Koeling van componenten

Gepost door Hugo Welther op donderdag 1 augustus 2002

Thermische "wet van Ohm"

Elk component waar een spanning over staat en een stroom door vloeit zal een zeker vermogen P verstookt worden. Dit verstookte vermogen is de oorzaak van de temperatuurverhoging van de component. Hoeveel warmer een component wordt is behalve afhankelijk van het gedissipeerde vermogen maar ook in welke mate hij z'n warmte kwijt kan raken. Ofwel hoe groot zijn warmteweerstand is.

Figuur 1: Thermische wet van Ohm

In figuur 1 is de thermische "wet van Ohm" schematisch weergegeven. Door de thermische weerstand R_th vloeit een warmtestroom P. Dit veroorzaakt een temperatuurverschil ΔT tussen de uiteinden van de thermische weerstand. In formulevorm:

ΔT = P · R_th

En het temperatuurverschil:

ΔT = T₁ - T₂

Het vermogen P wordt uitgedrukt in Watt [W]. De temperatuur T in graad Celsius [°C]. En voor de thermische weerstand R_th wordt zowel graad Celsius per Watt [°C/W] als Kelvin per Watt [K/W] gebruikt. In plaats van "R_th" wordt ook wel "κ" geschreven.
De temperatuur mag ook in Kelvin worden uitgedrukt, maar gebruik geen °C en K door elkaar. Voor temperatuurverschillen mogen daar in tegen zowel de °C als de K worden gebruikt.

Figuur 2: Serieschakeling van 3 thermische weerstanden

De situatie in de praktijk

Een component gemonteerd op een koellichaam is een serieschakeling van 3 thermische weerstanden. Zie figuur 2. Als eerste de thermische weerstand van de chip of halfgeleider (Junction) naar het montageplaatje van zijn behuizing (Mountingbase): R_{th j-mb}. Vervolgens de thermische weerstand van het montageplaatje naar het koellichaam (Heatsink): R_{th mb-h}. En als laatste de thermische weerstand van het koellichaam naar de omgeving (Ambient): R_{th h-a}.
Het komt ook voor dat fabrikanten de benaming "case" (behuizing) gebruiken in plaats van "mountingbase". Het subscript "_c" voor case en "_mb" voor mountingbase hebben dezelfde betekenis.

Door deze serieschakelingen van thermische weerstanden loopt een warmtestroom P. Dit is dezelfde P als het vermogen dat in de component gedissipeerd wordt. Deze warmtestroom door de keten van thermische weerstanden veroorzaakt een temperatuurverschil tussen de uiteinden, dus tussen de chip en de omgeving.
Voor de omgevingstemperatuur wordt de hoogst voorkomende genomen, bv 35°C. Als het koellichaam is ingebouwd, neem dan een hogere waarde, bv 60°C. In een kast kan de temperatuur hoog oplopen!
Voor veel componenten mag de maximale junctie temperatuur 125 of 150°C bedragen. Maar let op! Bij deze temperatuur mag er geen vermogen meer gedissipeerd worden. In datasheets staat vaak een grafiek die het maximaal toegestane gedissipeerde vermogen uitzet tegen de temperatuur, vaak genaamd "power derating". Hierin is dus de maximum junctie- of case-temperatuur af te lezen.

In de datasheets is R_{th j-mb} te vinden. De fabrikant geeft ook nog de waarde R_{th j-a} op. Dit is de thermische weerstand van de chip naar de omgeving, dus als er geen koellichaam wordt gebruikt.

De waarde van R_{th mb-h} is afhankelijk van hoe de component gemonteerd wordt:

• Geen isolatie en geen warmtegeleidingspasta: R_{th mb-h} = 0,05...0,2°C/W;
• Geen isolatie en wel warmtegeleidingspasta: R_{th mb-h} = 0,005...0,1°C/W;
• Aluminiumoxideplaatje + w.g.-pasta: R_{th mb-h} = 0,2...0,6°C/W;
• Mica isolatie + w.g.-pasta: R_{th mb-h} = 0,4...0,9°C/W;
• Silikonenisolatieplaatje zonder w.g.-pasta: R_{th mb-h} = 0,85°C/W;
• Sil-Pad K10 zonder w.g-pasta: R_{th mb-h} = 0,2°C/W.