Kühlkörper berechnen

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


Wie ihr euch denken könnt, geht´s um ausreichende Kühlung des 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?

[harry_m]

Mein Ansatz war ganz einfach: ich nehme einfach den größten Kühlkörper, denn ich haben (und vertreten) kann. In der Hoffnung, dass es reicht. Was daraus wurde, kannst auf meiner HP unter "Elektronik" nachsehen.

Was Du angibst, liegt in der Größenordnung des "Newtronics"-Vestärkers. Sieh in Dir doch mal an.

Bei Schuro gibt es auch Kühlkörper, und einen Verstärker mit dem TDA7293 dort auch schon mal nachgeschlagen?

Grüße

Harry

[Lutz]

Top ist wahrscheinlich Gehäusetemperatur des TDA. Also Kühlkörper plus das, was am Isolierplättchen "abfällt".

Man sollte bei solchen Berechnungen nie vergessen, daß Musik einen Crest-Faktor hat, der typischerweise "etwas" über dem eines Sinus liegt und so ein Kühlkörper eine recht anständig große "Zeitkonstante" hat.

Andereseits ist auch nicht zu vergessen, daß LS komplexe Lasten sind, so daß die Verlustleistung auch mal viel größer werden kann als mit ohmscher Last berechnet.

So gesehen gehe ich da eher wie Harry vor *g*. Sicherheitshalber sollte man die Kühlkörpertemperatur aber überwachen und die Endstufe abschalten wenn dann bei komplexen Lasten Tj kurzzeitig zu hoch werden kann (das wiederum kann man berechnen).

Gruß
Lutz

Hallo Harry,

nettes Gerät - große Kühlkörper. Sind das die SK93 oder die SK56?


Hallo Lutz,

soweit ich das Datenblatt des TDA verstehe, ist mit "Top" (operating ambient temperature) wohl die Umgebungstemperatur gemeint. Der Wärmewiderstand des Isolierplättchens fließt mit der Größe RthGK separat in die Berechnung ein. Die Wärmekapazitäten der gesamten Kühlstrecke habe ich erstmal bewusst außen vor gelassen - auch die Tatsache, dass phasenverschobene Blindleistungen im Spiel sind. Das ist natürlich auch wichtig, aber erst danach.

Zunächst wüsste ich gern, ob und wie die wärmetechnischen Eigenschaften mehrerer einzelnener TDAs zu einem "virtuellen" einzelnen Baustein zusammengefasst werden können, um den gemeinsamen Kühlkörper zu berechnen.

Könntet ihr mir da auf die Sprünge helfen?

PS:
Der dicke Daumen fordert im Falle des Kühlkörpers nämlich auch ein dickes Bündel bunter Scheinchen. So locker 100,- Euro für zwei Bleche - das ist nicht eben wenig.

[Lutz]

Aha, ich kann also den TDA ohne Kühlkörper bei 70°C bei Vollast laufen lassen. Krass.

x TDAs => x-fache Verlustleistung => 1/x-fache Rth,k

Für 70 °C Umgebungstemperatur bräuchtest du für den TDA einen Kühlkörper mit einem Wärmewiderstand von:

RthK = [(tj - tu) / Ptot] - RthJG - RthGK
RthK = [(150 °C - 70 °C) / 50 W] - 1,5 °C/W - 0,42 °C / W
RthK = -0,32 °C / W

Geht also mit der angenommenen Isoscheibe nicht. Mir einer Scheibe, die ´nen Wärmewiderstand kleiner 0,1 °C / W hat, würdest du immerhin auf einen positiven Wert als Ergebnis kommen:

RthK = [(tj - tu) / Ptot] - RthJG - RthGK
RthK = [(150 °C - 70 °C) / 50 W] - 1,5 °C/W - 0,09 °C / W
RthK = 0,01 °C / W

Aber das wäre wohl ´ne Schrankwand als Kühlblech...

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"x TDAs => x-fache Verlustleistung => 1/x-fache Rth,k"

Spielt es dabei irgend eine Rolle, wie viele TDAs die x-fache Verlustleistung insgesamt erzeugen?

oder:

Wenn die Verlustleistung eines TDAs unter Volllast (80W an 8 Ohm) 50 W beträgt, um welchen Faktor x steigt die Gesamtverlustleistung von vier TDAs, die zusammen 200 W Nutzleistung abgeben?

[Frank S]

Der am stärksten belastete TDA bestimmt die maximale Kühlkörpertemperatur.

Dann für jeden TDA einzeln die Verluste berechnen un diese addieren. Die Gesamtverluste und die maximale KK Temp ergeben dann den geeigneten KK.

Die Verluste lassen sich nicht für jede Konfigutarion des TDAs einfach so berechnen, weil die Musik zu dynamisch ist. Man legt das Kpühlblech deshalb auf etwa 40% Wirkungsgrad aus und liegt damit auf der sicheren Seite.

Zur Aufheiterung: Die positive Eigenschaft der ICs ist der äußerst hohe thermische Widerstand zwischen Chip und Kühlkörper. Als Folge davon darf das Kühlblech auch unter Vollast des ICs gut 100Grad werden und folglich kleiner ausgelegt sein!

Im Vergleich dazu haben 14 TO3P Transistoren pro Kanal....

Warum wohl sind sikrete Lösungen zu bevorzugen wenn es um höhere Leistungen als etwa 50W geht?

Oha, da steckt ´ne Menge Information drin.

(Also die Conrad Endstufe kauf´ ich nich´, weil die Kanäle nicht getrennt aufgebaut sind, glaube ich, und groß umbauen wollte ich auch nichts. Hast du ´ne andere Empfehlung für diskrete Endstufen-Module, um die 100,- Euro, die mindestens so klingen wie die TDA von newtroinics? Eigentlich bin ich auch ein Freund diskreter Endstufen. Weil ich aber insgesamt sech Stück brauche, sind die Schuros und die newtronics halt eine sehr interessante Sache.)

Aber auch diskrete Endstufen muss man kühlen! Soll also nichts an diesem Thema Kühlkörperberechnung ändern.

Wie berechnet man denn die Kühlkörpertemperatur? Wirkt die Kühlkörper-Temperatur (die vom am stärksten belasteten TDA bestimmt wird, wie du sagst) für die anderen TDAs quasi als erhöhte Umgebungstemperatur?

[Frank S]

Oh wie schlimm! Kanäle sind nicht einzeln abgeschirmt auf extra Platinen 100% symmetrisch zueinander aufgebaut. Und dann der Umbau mit min 30 Lötstellen! Tödlich!

Der TDA hat deshalb thermische Probleme, weil der Wärme3widerstand Die zu Gehäuse sehr hoch ist. Folge: Das Gehäuse muß auf sehr niedriger Temperatur unter 50 Grad gehalten werden und trotzdem erreicht er im Innern seine 150 Grad. Diskrete Teile kann man am Gehäuse gut 100 Grad werden lassen und im Innern laufen sie trotzdem nur mit z.B. 130 Grad. Vorteil: das Kühlblech hat ein Delta T von 80 Grad statt von 30 Grad auf den 20 Grad heißen Raum bezogen. (Korrekterweise gibt man Deltas mit Kelvin an). Dabei genügt ein weniger als halb so großes Kühlblech.

Vergleiche den Wärmewiderstand des TDAs mit einem TO3P Transistor oder einem TO3 Transistor. Und beachte, daß sich die Verluste bei diskreten Schaltungen auf min. 2 Transistoren (nach Umbau sogar 4 Transistoren) aufteilen. Auch der Wärmewiderstand der Isolationsscheiben halbiert sich, wenn sich die Verlustleistung auf 2 Transistoren aufteilt.

Deshalb muß beim TDA an 4 Ohm die Spannung reduziert werden.

Als gute diskrete Schaltung kommt z.B. der Elektor Millenium Crescendo in Frage.

[Frank S]

Wie berechnet man denn die Kühlkörpertemperatur? Wirkt die Kühlkörper-Temperatur (die vom am stärksten belasteten TDA bestimmt wird, wie du sagst) für die anderen TDAs quasi als erhöhte Umgebungstemperatur?

Annahme: Der am stärksten beanspruchte TDA erzeugt 50W und hat einen thermischen Widestand von 1.5K/W. Der Chip darf 150 Grad erreichen. Die Isoscheibe hat 0.5K/W.

150 Grad - 50W*(1.5K/W + 0.5K/W)=150 Grad - 100 Grad= 50 Grad am Kühlkörper

Also: Kühlblech hat maximal 50 Grad zu erreichen.

Insgesamt sind am Kühlblech 2 solcher ICs mit 50W montiert und zusätzlich noch 2 ICs mit 30W. In Summe sind das 160W bei maximal 50 Grad am Kühlblech. Raumtemp betrage 20 Grad.

Das ergibt ein Delta T von 50Grad-30Grad=20K am Kühlblech bei 160W.
Das Kühlblech muß haben: 20K/160W=0.125K/W

Das wird übelst groß und trotzdem rösten die TDAs im Innern mit 150 Grad an ihrer Grenze.

Grund: Betrachte die Temperaturen:

1.)Im Raum 30 Grad
2.)Am Kühlblech 50 Grad
3.)Hinter der Isoscheibe 50+25=75 Grad
4.)Im IC 150 Grad

Ergebnis: alleine im IC gehen quasi 75 Kelvin verloren, die dem Kühlblech an der Wärmeabfuhr fehlen. Hätte man 50 von diesen diese 75 Kelvin zur verfügung, so könnte das Kühlblech immerhin 100 Grad heiß werden. Die Rechnung wäre dann:

(100K-30K)/160W=0.4375K/W. Dieses Kühlblech ist schon deutlich kleiner und gut unterzubringen.

Rechnet es nochmal nach; können Tippfehler drinnen sein. So Pi Mla Daumen stimmt es aber.

Tausend Dank!



Hab jetzt nicht mitgerechnet. Dein Ergebnis deckt sich auf jeden Fall mit meinen Befürchtungen => riesiger Kühlkörper.

Selbst der größte (und teuerste) Kühlkörper von Schuro (mit ca. 0,3 K / W) kommt da nicht mit. So entwickelt sich der Kühlkörper zu einem indirekten Kostenfaktor... Der hohe Wärmewiderstand des TDA scheint ja der Knackpunkt zu sein.

[Frank S]

Nur bei hoher Leistung. Bei 50W an 8 Ohm geht es noch. Der Parallelbetrieb entschärft das Problem zumindest etwas.

Und bei zweien in Brücke an 8 Ohm?

[Frank S]

Brücke verstärkt das Problem, da die Chips dann scheinbar gegen 4 Ohm arbeiten. Bei entlastetem Brückenbetrieb werden 4 TDAs benötigt (2 lCs gebrückt und das Ganze doppelt nebeneinander).

Nun hab´ ich doch noch mal gerechnet und komme bei 160 W Gesamt-Verlustleistung auf ein ähnliches Ergebnis. Die Temperaturdifferenz über dem Kühlblech liegt bei einer Raumtemperatur von 20 °C und einer Isoscheibe von 0,5 K / W mit 30 Kelvin aber geringfügig höher - doch das hilft nichts, der Kühlkörper bleibt trotzdem ein ziemliches Monster:

RthK = 30 K / 160 W
RthK = 0,188 K / W

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Ist beim TDA der Anteil der Verlustleistung an der Nutzleistung eigentlich immer gleich? Bei Volllast stehen 80 Watt maximale Nutzleistung (an 8 Ohm) einer Verlustleistung von 50 W gegenüber. Das ist ein Verhältnis 80 / 50 = 1,6.

Ist dieses Verhältnis auch auf andere Lastzustände übertragbar?

Nutzleistung / Verlustleistung = 1,6
= 80 W / 50 W
= 40 W / 25 W
= 160 W / 100 W
= 200 W / 125 W

???