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Über Kühlkörper

Kühlkörper geben die Verlustleistung von elektrischen Bauteilen als Wärmeenergie in die Umgebung ab. Luft, die die Oberfläche des Kühlkörpers streift, erwärmt sich und entnimmt so dem Kühlkörper Energie (Konvektion). Zusätzlich wird auch Energie in Form von Infrarotstrahlung abgegeben. (Strahlung – Die Wirkung von Infrarotstrahlung ist bei Kühlkörpern meistens eher gering.)

Aluminiumkühlkörper 100mmx200mmx25mm

Kühlkörper Materialien, Farben und Formen

Die meist genutzten Materialien sind Kupfer und Aluminium. Kupfer hat eine sehr gute Wärmeleitfähigkeit und ist dem Aluminium mit geringerer Wärmeleitfähigkeit daher überlegen. Aluminium ist jedoch leichter und vor allem viel preiswerter als Kupfer.

Kupfer wird dort eingesetzt, wo es sehr starke, punktuelle Wärmequellen gibt. Das Kupfer ist in der Lage, die Hitze schneller vom Bauteil weg zu transportieren als Aluminium. Manchmal wird deswegen eine 5-10mm dicke Kupferplatte als „Heatspreader“ mit Wärmeleitpaste und mehreren Schrauben auf einen großen Aluminiumkühlkörper geschraubt. Diese Sandwichbauweise vereint schnellen Wärmetransport, Leichtigkeit und einen akzeptablen Preis.

Bei großen, passiven Kühlkörpern macht es Sinn, schwarz eloxiertes Aluminium zu verwenden, denn natürliches, blankes Aluminium hat eine extrem geringe Infrarot Strahlungsleistung. Das bedeutet, dass der Kühlungseffekt durch Strahlung gegen null geht – es sei denn, die Oberfläche des Kühlkörpers ist entsprechend behandelt.

Bei aktiver Kühlung, also Kühlkörpern, bei denen der Luftstrom zusätzlich mit einem Lüfter oder Gebläse erhöht wird, kann man auf Farbe verzichten, da die hauptsächliche Leistung über die Oberfläche an die Luft abgegeben wird.

Kühlrippen am Kühlkörper vergrößern die Oberfläche. Je größer die Oberfläche ist, desto mehr Verlustleistung kann ein Kühlkörper an die Umgebung abgeben.

Ein großer, schwerer Kühlkörper kann die selbe Leistung abgeben wie einer, der 3 mal so klein ist, wenn dieser die selbe Oberflächengröße hat. Dazu verwendet man dann ganz viele, enge Kühlrippen. Diese müssen ordentlich mit einem Gebläse angepustet werden, damit die selbe Luftmasse diese Oberfläche in der gleichen Zeit streift.

Merke:

Passive Kühlkörper ohne Gebläse / Lüfter sollten außerhalb des Gehäuses angebracht sein, sehr große, lange Kühlrippen mit viel Abstand zueinander haben, groß und schwer sein, und sind am besten schwarz eloxiert.

Aktiv gekühlte Kühlkörper dürfen klein und leicht sein, sollten aber umso mehr Kühlrippen haben und müssen von einem Lüfter / Gebläse angeblasen werden. Sind die Kühlrippen sehr eng, macht es Sinn, mit einem Gebläse eine Art Lufttunnel „air duct“ zu erstellen.

Berechnung – Thermischer Widerstand:

Die Fähigkeit, Verlustleistung in Form von Wärme an die Umgebung abzugeben ist der Thermische Widerstand, die Änderung der Temperatur des Kühlkörpers, die bei einer Bestimmten Leistung eintritt. Einige Hersteller haben die Daten der Kühlkörper mit einer K/W Angabe versehen.

[K/W], also „Kelvin pro Watt“ bedeutet folgendes Experiment:

Trick: Wegen der schlechten Infrarot Emission von blankem Aluminium, ist hier ein Papierstück aufgeklebt, um mit dem Infrarotthermometer keine falschen Messwerte zu erhalten.

Der Kühlkörper hat eine Temperatur von 12C°. Die natürliche Raumtemperatur ist ebenfalls 12C°. Jetzt befestigen wir einen 33Ohm Leistungswiderstand fest am Kühlkörper und legen so lange eine Spannung von 26V an, bis sich die Temperatur des Kühlkörpers nicht mehr weiter erhöht.

Der Kühlkörper hat jetzt eine Temperatur von 32C°. Die Temperaturdifferenz ist jetzt 32C° – 12C° = 20Kelvin

Die Leistung die der Kühlkörper aufgenommen und abgegeben hat war P = U²/R, also (26V * 26V)/33Ohm = 20,48W.

Ergebnis: 20K/20,48W = 0,98K/W

Das ganze Spiel machen wir noch einmal mit einem Lüfter als aktive Kühlung:

Dieses mal pendelt sich die Temperatur bei ca. 15C° ein.

15C° – 12C° = 3K

Ergebnis: 3K/20,48W = 0,15K/W

Berechnung am Beispiel:

Beispiel: HF Transistor MRF300AN

MRF300 HF Transistor mit einem Wärmewiderstand von 0,55 K/W

Ich baue eine HF Endstufe mit dem MRF300AN. Da ich 300W bei SSB Sprachmodulation betreiben werde und nicht dauerhaft 300W CW sende, erwarte ich maximal eine durchschnittliche Verlustleistung von 100W am Bauteil. Das Bauteil selbst hat einen Wärmewiderstand angegeben, welcher vom Silizium zum Außengehäuse des Bauteils gilt. Diesen Wert sollte man addieren:

Passive Kühlung: (0,98K/W + 0,55K/W) * 100W = 144K

Der Kühlkörper würde seine Temperatur von 12C° winterlicher Raumtemperatur, also 12C°+ 144K = 156C° erhöhen! 🥵

MRF300AN Maximaltemperatur Silizium

Diese Temperatur ist laut Datenblatt gerade noch akzeptabel, aber ich denke, man sollte das Bauteil nicht am Limit betreiben.

Aktive Kühlung: 12C° + (0,15K/W + 0,55K/W) * 100W = 82C°

Diese Temperatur ist als Maximaltemperatur bei längeren Sendedurchgängen akzeptabel. 🙂

Fazit zum Beispiel:

Bei aktiver Lüfterkühlung ist der kleine, betrachtete Universalkühlkörper bis zu ca. 300W PEP SSB unter normalen Bedingungen nutzbar. Passive Kühlung scheidet hier aus, der Kühlkörper wäre zu klein.

Zuletzt betrachtet gibt es noch weitere schwer berechenbare Einflüsse die auf die Endtemperatur des Kühlkörpers einwirken. In der Regel passt diese Pi mal Daumen Rechnung aber ganz gut.

Ich hoffe, Ihr könnt einen Mehrwert aus diesem Artikel ziehen. Bis dahin, vy 73, Simon

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