Kühlkörper

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Dieser Artikel behandelt die Grundlagen zu Kühlkörpern.

Einleitung

Wieso sind überhaupt Kühlkörper in technischen Geräten erforderlich?

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.

Wieso sind hohe Bauteiltemperaturen ungünstig?

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 ;)

Definitionen

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.

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:

Symbol	Index	Bedeutung
[math]\theta_{J}[/math]	J=Junction	Sperrschichttemperatur des Halbleiters
[math]\theta_{C}[/math]	C=Case	Gehäusetemperatur des Bauteils
[math]\theta_{A}[/math]	A=Ambient	Umgebungstemperatur

Die Verlustleistung eines Bauteils beschreibt die Größe [math]P_{V}[/math] und wird, wie allgemein bekannt, in Watt angegeben.

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]. Thermische Widerstände sind für Materialübergängen angegeben, dazu später mehr.

Für die thermischen Größen gibt es, ähnlich dem Ohmschen Gesetz, einen linearen Zusammenhang. Dieser lautet

[math]R_{th}=\frac{\theta_{ü}}{P_{V}}[/math]

Vergleich elektrischer und thermischer Größen

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.

elektrisch	thermisch
Spannung U	Temperatur [math]\theta[/math]
Strom I	Verlustleistung [math]P_{V}[/math]
Widerstand R	thermischer Widerstand [math]R_{th}[/math]

Wärme-Ersatzschaltbilder

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