperatur über 150°C erreichen. Extrembeispiele sind die Schmelztemperatur von Isolierungen, Lötzinn etc... sowie Brandgefahr durch hohe Temperaturen. Viele Bauteile können ohne vernünftige Kühlung nicht ihren vollen Funktionsumfang erreichen, liefern dann z.B. geringere Maximalströme oder es greift die Temperaturabschaltung. Anders formuliert: Die maximale Leistung eines Bauteils oder Geräts wird durch seine Entwärmung bestimmt! Zur eigenen Sicherheit bietet es sich zudem an, die Temperaturen niedrig zu halten, sodass man sich am Gerät nicht die Finger verbrennen kann ;)<br />
<br />
=Wärmeübertragung=<br />
Prinzipiell kann Wärmeübertragung über Wärmeleitung, Konvektion und Wärmestrahlung geschehen. In vielen Anwendungen treten mehrere Mechanismen gleichzeitig auf. Welcher Mechanismus hauptsächlich auftritt, ist von der mechanischen Anordnung, den Materialien und der Temperatur abhängig. Wärmeleitung und Konvektion sind die wichtigsten Arten der Wärmeübertragung, die in der Praxis auftreten. Nun zu den einzelnen Effekten:<br />
<br />
*'''Wärmeleitung'''<br />
*: Bei der Wärmeleitung wird die Wärme über einen direkten mechanischen Kontakt (Bsp. IC <math>\rightarrow</math>Kühlkörper) übertragen. Den beteiligten Materialien wird jeweils eine spezifische Wärmeleitfähigkeit <math>\lambda</math> zugeordnet, dazu später mehr.<br />
<br />
*'''Konvektion'''<br />
*: Mit Konvektion wird die Strömungsbewegung in Flüssigkeiten und Gasen bezeichnet. Praxisbeispiele sind die Wärmeabgabe eines Kühlkörpers an die Umgebungsluft oder auch eine Wasserkühlung. Von erzwungener Konvektion spricht man, wenn die Strömung durch z.B. einen Ventilator/Lüfter oder eine Wasserpumpe hervorgerufen wird. Im Vakuum kann keine Konvektion auftreten.<br />
<br />
*'''Wärmestrahlung'''<br />
*: Wärmestrahlung ist elektromagnetische Strahlung (hauptsächlich Infrarot und sichtbares Licht), die vom heißen Festkörper abgestrahlt wird. Sie wird erst bei höheren Temperaturen relevant und ist bei den üblichen Kühlkörpertemperaturen meist zu vernachlässigen. Erwähnt werden soll zudem, dass Wärmestrahlung der einzige Mechanismus der Wärmeleitung ist, welcher im Vakuum auftreten kann. (Für Details zu Wärmestrahlung siehe auch: Plancksches Strahlungsgesetz und Schwarzer Strahler).<br />
<br />
=Materialien=<br />
Jedes Material besitzt eine spezifische Wärmeleitfähigkeit, welche angibt, wie gut dieses Material Wärme weiter transportieren kann. Die spezifische Wärmeleitfähigkeit ist unabhängig von der Geometrie des Materials, wird mit der Größe <math>\lambda</math> (Lambda) ausgedrückt und erhält die Einheit <math>\frac{W}{m \cdot K}</math>.<br />
<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
|-<br />
| '''Material''' || '''<math>\lambda</math> in <math>\left[ \frac{W}{m \cdot K} \right]</math>'''<br />
|-<br />
| Silber || 430<br />
|-<br />
| Kupfer || 400<br />
|-<br />
| Aluminium || 230<br />
|-<br />
| Silizium || 140 <br />
|-<br />
| Wärmeleitpaste || 5 ... 10<br />
|-<br />
| Glas || 0,7<br />
|-<br />
| Wasser || 0,5<br />
|-<br />
| Platinenmaterial FR4 || 0,2 ... 0,5<br />
|-<br />
| Luft || 0,02<br />
|}<br />
<br />
Die meisten Kühlkörper werden aus Aluminiumlegierungen hergestellt. Für Aluminium spricht seine relativ hohe Wärmeleitfähigkeit, die hohe Verfügbarkeit und geringe Dichte. Im Vergleich zu Kupfer und Silber ist Aluminium deutlich kostengünstiger. Darüber hinaus lässt sich Aluminium mechanisch gut verarbeiten. Kupfer wird mit seiner höheren Wärmeleitfähigkeit z.B. bei Heatpipes eingesetzt.<br />
<br />
todo<br />
<br />
Wärmewiderstand <math>R_{th}=\frac{d}{\lambda \cdot A}</math><br />
<br />
d: Materialdicke, welche für die Wärmeleitung relevant ist<br />
<br />
<math>\lambda</math>spezifische Wärmeleitfähigkeit des Materials<br />
<br />
A: Querschnitts-/Kontaktfläche<br />
<br />
=Definitionen=<br />
Um vorauszusagen, wie sich die Temperaturen in einer Schaltung verhalten, bedient sich der Ingenieur - wie auch bei vielen anderen Anwendungen - eines Ersatzschaltbildes (ESB). Zur Erstellung eines thermischen Ersatzschaltbildes muss man sich aber zunächst mit den thermischen Größen vertraut machen.<br />
<br />
Die Temperaturen werden mit dem griechischen Buchstaben Theta <math>\theta</math> gekennzeichnet. Temperaturen werden in Grad Celsius (°C), Temperaturdifferenzen in Kelvin (K) angegeben. (Am Rande: Es existiert auch eine Kelvinskala mit dem absoluten Nullpunkt 0 K=-273,15°C). Die Temperaturen werden außerdem noch mit einem Index gekennzeichnet, abhängig von der mechanischen Stelle, an der sie auftreten:<br />
<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
|-<br />
| Symbol || Index || Bedeutung<br />
|-<br />
| <math>\vartheta_{J}</math> || J=Junction || Sperrschichttemperatur des Halbleiters<br />
|-<br />
| <math>\vartheta_{C}</math> || C=Case || Gehäusetemperatur des Bauteils<br />
|-<br />
| <math>\vartheta_{H}</math> || H=Heat Sink || Temperatur des Kühlkörpers<br />
|-<br />
| <math>\vartheta_{A}</math> || A=Ambient || Umgebungstemperatur<br />
|}<br />
<br />
Die Verlustleistung eines Bauteils beschreibt die Größe <math>P_{V}</math> und wird, wie allgemein bekannt, in Watt angegeben.<br />
<br />
Als neue Größe wird nun der thermische Widerstand eingeführt, dieser wird mit <math>R_{th}</math> beschrieben und bekommt die Einheit <math>\frac{K}{W}</math>. <br />
<br />
Für die thermischen Größen gibt es, ähnlich dem Ohmschen Gesetz, einen linearen Zusammenhang. Dieser lautet<br />
<br />
<math>R_{th}=\frac{\vartheta_{ü}}{P_{V}}</math><br />
<br />
todo<br />
<br />
==Vergleich elektrischer und thermischer Größen==<br />
Insgesamt können wir nun eine Analogie zwischen bekannten elektrischen Größen und den thermischen Größen angeben. Die schon gelernten Prinzipien zur Lösung linearer Netzwerke lässt sich auch bei den thermischen Ersatzschaltbildern anwenden.<br />
<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
|-<br />
| elektrisch || thermisch<br />
|-<br />
| Spannung U || Temperatur <math>\vartheta</math><br />
|-<br />
| Strom I || Verlustleistung <math>P_{V}</math><br />
|-<br />
| Widerstand R || thermischer Widerstand <math>R_{th}</math><br />
|}<br />
<br />
=Thermische Ersatzschaltbilder=<br />
Mit den thermischen Zusammenhängen haben wir uns inzwischen vertraut gemacht. Nun können wir damit beginnen, thermische Ersatzschaltbilder von einfachen Anordnungen zu erstellen. Mit solchen Modellen können Temperaturen, wie z.B. die Chiptemperatur, vorab berechnet werden. Für die Berechnung müssen Wärmewiderstände, Umgebungstemperatur und Verlustleistung bekannt sein, da sie in die Berechnung einfließen.<br />
<br />
Bei den thermischen Ersatzschaltbildern kann man ein statisches oder ein dynamisches Ersatzschaltbild erstellen. Bei den statischen Ersatzschaltbilder wird davon ausgegangen, dass alle Größen zeitlich konstant sind, bzw. sofort ihre Solltemperatur entsprechend dem Modell annehmen. In der Realität dauert es natürlich eine gewisse Zeit, bis sich alle beteiligten Materialien aufgeheizt haben. Die Temperaturen des statischen Modells werden dabei erst nach einer bestimmten Zeit erreicht. Um auch den zeitlichen Verlauf der Temperaturen bei z.B. wechselnder Verlustleistung der Bauteile vorhersagen zu können, bedient man sich dem dynamischen Ersatzschaltbild. Dieses enthält neben den thermischen Widerständen auch Wärmekapazitäten. Durch thermische Widerstände und Wärmekapazitäten ergeben sich Zeitkonstanten bei der Erwärmung, sodass das Modell der Realität sehr nahe kommt.<br />
<br />
Für die meisten Anwendungen genügt es jedoch, das statische thermische Ersatzschaltbild zu erstellen und den Kühlkörper dem entsprechend zu dimensionieren. Die Kühlung wird z.B. auf die maximale oder die mittlere auftretende Verlustleistung dimensioniert. Es wurde bereits erwähnt, dass sich die Bauteiltemperatur auf dessen Lebensdauer auswirkt. Dabei gilt: je niedriger die Bauteiltemperatur, desto länger die zu erwartende Lebensdauer. Je nach Anwendung und Rahmenbedingungen muss eventuell ein Kompromiss zwischen Kühlkörpergröße/kosten und Gerätelebensdauer gewählt werden. Beispielsweise kann der verfügbare Platz, ein Gesamtgewicht oder eine Kostenvorgabe begrenzender Faktor sein. Für einen dauerhaften sicheren Betrieb muss der Kühlkörper und weitere beteiligte Materialien für den worst case ausgelegt oder sogar überdimenioniert werden.<br />
<br />
==Statisches Ersatzschaltbild==<br />
===Bauteil ohne Kühlkörper===<br />
Um den Umgang mit den thermischen Ersatzschaltbildern zu lernen, soll zunächst mit einem einfachen Beispiel begonnen werden. <br />
<br />
BAUSTELLE BAUSTELLE BAUSTELLE BAUSTELLE BAUSTELLE<br />
<br />
[[Bild:Therm-esb1.png|450px]]<br />
<br />
Beschreibung todo<br />
<br />
===Bauteil mit Kühlkörper und T.I.M.===<br />
<br />
[[Bild:kühlkörper-schichten.png|300px]]<br />
<br />
TIM: Thermisches Interface-Material<br />
<br />
[[Bild:Therm-esb2.png|700px]]<br />
<br />
Beschreibung todo<br />
<br />
==Dynamisches Ersatzschaltbild==<br />
<br />
=Kühlkörperbauformen=<br />
* Board-Level-Kühlkörper (aufsteckbare/aufklebbare Kühlkörper, auch für SMD, meist 1 Kühlkörper pro IC)<br />
* Strang-/Profilkühlkörper (meist für hohe Leistungen)<br />
* Kühlaggregate (Kanal + Lüfter)<br />
<br />
Wozu eloxierte Oberflächen?<br />
* geringfügig höhere Wärmestrahlung (bei den niedrigen Temperaturen kaum ein Beitrag)<br />
* elektrische Isolation<br />
* Oberflächenschutz<br />
Nachteile:<br />
* erhöhte Wärmeaufnahme aus der unmittelbaren Umgebung!<br />
<br />
Stiftkühlkörper<br />
* hohe Oberfläche<br />
* bei dickem "Rücken"/"Boden" des Kühlkörpers gute Wärmespreizung<br />
* mit erzwungener Konvektion hohe Wärmeübertragung (quer zu den Stiften effektiver als in Stiftrichtung)<br />
* leichter und kompakter als Strangkühlkörper<br />
<br />
todo<br />
<br />
=Lüfter=<br />
Lüfter werden vor allem dann eingesetzt, wenn der Kühlkörper bei rein passiver Kühlung zur groß, zu schwer oder zu teuer wird. Beim Einsatz des Lüfters führt die erzwungene Luftströmung zur besseren Wärmeabgabe an die Luft. Bei gleicher Temperatur kann der Kühlkörper dann kleiner gewählt werden. Bei hohen Leistungen sind der kleinere Kühlkörper mit Lüfter preisgünstiger und kompakter als ein großer, rein passiver Kühlkörper. Um welchen Faktor die Wärmeableitung mit Lüfter verbessert wird, hängt von vielen Parametern ab und kann nicht pauschal angegeben werden.<br />
<br />
Vorteile<br />
* bessere Wärmeabgabe<br />
* Kühlkörper kann bei gleicher Temperatur kleiner, leichter und kostengünstiger werden<br />
* In kleinem Maßstab günstiger als Wasserkühlung o.ä.<br />
<br />
Nachteile<br />
* zusätzlicher Stromverbrauch<br />
* Geräuschentwicklung und Vibrationen<br />
* zusätzliche Kosten für Lüfter und dessen Montage<br />
* Im Falle eines unbemerkten Ausfalls kann die Schaltung überhitzen (Abhilfe: Thermostat, Temperaturfühler oder Tachosignal auswerten)<br />
<br />
Anordnungen:<br />
* Push-Prinzip: Der Lüfter bläst die Luft in den Kühlkörper/-kanal<br />
* Pull-Prinzip: Der Lüfter saugt die Luft aus dem Kühlkörper/-kanal heraus<br />
<br />
Kenngrößen:<br />
* Luftdurchsatz in <math>\frac{m^{3}}{h}</math><br />
* Nennspannung, Nennstrom, Nennleistung<br />
* Typ Axial/Radial<br />
* Größe<br />
* Geräuschpegel<br />
* Art der Lagerung (Kugellager, Sinterbronze-Lager etc.)<br />
* Temperaturbereich<br />
* Lebensdauer, MTBF<br />
<br />
=Kühlung auf einer Platine=<br />
Beim Leiterplattenentwurf muss bereits in der Designphase abgeschätzt werden, welche Verlustleistungen auftreten und wie die entstehende Wärme abgeführt werden kann. Die Größe, Bauform und Befestigung des Kühlkörpers muss ebenfalls berücksichtigt werden. Für Printmontage sind Kühlkörper verfügbar, welche mit lötbaren Stiften in die Platine gesteckt und verlötet werden. Alternativ sind Schraubverbindungen möglich.<br />
<br />
SMD-Bauteile können meist über die Platine gut entwärmt werden. Dies ist normalerweise nur bei geringen Verlustleistungen möglich. Die Abwärme der Bauteile muss auf eine möglichst große Fläche verteilt werden, durch große Kupferflächen auf der Platine kann dies erreicht werden. Da die Wärmeleitfähigkeit der Kupferauflage deutlich höher ist als die Wärmeleitfähigkeit des Platinenmaterials FR4, wird sich die Wärme hauptsächlich in der Fläche verteilen, jedoch weniger ''durch'' die Platine hindurch. Um die Wärmeleitung durch die Platine (z.B. von Ober- zu Unterseite) zu erhöhen, müssen Durchkontaktierungen gesetzt werden. Sogenannte "Thermal Vias" werden in einer großen Anzahl an das zu entwärmende Bauteil gesetzt und können damit die Wärme zu anderen Kupferlagen der Platine weiterleiten. Die Wärmeleitung durch die Platine hindurch wird verbessert, liegt aber dennoch deutlich unter der Wärmeleitfähigkeit von reinem Kupfer. Thermische Vias können aufgrund ihrer kleinen Masse kaum einen Beitrag zur gesamten "Kühlmasse" beitragen. Ob schließlich eine Entwärmung durch die Platine ausreicht, muss durch Simulation oder Messung gezeigt werden.<br />
<br />
Die Einbaulage der Platine kann die Entwärmung zudem beeinflussen. Erwärmte Umgebungsluft steigt nach oben und kann andere Komponenten oder Platinen aufheizen.<br />
<br />
Maßnahmen für bessere Entwärmung:<br />
<br />
* Durchkontaktierungen zur Wärmeleitung zwischen mehreren Kupferlagen, da der Platinenkern (bei FR4: glasfaserverstärktes Epoxidharz) idR. eine sehr schlechte Wärmeleitfähigkeit hat<br />
* Breite Leiterbahnen, welche Wärme abführen und auf eine große Fläche verteilen<br />
* Für große bedrahtete ICs (TO220, Multiwatt...) eignen sich Board-Level-Kühlkörper<br />
* Für kleinere ICs mit Wärmeentwicklung eignen sich aufklebbare Kühlkörper<br />
* Für SMD-Bauteile exisitieren auch Kühlkörper, die sich direkt auf die Platine löten lassen, diese sind auch maschinenbestückbar<br />
* Einsatz spezieller Platinenmaterialien (Alukern, Kupfer-Inlay)...<br />
* je nach Schaltung: dickere Kupferkaschierung für bessere Wärmeausbreitung in der Fläche (Standard sind 35µm, erhältlich sind auch 70µm und mehr)<br />
<br />
todo<br />
<br />
=Spezielle Kühlkörper=<br />
<br />
todo<br />
<br />
[[Kategorie:Elektronik]]<br />
[[Kategorie:Mechanik]] <br />
[[Kategorie:Praxis]] <br />
[[Kategorie:Grundlagen]]</div>BMShttps://rn-wissen.de/wiki/index.php?title=K%C3%BChlk%C3%B6rper&diff=26347Kühlkörper2015-05-02T08:46:17Z<p>BMS: Layout</p>
<hr />
<div>{{Baustelle|BMS}}<br />
<br />
Dieser Artikel behandelt die Grundlagen zu Kühlkörpern.<br />
<br />
[[Bild:kühlkörper-übersicht.jpg|thumb|Verschiedene Kühlkörper, links ein TO220-Gehäuse zum Größenvergleich]]<br />
<br />
=Einleitung=<br />
<br />
'''Wieso sind überhaupt Kühlkörper in technischen Geräten erforderlich?'''<br />
<br />
Kein Gerät kann einen 100-prozentigen Wirkungsgrad erzielen und somit tritt Verlustleistung auf. Diese Verlustleistung führt zur Erwärmung der Bauteile. Kühlkörper sollen die Entwärmung verbessern, indem die entstehende Wärme auf eine große Fläche verteilt wird und durch Konvektion an der Luft auskühlen kann. Die Temperatur an den heißen Bauteilen ist mit Kühlkörper geringer als ohne Kühlkörper.<br />
<br />
'''Wieso sind hohe Bauteiltemperaturen ungünstig?'''<br />
<br />
Die Lebensdauer aller elektronischen Bauteile ist stark von der Temperatur abhängig. Als Faustregel gilt: Eine Temperaturerhöhung um 10 Grad führt zur Halbierung der Lebensdauer. Außerdem gibt es Grenztemperaturen, die nicht überschritten werden dürfen. Beispielsweise dürfen Halbleiter keine Temperatur über 150°C erreichen. Extrembeispiele sind die Schmelztemperatur von Isolierungen, Lötzinn etc... sowie Brandgefahr durch hohe Temperaturen. Viele Bauteile können ohne vernünftige Kühlung nicht ihren vollen Funktionsumfang erreichen, liefern dann z.B. geringere Maximalströme oder es greift die Temperaturabschaltung. Anders formuliert: Die maximale Leistung eines Bauteils oder Geräts wird durch seine Entwärmung bestimmt! Zur eigenen Sicherheit bietet es sich zudem an, die Temperaturen niedrig zu halten, sodass man sich am Gerät nicht die Finger verbrennen kann ;)<br />
<br />
=Wärmeübertragung=<br />
Prinzipiell kann Wärmeübertragung über Wärmeleitung, Konvektion und Wärmestrahlung geschehen. In vielen Anwendungen treten mehrere Mechanismen gleichzeitig auf. Welcher Mechanismus hauptsächlich auftritt, ist von der mechanischen Anordnung, den Materialien und der Temperatur abhängig. Wärmeleitung und Konvektion sind die wichtigsten Arten der Wärmeübertragung, die in der Praxis auftreten. Nun zu den einzelnen Effekten:<br />
<br />
*'''Wärmeleitung'''<br />
*: Bei der Wärmeleitung wird die Wärme über einen direkten mechanischen Kontakt (Bsp. IC <math>\rightarrow</math>Kühlkörper) übertragen. Den beteiligten Materialien wird jeweils eine spezifische Wärmeleitfähigkeit <math>\lambda</math> zugeordnet, dazu später mehr.<br />
<br />
*'''Konvektion'''<br />
*: Mit Konvektion wird die Strömungsbewegung in Flüssigkeiten und Gasen bezeichnet. Praxisbeispiele sind die Wärmeabgabe eines Kühlkörpers an die Umgebungsluft oder auch eine Wasserkühlung. Von erzwungener Konvektion spricht man, wenn die Strömung durch z.B. einen Ventilator/Lüfter oder eine Wasserpumpe hervorgerufen wird. Im Vakuum kann keine Konvektion auftreten.<br />
<br />
*'''Wärmestrahlung'''<br />
*: Wärmestrahlung ist elektromagnetische Strahlung (hauptsächlich Infrarot und sichtbares Licht), die vom heißen Festkörper abgestrahlt wird. Sie wird erst bei höheren Temperaturen relevant und ist bei den üblichen Kühlkörpertemperaturen meist zu vernachlässigen. Erwähnt werden soll zudem, dass Wärmestrahlung der einzige Mechanismus der Wärmeleitung ist, welcher im Vakuum auftreten kann. (Für Details zu Wärmestrahlung siehe auch: Plancksches Strahlungsgesetz und Schwarzer Strahler).<br />
<br />
=Materialien=<br />
Jedes Material besitzt eine spezifische Wärmeleitfähigkeit, welche angibt, wie gut dieses Material Wärme weiter transportieren kann. Die spezifische Wärmeleitfähigkeit ist unabhängig von der Geometrie des Materials, wird mit der Größe <math>\lambda</math> (Lambda) ausgedrückt und erhält die Einheit <math>\frac{W}{m \cdot K}</math>.<br />
<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
|-<br />
| '''Material''' || '''<math>\lambda</math> in <math>\left[ \frac{W}{m \cdot K} \right]</math>'''<br />
|-<br />
| Silber || 430<br />
|-<br />
| Kupfer || 400<br />
|-<br />
| Aluminium || 230<br />
|-<br />
| Silizium || 140 <br />
|-<br />
| Wärmeleitpaste || 5 ... 10<br />
|-<br />
| Glas || 0,7<br />
|-<br />
| Wasser || 0,5<br />
|-<br />
| Platinenmaterial FR4 || 0,2 ... 0,5<br />
|-<br />
| Luft || 0,02<br />
|}<br />
<br />
Die meisten Kühlkörper werden aus Aluminiumlegierungen hergestellt. Für Aluminium spricht seine relativ hohe Wärmeleitfähigkeit, die hohe Verfügbarkeit und geringe Dichte. Im Vergleich zu Kupfer und Silber ist Aluminium deutlich kostengünstiger. Darüber hinaus lässt sich Aluminium mechanisch gut verarbeiten. Kupfer wird mit seiner höheren Wärmeleitfähigkeit z.B. bei Heatpipes eingesetzt.<br />
<br />
todo<br />
<br />
Wärmewiderstand <math>R_{th}=\frac{d}{\lambda \cdot A}</math><br />
<br />
d: Materialdicke, welche für die Wärmeleitung relevant ist<br />
<br />
<math>\lambda</math>spezifische Wärmeleitfähigkeit des Materials<br />
<br />
A: Querschnitts-/Kontaktfläche<br />
<br />
=Definitionen=<br />
Um vorauszusagen, wie sich die Temperaturen in einer Schaltung verhalten, bedient sich der Ingenieur - wie auch bei vielen anderen Anwendungen - eines Ersatzschaltbildes (ESB). Zur Erstellung eines thermischen Ersatzschaltbildes muss man sich aber zunächst mit den thermischen Größen vertraut machen.<br />
<br />
Die Temperaturen werden mit dem griechischen Buchstaben Theta <math>\theta</math> gekennzeichnet. Temperaturen werden in Grad Celsius (°C), Temperaturdifferenzen in Kelvin (K) angegeben. (Am Rande: Es existiert auch eine Kelvinskala mit dem absoluten Nullpunkt 0 K=-273,15°C). Die Temperaturen werden außerdem noch mit einem Index gekennzeichnet, abhängig von der mechanischen Stelle, an der sie auftreten:<br />
<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
|-<br />
| Symbol || Index || Bedeutung<br />
|-<br />
| <math>\vartheta_{J}</math> || J=Junction || Sperrschichttemperatur des Halbleiters<br />
|-<br />
| <math>\vartheta_{C}</math> || C=Case || Gehäusetemperatur des Bauteils<br />
|-<br />
| <math>\vartheta_{H}</math> || H=Heat Sink || Temperatur des Kühlkörpers<br />
|-<br />
| <math>\vartheta_{A}</math> || A=Ambient || Umgebungstemperatur<br />
|}<br />
<br />
Die Verlustleistung eines Bauteils beschreibt die Größe <math>P_{V}</math> und wird, wie allgemein bekannt, in Watt angegeben.<br />
<br />
Als neue Größe wird nun der thermische Widerstand eingeführt, dieser wird mit <math>R_{th}</math> beschrieben und bekommt die Einheit <math>\frac{K}{W}</math>. <br />
<br />
Für die thermischen Größen gibt es, ähnlich dem Ohmschen Gesetz, einen linearen Zusammenhang. Dieser lautet<br />
<br />
<math>R_{th}=\frac{\vartheta_{ü}}{P_{V}}</math><br />
<br />
todo<br />
<br />
==Vergleich elektrischer und thermischer Größen==<br />
Insgesamt können wir nun eine Analogie zwischen bekannten elektrischen Größen und den thermischen Größen angeben. Die schon gelernten Prinzipien zur Lösung linearer Netzwerke lässt sich auch bei den thermischen Ersatzschaltbildern anwenden.<br />
<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
|-<br />
| elektrisch || thermisch<br />
|-<br />
| Spannung U || Temperatur <math>\vartheta</math><br />
|-<br />
| Strom I || Verlustleistung <math>P_{V}</math><br />
|-<br />
| Widerstand R || thermischer Widerstand <math>R_{th}</math><br />
|}<br />
<br />
=Wärme-Ersatzschaltbilder=<br />
BAUSTELLE BAUSTELLE BAUSTELLE BAUSTELLE BAUSTELLE<br />
<br />
[[Bild:kühlkörper-schichten.png|300px]]<br />
<br />
TIM: Thermisches Interface-Material<br />
<br />
[[Bild:Therm-esb1.png|450px]]<br />
<br />
Beschreibung todo<br />
<br />
[[Bild:Therm-esb2.png|700px]]<br />
<br />
Beschreibung todo<br />
<br />
=Kühlkörperbauformen=<br />
* Board-Level-Kühlkörper (aufsteckbare/aufklebbare Kühlkörper, auch für SMD, meist 1 Kühlkörper pro IC)<br />
* Strang-/Profilkühlkörper (meist für hohe Leistungen)<br />
* Kühlaggregate (Kanal + Lüfter)<br />
<br />
Wozu eloxierte Oberflächen?<br />
* geringfügig höhere Wärmestrahlung (bei den niedrigen Temperaturen kaum ein Beitrag)<br />
* elektrische Isolation<br />
* Oberflächenschutz<br />
Nachteile:<br />
* erhöhte Wärmeaufnahme aus der unmittelbaren Umgebung!<br />
<br />
Stiftkühlkörper<br />
* hohe Oberfläche<br />
* bei dickem "Rücken"/"Boden" des Kühlkörpers gute Wärmespreizung<br />
* mit erzwungener Konvektion hohe Wärmeübertragung (quer zu den Stiften effektiver als in Stiftrichtung)<br />
* leichter und kompakter als Strangkühlkörper<br />
<br />
todo<br />
<br />
=Lüfter=<br />
Lüfter werden vor allem dann eingesetzt, wenn der Kühlkörper bei rein passiver Kühlung zur groß, zu schwer oder zu teuer wird. Beim Einsatz des Lüfters führt die erzwungene Luftströmung zur besseren Wärmeabgabe an die Luft. Bei gleicher Temperatur kann der Kühlkörper dann kleiner gewählt werden. Bei hohen Leistungen sind der kleinere Kühlkörper mit Lüfter preisgünstiger und kompakter als ein großer, rein passiver Kühlkörper. Um welchen Faktor die Wärmeableitung mit Lüfter verbessert wird, hängt von vielen Parametern ab und kann nicht pauschal angegeben werden.<br />
<br />
Vorteile<br />
* bessere Wärmeabgabe<br />
* Kühlkörper kann bei gleicher Temperatur kleiner, leichter und kostengünstiger werden<br />
* In kleinem Maßstab günstiger als Wasserkühlung o.ä.<br />
<br />
Nachteile<br />
* zusätzlicher Stromverbrauch<br />
* Geräuschentwicklung und Vibrationen<br />
* zusätzliche Kosten für Lüfter und dessen Montage<br />
* Im Falle eines unbemerkten Ausfalls kann die Schaltung überhitzen (Abhilfe: Thermostat, Temperaturfühler oder Tachosignal auswerten)<br />
<br />
Anordnungen:<br />
* Push-Prinzip: Der Lüfter bläst die Luft in den Kühlkörper/-kanal<br />
* Pull-Prinzip: Der Lüfter saugt die Luft aus dem Kühlkörper/-kanal heraus<br />
<br />
Kenngrößen:<br />
* Luftdurchsatz in <math>\frac{m^{3}}{h}</math><br />
* Nennspannung, Nennstrom, Nennleistung<br />
* Typ Axial/Radial<br />
* Größe<br />
* Geräuschpegel<br />
* Art der Lagerung (Kugellager, Sinterbronze-Lager etc.)<br />
* Temperaturbereich<br />
* Lebensdauer, MTBF<br />
<br />
=Kühlung auf einer Platine=<br />
Beim Leiterplattenentwurf muss bereits in der Designphase abgeschätzt werden, welche Verlustleistungen auftreten und wie die entstehende Wärme abgeführt werden kann. Die Größe, Bauform und Befestigung des Kühlkörpers muss ebenfalls berücksichtigt werden. Für Printmontage sind Kühlkörper verfügbar, welche mit lötbaren Stiften in die Platine gesteckt und verlötet werden. Alternativ sind Schraubverbindungen möglich.<br />
<br />
SMD-Bauteile können meist über die Platine gut entwärmt werden. Dies ist normalerweise nur bei geringen Verlustleistungen möglich. Die Abwärme der Bauteile muss auf eine möglichst große Fläche verteilt werden, durch große Kupferflächen auf der Platine kann dies erreicht werden. Da die Wärmeleitfähigkeit der Kupferauflage deutlich höher ist als die Wärmeleitfähigkeit des Platinenmaterials FR4, wird sich die Wärme hauptsächlich in der Fläche verteilen, jedoch weniger ''durch'' die Platine hindurch. Um die Wärmeleitung durch die Platine (z.B. von Ober- zu Unterseite) zu erhöhen, müssen Durchkontaktierungen gesetzt werden. Sogenannte "Thermal Vias" werden in einer großen Anzahl an das zu entwärmende Bauteil gesetzt und können damit die Wärme zu anderen Kupferlagen der Platine weiterleiten. Die Wärmeleitung durch die Platine hindurch wird verbessert, liegt aber dennoch deutlich unter der Wärmeleitfähigkeit von reinem Kupfer. Thermische Vias können aufgrund ihrer kleinen Masse kaum einen Beitrag zur gesamten "Kühlmasse" beitragen. Ob schließlich eine Entwärmung durch die Platine ausreicht, muss durch Simulation oder Messung gezeigt werden.<br />
<br />
Die Einbaulage der Platine kann die Entwärmung zudem beeinflussen. Erwärmte Umgebungsluft steigt nach oben und kann andere Komponenten oder Platinen aufheizen.<br />
<br />
Maßnahmen für bessere Entwärmung:<br />
<br />
* Durchkontaktierungen zur Wärmeleitung zwischen mehreren Kupferlagen, da der Platinenkern (bei FR4: glasfaserverstärktes Epoxidharz) idR. eine sehr schlechte Wärmeleitfähigkeit hat<br />
* Breite Leiterbahnen, welche Wärme abführen und auf eine große Fläche verteilen<br />
* Für große bedrahtete ICs (TO220, Multiwatt...) eignen sich Board-Level-Kühlkörper<br />
* Für kleinere ICs mit Wärmeentwicklung eignen sich aufklebbare Kühlkörper<br />
* Für SMD-Bauteile exisitieren auch Kühlkörper, die sich direkt auf die Platine löten lassen, diese sind auch maschinenbestückbar<br />
* Einsatz spezieller Platinenmaterialien (Alukern, Kupfer-Inlay)...<br />
* je nach Schaltung: dickere Kupferkaschierung für bessere Wärmeausbreitung in der Fläche (Standard sind 35µm, erhältlich sind auch 70µm und mehr)<br />
<br />
todo<br />
<br />
=Spezielle Kühlkörper=<br />
<br />
todo<br />
<br />
[[Kategorie:Elektronik]]<br />
[[Kategorie:Mechanik]] <br />
[[Kategorie:Praxis]] <br />
[[Kategorie:Grundlagen]]</div>BMShttps://rn-wissen.de/wiki/index.php?title=K%C3%BChlk%C3%B6rper&diff=26346Kühlkörper2015-05-01T19:03:27Z<p>BMS: /* Wärme-Ersatzschaltbilder */</p>
<hr />
<div>{{Baustelle|BMS}}<br />
<br />
Dieser Artikel behandelt die Grundlagen zu Kühlkörpern.<br />
<br />
[[Bild:kühlkörper-übersicht.jpg|thumb|Verschiedene Kühlkörper, links ein TO220-Gehäuse zum Größenvergleich]]<br />
<br />
=Einleitung=<br />
<br />
'''Wieso sind überhaupt Kühlkörper in technischen Geräten erforderlich?'''<br />
<br />
Kein Gerät kann einen 100-prozentigen Wirkungsgrad erzielen und somit tritt Verlustleistung auf. Diese Verlustleistung führt zur Erwärmung der Bauteile. Kühlkörper sollen die Entwärmung verbessern, indem die entstehende Wärme auf eine große Fläche verteilt wird und durch Konvektion an der Luft auskühlen kann. Die Temperatur an den heißen Bauteilen ist mit Kühlkörper geringer als ohne Kühlkörper.<br />
<br />
'''Wieso sind hohe Bauteiltemperaturen ungünstig?'''<br />
<br />
Die Lebensdauer aller elektronischen Bauteile ist stark von der Temperatur abhängig. Als Faustregel gilt: Eine Temperaturerhöhung um 10 Grad führt zur Halbierung der Lebensdauer. Außerdem gibt es Grenztemperaturen, die nicht überschritten werden dürfen. Beispielsweise dürfen Halbleiter keine Temperatur über 150°C erreichen. Extrembeispiele sind die Schmelztemperatur von Isolierungen, Lötzinn etc... sowie Brandgefahr durch hohe Temperaturen. Viele Bauteile können ohne vernünftige Kühlung nicht ihren vollen Funktionsumfang erreichen, liefern dann z.B. geringere Maximalströme oder es greift die Temperaturabschaltung. Anders formuliert: Die maximale Leistung eines Bauteils oder Geräts wird durch seine Entwärmung bestimmt! Zur eigenen Sicherheit bietet es sich zudem an, die Temperaturen niedrig zu halten, sodass man sich am Gerät nicht die Finger verbrennen kann ;)<br />
<br />
=Wärmeübertragung=<br />
Prinzipiell kann Wärmeübertragung über Wärmeleitung, Konvektion und Wärmestrahlung geschehen. In vielen Anwendungen treten mehrere Mechanismen gleichzeitig auf. Welcher Mechanismus hauptsächlich auftritt, ist von der mechanischen Anordnung, den Materialien und der Temperatur abhängig. Wärmeleitung und Konvektion sind die wichtigsten Arten der Wärmeübertragung, die in der Praxis auftreten.<br />
<br />
Bei der Wärmeleitung wird die Wärme über einen direkten mechanischen Kontakt (Bsp. IC <math>\rightarrow</math>Kühlkörper) übertragen. Den beteiligten Materialien wird jeweils eine spezifische Wärmeleitfähigkeit <math>\lambda</math> zugeordnet, dazu später mehr.<br />
<br />
Mit Konvektion wird die Strömungsbewegung in Flüssigkeiten und Gasen bezeichnet. Praxisbeispiele sind die Wärmeabgabe eines Kühlkörpers an die Umgebungsluft oder auch eine Wasserkühlung. Von erzwungener Konvektion spricht man, wenn die Strömung durch z.B. einen Ventilator/Lüfter oder eine Wasserpumpe hervorgerufen wird. Im Vakuum kann keine Konvektion auftreten.<br />
<br />
Wärmestrahlung ist elektromagnetische Strahlung (hauptsächlich Infrarot und sichtbares Licht), die vom heißen Festkörper abgestrahlt wird. Sie wird erst bei höheren Temperaturen relevant und ist bei den üblichen Kühlkörpertemperaturen meist zu vernachlässigen. Erwähnt werden soll zudem, dass Wärmestrahlung der einzige Mechanismus der Wärmeleitung ist, welcher im Vakuum auftreten kann. (Für Details zu Wärmestrahlung siehe auch: Plancksches Strahlungsgesetz und Schwarzer Strahler).<br />
<br />
=Materialien=<br />
Jedes Material besitzt eine spezifische Wärmeleitfähigkeit, welche angibt, wie gut dieses Material Wärme weiter transportieren kann. Die spezifische Wärmeleitfähigkeit ist unabhängig von der Geometrie des Materials, wird mit der Größe <math>\lambda</math> (Lambda) ausgedrückt und erhält die Einheit <math>\frac{W}{m \cdot K}</math>.<br />
<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
|-<br />
| '''Material''' || '''<math>\lambda</math> in <math>\left[ \frac{W}{m \cdot K} \right]</math>'''<br />
|-<br />
| Silber || 430<br />
|-<br />
| Kupfer || 400<br />
|-<br />
| Aluminium || 230<br />
|-<br />
| Silizium || 140 <br />
|-<br />
| Wärmeleitpaste || 5 ... 10<br />
|-<br />
| Glas || 0,7<br />
|-<br />
| Wasser || 0,5<br />
|-<br />
| Platinenmaterial FR4 || 0,2 ... 0,5<br />
|-<br />
| Luft || 0,02<br />
|}<br />
<br />
Die meisten Kühlkörper werden aus Aluminiumlegierungen hergestellt. Für Aluminium spricht seine relativ hohe Wärmeleitfähigkeit, die hohe Verfügbarkeit und geringe Dichte. Im Vergleich zu Kupfer und Silber ist Aluminium deutlich kostengünstiger. Darüber hinaus lässt sich Aluminium mechanisch gut verarbeiten. Kupfer wird mit seiner höheren Wärmeleitfähigkeit z.B. bei Heatpipes eingesetzt.<br />
<br />
todo<br />
<br />
Wärmewiderstand <math>R_{th}=\frac{d}{\lambda \cdot A}</math><br />
<br />
d: Materialdicke, welche für die Wärmeleitung relevant ist<br />
<br />
<math>\lambda</math>spezifische Wärmeleitfähigkeit des Materials<br />
<br />
A: Querschnitts-/Kontaktfläche<br />
<br />
=Definitionen=<br />
Um vorauszusagen, wie sich die Temperaturen in einer Schaltung verhalten, bedient sich der Ingenieur - wie auch bei vielen anderen Anwendungen - eines Ersatzschaltbildes (ESB). Zur Erstellung eines thermischen Ersatzschaltbildes muss man sich aber zunächst mit den thermischen Größen vertraut machen.<br />
<br />
Die Temperaturen werden mit dem griechischen Buchstaben Theta <math>\theta</math> gekennzeichnet. Temperaturen werden in Grad Celsius (°C), Temperaturdifferenzen in Kelvin (K) angegeben. (Am Rande: Es existiert auch eine Kelvinskala mit dem absoluten Nullpunkt 0 K=-273,15°C). Die Temperaturen werden außerdem noch mit einem Index gekennzeichnet, abhängig von der mechanischen Stelle, an der sie auftreten:<br />
<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
|-<br />
| Symbol || Index || Bedeutung<br />
|-<br />
| <math>\vartheta_{J}</math> || J=Junction || Sperrschichttemperatur des Halbleiters<br />
|-<br />
| <math>\vartheta_{C}</math> || C=Case || Gehäusetemperatur des Bauteils<br />
|-<br />
| <math>\vartheta_{H}</math> || H=Heat Sink || Temperatur des Kühlkörpers<br />
|-<br />
| <math>\vartheta_{A}</math> || A=Ambient || Umgebungstemperatur<br />
|}<br />
<br />
Die Verlustleistung eines Bauteils beschreibt die Größe <math>P_{V}</math> und wird, wie allgemein bekannt, in Watt angegeben.<br />
<br />
Als neue Größe wird nun der thermische Widerstand eingeführt, dieser wird mit <math>R_{th}</math> beschrieben und bekommt die Einheit <math>\frac{K}{W}</math>. <br />
<br />
Für die thermischen Größen gibt es, ähnlich dem Ohmschen Gesetz, einen linearen Zusammenhang. Dieser lautet<br />
<br />
<math>R_{th}=\frac{\vartheta_{ü}}{P_{V}}</math><br />
<br />
todo<br />
<br />
==Vergleich elektrischer und thermischer Größen==<br />
Insgesamt können wir nun eine Analogie zwischen bekannten elektrischen Größen und den thermischen Größen angeben. Die schon gelernten Prinzipien zur Lösung linearer Netzwerke lässt sich auch bei den thermischen Ersatzschaltbildern anwenden.<br />
<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
|-<br />
| elektrisch || thermisch<br />
|-<br />
| Spannung U || Temperatur <math>\vartheta</math><br />
|-<br />
| Strom I || Verlustleistung <math>P_{V}</math><br />
|-<br />
| Widerstand R || thermischer Widerstand <math>R_{th}</math><br />
|}<br />
<br />
=Wärme-Ersatzschaltbilder=<br />
BAUSTELLE BAUSTELLE BAUSTELLE BAUSTELLE BAUSTELLE<br />
<br />
[[Bild:kühlkörper-schichten.png|300px]]<br />
<br />
TIM: Thermisches Interface-Material<br />
<br />
[[Bild:Therm-esb1.png|450px]]<br />
<br />
Beschreibung todo<br />
<br />
[[Bild:Therm-esb2.png|700px]]<br />
<br />
Beschreibung todo<br />
<br />
=Kühlkörperbauformen=<br />
* Board-Level-Kühlkörper (aufsteckbare/aufklebbare Kühlkörper, auch für SMD, meist 1 Kühlkörper pro IC)<br />
* Strang-/Profilkühlkörper (meist für hohe Leistungen)<br />
* Kühlaggregate (Kanal + Lüfter)<br />
<br />
Wozu eloxierte Oberflächen?<br />
* geringfügig höhere Wärmestrahlung (bei den niedrigen Temperaturen kaum ein Beitrag)<br />
* elektrische Isolation<br />
* Oberflächenschutz<br />
Nachteile:<br />
* erhöhte Wärmeaufnahme aus der unmittelbaren Umgebung!<br />
<br />
Stiftkühlkörper<br />
* hohe Oberfläche<br />
* bei dickem "Rücken"/"Boden" des Kühlkörpers gute Wärmespreizung<br />
* mit erzwungener Konvektion hohe Wärmeübertragung (quer zu den Stiften effektiver als in Stiftrichtung)<br />
* leichter und kompakter als Strangkühlkörper<br />
<br />
todo<br />
<br />
=Lüfter=<br />
Lüfter werden vor allem dann eingesetzt, wenn der Kühlkörper bei rein passiver Kühlung zur groß, zu schwer oder zu teuer wird. Beim Einsatz des Lüfters führt die erzwungene Luftströmung zur besseren Wärmeabgabe an die Luft. Bei gleicher Temperatur kann der Kühlkörper dann kleiner gewählt werden. Bei hohen Leistungen sind der kleinere Kühlkörper mit Lüfter preisgünstiger und kompakter als ein großer, rein passiver Kühlkörper. Um welchen Faktor die Wärmeableitung mit Lüfter verbessert wird, hängt von vielen Parametern ab und kann nicht pauschal angegeben werden.<br />
<br />
Vorteile<br />
* bessere Wärmeabgabe<br />
* Kühlkörper kann bei gleicher Temperatur kleiner, leichter und kostengünstiger werden<br />
* In kleinem Maßstab günstiger als Wasserkühlung o.ä.<br />
<br />
Nachteile<br />
* zusätzlicher Stromverbrauch<br />
* Geräuschentwicklung und Vibrationen<br />
* zusätzliche Kosten für Lüfter und dessen Montage<br />
* Im Falle eines unbemerkten Ausfalls kann die Schaltung überhitzen (Abhilfe: Thermostat, Temperaturfühler oder Tachosignal auswerten)<br />
<br />
Anordnungen:<br />
* Push-Prinzip: Der Lüfter bläst die Luft in den Kühlkörper/-kanal<br />
* Pull-Prinzip: Der Lüfter saugt die Luft aus dem Kühlkörper/-kanal heraus<br />
<br />
Kenngrößen:<br />
* Luftdurchsatz in <math>\frac{m^{3}}{h}</math><br />
* Nennspannung, Nennstrom, Nennleistung<br />
* Typ Axial/Radial<br />
* Größe<br />
* Geräuschpegel<br />
* Art der Lagerung (Kugellager, Sinterbronze-Lager etc.)<br />
* Temperaturbereich<br />
* Lebensdauer, MTBF<br />
<br />
=Kühlung auf einer Platine=<br />
Beim Leiterplattenentwurf muss bereits in der Designphase abgeschätzt werden, welche Verlustleistungen auftreten und wie die entstehende Wärme abgeführt werden kann. Die Größe, Bauform und Befestigung des Kühlkörpers muss ebenfalls berücksichtigt werden. Für Printmontage sind Kühlkörper verfügbar, welche mit lötbaren Stiften in die Platine gesteckt und verlötet werden. Alternativ sind Schraubverbindungen möglich.<br />
<br />
SMD-Bauteile können meist über die Platine gut entwärmt werden. Dies ist normalerweise nur bei geringen Verlustleistungen möglich. Die Abwärme der Bauteile muss auf eine möglichst große Fläche verteilt werden, durch große Kupferflächen auf der Platine kann dies erreicht werden. Da die Wärmeleitfähigkeit der Kupferauflage deutlich höher ist als die Wärmeleitfähigkeit des Platinenmaterials FR4, wird sich die Wärme hauptsächlich in der Fläche verteilen, jedoch weniger ''durch'' die Platine hindurch. Um die Wärmeleitung durch die Platine (z.B. von Ober- zu Unterseite) zu erhöhen, müssen Durchkontaktierungen gesetzt werden. Sogenannte "Thermal Vias" werden in einer großen Anzahl an das zu entwärmende Bauteil gesetzt und können damit die Wärme zu anderen Kupferlagen der Platine weiterleiten. Die Wärmeleitung durch die Platine hindurch wird verbessert, liegt aber dennoch deutlich unter der Wärmeleitfähigkeit von reinem Kupfer. Thermische Vias können aufgrund ihrer kleinen Masse kaum einen Beitrag zur gesamten "Kühlmasse" beitragen. Ob schließlich eine Entwärmung durch die Platine ausreicht, muss durch Simulation oder Messung gezeigt werden.<br />
<br />
Die Einbaulage der Platine kann die Entwärmung zudem beeinflussen. Erwärmte Umgebungsluft steigt nach oben und kann andere Komponenten oder Platinen aufheizen.<br />
<br />
Maßnahmen für bessere Entwärmung:<br />
<br />
* Durchkontaktierungen zur Wärmeleitung zwischen mehreren Kupferlagen, da der Platinenkern (bei FR4: glasfaserverstärktes Epoxidharz) idR. eine sehr schlechte Wärmeleitfähigkeit hat<br />
* Breite Leiterbahnen, welche Wärme abführen und auf eine große Fläche verteilen<br />
* Für große bedrahtete ICs (TO220, Multiwatt...) eignen sich Board-Level-Kühlkörper<br />
* Für kleinere ICs mit Wärmeentwicklung eignen sich aufklebbare Kühlkörper<br />
* Für SMD-Bauteile exisitieren auch Kühlkörper, die sich direkt auf die Platine löten lassen, diese sind auch maschinenbestückbar<br />
* Einsatz spezieller Platinenmaterialien (Alukern, Kupfer-Inlay)...<br />
* je nach Schaltung: dickere Kupferkaschierung für bessere Wärmeausbreitung in der Fläche (Standard sind 35µm, erhältlich sind auch 70µm und mehr)<br />
<br />
todo<br />
<br />
=Spezielle Kühlkörper=<br />
<br />
todo<br />
<br />
[[Kategorie:Elektronik]]<br />
[[Kategorie:Mechanik]] <br />
[[Kategorie:Praxis]] <br />
[[Kategorie:Grundlagen]]</div>BMShttps://rn-wissen.de/wiki/index.php?title=Datei:Therm-esb2.png&diff=26345Datei:Therm-esb2.png2015-05-01T19:01:46Z<p>BMS: Thermisches Ersatzschaltbild mit Junction-Case-TIM-Heatsink-Ambient
Eigene Zeichnung</p>
<hr />
<div>Thermisches Ersatzschaltbild mit Junction-Case-TIM-Heatsink-Ambient<br />
<br />
Eigene Zeichnung</div>BMShttps://rn-wissen.de/wiki/index.php?title=K%C3%BChlk%C3%B6rper&diff=26344Kühlkörper2015-05-01T18:55:29Z<p>BMS: /* Wärme-Ersatzschaltbilder */</p>
<hr />
<div>{{Baustelle|BMS}}<br />
<br />
Dieser Artikel behandelt die Grundlagen zu Kühlkörpern.<br />
<br />
[[Bild:kühlkörper-übersicht.jpg|thumb|Verschiedene Kühlkörper, links ein TO220-Gehäuse zum Größenvergleich]]<br />
<br />
=Einleitung=<br />
<br />
'''Wieso sind überhaupt Kühlkörper in technischen Geräten erforderlich?'''<br />
<br />
Kein Gerät kann einen 100-prozentigen Wirkungsgrad erzielen und somit tritt Verlustleistung auf. Diese Verlustleistung führt zur Erwärmung der Bauteile. Kühlkörper sollen die Entwärmung verbessern, indem die entstehende Wärme auf eine große Fläche verteilt wird und durch Konvektion an der Luft auskühlen kann. Die Temperatur an den heißen Bauteilen ist mit Kühlkörper geringer als ohne Kühlkörper.<br />
<br />
'''Wieso sind hohe Bauteiltemperaturen ungünstig?'''<br />
<br />
Die Lebensdauer aller elektronischen Bauteile ist stark von der Temperatur abhängig. Als Faustregel gilt: Eine Temperaturerhöhung um 10 Grad führt zur Halbierung der Lebensdauer. Außerdem gibt es Grenztemperaturen, die nicht überschritten werden dürfen. Beispielsweise dürfen Halbleiter keine Temperatur über 150°C erreichen. Extrembeispiele sind die Schmelztemperatur von Isolierungen, Lötzinn etc... sowie Brandgefahr durch hohe Temperaturen. Viele Bauteile können ohne vernünftige Kühlung nicht ihren vollen Funktionsumfang erreichen, liefern dann z.B. geringere Maximalströme oder es greift die Temperaturabschaltung. Anders formuliert: Die maximale Leistung eines Bauteils oder Geräts wird durch seine Entwärmung bestimmt! Zur eigenen Sicherheit bietet es sich zudem an, die Temperaturen niedrig zu halten, sodass man sich am Gerät nicht die Finger verbrennen kann ;)<br />
<br />
=Wärmeübertragung=<br />
Prinzipiell kann Wärmeübertragung über Wärmeleitung, Konvektion und Wärmestrahlung geschehen. In vielen Anwendungen treten mehrere Mechanismen gleichzeitig auf. Welcher Mechanismus hauptsächlich auftritt, ist von der mechanischen Anordnung, den Materialien und der Temperatur abhängig. Wärmeleitung und Konvektion sind die wichtigsten Arten der Wärmeübertragung, die in der Praxis auftreten.<br />
<br />
Bei der Wärmeleitung wird die Wärme über einen direkten mechanischen Kontakt (Bsp. IC <math>\rightarrow</math>Kühlkörper) übertragen. Den beteiligten Materialien wird jeweils eine spezifische Wärmeleitfähigkeit <math>\lambda</math> zugeordnet, dazu später mehr.<br />
<br />
Mit Konvektion wird die Strömungsbewegung in Flüssigkeiten und Gasen bezeichnet. Praxisbeispiele sind die Wärmeabgabe eines Kühlkörpers an die Umgebungsluft oder auch eine Wasserkühlung. Von erzwungener Konvektion spricht man, wenn die Strömung durch z.B. einen Ventilator/Lüfter oder eine Wasserpumpe hervorgerufen wird. Im Vakuum kann keine Konvektion auftreten.<br />
<br />
Wärmestrahlung ist elektromagnetische Strahlung (hauptsächlich Infrarot und sichtbares Licht), die vom heißen Festkörper abgestrahlt wird. Sie wird erst bei höheren Temperaturen relevant und ist bei den üblichen Kühlkörpertemperaturen meist zu vernachlässigen. Erwähnt werden soll zudem, dass Wärmestrahlung der einzige Mechanismus der Wärmeleitung ist, welcher im Vakuum auftreten kann. (Für Details zu Wärmestrahlung siehe auch: Plancksches Strahlungsgesetz und Schwarzer Strahler).<br />
<br />
=Materialien=<br />
Jedes Material besitzt eine spezifische Wärmeleitfähigkeit, welche angibt, wie gut dieses Material Wärme weiter transportieren kann. Die spezifische Wärmeleitfähigkeit ist unabhängig von der Geometrie des Materials, wird mit der Größe <math>\lambda</math> (Lambda) ausgedrückt und erhält die Einheit <math>\frac{W}{m \cdot K}</math>.<br />
<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
|-<br />
| '''Material''' || '''<math>\lambda</math> in <math>\left[ \frac{W}{m \cdot K} \right]</math>'''<br />
|-<br />
| Silber || 430<br />
|-<br />
| Kupfer || 400<br />
|-<br />
| Aluminium || 230<br />
|-<br />
| Silizium || 140 <br />
|-<br />
| Wärmeleitpaste || 5 ... 10<br />
|-<br />
| Glas || 0,7<br />
|-<br />
| Wasser || 0,5<br />
|-<br />
| Platinenmaterial FR4 || 0,2 ... 0,5<br />
|-<br />
| Luft || 0,02<br />
|}<br />
<br />
Die meisten Kühlkörper werden aus Aluminiumlegierungen hergestellt. Für Aluminium spricht seine relativ hohe Wärmeleitfähigkeit, die hohe Verfügbarkeit und geringe Dichte. Im Vergleich zu Kupfer und Silber ist Aluminium deutlich kostengünstiger. Darüber hinaus lässt sich Aluminium mechanisch gut verarbeiten. Kupfer wird mit seiner höheren Wärmeleitfähigkeit z.B. bei Heatpipes eingesetzt.<br />
<br />
todo<br />
<br />
Wärmewiderstand <math>R_{th}=\frac{d}{\lambda \cdot A}</math><br />
<br />
d: Materialdicke, welche für die Wärmeleitung relevant ist<br />
<br />
<math>\lambda</math>spezifische Wärmeleitfähigkeit des Materials<br />
<br />
A: Querschnitts-/Kontaktfläche<br />
<br />
=Definitionen=<br />
Um vorauszusagen, wie sich die Temperaturen in einer Schaltung verhalten, bedient sich der Ingenieur - wie auch bei vielen anderen Anwendungen - eines Ersatzschaltbildes (ESB). Zur Erstellung eines thermischen Ersatzschaltbildes muss man sich aber zunächst mit den thermischen Größen vertraut machen.<br />
<br />
Die Temperaturen werden mit dem griechischen Buchstaben Theta <math>\theta</math> gekennzeichnet. Temperaturen werden in Grad Celsius (°C), Temperaturdifferenzen in Kelvin (K) angegeben. (Am Rande: Es existiert auch eine Kelvinskala mit dem absoluten Nullpunkt 0 K=-273,15°C). Die Temperaturen werden außerdem noch mit einem Index gekennzeichnet, abhängig von der mechanischen Stelle, an der sie auftreten:<br />
<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
|-<br />
| Symbol || Index || Bedeutung<br />
|-<br />
| <math>\vartheta_{J}</math> || J=Junction || Sperrschichttemperatur des Halbleiters<br />
|-<br />
| <math>\vartheta_{C}</math> || C=Case || Gehäusetemperatur des Bauteils<br />
|-<br />
| <math>\vartheta_{H}</math> || H=Heat Sink || Temperatur des Kühlkörpers<br />
|-<br />
| <math>\vartheta_{A}</math> || A=Ambient || Umgebungstemperatur<br />
|}<br />
<br />
Die Verlustleistung eines Bauteils beschreibt die Größe <math>P_{V}</math> und wird, wie allgemein bekannt, in Watt angegeben.<br />
<br />
Als neue Größe wird nun der thermische Widerstand eingeführt, dieser wird mit <math>R_{th}</math> beschrieben und bekommt die Einheit <math>\frac{K}{W}</math>. <br />
<br />
Für die thermischen Größen gibt es, ähnlich dem Ohmschen Gesetz, einen linearen Zusammenhang. Dieser lautet<br />
<br />
<math>R_{th}=\frac{\vartheta_{ü}}{P_{V}}</math><br />
<br />
todo<br />
<br />
==Vergleich elektrischer und thermischer Größen==<br />
Insgesamt können wir nun eine Analogie zwischen bekannten elektrischen Größen und den thermischen Größen angeben. Die schon gelernten Prinzipien zur Lösung linearer Netzwerke lässt sich auch bei den thermischen Ersatzschaltbildern anwenden.<br />
<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
|-<br />
| elektrisch || thermisch<br />
|-<br />
| Spannung U || Temperatur <math>\vartheta</math><br />
|-<br />
| Strom I || Verlustleistung <math>P_{V}</math><br />
|-<br />
| Widerstand R || thermischer Widerstand <math>R_{th}</math><br />
|}<br />
<br />
=Wärme-Ersatzschaltbilder=<br />
BAUSTELLE BAUSTELLE BAUSTELLE BAUSTELLE BAUSTELLE<br />
<br />
[[Bild:kühlkörper-schichten.png|300px]]<br />
<br />
TIM: Thermisches Interface-Material<br />
<br />
[[Bild:Therm-esb1.png|500px]]<br />
<br />
Beschreibung todo<br />
<br />
=Kühlkörperbauformen=<br />
* Board-Level-Kühlkörper (aufsteckbare/aufklebbare Kühlkörper, auch für SMD, meist 1 Kühlkörper pro IC)<br />
* Strang-/Profilkühlkörper (meist für hohe Leistungen)<br />
* Kühlaggregate (Kanal + Lüfter)<br />
<br />
Wozu eloxierte Oberflächen?<br />
* geringfügig höhere Wärmestrahlung (bei den niedrigen Temperaturen kaum ein Beitrag)<br />
* elektrische Isolation<br />
* Oberflächenschutz<br />
Nachteile:<br />
* erhöhte Wärmeaufnahme aus der unmittelbaren Umgebung!<br />
<br />
Stiftkühlkörper<br />
* hohe Oberfläche<br />
* bei dickem "Rücken"/"Boden" des Kühlkörpers gute Wärmespreizung<br />
* mit erzwungener Konvektion hohe Wärmeübertragung (quer zu den Stiften effektiver als in Stiftrichtung)<br />
* leichter und kompakter als Strangkühlkörper<br />
<br />
todo<br />
<br />
=Lüfter=<br />
Lüfter werden vor allem dann eingesetzt, wenn der Kühlkörper bei rein passiver Kühlung zur groß, zu schwer oder zu teuer wird. Beim Einsatz des Lüfters führt die erzwungene Luftströmung zur besseren Wärmeabgabe an die Luft. Bei gleicher Temperatur kann der Kühlkörper dann kleiner gewählt werden. Bei hohen Leistungen sind der kleinere Kühlkörper mit Lüfter preisgünstiger und kompakter als ein großer, rein passiver Kühlkörper. Um welchen Faktor die Wärmeableitung mit Lüfter verbessert wird, hängt von vielen Parametern ab und kann nicht pauschal angegeben werden.<br />
<br />
Vorteile<br />
* bessere Wärmeabgabe<br />
* Kühlkörper kann bei gleicher Temperatur kleiner, leichter und kostengünstiger werden<br />
* In kleinem Maßstab günstiger als Wasserkühlung o.ä.<br />
<br />
Nachteile<br />
* zusätzlicher Stromverbrauch<br />
* Geräuschentwicklung und Vibrationen<br />
* zusätzliche Kosten für Lüfter und dessen Montage<br />
* Im Falle eines unbemerkten Ausfalls kann die Schaltung überhitzen (Abhilfe: Thermostat, Temperaturfühler oder Tachosignal auswerten)<br />
<br />
Anordnungen:<br />
* Push-Prinzip: Der Lüfter bläst die Luft in den Kühlkörper/-kanal<br />
* Pull-Prinzip: Der Lüfter saugt die Luft aus dem Kühlkörper/-kanal heraus<br />
<br />
Kenngrößen:<br />
* Luftdurchsatz in <math>\frac{m^{3}}{h}</math><br />
* Nennspannung, Nennstrom, Nennleistung<br />
* Typ Axial/Radial<br />
* Größe<br />
* Geräuschpegel<br />
* Art der Lagerung (Kugellager, Sinterbronze-Lager etc.)<br />
* Temperaturbereich<br />
* Lebensdauer, MTBF<br />
<br />
=Kühlung auf einer Platine=<br />
Beim Leiterplattenentwurf muss bereits in der Designphase abgeschätzt werden, welche Verlustleistungen auftreten und wie die entstehende Wärme abgeführt werden kann. Die Größe, Bauform und Befestigung des Kühlkörpers muss ebenfalls berücksichtigt werden. Für Printmontage sind Kühlkörper verfügbar, welche mit lötbaren Stiften in die Platine gesteckt und verlötet werden. Alternativ sind Schraubverbindungen möglich.<br />
<br />
SMD-Bauteile können meist über die Platine gut entwärmt werden. Dies ist normalerweise nur bei geringen Verlustleistungen möglich. Die Abwärme der Bauteile muss auf eine möglichst große Fläche verteilt werden, durch große Kupferflächen auf der Platine kann dies erreicht werden. Da die Wärmeleitfähigkeit der Kupferauflage deutlich höher ist als die Wärmeleitfähigkeit des Platinenmaterials FR4, wird sich die Wärme hauptsächlich in der Fläche verteilen, jedoch weniger ''durch'' die Platine hindurch. Um die Wärmeleitung durch die Platine (z.B. von Ober- zu Unterseite) zu erhöhen, müssen Durchkontaktierungen gesetzt werden. Sogenannte "Thermal Vias" werden in einer großen Anzahl an das zu entwärmende Bauteil gesetzt und können damit die Wärme zu anderen Kupferlagen der Platine weiterleiten. Die Wärmeleitung durch die Platine hindurch wird verbessert, liegt aber dennoch deutlich unter der Wärmeleitfähigkeit von reinem Kupfer. Thermische Vias können aufgrund ihrer kleinen Masse kaum einen Beitrag zur gesamten "Kühlmasse" beitragen. Ob schließlich eine Entwärmung durch die Platine ausreicht, muss durch Simulation oder Messung gezeigt werden.<br />
<br />
Die Einbaulage der Platine kann die Entwärmung zudem beeinflussen. Erwärmte Umgebungsluft steigt nach oben und kann andere Komponenten oder Platinen aufheizen.<br />
<br />
Maßnahmen für bessere Entwärmung:<br />
<br />
* Durchkontaktierungen zur Wärmeleitung zwischen mehreren Kupferlagen, da der Platinenkern (bei FR4: glasfaserverstärktes Epoxidharz) idR. eine sehr schlechte Wärmeleitfähigkeit hat<br />
* Breite Leiterbahnen, welche Wärme abführen und auf eine große Fläche verteilen<br />
* Für große bedrahtete ICs (TO220, Multiwatt...) eignen sich Board-Level-Kühlkörper<br />
* Für kleinere ICs mit Wärmeentwicklung eignen sich aufklebbare Kühlkörper<br />
* Für SMD-Bauteile exisitieren auch Kühlkörper, die sich direkt auf die Platine löten lassen, diese sind auch maschinenbestückbar<br />
* Einsatz spezieller Platinenmaterialien (Alukern, Kupfer-Inlay)...<br />
* je nach Schaltung: dickere Kupferkaschierung für bessere Wärmeausbreitung in der Fläche (Standard sind 35µm, erhältlich sind auch 70µm und mehr)<br />
<br />
todo<br />
<br />
=Spezielle Kühlkörper=<br />
<br />
todo<br />
<br />
[[Kategorie:Elektronik]]<br />
[[Kategorie:Mechanik]] <br />
[[Kategorie:Praxis]] <br />
[[Kategorie:Grundlagen]]</div>BMShttps://rn-wissen.de/wiki/index.php?title=Datei:Therm-esb1.png&diff=26343Datei:Therm-esb1.png2015-05-01T18:51:28Z<p>BMS: Thermisches Ersatzschaltbild mit Junction-Case-Ambient (d.h. Bauteil->Umgebung ohne Kühlkörper o.ä.)
Eigene Zeichnung</p>
<hr />
<div>Thermisches Ersatzschaltbild mit Junction-Case-Ambient (d.h. Bauteil->Umgebung ohne Kühlkörper o.ä.)<br />
<br />
Eigene Zeichnung</div>BMShttps://rn-wissen.de/wiki/index.php?title=K%C3%BChlk%C3%B6rper&diff=26338Kühlkörper2015-04-19T08:40:05Z<p>BMS: /* Wärme-Ersatzschaltbilder */</p>
<hr />
<div>{{Baustelle|BMS}}<br />
<br />
Dieser Artikel behandelt die Grundlagen zu Kühlkörpern.<br />
<br />
[[Bild:kühlkörper-übersicht.jpg|thumb|Verschiedene Kühlkörper, links ein TO220-Gehäuse zum Größenvergleich]]<br />
<br />
=Einleitung=<br />
<br />
'''Wieso sind überhaupt Kühlkörper in technischen Geräten erforderlich?'''<br />
<br />
Kein Gerät kann einen 100-prozentigen Wirkungsgrad erzielen und somit tritt Verlustleistung auf. Diese Verlustleistung führt zur Erwärmung der Bauteile. Kühlkörper sollen die Entwärmung verbessern, indem die entstehende Wärme auf eine große Fläche verteilt wird und durch Konvektion an der Luft auskühlen kann. Die Temperatur an den heißen Bauteilen ist mit Kühlkörper geringer als ohne Kühlkörper.<br />
<br />
'''Wieso sind hohe Bauteiltemperaturen ungünstig?'''<br />
<br />
Die Lebensdauer aller elektronischen Bauteile ist stark von der Temperatur abhängig. Als Faustregel gilt: Eine Temperaturerhöhung um 10 Grad führt zur Halbierung der Lebensdauer. Außerdem gibt es Grenztemperaturen, die nicht überschritten werden dürfen. Beispielsweise dürfen Halbleiter keine Temperatur über 150°C erreichen. Extrembeispiele sind die Schmelztemperatur von Isolierungen, Lötzinn etc... sowie Brandgefahr durch hohe Temperaturen. Viele Bauteile können ohne vernünftige Kühlung nicht ihren vollen Funktionsumfang erreichen, liefern dann z.B. geringere Maximalströme oder es greift die Temperaturabschaltung. Anders formuliert: Die maximale Leistung eines Bauteils oder Geräts wird durch seine Entwärmung bestimmt! Zur eigenen Sicherheit bietet es sich zudem an, die Temperaturen niedrig zu halten, sodass man sich am Gerät nicht die Finger verbrennen kann ;)<br />
<br />
=Wärmeübertragung=<br />
Prinzipiell kann Wärmeübertragung über Wärmeleitung, Konvektion und Wärmestrahlung geschehen. In vielen Anwendungen treten mehrere Mechanismen gleichzeitig auf. Welcher Mechanismus hauptsächlich auftritt, ist von der mechanischen Anordnung, den Materialien und der Temperatur abhängig. Wärmeleitung und Konvektion sind die wichtigsten Arten der Wärmeübertragung, die in der Praxis auftreten.<br />
<br />
Bei der Wärmeleitung wird die Wärme über einen direkten mechanischen Kontakt (Bsp. IC <math>\rightarrow</math>Kühlkörper) übertragen. Den beteiligten Materialien wird jeweils eine spezifische Wärmeleitfähigkeit <math>\lambda</math> zugeordnet, dazu später mehr.<br />
<br />
Mit Konvektion wird die Strömungsbewegung in Flüssigkeiten und Gasen bezeichnet. Praxisbeispiele sind die Wärmeabgabe eines Kühlkörpers an die Umgebungsluft oder auch eine Wasserkühlung. Von erzwungener Konvektion spricht man, wenn die Strömung durch z.B. einen Ventilator/Lüfter oder eine Wasserpumpe hervorgerufen wird. Im Vakuum kann keine Konvektion auftreten.<br />
<br />
Wärmestrahlung ist elektromagnetische Strahlung (hauptsächlich Infrarot und sichtbares Licht), die vom heißen Festkörper abgestrahlt wird. Sie wird erst bei höheren Temperaturen relevant und ist bei den üblichen Kühlkörpertemperaturen meist zu vernachlässigen. Erwähnt werden soll zudem, dass Wärmestrahlung der einzige Mechanismus der Wärmeleitung ist, welcher im Vakuum auftreten kann. (Für Details zu Wärmestrahlung siehe auch: Plancksches Strahlungsgesetz und Schwarzer Strahler).<br />
<br />
=Materialien=<br />
Jedes Material besitzt eine spezifische Wärmeleitfähigkeit, welche angibt, wie gut dieses Material Wärme weiter transportieren kann. Die spezifische Wärmeleitfähigkeit ist unabhängig von der Geometrie des Materials, wird mit der Größe <math>\lambda</math> (Lambda) ausgedrückt und erhält die Einheit <math>\frac{W}{m \cdot K}</math>.<br />
<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
|-<br />
| '''Material''' || '''<math>\lambda</math> in <math>\left[ \frac{W}{m \cdot K} \right]</math>'''<br />
|-<br />
| Silber || 430<br />
|-<br />
| Kupfer || 400<br />
|-<br />
| Aluminium || 230<br />
|-<br />
| Silizium || 140 <br />
|-<br />
| Wärmeleitpaste || 5 ... 10<br />
|-<br />
| Glas || 0,7<br />
|-<br />
| Wasser || 0,5<br />
|-<br />
| Platinenmaterial FR4 || 0,2 ... 0,5<br />
|-<br />
| Luft || 0,02<br />
|}<br />
<br />
Die meisten Kühlkörper werden aus Aluminiumlegierungen hergestellt. Für Aluminium spricht seine relativ hohe Wärmeleitfähigkeit, die hohe Verfügbarkeit und geringe Dichte. Im Vergleich zu Kupfer und Silber ist Aluminium deutlich kostengünstiger. Darüber hinaus lässt sich Aluminium mechanisch gut verarbeiten. Kupfer wird mit seiner höheren Wärmeleitfähigkeit z.B. bei Heatpipes eingesetzt.<br />
<br />
todo<br />
<br />
Wärmewiderstand <math>R_{th}=\frac{d}{\lambda \cdot A}</math><br />
<br />
d: Materialdicke, welche für die Wärmeleitung relevant ist<br />
<br />
<math>\lambda</math>spezifische Wärmeleitfähigkeit des Materials<br />
<br />
A: Querschnitts-/Kontaktfläche<br />
<br />
=Definitionen=<br />
Um vorauszusagen, wie sich die Temperaturen in einer Schaltung verhalten, bedient sich der Ingenieur - wie auch bei vielen anderen Anwendungen - eines Ersatzschaltbildes (ESB). Zur Erstellung eines thermischen Ersatzschaltbildes muss man sich aber zunächst mit den thermischen Größen vertraut machen.<br />
<br />
Die Temperaturen werden mit dem griechischen Buchstaben Theta <math>\theta</math> gekennzeichnet. Temperaturen werden in Grad Celsius (°C), Temperaturdifferenzen in Kelvin (K) angegeben. (Am Rande: Es existiert auch eine Kelvinskala mit dem absoluten Nullpunkt 0 K=-273,15°C). Die Temperaturen werden außerdem noch mit einem Index gekennzeichnet, abhängig von der mechanischen Stelle, an der sie auftreten:<br />
<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
|-<br />
| Symbol || Index || Bedeutung<br />
|-<br />
| <math>\vartheta_{J}</math> || J=Junction || Sperrschichttemperatur des Halbleiters<br />
|-<br />
| <math>\vartheta_{C}</math> || C=Case || Gehäusetemperatur des Bauteils<br />
|-<br />
| <math>\vartheta_{H}</math> || H=Heat Sink || Temperatur des Kühlkörpers<br />
|-<br />
| <math>\vartheta_{A}</math> || A=Ambient || Umgebungstemperatur<br />
|}<br />
<br />
Die Verlustleistung eines Bauteils beschreibt die Größe <math>P_{V}</math> und wird, wie allgemein bekannt, in Watt angegeben.<br />
<br />
Als neue Größe wird nun der thermische Widerstand eingeführt, dieser wird mit <math>R_{th}</math> beschrieben und bekommt die Einheit <math>\frac{K}{W}</math>. <br />
<br />
Für die thermischen Größen gibt es, ähnlich dem Ohmschen Gesetz, einen linearen Zusammenhang. Dieser lautet<br />
<br />
<math>R_{th}=\frac{\vartheta_{ü}}{P_{V}}</math><br />
<br />
todo<br />
<br />
==Vergleich elektrischer und thermischer Größen==<br />
Insgesamt können wir nun eine Analogie zwischen bekannten elektrischen Größen und den thermischen Größen angeben. Die schon gelernten Prinzipien zur Lösung linearer Netzwerke lässt sich auch bei den thermischen Ersatzschaltbildern anwenden.<br />
<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
|-<br />
| elektrisch || thermisch<br />
|-<br />
| Spannung U || Temperatur <math>\vartheta</math><br />
|-<br />
| Strom I || Verlustleistung <math>P_{V}</math><br />
|-<br />
| Widerstand R || thermischer Widerstand <math>R_{th}</math><br />
|}<br />
<br />
=Wärme-Ersatzschaltbilder=<br />
BAUSTELLE BAUSTELLE BAUSTELLE BAUSTELLE BAUSTELLE<br />
<br />
[[Bild:kühlkörper-schichten.png|250px]]<br />
<br />
TIM: Thermisches Interface-Material<br />
<br />
=Kühlkörperbauformen=<br />
* Board-Level-Kühlkörper (aufsteckbare/aufklebbare Kühlkörper, auch für SMD, meist 1 Kühlkörper pro IC)<br />
* Strang-/Profilkühlkörper (meist für hohe Leistungen)<br />
* Kühlaggregate (Kanal + Lüfter)<br />
<br />
Wozu eloxierte Oberflächen?<br />
* geringfügig höhere Wärmestrahlung (bei den niedrigen Temperaturen kaum ein Beitrag)<br />
* elektrische Isolation<br />
* Oberflächenschutz<br />
Nachteile:<br />
* erhöhte Wärmeaufnahme aus der unmittelbaren Umgebung!<br />
<br />
Stiftkühlkörper<br />
* hohe Oberfläche<br />
* bei dickem "Rücken"/"Boden" des Kühlkörpers gute Wärmespreizung<br />
* mit erzwungener Konvektion hohe Wärmeübertragung (quer zu den Stiften effektiver als in Stiftrichtung)<br />
* leichter und kompakter als Strangkühlkörper<br />
<br />
todo<br />
<br />
=Lüfter=<br />
Lüfter werden vor allem dann eingesetzt, wenn der Kühlkörper bei rein passiver Kühlung zur groß, zu schwer oder zu teuer wird. Beim Einsatz des Lüfters führt die erzwungene Luftströmung zur besseren Wärmeabgabe an die Luft. Bei gleicher Temperatur kann der Kühlkörper dann kleiner gewählt werden. Bei hohen Leistungen sind der kleinere Kühlkörper mit Lüfter preisgünstiger und kompakter als ein großer, rein passiver Kühlkörper. Um welchen Faktor die Wärmeableitung mit Lüfter verbessert wird, hängt von vielen Parametern ab und kann nicht pauschal angegeben werden.<br />
<br />
Vorteile<br />
* bessere Wärmeabgabe<br />
* Kühlkörper kann bei gleicher Temperatur kleiner, leichter und kostengünstiger werden<br />
* In kleinem Maßstab günstiger als Wasserkühlung o.ä.<br />
<br />
Nachteile<br />
* zusätzlicher Stromverbrauch<br />
* Geräuschentwicklung und Vibrationen<br />
* zusätzliche Kosten für Lüfter und dessen Montage<br />
* Im Falle eines unbemerkten Ausfalls kann die Schaltung überhitzen (Abhilfe: Thermostat, Temperaturfühler oder Tachosignal auswerten)<br />
<br />
Anordnungen:<br />
* Push-Prinzip: Der Lüfter bläst die Luft in den Kühlkörper/-kanal<br />
* Pull-Prinzip: Der Lüfter saugt die Luft aus dem Kühlkörper/-kanal heraus<br />
<br />
Kenngrößen:<br />
* Luftdurchsatz in <math>\frac{m^{3}}{h}</math><br />
* Nennspannung, Nennstrom, Nennleistung<br />
* Typ Axial/Radial<br />
* Größe<br />
* Geräuschpegel<br />
* Art der Lagerung (Kugellager, Sinterbronze-Lager etc.)<br />
* Temperaturbereich<br />
* Lebensdauer, MTBF<br />
<br />
=Kühlung auf einer Platine=<br />
Beim Leiterplattenentwurf muss bereits in der Designphase abgeschätzt werden, welche Verlustleistungen auftreten und wie die entstehende Wärme abgeführt werden kann. Die Größe, Bauform und Befestigung des Kühlkörpers muss ebenfalls berücksichtigt werden. Für Printmontage sind Kühlkörper verfügbar, welche mit lötbaren Stiften in die Platine gesteckt und verlötet werden. Alternativ sind Schraubverbindungen möglich.<br />
<br />
SMD-Bauteile können meist über die Platine gut entwärmt werden. Dies ist normalerweise nur bei geringen Verlustleistungen möglich. Die Abwärme der Bauteile muss auf eine möglichst große Fläche verteilt werden, durch große Kupferflächen auf der Platine kann dies erreicht werden. Da die Wärmeleitfähigkeit der Kupferauflage deutlich höher ist als die Wärmeleitfähigkeit des Platinenmaterials FR4, wird sich die Wärme hauptsächlich in der Fläche verteilen, jedoch weniger ''durch'' die Platine hindurch. Um die Wärmeleitung durch die Platine (z.B. von Ober- zu Unterseite) zu erhöhen, müssen Durchkontaktierungen gesetzt werden. Sogenannte "Thermal Vias" werden in einer großen Anzahl an das zu entwärmende Bauteil gesetzt und können damit die Wärme zu anderen Kupferlagen der Platine weiterleiten. Die Wärmeleitung durch die Platine hindurch wird verbessert, liegt aber dennoch deutlich unter der Wärmeleitfähigkeit von reinem Kupfer. Thermische Vias können aufgrund ihrer kleinen Masse kaum einen Beitrag zur gesamten "Kühlmasse" beitragen. Ob schließlich eine Entwärmung durch die Platine ausreicht, muss durch Simulation oder Messung gezeigt werden.<br />
<br />
Die Einbaulage der Platine kann die Entwärmung zudem beeinflussen. Erwärmte Umgebungsluft steigt nach oben und kann andere Komponenten oder Platinen aufheizen.<br />
<br />
Maßnahmen für bessere Entwärmung:<br />
<br />
* Durchkontaktierungen zur Wärmeleitung zwischen mehreren Kupferlagen, da der Platinenkern (bei FR4: glasfaserverstärktes Epoxidharz) idR. eine sehr schlechte Wärmeleitfähigkeit hat<br />
* Breite Leiterbahnen, welche Wärme abführen und auf eine große Fläche verteilen<br />
* Für große bedrahtete ICs (TO220, Multiwatt...) eignen sich Board-Level-Kühlkörper<br />
* Für kleinere ICs mit Wärmeentwicklung eignen sich aufklebbare Kühlkörper<br />
* Für SMD-Bauteile exisitieren auch Kühlkörper, die sich direkt auf die Platine löten lassen, diese sind auch maschinenbestückbar<br />
* Einsatz spezieller Platinenmaterialien (Alukern, Kupfer-Inlay)...<br />
* je nach Schaltung: dickere Kupferkaschierung für bessere Wärmeausbreitung in der Fläche (Standard sind 35µm, erhältlich sind auch 70µm und mehr)<br />
<br />
todo<br />
<br />
=Spezielle Kühlkörper=<br />
<br />
todo<br />
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[[Kategorie:Elektronik]]<br />
[[Kategorie:Mechanik]] <br />
[[Kategorie:Praxis]] <br />
[[Kategorie:Grundlagen]]</div>BMShttps://rn-wissen.de/wiki/index.php?title=K%C3%BChlk%C3%B6rper&diff=26337Kühlkörper2015-04-19T08:39:46Z<p>BMS: /* Wärme-Ersatzschaltbilder */</p>
<hr />
<div>{{Baustelle|BMS}}<br />
<br />
Dieser Artikel behandelt die Grundlagen zu Kühlkörpern.<br />
<br />
[[Bild:kühlkörper-übersicht.jpg|thumb|Verschiedene Kühlkörper, links ein TO220-Gehäuse zum Größenvergleich]]<br />
<br />
=Einleitung=<br />
<br />
'''Wieso sind überhaupt Kühlkörper in technischen Geräten erforderlich?'''<br />
<br />
Kein Gerät kann einen 100-prozentigen Wirkungsgrad erzielen und somit tritt Verlustleistung auf. Diese Verlustleistung führt zur Erwärmung der Bauteile. Kühlkörper sollen die Entwärmung verbessern, indem die entstehende Wärme auf eine große Fläche verteilt wird und durch Konvektion an der Luft auskühlen kann. Die Temperatur an den heißen Bauteilen ist mit Kühlkörper geringer als ohne Kühlkörper.<br />
<br />
'''Wieso sind hohe Bauteiltemperaturen ungünstig?'''<br />
<br />
Die Lebensdauer aller elektronischen Bauteile ist stark von der Temperatur abhängig. Als Faustregel gilt: Eine Temperaturerhöhung um 10 Grad führt zur Halbierung der Lebensdauer. Außerdem gibt es Grenztemperaturen, die nicht überschritten werden dürfen. Beispielsweise dürfen Halbleiter keine Temperatur über 150°C erreichen. Extrembeispiele sind die Schmelztemperatur von Isolierungen, Lötzinn etc... sowie Brandgefahr durch hohe Temperaturen. Viele Bauteile können ohne vernünftige Kühlung nicht ihren vollen Funktionsumfang erreichen, liefern dann z.B. geringere Maximalströme oder es greift die Temperaturabschaltung. Anders formuliert: Die maximale Leistung eines Bauteils oder Geräts wird durch seine Entwärmung bestimmt! Zur eigenen Sicherheit bietet es sich zudem an, die Temperaturen niedrig zu halten, sodass man sich am Gerät nicht die Finger verbrennen kann ;)<br />
<br />
=Wärmeübertragung=<br />
Prinzipiell kann Wärmeübertragung über Wärmeleitung, Konvektion und Wärmestrahlung geschehen. In vielen Anwendungen treten mehrere Mechanismen gleichzeitig auf. Welcher Mechanismus hauptsächlich auftritt, ist von der mechanischen Anordnung, den Materialien und der Temperatur abhängig. Wärmeleitung und Konvektion sind die wichtigsten Arten der Wärmeübertragung, die in der Praxis auftreten.<br />
<br />
Bei der Wärmeleitung wird die Wärme über einen direkten mechanischen Kontakt (Bsp. IC <math>\rightarrow</math>Kühlkörper) übertragen. Den beteiligten Materialien wird jeweils eine spezifische Wärmeleitfähigkeit <math>\lambda</math> zugeordnet, dazu später mehr.<br />
<br />
Mit Konvektion wird die Strömungsbewegung in Flüssigkeiten und Gasen bezeichnet. Praxisbeispiele sind die Wärmeabgabe eines Kühlkörpers an die Umgebungsluft oder auch eine Wasserkühlung. Von erzwungener Konvektion spricht man, wenn die Strömung durch z.B. einen Ventilator/Lüfter oder eine Wasserpumpe hervorgerufen wird. Im Vakuum kann keine Konvektion auftreten.<br />
<br />
Wärmestrahlung ist elektromagnetische Strahlung (hauptsächlich Infrarot und sichtbares Licht), die vom heißen Festkörper abgestrahlt wird. Sie wird erst bei höheren Temperaturen relevant und ist bei den üblichen Kühlkörpertemperaturen meist zu vernachlässigen. Erwähnt werden soll zudem, dass Wärmestrahlung der einzige Mechanismus der Wärmeleitung ist, welcher im Vakuum auftreten kann. (Für Details zu Wärmestrahlung siehe auch: Plancksches Strahlungsgesetz und Schwarzer Strahler).<br />
<br />
=Materialien=<br />
Jedes Material besitzt eine spezifische Wärmeleitfähigkeit, welche angibt, wie gut dieses Material Wärme weiter transportieren kann. Die spezifische Wärmeleitfähigkeit ist unabhängig von der Geometrie des Materials, wird mit der Größe <math>\lambda</math> (Lambda) ausgedrückt und erhält die Einheit <math>\frac{W}{m \cdot K}</math>.<br />
<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
|-<br />
| '''Material''' || '''<math>\lambda</math> in <math>\left[ \frac{W}{m \cdot K} \right]</math>'''<br />
|-<br />
| Silber || 430<br />
|-<br />
| Kupfer || 400<br />
|-<br />
| Aluminium || 230<br />
|-<br />
| Silizium || 140 <br />
|-<br />
| Wärmeleitpaste || 5 ... 10<br />
|-<br />
| Glas || 0,7<br />
|-<br />
| Wasser || 0,5<br />
|-<br />
| Platinenmaterial FR4 || 0,2 ... 0,5<br />
|-<br />
| Luft || 0,02<br />
|}<br />
<br />
Die meisten Kühlkörper werden aus Aluminiumlegierungen hergestellt. Für Aluminium spricht seine relativ hohe Wärmeleitfähigkeit, die hohe Verfügbarkeit und geringe Dichte. Im Vergleich zu Kupfer und Silber ist Aluminium deutlich kostengünstiger. Darüber hinaus lässt sich Aluminium mechanisch gut verarbeiten. Kupfer wird mit seiner höheren Wärmeleitfähigkeit z.B. bei Heatpipes eingesetzt.<br />
<br />
todo<br />
<br />
Wärmewiderstand <math>R_{th}=\frac{d}{\lambda \cdot A}</math><br />
<br />
d: Materialdicke, welche für die Wärmeleitung relevant ist<br />
<br />
<math>\lambda</math>spezifische Wärmeleitfähigkeit des Materials<br />
<br />
A: Querschnitts-/Kontaktfläche<br />
<br />
=Definitionen=<br />
Um vorauszusagen, wie sich die Temperaturen in einer Schaltung verhalten, bedient sich der Ingenieur - wie auch bei vielen anderen Anwendungen - eines Ersatzschaltbildes (ESB). Zur Erstellung eines thermischen Ersatzschaltbildes muss man sich aber zunächst mit den thermischen Größen vertraut machen.<br />
<br />
Die Temperaturen werden mit dem griechischen Buchstaben Theta <math>\theta</math> gekennzeichnet. Temperaturen werden in Grad Celsius (°C), Temperaturdifferenzen in Kelvin (K) angegeben. (Am Rande: Es existiert auch eine Kelvinskala mit dem absoluten Nullpunkt 0 K=-273,15°C). Die Temperaturen werden außerdem noch mit einem Index gekennzeichnet, abhängig von der mechanischen Stelle, an der sie auftreten:<br />
<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
|-<br />
| Symbol || Index || Bedeutung<br />
|-<br />
| <math>\vartheta_{J}</math> || J=Junction || Sperrschichttemperatur des Halbleiters<br />
|-<br />
| <math>\vartheta_{C}</math> || C=Case || Gehäusetemperatur des Bauteils<br />
|-<br />
| <math>\vartheta_{H}</math> || H=Heat Sink || Temperatur des Kühlkörpers<br />
|-<br />
| <math>\vartheta_{A}</math> || A=Ambient || Umgebungstemperatur<br />
|}<br />
<br />
Die Verlustleistung eines Bauteils beschreibt die Größe <math>P_{V}</math> und wird, wie allgemein bekannt, in Watt angegeben.<br />
<br />
Als neue Größe wird nun der thermische Widerstand eingeführt, dieser wird mit <math>R_{th}</math> beschrieben und bekommt die Einheit <math>\frac{K}{W}</math>. <br />
<br />
Für die thermischen Größen gibt es, ähnlich dem Ohmschen Gesetz, einen linearen Zusammenhang. Dieser lautet<br />
<br />
<math>R_{th}=\frac{\vartheta_{ü}}{P_{V}}</math><br />
<br />
todo<br />
<br />
==Vergleich elektrischer und thermischer Größen==<br />
Insgesamt können wir nun eine Analogie zwischen bekannten elektrischen Größen und den thermischen Größen angeben. Die schon gelernten Prinzipien zur Lösung linearer Netzwerke lässt sich auch bei den thermischen Ersatzschaltbildern anwenden.<br />
<br />
{| {{Blauetabelle}}<br />
|-<br />
| elektrisch || thermisch<br />
|-<br />
| Spannung U || Temperatur <math>\vartheta</math><br />
|-<br />
| Strom I || Verlustleistung <math>P_{V}</math><br />
|-<br />
| Widerstand R || thermischer Widerstand <math>R_{th}</math><br />
|}<br />
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=Wärme-Ersatzschaltbilder=<br />
[[Bild:kühlkörper-schichten.png|250px]]<br />
<br />
TIM: Thermisches Interface-Material<br />
<br />
=Kühlkörperbauformen=<br />
* Board-Level-Kühlkörper (aufsteckbare/aufklebbare Kühlkörper, auch für SMD, meist 1 Kühlkörper pro IC)<br />
* Strang-/Profilkühlkörper (meist für hohe Leistungen)<br />
* Kühlaggregate (Kanal + Lüfter)<br />
<br />
Wozu eloxierte Oberflächen?<br />
* geringfügig höhere Wärmestrahlung (bei den niedrigen Temperaturen kaum ein Beitrag)<br />
* elektrische Isolation<br />
* Oberflächenschutz<br />
Nachteile:<br />
* erhöhte Wärmeaufnahme aus der unmittelbaren Umgebung!<br />
<br />
Stiftkühlkörper<br />
* hohe Oberfläche<br />
* bei dickem "Rücken"/"Boden" des Kühlkörpers gute Wärmespreizung<br />
* mit erzwungener Konvektion hohe Wärmeübertragung (quer zu den Stiften effektiver als in Stiftrichtung)<br />
* leichter und kompakter als Strangkühlkörper<br />
<br />
todo<br />
<br />
=Lüfter=<br />
Lüfter werden vor allem dann eingesetzt, wenn der Kühlkörper bei rein passiver Kühlung zur groß, zu schwer oder zu teuer wird. Beim Einsatz des Lüfters führt die erzwungene Luftströmung zur besseren Wärmeabgabe an die Luft. Bei gleicher Temperatur kann der Kühlkörper dann kleiner gewählt werden. Bei hohen Leistungen sind der kleinere Kühlkörper mit Lüfter preisgünstiger und kompakter als ein großer, rein passiver Kühlkörper. Um welchen Faktor die Wärmeableitung mit Lüfter verbessert wird, hängt von vielen Parametern ab und kann nicht pauschal angegeben werden.<br />
<br />
Vorteile<br />
* bessere Wärmeabgabe<br />
* Kühlkörper kann bei gleicher Temperatur kleiner, leichter und kostengünstiger werden<br />
* In kleinem Maßstab günstiger als Wasserkühlung o.ä.<br />
<br />
Nachteile<br />
* zusätzlicher Stromverbrauch<br />
* Geräuschentwicklung und Vibrationen<br />
* zusätzliche Kosten für Lüfter und dessen Montage<br />
* Im Falle eines unbemerkten Ausfalls kann die Schaltung überhitzen (Abhilfe: Thermostat, Temperaturfühler oder Tachosignal auswerten)<br />
<br />
Anordnungen:<br />
* Push-Prinzip: Der Lüfter bläst die Luft in den Kühlkörper/-kanal<br />
* Pull-Prinzip: Der Lüfter saugt die Luft aus dem Kühlkörper/-kanal heraus<br />
<br />
Kenngrößen:<br />
* Luftdurchsatz in <math>\frac{m^{3}}{h}</math><br />
* Nennspannung, Nennstrom, Nennleistung<br />
* Typ Axial/Radial<br />
* Größe<br />
* Geräuschpegel<br />
* Art der Lagerung (Kugellager, Sinterbronze-Lager etc.)<br />
* Temperaturbereich<br />
* Lebensdauer, MTBF<br />
<br />
=Kühlung auf einer Platine=<br />
Beim Leiterplattenentwurf muss bereits in der Designphase abgeschätzt werden, welche Verlustleistungen auftreten und wie die entstehende Wärme abgeführt werden kann. Die Größe, Bauform und Befestigung des Kühlkörpers muss ebenfalls berücksichtigt werden. Für Printmontage sind Kühlkörper verfügbar, welche mit lötbaren Stiften in die Platine gesteckt und verlötet werden. Alternativ sind Schraubverbindungen möglich.<br />
<br />
SMD-Bauteile können meist über die Platine gut entwärmt werden. Dies ist normalerweise nur bei geringen Verlustleistungen möglich. Die Abwärme der Bauteile muss auf eine möglichst große Fläche verteilt werden, durch große Kupferflächen auf der Platine kann dies erreicht werden. Da die Wärmeleitfähigkeit der Kupferauflage deutlich höher ist als die Wärmeleitfähigkeit des Platinenmaterials FR4, wird sich die Wärme hauptsächlich in der Fläche verteilen, jedoch weniger ''durch'' die Platine hindurch. Um die Wärmeleitung durch die Platine (z.B. von Ober- zu Unterseite) zu erhöhen, müssen Durchkontaktierungen gesetzt werden. Sogenannte "Thermal Vias" werden in einer großen Anzahl an das zu entwärmende Bauteil gesetzt und können damit die Wärme zu anderen Kupferlagen der Platine weiterleiten. Die Wärmeleitung durch die Platine hindurch wird verbessert, liegt aber dennoch deutlich unter der Wärmeleitfähigkeit von reinem Kupfer. Thermische Vias können aufgrund ihrer kleinen Masse kaum einen Beitrag zur gesamten "Kühlmasse" beitragen. Ob schließlich eine Entwärmung durch die Platine ausreicht, muss durch Simulation oder Messung gezeigt werden.<br />
<br />
Die Einbaulage der Platine kann die Entwärmung zudem beeinflussen. Erwärmte Umgebungsluft steigt nach oben und kann andere Komponenten oder Platinen aufheizen.<br />
<br />
Maßnahmen für bessere Entwärmung:<br />
<br />
* Durchkontaktierungen zur Wärmeleitung zwischen mehreren Kupferlagen, da der Platinenkern (bei FR4: glasfaserverstärktes Epoxidharz) idR. eine sehr schlechte Wärmeleitfähigkeit hat<br />
* Breite Leiterbahnen, welche Wärme abführen und auf eine große Fläche verteilen<br />
* Für große bedrahtete ICs (TO220, Multiwatt...) eignen sich Board-Level-Kühlkörper<br />
* Für kleinere ICs mit Wärmeentwicklung eignen sich aufklebbare Kühlkörper<br />
* Für SMD-Bauteile exisitieren auch Kühlkörper, die sich direkt auf die Platine löten lassen, diese sind auch maschinenbestückbar<br />
* Einsatz spezieller Platinenmaterialien (Alukern, Kupfer-Inlay)...<br />
* je nach Schaltung: dickere Kupferkaschierung für bessere Wärmeausbreitung in der Fläche (Standard sind 35µm, erhältlich sind auch 70µm und mehr)<br />
<br />
todo<br />
<br />
=Spezielle Kühlkörper=<br />
<br />
todo<br />
<br />
[[Kategorie:Elektronik]]<br />
[[Kategorie:Mechanik]] <br />
[[Kategorie:Praxis]] <br />
[[Kategorie:Grundlagen]]</div>BMS