Koeling van componenten

Gepost door Hugo Welther op donderdag 1 augustus 2002 17:30

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 100C mag zijn. De maximale omgeving temperatuur is 35C. Dus het temperatuurverschil tussen de transistorbehuizing en de omgeving is dan:

ΔTmb-a = Tmb - Ta = 100 - 35 = 65C

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

Rth mb-a = ΔTmb-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:

Rth h-a = Rth mb-a - Rth 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 110C. De thermische weerstand tussen junctie en mountingbase is 2K/W. Het totale temperatuurverschil tussen junctie en omgeving is:

ΔTj-a = Tj - Ta = 110 - 35 = 75C

De maximale totale thermische weerstand Rth j-a is nu te berekenen:

Rth j-a = ΔTj-a / P = 75 / 20 = 3,75 K/W

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

Rth h-a = Rth j-a - (Rth j-mb + Rth 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 koellichaamFiguur 3: Meerdere componenten op één koellichaam

Voorbeeld 3: meerdere componenten op n 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, Tmb = 90C, Rth mb-h = 0,9K/W;
T2: P = 25W, Tmb = 75C, Rth mb-h = 0,7K/W;
T3: P = 7W, Tmb = 110C, Rth mb-h = 0,85K/W.

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

ΔTmb-h Tn = PTn · Rth mb-h Tn
ΔTmb-h T1 = 15 * 0,9 = 13,5C;
ΔTmb-h T2 = 25 * 0,7 = 17,5C;
ΔTmb-h T3 = 7 * 0,8 = 5,6C.

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

Th Tn = Tmb Tn - Tmb-h Tn
Th T1 = 90 - 13,5 = 76,5C;
Th T2 = 75 - 17,5 = 57,5C;
Th T3 = 110 - 5,6 = 104,4C.

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

ΔTh-a = Th - Ta = 57,5 - 35 = 22,5C

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

P = PT1 + PT2 + PT3 = 15 + 25 + 7 = 47 W

En de thermische weerstand van het koellichaam wordt dan:

Rth h-a = ΔTh-a / P = 22,5 / 47 = 0,48 K/W

Een koellichaam SK-56/100 (Rth 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: PTn = 15W, Tmb = 90C, Rth mb-h = 0,9 K/W, Ta = 35C. De minimale thermische weerstand voor het koellichaam in n keer berekend:

Rth h-a = (Tmb - Ta) / (PTn · 3) - (Rth mb-h / 3) = (90 - 35) / (15 · 3) - (0,9 / 3) = 0,92 K/W