Kühlkörper berechnen

[Frank S]

Die 0.5K/W kriegt man klein, indem man:
->den TDA direkt auf das Kühlblech schraubt und diesen isoliert im Innern des Gehäuses unterbringt
->man den TDA direkt auf eine Kupferplatte schraubt und diese dann großflächig isoliert mit dem Kühler verschraubt
->man statt Silikon den herkömmlichen Glimmer und Paste benutzt


Der Kühlkörper bleibt trotzdem ein ziemliches Monster:
->läßt sich aber auf mehrere einzelne Kühlkörper aufteilen.
->Ein schönes Gehäuse mit Kühlkörpern als Seitenwand (siehe HCA2200) ist imstande, diese Kühlleistung locker zu erreichen.


Bei Volllast stehen 80 Watt maximale Nutzleistung (an 8 Ohm) einer Verlustleistung von 50 W gegenüber. Das ist ein Verhältnis 80 / 50 = 1,6.
->Oder als Abwandlung davon ein Wirkungsgrad von 80/130 = 61.5%, also nahe am theoretischen Ideal.
->Das ist typisch für alle Class AB Verstärker mit nicht extremem Ruhestrom und Betrieb nahe Rail-to-Rail (wenige Volt Verlust bei maximaler Aussteuerung an den Transistoren). Läßt sich über ein Integral berechnen. Gilt aber nur für konstante Betriebsspannung, rein ohmsche Lasten und Betrieb mit Vollast bei einem reinen, unverzerrten Sinus.


Ist beim TDA der Anteil der Verlustleistung an der Nutzleistung eigentlich immer gleich?
->Nur bei Vollast an 8 Ohm und einer konstanten Betriebsspannung PRO TDA. Bei anderen Bediungungen komplett andere Werte! Bei den meisten Betriebsbedingungen liegt der Wirkungsgrad noch deutlich schlechter - die Verlustleistung ist aber trotzdem gering. z.B. Betrieb mit 0.02W Ausgangsleistung und Leistungsaufnahme von geschätzten 5W. Wirkungsgrad nahe Null bei Verlusten um 4.98W.
->Die Kühlung muß auf die maximale Verlustleistung ausgelegt werden - nicht auf einen Wirkungsgrad.


Übertragbarkeit gilt nur für gleiche Bedingungen pro IC unter Bezug auf das Datenblatt. Wirkungsgrad 61,5% oder der obige Faktor von 1.6 gilt also für...

80 W / 50 W OK!
40 W / 25 W nicht!
160 W / 100 W Ist okay für Brückenbetrieb an 16 Ohm oder Parallelbetrieb an 4 Ohm
200 W / 125 W nicht!

Auch wenn man die Bedingungen einhält, so führt Dauerbetrieb nahe 150 Grad Kerntemperatur mittelfristig zum Ausfall. Die Praxis bei ICs zeigt, daß eine Erhöhung der Temp um 10K die MTBF genau halbiert.

MTBF kann man grob so interpretieren:
200.000 Stunden bei 30 Grad heißen, daß bei 1000 gleichzeitig betriebenen ICs alle 200 Stunden eines ausfällt.

Zu Bedenken ist: in TV Geräten sterben z.B. Vertikal-Endstufen-ICs regelmäßig, obwohl diese mit 60 Grad Kerntemperatur laufen.

Hallo Frank,

danke für die ausführlichen Erklärungen. Allmählich kommt sozusagen Licht ins Dunkle.

Nach einer möglichen Konstanz des Wirkungsgrades hatte ich gefragt, um eventuell Rückschlüsse auf die Verlustleistung, zum Beispiel der Hochton-Endstufe, ziehen zu können. Die wird ja wahrscheinlich nie ganz gefordert werden mit ihrem Anteil von vielleicht 10% (oder sogar noch weniger) an der Gesamtnutzleistung eines Stereokanals. Die Verlustleistung aller TDAs zusammen scheint ja wirklich schwer fassbar zu sein, bei so unterschiedlicher Belastung wie in einer Aktivlautsprecher-Anwendung. Ich glaube, deine über den Daumen gepeilten 160Watt Gesamt-Verlustleistung scheinen eine solide Basis zu sein für den Ausgangspunkt mit zwei TDAs in Brücke für den Tiefton, ein TDA für den Mittelton und noch einer für den Hochton.

Noch ein paar Fragen durcheinander:

Welche verfügbaren Isoscheiben haben den geringsten Wärmewiderstand? Silikon-Isoscheiben? Wo liegen die Wertemäßig?

Wie hoch ist der Wärmewiderstand einer Kupferplatte? Vernachlässigbar?

Müssten die einzelnen TDAs, wenn sie direkt auf einen gemeinsamen Kühlkörper montiert werden, immer noch gegeneinander isoliert werden, oder genügt es, den gemeinsamen Kühlkörper nur gegen das Gehäuse zu isolieren?

Die Idee mit der direkten Montage gefällt mir sehr gut!

[harry_m]

Grundsätzlich: jedes Teil, das zwischen den TDA und den Kühlkörper eingebaut wird, verschlechtert die Wärmeübertragung. TDA's können miteinander verbunden werden: die Minusspannung liegt am Gehäuse an: an jedem einzelnen.

Ich habe mir die Kapton - Isolierscheiben von Conrad bestellt. Muss ehrlich sagen: ich weiss nicht, ob es für dieses Geld die besten sind: ich fand nichts Anderes. Soll es was besseres geben, wäre ich für den Hinweis dankbar.

Nochmals: TDA in Brücke geht zwar, ist jedoch nicht besonders gute Idee. Wenn die dreifache Parallelschaltung es nicht bringt, vergiss es einfach! Da muss ich dem Frank recht geben: da würde ich mich in diesem Fall nach anderen Lösungen umsehen. (Warum es mit 3xTDA7293 Parallel nicht gehen soll, weiss ich jedoch nicht: diese Schaltung bringt bis zu 180W an 2 Ohm - reicht das wirklich nicht?)

Beim Kühlkörper und Trafo stellt sich die banale Frage in aller Deutlichkeit: wie viel Dauerleistung braucht man wirklich im Heimischen Wohnzimmer? Die Industrie hat es eindeutig beantwortet, indem sie diese Teile gnadenlos reduziert hat: weil es für 99% der Fälle kaum eine Auswirkung hatte.

Grüße
Harry

Hallo Harry,

ich habe ein bisschen gegoogelt und bin auch auf Kapton als Material für Isolierscheiben gestoßen. Die Kapton-Scheiben sollen tatsächlich das non plus ultra sein. Sehr dünn mit 0,05mm, beidseitig beschichtet mit Wärmeleitmasse je 0,015mm. Die Wärmeleitmasse soll bei Temperaturen um 50 °C schmelzen und den Halbleiter beim ersten Warmlaufen saugend an den Kühlkörper "schmatzen". Ist das auch bei dir so?

Der Wärmewiderstand dieser Scheiben soll unter 0,2 °C/W liegen. Schuro bietet solche Scheiben auch an (sind mir vorher gar nicht aufgefallen); dort wird sogar ein Wärmewiderstand von sage und schreibe 0,07 °C/W angegeben! (Das genieße ich mit Vorsicht und gehe mal von 0,2 °C/W aus.) Hat Conrad die etwa auch? Im Conrad-Katalog finde ich die nicht.

Kleine Rechnung:

Für die Kühlkörpertemperatur (tk) mit einem TDA bei 50 W Verlustleistung und Verwendung einer Kapton-Isolierscheibe (mit 0,2 °C/W) bedeutet das:

tk = tj – Ptot * (RthJG + RthGK)
tk = 150 °C - 50 W * (1,5 °C/W + 0,2 °C/W)
tk = 150 °C - 85 °C
tk = 65 °C

Daraus folgt bei einer Raumtemperatur von 22 °C eine Temperaturdifferenz von 65 °C - 22 °C = 43 Kelvin über dem Kühlkörper, so dass ein Wärmewiderstand von 0,27 °C/W für den gemeinsamen Kühlkörper ausreichen müsste, wenn die abzuleitende Verlustleistung bei 160 W liegt:

RthK = 43 K / 160 W
RthK = 0,269 °C/W (bzw. K/W)

Bedenkt man nun noch, dass der Wärmewiderstand des TDA typischer Weise bei etwa 1,0 °C/W liegt (nur im ungünstigesten Fall bei 1,5 °C/W) und die Kapton-Isolierscheiben deutlich unter 0,2 °C/W gehandelt werden, dürfte theoretisch sogar ein kleines Pölsterchen in dieser Rechnung stecken, wenn die größten Kühlkörper von Schuro (0,3 °C/W) verbaut werden. Theoretisch natürlich. Die Kühlkörper müssten aber tatsächlich als Gehäuse-Seitenwände herhalten - so wie bei dir - sieht aber recht ansprechend aus, finde ich.

Also zur Frage mit der "wirklich" nötigen Leistung gibt es für meinen Anwendungszweck eine kleine Besonderheit: Aktive Entzerrung des Tieftonbereichs, genauer gesagt: Ausgleich des Pegelabfalls eines 8 Ohm Tieftöners im geschlossenen Gehäuse (Güte von etwa 0,5...0,6) bis etwa 40 Hz. Und "nur" 6 dB mehr Pegel fordern schon vier mal mehr Leistung von der Endstufe (das habe ich an anderer Stelle hier gelernt ), und zwar ungefähr über eine Oktave hinweg. Das fordert Kühlung schon im unteren Bereich der Lautstärkeskala.

PS:
Hat Kapton irgendwelche gesundheitsschädlichen Eigenschaften? (Das ist ja meist so bei den vermeintlichen Wundermaterialien, siehe Aspest.)

edit:
"TDA's können miteinander verbunden werden: die Minusspannung liegt am Gehäuse an: an jedem einzelnen."

Da hätte ich ehrlich gesagt Angst, ob da nicht Ausgleichsströme fließen...

[Frank S]

Nimm 2 Kühlkörper zu 0.3K/W und zwar so, daß sie mit stehenden Rippen die Gehäusewände bilden.

[harry_m]

Na dann sieht das Ganze nicht mehr so fürchterregend aus, was?
Meine Kühlkörper sind beim Schuro nicht zu haben, und weisen stolze Maße von 40x200x420mm auf. An die kam ich eher durch ein Zufall und ganz günstig. Als ich später in einem Industriekatalog den Kaufpreis sah, ist mir die Kinnlade heruntergefallen. Also: ein Hoch auf den Flohmarkt auf der HAM Radio in Friedrichshafen.

Was die gesundheitliche Bedenken beim Kapton betrifft: mir ist nichts bekannt. Es kommt aber bei so vielen Produkten zum Einsatz, dass ich es mir gar nicht vorstellen kann (Visaton Chassis haben sehr oft eine Schwingspule aus Kapton, MHT12 Membran auch). Selbstverständlich ist es keine Garantie, aber inzwischen sage ich: "Ich will es nicht wissen". Insbesondere seit der Sendung, wo die französische Soldaten gezeigt wurden, die im ersten Weltkrieg die erste Giftgasattake der Deutschen überlebt haben. "Überlebt" ist gut! - Die sind Hundert Jahre alt geworden, und können es heute noch erzählen!

An dieser Stelle nochmal großen Dank an euch für die Hilfe zur Berechnung des Kühlkörpers! Jetzt kann ich dessen Größe hinreichend abschätzen.

@Frank
Interessehalber habe ich nebenher die Elektor-Endstufe im Netz gesucht - aber keine näheren Informationen gefunden. Kennst du eine Seite, auf der die Daten dieser Endstufe genannt werden und ein Anbieter?

@Harry
Wollen wir tauschen? Du gibst mir deine beiden Kühlkörper und ich kauf dir die 0,3er von Schuro dafür.

PS:
Nochmal zu den TDAs: Warum können zwei in Brücke geschaltete TDAs eine höhere Nutzleistung abgegeben als zwei parallel geschaltete? Das Schuro-Modul jedenfalls schafft in 2er-Brücke bis zu 150W Nutzlast an 8 Ohm aber zwei Module parallel schaffen nur ca. 100W an 8 Ohm. Woher diese Unterschiede in der maximal möglichen Nutzleistung? Zwei Bausteine sind´s doch in beiden Fällen.

[Frank S]

Mach die endlich mal auf dem Papier die Funktion von Parallelbetrieb und Brückenbetrireb klar.

Tip: Brückenbetrieb verdoppelt die Spannung an der Last bei sonst gleichen Bedingungen; Parallelbetrie3b den Strom.

Muß noch einige Seiten ASM programmieren - dann suche ich den Elektorplan auf der Jahres-CD heraus.

Große Endstufen werden ebenfalls warm, im Sommer muß man die HCA2200 möglichst oft abschalten um die Raumtemp nicht unnötig zu erhöhen. 14 bestromte Transistoren pro Kanal heizen kräftig ein! Die sehr großen Kühlflächen werden zwar nicht heiß; erzeugen aber einen kräftigen Luftstrom.

Ok,

und ich kritzel mir die Schaltung(en) mal auf... - der Tee ist auch grad durch.

Bis nachher.

Der Parallelbetrieb ist mir jetzt klar, glaube ich. Da ändert sich ja auch nicht viel, außer eben, dass der Strom sich entsprechend der Anzahl der parallelgeschalteten TDAs verteilt, und aufgrund dieser "Stromreserve" auch niedrige Last-Impedanzen möglich sind.

Bei der Brückenschaltung bin ich mir noch nicht im klaren, woher die Verdopplung der Spannung kommen soll. Muss irgendwie damit zusammenhängen, dass die Spannungsverstärkung (das Verstärkungsmaß von 30 dB pro TDA) bei zwei TDAs in Reihe wahrscheinlich zwei mal wirkt. Volle Ausgangsspannung also nicht erst bei vollem Eingangssignal, sondern schon bei halben Signal. Deshalb muss wohl auch die Spannungsversorgung der TDAs in Brückenschaltung soweit herabgesetzt werden, bis selbst das volle Eingangssignal die TDAs nicht mehr überhitzen lässt. Oder so ähnlich.

Da bin ich noch nicht zu Ende mit.

[Maddin]

"Da bin ich noch nicht zu Ende mit."
Stimmt

Hier was zum Lesen, das dürfte all deine Fragen beantworten:
http://www.national.com/appinfo/audi...ation_Note.pdf
Ich meine Frank hätte Dir das auch schon mal empfohlen...

(EDIT: Ups, sorry, es ging um Nimrod im anderen Thread)

Gruß,
Maddin

[Frank S]

20 Seiten ASM Code fertig. Läuft! Nicht optimiert, aber läuft!

Modell: ein TDA entspricht 10V Spannungsquelle in Reihe mit 1 Ohm. Lautsprecher entspricht 10 Ohm. Verluste Pro 1 Ohm entsprechen dem Verlust pro TDA, Verluste am 10 Ohm entsprechen Lautsprecherleistung des Gesamtverstärkers.

1.) Einfachbetrieb: 10V mit 1 Ohm direkt an 10 Ohm. I=10/11A, Ptda=0.826W, Plautsprecher=8.26W

2.) Brückenbetrieb: 10V mit 1 Ohm 2x in Reihe an die 10 Ohm. I=20/12A. Ptda=2.77W, Plautsprecher=27.7W

3.) Parallelbetrieb: 10V mit 1 Ohm doppelt parallel. daran die 10 Ohm. Iges=10/10.5A, Itda=5/10.5A (Hälfte), Ptda=0.226W, Plautsprecher=9.07W.

Die Modellierung stimmt so nicht ganz, weil der Verstärker am Ausgang eine Konstantspannungsquelle ist und sich an den Transistoren im Fall 3 genbau die halbe Verlustleistung des falls 1.) einstellt. Für die Emitterwiderstände in jedem Verstärker gilt die Rechung aber. Es zeigt, daß Brückenbetrieb eine ERHEBLICHE Mehrbelastung drastellt und fast die 4-fache Leistung bringt. In der Praxis ist es nicht ganz die 4-fache leistung, weil Netzteile zusammenbrechen, Widerstände hinzukommen und Überhitzung vorher abschalten läßt.

[Frank S]

Wer mit seine E-Mail zukommen läßt, kriegt den Millenium Crescendo als Komplettanleitung im PDF.

[Maddin]

Hallo Frank

Hätte interesse an dem Plan. Danke!
MaddinL (at) gmx (punkt) net

Gruß,
Maddin

[karahara]

Ich auch, Mail . Vielen Dank

karahara