Die Wärmekette vom Chip zur Luft
Halbleiter wie Spannungsregler, Transistoren oder MOSFETs wandeln einen Teil der Leistung in Wärme um. Diese Wärme muss vom Chip, der Sperrschicht, über das Gehäuse und den Kühlkörper an die Luft abgegeben werden. Jede Station dieser Kette hat einen Wärmewiderstand in Kelvin pro Watt. Er sagt, um wie viel Grad die Temperatur je Watt Wärmestrom ansteigt.
Die Widerstände liegen hintereinander und addieren sich wie elektrische Widerstände in Reihe. Aus der erlaubten Temperaturdifferenz zwischen Sperrschicht und Umgebung und der Verlustleistung ergibt sich der zulässige Gesamtwert. Zieht man davon die festen Anteile von Bauteilgehäuse und Wärmeleitschicht ab, bleibt der Wert, den der Kühlkörper höchstens haben darf.
Zusätzlich zeigt der Rechner, welche Temperatur Gehäuse und Kühlkörper genau an der Grenze erreichen. Das hilft beim Nachmessen im Betrieb: Ein Kühlkörper, der mit einem Thermometer gemessen heißer ist als berechnet, ist zu klein oder schlecht belüftet. Wenn Sie den Wert ohne Kühlkörper angeben, sehen Sie außerdem, ob überhaupt einer nötig ist.
R_th,SA = (T_J − T_A) ÷ P − R_th,JC − R_th,CS
Den passenden Kühlkörper auswählen
Hersteller geben für Kühlkörper einen Wärmewiderstand an, meist für eine bestimmte Länge und für senkrechte Montage mit freier Luftbewegung. Wählen Sie einen Typ, dessen Wert gleich oder kleiner ist als das Ergebnis. Liegt der Kühlkörper waagerecht, in einem engen Gehäuse oder hinter einer Abdeckung, steigt sein realer Wärmewiderstand oft um 20 bis 50 Prozent.
Die Verlustleistung ermitteln Sie aus der Schaltung. Bei einem Linearregler ist sie die Spannungsdifferenz zwischen Ein- und Ausgang mal Laststrom. Bei Transistoren im Schaltbetrieb setzen sie sich aus Durchlass- und Schaltverlusten zusammen. Rechnen Sie mit dem ungünstigsten Fall, also höchster Eingangsspannung und höchstem Strom.
Wird der nötige Wärmewiderstand sehr klein, etwa unter einem Kelvin pro Watt, kommen passive Kühlkörper an ihre Grenzen. Dann helfen ein Lüfter, die Aufteilung der Leistung auf mehrere Bauteile oder ein effizienteres Schaltungskonzept. Ein Schaltregler statt eines Linearreglers verringert die Wärme oft auf einen Bruchteil.
Die Wärmeleitschicht wird gern unterschätzt. Eine trockene Montage ohne Paste oder eine dicke Glimmerscheibe kann mehr Widerstand haben als der Kühlkörper selbst. Die Werte im Rechner sind Planungswerte; die Angaben aus Bauteil- und Kühlkörperdatenblatt sind maßgeblich und sollten im Einzelfall geprüft werden. Elektrische Grundlagen finden Sie im Rechner zum ohmschen Gesetz.
Tipps und typische Fehler
Wärme sicher ableiten.
- Reserve: Sperrschicht nicht ausreizen.
- Paste: Dünn auftragen.
- Rippen: Senkrecht montieren.
- Gehäuse: Innentemperatur messen.
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Häufige Fragen
Was bedeutet K/W beim Kühlkörper?
Um so viele Kelvin steigt die Temperatur je Watt abgeführter Wärme. Kleiner ist besser.
Wie berechne ich den nötigen Kühlkörper?
Temperaturdifferenz durch Verlustleistung teilen und die Wärmewiderstände von Bauteil und Wärmeleitschicht abziehen.
Wann brauche ich einen Lüfter?
Wenn der nötige Wärmewiderstand so klein wird, dass passive Kühlkörper zu groß würden, meist unter etwa 1 K/W.
Wie viel bringt Wärmeleitpaste?
Sie senkt den Übergangswiderstand oft auf 0,1 bis 0,5 K/W, ohne Paste ist er deutlich höher.
Spielt die Einbaulage eine Rolle?
Ja, senkrecht stehende Rippen kühlen bei freier Konvektion besser als waagerechte.
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