Koeling van componenten

Gepost door Hugo Welther op donderdag 1 augustus 2002

Voorbeelden

Voorbeeld 1: casetemperatuur gegeven

Over een BD135 staat een spanning van 10 volt en er loopt een stroom door van 0,5 ampere. Het gedissipeerde vermogen is dus 5 watt. In de datasheet is af te lezen dat de maximale casetemperatuur 100°C mag zijn. De maximale omgeving temperatuur is 35°C. Dus het temperatuurverschil tussen de transistorbehuizing en de omgeving is dan:

ΔT_mb-a = T_mb - T_a = 100 - 35 = 65°C

De maximum thermische weerstand tussen de transistor behuizing en omgeving is dan:

R_{th mb-a} = ΔT_mb-a / P = 65 / 5 = 13 K/W

Als we de montage thermische weerstand (mica + w.g. pasta: 0,9 K/W) hier nog van aftrekken, krijgen we de minimum thermische weerstand van het koellichaam:

R_{th h-a} = R_{th mb-a} - R_{th mb-h} = 13 - 0,9 = 12,1 K/W

Een koellichaam van Fischer SK-09/37,5 met een thermische weerstand van 12 K/W is dus geschikt voor deze toepassing. De waarde van het koellichaam mag wel kleiner, maar nooit groter zijn dan deze waarde!

Voorbeeld 2: junctietemperatuur gegeven

Een BDX53C moet een vermogen dissiperen van 20W. In de Power Derating curve is af te lezen dat de junctietemperatuur niet hoger mag zijn dan 110°C. De thermische weerstand tussen junctie en mountingbase is 2K/W. Het totale temperatuurverschil tussen junctie en omgeving is:

ΔT_j-a = T_j - T_a = 110 - 35 = 75°C

De maximale totale thermische weerstand R_{th j-a} is nu te berekenen:

R_{th j-a} = ΔT_j-a / P = 75 / 20 = 3,75 K/W

De transistor is met een Sil-Pad K10 gemonteerd, dus R_{th mb-h} is 0,2 K/W. De thermische weerstand van het koellichaam kan nu berekend worden:

R_{th h-a} = R_{th j-a} - (R_{th j-mb} + R_{th mb-h}) = 3,75 - (2 + 0,2) = 1,55 K/W

Een Fischer koellichaam SK-04/100 heeft een thermische weerstand van 1,5 K/W.

Figuur 3: Meerdere componenten op één koellichaam

Voorbeeld 3: meerdere componenten op één koellichaam

Soms moeten meerdere transistoren op hetzelfde koellichaam gemonteerd worden bv bij een versterker.
In figuur 3 is de situatie voor drie componenten (T1...3) schematisch aanschouwelijk gemaakt.
De gegevens voor de transistoren:

T1: P = 15W, T_mb = 90°C, R_{th mb-h} = 0,9K/W;
T2: P = 25W, T_mb = 75°C, R_{th mb-h} = 0,7K/W;
T3: P = 7W, T_mb = 110°C, R_{th mb-h} = 0,85K/W.

Voor elke transistor moet nu de temperatuurval over de thermische weerstand tussen mountingbase en heatsink berekend worden:

ΔT_{mb-h Tn} = P_Tn · R_{th mb-h Tn}
ΔT_{mb-h T1} = 15 * 0,9 = 13,5°C;
ΔT_{mb-h T2} = 25 * 0,7 = 17,5°C;
ΔT_{mb-h T3} = 7 * 0,8 = 5,6°C.

Vervolgens bepalen we van elke transistor wat zijn maximale koellichaam temperatuur mag zijn:

T_{h Tn} = T_{mb Tn} - T_{mb-h Tn}
T_{h T1} = 90 - 13,5 = 76,5°C;
T_{h T2} = 75 - 17,5 = 57,5°C;
T_{h T3} = 110 - 5,6 = 104,4°C.

Van deze uitkomsten selecteren we de laagst vereiste koellichaam temperatuur. In dit geval is dit die voor T2: 57,5°C. Deze waarde wordt gebruikt om het temperatuurverschil tussen het koellichaam en de omgeving (35°C) te berekenen:

ΔT_h-a = T_h - T_a = 57,5 - 35 = 22,5°C

De koelplaat moet het vermogen van alle drie de transistoren verwerken, dus:

P = P_T1 + P_T2 + P_T3 = 15 + 25 + 7 = 47 W

En de thermische weerstand van het koellichaam wordt dan:

R_{th h-a} = ΔT_h-a / P = 22,5 / 47 = 0,48 K/W

Een koellichaam SK-56/100 (R_{th h-a} = 0,4 K/W) is goed bruikbaar.

In het geval dat alle transistoren op hetzelfde koellichaam gelijk zijn, en op dezelfde manier gemonteerd en hetzelfde vermogen te verwerken krijgen, is de berekening eenvoudiger. Voor n = 3 transistoren T1 = T2 = T3: P_Tn = 15W, T_mb = 90°C, R_{th mb-h} = 0,9 K/W, T_a = 35°C. De minimale thermische weerstand voor het koellichaam in één keer berekend:

R_{th h-a} = (T_mb - T_a) / (P_Tn · 3) - (R_{th mb-h} / 3) = (90 - 35) / (15 · 3) - (0,9 / 3) = 0,92 K/W