Was ist ein Kühlkörper und seine Bedeutung?

Jeder elektrische und elektronische Komponente in einem Stromkreis erzeugt eine gewisse Wärmemenge, während der Stromkreis durch Bereitstellung einer Stromversorgung ausgeführt wird. Typischerweise sind Hochleistungshalbleiterbauelemente wie Leistungstransistoren und die Optoelektronik wie Leuchtdioden Laser erzeugen Wärme in beträchtlichen Mengen und diese Komponenten sind nicht ausreichend, um Wärme abzuleiten, da ihre Ableitungsfähigkeit erheblich gering ist.

Aus diesem Grund führt das Aufheizen der Komponenten zu einem vorzeitigen Ausfall und kann zum Ausfall der gesamten Schaltung oder der Systemleistung führen. Um diese negativen Aspekte zu überwinden, müssen Kühlkörper zu Kühlzwecken bereitgestellt werden.

Was ist ein Kühlkörper?

Kühlkörper

Kühlkörper ist eine elektronische Komponente oder ein Gerät eines elektronische Schaltung Dies verteilt Wärme von anderen Komponenten (hauptsächlich von den Leistungstransistoren) eines Schaltkreises in das umgebende Medium und kühlt sie zur Verbesserung ihrer Leistung, Zuverlässigkeit und vermeidet auch den vorzeitigen Ausfall der Komponenten. Zum Kühlen dient ein Lüfter oder eine Kühlvorrichtung.

Kühlkörperprinzip

Das Fourier-Gesetz der Wärmeleitung besagt, dass, wenn ein Temperaturgradient in einem Körper vorhanden ist, die Wärme von einem Hochtemperaturbereich in einen zulässigen Temperaturbereich übertragen wird. Dies kann auf drei verschiedene Arten erreicht werden, wie z. B. Konvention, Strahlung und Leitung.

Kühlkörperprinzip

Immer wenn zwei Objekte mit unterschiedlicher Temperatur miteinander in Kontakt kommen, tritt eine Leitung auf, die dazu führt, dass die sich schnell bewegenden Moleküle des Objekts mit hoher Hitze mit den sich langsam bewegenden Molekülen der kühleren Objekte kollidieren und somit Wärmeenergie auf das kühlere Objekt übertragen und dies wird als Wärmeleitfähigkeit bezeichnet.

In ähnlicher Weise überträgt der Kühlkörper die Wärme oder Wärmeenergie von einer Hochtemperaturkomponente auf ein Niedertemperaturmedium wie Luft, Wasser, Öl usw. Normalerweise wird Luft als Niedertemperaturmedium verwendet, und wenn Wasser als Medium verwendet wird, dann wird es als Kühlplatte bezeichnet.

Kühlkörpertypen

Die Kühlkörper werden nach unterschiedlichen Kriterien in verschiedene Kategorien eingeteilt. Betrachten wir die Haupttypen, nämlich aktive und passive Kühlkörper.

Kühlkörpertypen

Aktive Kühlkörper

Diese sind im Allgemeinen Lüftertypen und nutzen Strom zu Kühlzwecken. Sie können auch als Kühlkörper oder Lüfter bezeichnet werden. Die Lüfter werden weiter in Kugellagertyp und Gleitlagertyp klassifiziert. Die kugelgelagerten Motorlüfter werden bevorzugt, da ihre Arbeitsspanne länger und billiger ist, wenn es um eine lange Spannweite geht. Die Leistung dieser Arten von Kühlkörpern ist ausgezeichnet, jedoch nicht für Langzeitanwendungen, da sie aus beweglichen Teilen bestehen und sind auch ein bisschen teuer.

Passive Kühlkörper

Diese besitzen keine mechanischen Komponenten und bestehen aus Aluminiumrippenheizkörpern. Diese leiten Wärmeenergie oder Wärme im Konvektionsverfahren ab. Diese sind am zuverlässigsten als die aktiven Kühlkörper. Für einen effizienten Betrieb der passiven Kühlkörper wird empfohlen, einen kontinuierlichen Luftstrom über ihre Lamellen aufrechtzuerhalten.

Aluminiumkühlkörper

Kühlkörper bestehen im Allgemeinen aus Metallen, und Aluminium ist das am häufigsten in Kühlkörpern verwendete Metall. Wir sind uns der Tatsache bewusst, dass die Wärmeleitfähigkeit jedes Metalls unterschiedlich ist. Die Wärmeleitfähigkeit von Metall ist proportional zur Wärmeübertragung im Kühlkörper . Wenn also die Wärmeleitfähigkeit des Metalls zunimmt, dann ist die
Die Wärmeübertragungskapazität des Kühlkörpers erhöht sich ebenfalls.

Aluminiumkühlkörper

Die Wärmeleitfähigkeit des Aluminiums beträgt 235 W / mK, es ist das billigste und leichteste Metall. Aluminiumkühlkörper werden auch als extrudierte Kühlkörper bezeichnet, da sie durch Extrusion hergestellt werden können.

Gestempelte Kühlkörper

Diese bestehen aus Metallen, die gestanzt werden, um eine bestimmte Form zu bilden. Dieser Stempel erzeugt die Kühlkörper, wenn Metall durch die Stanzmaschine bewegt wird. Diese sind billiger als extrudierte Kühlkörper.
Diese werden für Anwendungen mit geringem Stromverbrauch verwendet und weisen daher eine geringe Leistung auf.

Bearbeitung von Kühlkörpern

Diese werden im Bearbeitungsprozess hergestellt. Häufig wird eine Sägensäge zum Entfernen eines Materialblocks verwendet, um Zwischenrippen mit präzisem Abstand herzustellen. Diese sind teuer, da viel Metall als Verschwendung im Herstellungsprozess anfallen kann.

Bonded-Fin-Kühlkörper

Diese werden häufig für physikalisch große Anwendungen verwendet, die eine sinnvolle Leistung erfordern, wie z. B. Elektroschweißen und DC-DC-Ziegelanwendungen . Diese werden hergestellt, indem einzelne Rippen eines Metalls mit der Basis eines Kühlkörpers verbunden werden. Dies kann auf zwei Arten erfolgen, nämlich durch thermisches Epoxid, das wirtschaftlich ist, und das andere durch Hartlöten, das teuer ist.

Kühlkörper mit gefalteten Flossen

Diese gefalteten Lamellenkühlkörper haben eine große Oberfläche und besitzen gefaltetes Kühlkörpermaterial, und daher haben sie eine sehr hohe Leistung und eine sehr hohe Wärmeflussdichte. In diesen Spülen wird Luft so geleitet, dass sie durch eine Art Kanal direkt in die Kühlkörper strömt. Dies macht das Ganze teuer, da die Kosten für Herstellung und Leitung in den Gesamtkosten der Spüle enthalten sind.

Skived Kühlkörper

Bei der Herstellung dieser Spülen wird ein Schälverfahren angewendet, bei dem sehr feine Metallblöcke im Allgemeinen aus Kupfer hergestellt werden. Daher werden diese als Skived-Kühlkörper bezeichnet. Dies sind Kühlkörper mittlerer bis hoher Leistung.

Geschmiedete Kühlkörper

Die Metalle wie Kupfer und Aluminium werden verwendet, um Kühlkörper unter Verwendung von Druckkräften zu bilden. Dieser Prozess wird als Schmiedevorgang bezeichnet. Daher werden sie als geschmiedete Kühlkörper bezeichnet.

Single Fin Assembly Kühlkörper

Diese sind leicht und können auf engstem Raum installiert werden. Sie besitzen auch eine geringe bis hohe Leistungsfähigkeit und können für viele Anwendungen verwendet werden. Der Hauptnachteil ist jedoch, dass sie etwas teuer sind.

Gesenkte Kühlkörper

Das Stauchen ist ein Kaltumformschmiedevorgang, kann aber manchmal sogar als Warmumformprozess durchgeführt werden, bei dem die Abmessungen eines Gegenstandes in eine Matrize geändert werden. Diese sind kostengünstig, haben eine mittlere Leistung und sind im Luftströmungsmanagement begrenzt.

Bedeutung von Kühlkörpern in elektronischen Schaltkreisen

• Ein Kühlkörper ist ein passiver Wärmetauscher und hat eine große Oberfläche in Kontakt mit dem umgebenden (Kühl-) Medium wie Luft. Die Komponenten oder elektronischen Teile oder Geräte, die nicht ausreichen, um ihre Temperatur zu mildern, benötigen Kühlkörper zur Kühlung. Wärmeerzeugung durch jedes Element oder Bestandteil der elektronischen Schaltung muss abgeführt werden, um die Zuverlässigkeit zu verbessern und einen vorzeitigen Ausfall der Komponente zu verhindern.
• Es hält die thermische Stabilität in Grenzen für jede elektrische und elektronische Komponente einer beliebigen Schaltung oder elektronische Teile eines Systems. Die Leistung des Kühlkörpers hängt von Faktoren wie Materialauswahl, Vorsprungsdesign, Oberflächenbehandlung und Luftgeschwindigkeit ab.
• Die Zentraleinheiten und Grafikprozessoren eines Computers werden ebenfalls mithilfe der Kühlkörper gekühlt. Kühlkörper werden auch als Wärmeverteiler bezeichnet, die häufig als Abdeckungen im Speicher eines Computers verwendet werden, um dessen Wärme abzuleiten.
• Wenn für elektronische Schaltungen keine Kühlkörper vorgesehen sind, besteht die Möglichkeit eines Ausfalls von Komponenten wie Transistoren, Spannungsreglern, ICs, LEDs und Leistungstransistoren. Sogar während Löten einer elektronischen Schaltung Es wird empfohlen, einen Kühlkörper zu verwenden, um eine Überhitzung der Elemente zu vermeiden.
• Kühlkörper sorgen nicht nur für Wärmeableitung, sondern werden auch für das thermische Energiemanagement verwendet, indem Wärme abgeführt wird, wenn die Wärme höher ist. Bei niedrigen Temperaturen sollen Kühlkörper Wärme liefern, indem sie Wärmeenergie für den ordnungsgemäßen Betrieb des Stromkreises abgeben.

Auswahl des Kühlkörpers

Bei der Auswahl des Kühlkörpers müssen die folgenden mathematischen Berechnungen berücksichtigt werden:

Erwägen

F: Wärmeableitungsrate in Watt

T_j: Maximale Sperrschichttemperatur des Geräts in 0 ° C.

T_c: Gehäusetemperatur des Geräts in 0 ° C.

T_a: Umgebungslufttemperatur bei 0 ° C.

T_s: Maximale Temperatur des Kühlkörpers, der sich in 0 ° C am saubersten zum Gerät befindet

Wärmewiderstand kann gegeben sein durch

R = ∆T / Q.

Der elektrische Widerstand ist gegeben durch

R_e = ∆V / I.

Der Wärmewiderstand zwischen der Verbindungsstelle und dem Gehäuse der Vorrichtung ist gegeben durch

R_jc = (∆T_jc) / Q.

Der Fall, dass der Widerstand sinkt, ist gegeben durch

R_cs = (∆T_cs) / Q.

Senke gegen Umgebungswiderstand ist gegeben durch

R_sa = (∆T_sa) / Q.

Somit ist der Übergang zum Umgebungswiderstand gegeben durch

R_ja = R_jc + R_cs + R_sa = (T_j-T_a) / Q.

Jetzt ist der erforderliche Wärmewiderstand des Kühlkörpers

R_sa = (T_j-T_a) / Q-R_jc-R_cs

In der obigen Gleichung werden die Werte von T_j, Q und R_jc vom Hersteller festgelegt und die Werte von T_a und R_cs sind benutzerdefiniert.

Daher muss der Wärmewiderstand des Kühlkörpers für die Anwendung kleiner oder gleich dem oben berechneten R_sa sein.

Bei der Auswahl des Kühlkörpers sind verschiedene Parameter zu berücksichtigen, z. B. das für Kühlkörper zulässige Wärmebudget, die Luftströmungsbedingungen (natürlicher Durchfluss, gemischter Durchfluss mit geringem Durchfluss, erzwungene Konvektion mit hohem Durchfluss).

Das Volumen des Kühlkörpers kann bestimmt werden, indem der volumetrische Wärmewiderstand durch den erforderlichen Wärmewiderstand geteilt wird. Der Bereich des volumetrischen Wärmewiderstands ist in der folgenden Tabelle wie folgt.

Die folgende Grafik zeigt die Variation der Größe des Aluminiumkühlkörpers und des Wärmewiderstands als Beispiel für die Auswahl des Kühlkörpers basierend auf dem Wärmewiderstand.

Fläche gegen Wärmewiderstand des Kühlkörpers

Dieser Artikel beschreibt kurz den Kühlkörper, verschiedene Arten von Kühlkörpern und die Bedeutung des Kühlkörpers in elektronischen Schaltkreisen. Für mehrInformationen zu den Kühlkörpern senden Sie bitte Ihre Fragen anKommentar unten.

Bildnachweis:

• • Kühlkörper vorbei ecnmag
  • Kühlkörperprinzip von streacom
  • Kühlkörpertypen von Elektronikkühlung
  • Aluminium-Kühlkörper von specialchem4polymere
  • Fläche gegen Wärmewiderstand des Kühlkörpers von designworldonline