Kühlkörper berechnen

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wiesonich
Stammgast

#1 erstellt: 10. Aug 2004, 00:36

Hallöchen,

beim Kühlkörper soll man bekanntlich nicht knausern. Sonst geht´s den Halbleitern an den Kragen. Aber wie berechnet man die erforderliche Größe eines Kühlkörpers?

Ich habe schon mal im Vorwege ins Tabellenbuch geschaut und folgende Formel zur Berechnung der Verlustleistung eines Halbleiters mit Kühlkörper gefunden:

Ptot = (tj - tu) / (RthJG + RthGK + RthK)

wobei:

Ptot = Gesamtverlustleistung
tj = Sperrschichttemperatur
tu = Umgebungstemperatur
RthJG = Wärmewiderstand Sperrschicht/Gehäuse
RthGK = Wärmewiderstand Gehäuse/Kühlkörper (Isolierscheibe)
RthK = Wärmewiderstand Kühlkörper

Es geht um ausreichende Kühlung eines TDA 7293. Im Datenblatt des TDA finden sich folgende Daten:

Ptot = 50 W
Top = 0...70 °C
Tj = 150 °C
Rth j-case = max. 1,5 °C / W

Nun frage ich mich, ob

Top = tu ?
Tj = tj ?
Rth j-case = RthJG ?

Wenn ja, dann ließe sich doch unter der Annahme eines Wärmewiderstandes für die Isolierscheibe von sagen wir mal 0,42 °C / W (typ. Isolierscheibe für TDA, laut Schuro) der Wärmewiderstand des Kühlkörpers für eine Umgebungstemperatur von 22 °C mit der genannten Formel berechnen:

Ptot = (tj - tu) / (RthJG + RthGK + RthK)

umgestellt:

RthK = [(tj - tu) / Ptot] - RthJG - RthGK
RthK = [(150 °C - 22 °C) / 50 W] - 1,5 °C/W - 0,42 °C / W
RthK = 0,64 °C / W

Bei 30 °C in der Bude - wie zur Zeit - dürfte der Kühlkörper nur einen Wärmewiderstand von 0,48 °C / W aufweisen, um einen TDA unter Volllast (50 W Verlustleistung) vor dem Hitzetot zu bewahren.

Jetzt wüsste ich gern, welchen Wert (in °C / W) ein Kühlkörper haben müsste, auf dem insgesamt vier TDAs als Endstufen für drei Chassis sitzen sollen. Zwei in Brücke (120 W für TT) und zwei Einzelne (60 W für MT und 20 W für HT), zusammen also etwa 200 W. Die Leistungsaufteilung TT, MT, HT ist natürlich nur über den Daumen gepeilt, weil die je nach Grenzfrequenz der vorgeschalteten Aktivweiche schwanken kann.

Dürfte man jetzt pott-einfach die 50 Watt Verlustleistung eines einzelnen TDAs auf die max. 80 Watt abgegebene Leistung an 8 Ohm beziehen, so dass bei 200 Watt abgegebener Leistung mit einer um den selben Faktor höheren Verlustleistung von 125 W gerechnet werden könnte? (200W/80W=2,5).

Das scheint mir irgendwie zu einfach, weil die Bausteine ja höchst unterschiedlich belastet werden.

Habt ihr einen Tipp oder einen Ansatz?

wiesonich
Stammgast

#2 erstellt: 10. Aug 2004, 19:38

zx81
Stammgast

#3 erstellt: 10. Aug 2004, 19:46

nunja habe gerade nicht viel zeit kann mir aber demnächst mal gedanken dazu machen
aber deine 50w sind die verlustleistung und nicht die ausgangsleistung!!!!
somit ist dein ansatz wohl falsch.
die angabe in °C/W sollte in °K/W sein....
aber ,wenn ich morgen einen azubi habe lasse ich ihn alles mal durchrechnen und überprüfe es noch.
ich hoffe ich finde noch mehr daten über deinen tda...welcher hersteller ist das in deinem fall?

....ups falsch gelesen aber deine leistungsberechnung stimmt trotzdem nicht da man nicht von einem linearen verhalten ausgehen kann.

[Beitrag von zx81 am 10. Aug 2004, 19:48 bearbeitet]

steve65
Stammgast

#4 erstellt: 10. Aug 2004, 20:14

Hi

wenn alle deine TDA's an der gleichen Betriebsspannung liegen, würde ich auch jeweils von der maximalen Verlustleistung ausgehen. Bei einem Einzelstück ist das doch egal, ob der Kühlkörper ein paar Euro zu teuer ist. TT und MT Endstufe läuft ja schon nahe des Möglichen, allenfalls beim HT könnte man was sparen.

Auf die maximale Junktion Temperatur würde ich auch nicht gehen, sondern höchstens 125 °C. Als Umgebung ist es wohl auch eher 40 °C oder sogar bis 60 °C, je nachdem ob der Kühler frei steht oder im Gehäuse ist.

Upps, damit geht es schon nicht.
Hast Du wirklich 50 W?
So mit 35 W Verlustleistung wäre es möglich, jedenfalls relativ Betriebssicher.

Zur Berechnung des Kühlkörpers nimmst Du die Berechnung wie aus dem Tabellenbuch, rechnest für jeden einzelnen IC den benötigten Kühlkörper.
Den thermischen Widerstand für den Gesamtkühlkörper bekommst Du dann durch Parallelschaltung der einzelnen Wärmewiderstände, vergleichbar mit dem ohmschen Gesetz bei Parallelschaltung.

Gruß
Steve

wiesonich
Stammgast

#5 erstellt: 10. Aug 2004, 20:41

Hallo zx81!

Das Datenblatt ist überschrieben mit "ST".

Hab´ mir schon gedacht, dass die Verlustleistung nicht proportional zur Nutzleistung fällt oder steigt. Da liegt mein Problem.

Ich würde mich freuen, wenn du das prüfen würdest.

Hier das Datenblatt des TDA7293.

Hallo steve!

Das Datenblatt des TDA sagt, 50 W Verlustleistung müssen unter Volllast abgeleitet werden. Die 150 °C sind das Maximum - und wenn der Hersteller das sagt...

Die Parallelschaltung aller thermischen Widerstände in der Kühlstrecke hatte ich auch schon vermutet. Mit welcher Sperrschichttemperatur rechnest du dann? Mit der nur eines Bausteines?

steve65
Stammgast

#6 erstellt: 10. Aug 2004, 21:02

So wie ich es gerechnet habe, benötigst Du 4 Kühlkörper. Diese kannst Du dann durch Parallelschaltung zu einem zusammenfassen.
Somit ist für die Berechung ja für jede Schaltung getrennt zu betrachten. Du kannst natürlich bereits vorher zusammenfassen. Auch dann sind es Parallelschaltungen. Unterschiedliche Junktion Temperaturen anzusetzen wäre bei unterschiedlichen Leistungen zwar korrekt, macht die Berechnung aber schwieriger und erscheint mir, wenn du die Maxima annimmst, nicht sinnvoll.

Die 150 °C am Chip sind Grenzdaten und wie immer es mit Grenzdaten ist, wenn man sie benutzt ist auch die Funtkionssicherheit an der Grenze. Mit der kleinsten Toleranz in der Isolierung würdest Du sie bereits überschreiten können.
Wenn es nicht wichtig ist ob die Endstufe funktioniert oder nicht, kann man die Grenzen ausnutzen. Ist aber eine gewisse Betriebssicherheit gefragt, halte einen Sicherheitsabstand zu jeglichen Grenzdaten ein, also bei Temperatur, Spannung und Strom.

wiesonich
Stammgast

#7 erstellt: 10. Aug 2004, 21:28

Wohl war. Mit den Grenzdaten ist das so eine Sache.

Ich möchte aber auch nicht für alle vier TDAs jeweils 50 W Verlustleistung ableiten. Sondern der gemeinsame Kühlkörper soll "nur" für die Gesamtverlustleistung aller TDAs ausgelegt werden, die auftritt, wenn die Gesamtnutzleistung (ungleichmäßig verteilt über alle vier TDAs)abgegeben wird, die ca. 200 W an 8 Ohm, wie gesagt.

Nur, in welcher Beziehung steht die Verlustleistung zur Nutzlesitung? Ist das eine mathematische Funktion?

wiesonich
Stammgast