Kühlkörper,  Berechnung:



Die zu erwartende Verlustleistung (PV);  (Leistungs-)Transistor bzw. Spannungsregler-IC:

Verlusstleistung
Formel_Verlusstleistung
PV = Verlustleistung (W), U = Spannung (V), I = Strom (A)

Werden im Datenblatt zwei maximal erlaubte Verlustleistungen bei 25 oC genannt, gibt der
kleinere Wert die maximale PV bei 25 oC Umgebungstemperatur an (T(h)A) und der größere die
maximale PV bei 25 oC Gehäusetemperatur (T(h)C) (erfordert aktive Kühlung).

Hier am Beispiel des BC 548:

Transistordaten BC548



Die Standartanwendung:

Bild unten:
A = Wärmequelle, B = Isolierscheibe, C = Kühlkörper, D = Montageschraube mit E = Isolierbuchsen.
Wärmeleitpaste zwischen A und B, sowie zwischen B und C, reduziert den Wärmeübergangswiderstand.
Eine Isolierscheibe aus Silikonfolie benötigt keine Wärmeleitpaste.

Hinweis: Wärmeleitpasten auf Gallium-Basis eignen sich nicht für Aluminiumkühlkörper (Korrosion).
Eloxalschichten könnten den Wärmeübergangswiderstand geringfügig erhöhen.


Kühlkörper an TO-220



Die Berechnung:   Mit  RthK  = Temperaturwiderstand des Kühlkörpers (K/W).

Die mit einem Stern (*) gekennzeichneten Werte sind den Datenblättern der Hersteller zu entnehmen.


Formel

RCH = Summe aller Wärmewiderstände zwischen Gehäuse und Kühlkörper.
(K/W der Isolierscheibe + K/W der Wärmeleitpaste oder Kleber  u.s.w.) *

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Kühlkörperberechnung (RthK, K/W):
PV =  W     Verlustleistung
ThJ =  oC   Sperrschichttemperatur
ThA =  oC    Umgebungstemperatur
RJC = K/W    Wärmewiderstand Sperrschicht ⇒ Gehäuse *
RCH = K/W    Σ Wärmewiderstände Gehäuse ⇒ Kühlkörper *
  
RthK = - - K/W    max. Wärmewiderstand des Kühlkörpers
ThK max = - - oC    maximale Temperatur des Kühlkörpers
Kühlkörper ohne aktive Kühlung.
 
 

Verlauf des RthK bei steigender PV und gleichbleibender ThJ
RthK nach Leistung



Beispiele:

Transistor, NPN, MJ802, TO-3, RJC = 0.86 K/W,
PV = 36 W, ThA = 30 oC, ThJ = 140 oC, Isolierscheibe+ Leitpaste = 1.2 K/W, RthK = 1 K/W.

Transistor, PNP, 2N2687, TO-3, RJC = 0.86 K/W,
PV = 42 W, ThA = 30 oC, ThJ = 130 oC, Isolierfolie (ohne Leitpaste) = 0.5 K/W, RthK = 1 K/W.

Transistor, NPN, BD241, TO-220, RJC = 3.1 K/W,
PV = 5 W, ThA = 30 oC, ThJ = 110 oC, 0815-Isolierung ca. 2.9 K/W, RthK = 10 K/W.




Wird kein Kühlkörper verwendet:

Mit RJA = Wärmewiderstand zwischen Sperrschicht und Umgebung (Datenblatt, junction to ambient) *
und Thcase = die in etwa zu erwartende Gehäusetemperatur (oC).


Formeln

ThJ =  oC
ThA =  oC
RJA =  K/W
 
Pv max. - - W


RJC und RJA einiger Transistoren bzw. Spannungsregler (zufällige Auswahl):

 Name Case RJC  RJA     Name  Case RJC RJA      Name Case  RJC RJA
 BC546 TO-92 83.3  200     TIP31  TO-220 3.12 62.5      LM117  TO-3 4 35
 BD675 TO-126 3.12  100      TIP132 TO-220 1.78  63.5      LM117 TO-220 3 50
 BF254 TO-92  -  420     BF258  TO-39 30 175      LM723  DIP-14  - 200
 MPSA05 TO-92 83.3  200     7815  TO-220 5 65      78BC50  SOT-23  - 333


Rechnerischer Verlauf von Sperrschichttemperatur (ThJ) und Gehäusetemperatur (Thcase) eines TO-92:

Temperatur Thj Thc




Kühlkörper_1 Kühlkörper_2
Kühlkörper,  weites Profil:
Gute Wärmeabgabe mittels Strahlung
Gute Wärmeabgabe mittels Konvektion
 Kühlkörper,  enges Profil:
Schlechte Wärmeabgabe durch Strahlung.
Sehr Gute Wärmeabgabe bei Konvektion.

Die Wärmeabstrahlung ist Temperaturabhängig (nimmt mit der 4. Potenz zu).
Befinden sich weitere Bauteile mit hoher Temperatur in der Nähe, sollten
schwarz eloxierte Kühlkörper vermieden werden (Strahlungsaustausch).



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