Was ist ein Kühlkörper (Heat Sink) und warum wird er benötigt?

Was ist ein Kühlkörper?

Ein Kühlkörper (Heat Sink) ist ein Bauteil, das die Ableitung der in einer elektronischen Komponente entstehenden Wärme an die Umgebung erleichtert. Er beseitigt die Wärme nicht selbst; er nimmt sie von der Komponente auf, verteilt sie über die Basis und die Kühlrippen und gibt sie anschließend an die Umgebungsluft ab. Ziel ist es, den Betrieb des Geräts innerhalb der vorgesehenen Temperaturgrenzen zu unterstützen.

Die Verlustleistung von Komponenten wie MOSFETs, IGBTs, Leistungsdioden, LED-Modulen oder Netzteilen ist der Ausgangspunkt für das thermische Design. Anstatt den Kühlkörper nur anhand der elektrischen Leistung des Geräts auszuwählen, muss die tatsächliche Wärmelast bestimmt werden, die auf den Kühlkörper übertragen wird.

Wie wird die Wärme vom Kühlkörper abgeführt?

1. Kontakt: Die Wärme gelangt vom Gehäuse der Komponente auf die Basis des Kühlkörpers. Die Oberflächenbeschaffenheit, der Anpressdruck und ein geeignetes thermisches Interface beeinflussen diesen Pfad.
2. Verteilung: Die Basis verteilt die Wärme auf die Kühlrippen. Die Rippen vergrößern die Oberfläche, die mit der Luft in Kontakt steht.
3. Abgabe an die Umgebung: Die Wärme wird durch natürliche Luftbewegung oder durch den von einem Lüfter erzeugten Luftstrom abgeführt. Auch Strahlung trägt zur Wärmeübertragung bei.

Ein Engpass in einem beliebigen Teil dieses Pfades kann verhindern, dass selbst ein großer Kühlkörper das erwartete Ergebnis liefert.

Warum sollte man ihn verwenden?

Ein unkontrollierter Temperaturanstieg kann dazu führen, dass die Betriebsgrenzen der Komponente überschritten werden, sie aufgrund von Schutzschaltungen abschaltet oder beschädigt wird. Ein korrektes thermisches Design zielt darauf ab, die Temperatur auch bei maximaler Umgebungstemperatur und unter Lastbedingungen unterhalb der zulässigen Grenzwerte zu halten.

Nicht für jede Schaltung ist ein separater Kühlkörper zwingend erforderlich. In manchen Anwendungen können die Leiterplatte (PCB), das Gerätegehäuse oder ein anderer Wärmepfad ausreichen. Die Entscheidung sollte auf Basis der Komponentendaten und der tatsächlichen Betriebsbedingungen getroffen werden.

Ohne oder mit Lüfter?

Bei der natürlichen Konvektion entsteht die Luftbewegung durch Temperaturunterschiede. Die Ausrichtung der Rippen, der Freiraum in der Umgebung und der Luftweg innerhalb des Gehäuses sind entscheidend. Bei der erzwungenen Konvektion wird ein Lüfter oder Gebläse eingesetzt; die Leistung hängt vom tatsächlichen Luftstrom ab, der durch den Kühlkörper strömt.

Der im Katalog angegebene freie Luftdurchsatz eines Lüfters garantiert nicht, dass derselbe Durchsatz auch in einem geschlossenen Gehäuse erreicht wird. Bei der Wahl einer Lösung mit Lüfter sollten auch Wartungsaspekte, Staubentwicklung und die mögliche Verringerung des Luftstroms im Betrieb berücksichtigt werden.

Welche Informationen werden für die richtige Auswahl benötigt?

• Wärmelast: Die auf den Kühlkörper zu übertragende Verlustleistung in W.
• Temperaturziel: Die zulässige und für das Design angestrebte Temperatur der Komponente.
• Umgebung: Die maximale Temperatur der Luft, die den Kühlkörper erreicht.
• Platzierung: Verfügbares Volumen, Profillänge, Rippenausrichtung und Luftstrom.
• Montage: Kontaktfläche, Lochbild, thermisches Interface und Bedarf an elektrischer Isolierung.

Was sagt der Wärmewiderstand aus? Er ist das Verhältnis des Temperaturanstiegs zwischen zwei bestimmten Punkten zur übertragenen Wärmeleistung. Wenn beispielsweise 15 W auf einen Kühlkörper mit einem unter gleichen Betriebsbedingungen verifizierten Basis-Umgebungs-Widerstand von 2 K/W übertragen werden, ergibt sich ein berechneter Temperaturanstieg von etwa 30 °C. Dies ist nicht die Sperrschichttemperatur (Junction Temperature); interne Komponentenwiderstände und Kontaktwiderstände müssen zusätzlich berücksichtigt werden.

Dieses Beispiel stellt kein Leistungsversprechen für ein Produkt dar. Katalogwerte sollten nur dann zum Vergleich herangezogen werden, wenn Luftstrom, Abmessungen und Messbedingungen vergleichbar sind.

Häufig gestellte Fragen

Ist ein größerer Kühlkörper immer besser?

Die Größe allein ist nicht entscheidend. Kühlrippen, die nicht von Luft erreicht werden, ein schlechter Oberflächenkontakt oder eine ungeeignete Anordnung können die Leistung einschränken.

Ersetzt Wärmeleitpaste den Kühlkörper?

Nein. Das Wärmeleitmaterial dient lediglich zur Verbesserung des Kontaktübergangs; es ersetzt weder die Oberfläche zur Wärmeabgabe an die Umgebung noch den Luftstrom.

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Weiterführende Lektüre: Wie wählt man einen Kühlkörper aus? · Wärmewiderstand und Kühlkörperberechnung

Technische Ressourcen

Texas Instruments — Understanding Thermal Dissipation and Design of a Heatsink
Eaton — Heat sinks
Boyd — How to Select a Heat Sink

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