In diesem Artikel möchten wir Ihnen weitere wichtige Themen aus Sicht eines Designers näherbringen - im Zusammenhang mit der Kühlung elektronischer Systeme. Im Artikel erfahren Sie, warum die Kontrolle der Betriebstemperatur von Bauteilen wichtig ist und wie man diese erreichen kann. Wir stellen verschiedene Methoden vor, wie die Kühlfunktion realisiert werden kann, sowie bewährte Praktiken im Design, die eine effizientere Wärmeabfuhr ermöglichen.
Wie Sie sicherlich wissen, gibt es keine Prozesse mit hundertprozentiger Effizienz. Jeder Energieumwandlung geht ein gewisser Verlust voraus, meist in Form von Wärme – das ergibt sich direkt aus den thermodynamischen Gesetzen. Elektronische Systeme bilden hierbei keine Ausnahme – Bauteile, Leiterbahnen und Leitungen erwärmen sich während des Betriebs.
Viele moderne Komponenten haben einen relativ engen Betriebstemperaturbereich. Zu hohe Temperaturen können deren ordnungsgemäße Funktion stören, Parameterverluste verursachen oder sogar zu Ausfällen führen. Aus diesem Grund ist es wichtig, eine angemessene Wärmeableitung sicherzustellen, um die Temperatur des Systems unter Kontrolle zu halten.
Ein Kühlkörper ist die am weitesten verbreitete Methode zur Kühlung elektronischer Bauteile. Es handelt sich um einen passiven Wärmetauscher, dessen Konstruktion darauf ausgelegt ist, die Oberfläche für den Wärmeaustausch mit der Umgebung zu vergrößern. Die Energie wird von der Basis des Kühlkörpers zu seinen Lamellen übertragen, von wo sie an die umgebende Luft abgegeben wird. Der Luftaustausch erfolgt durch Konvektion, weshalb die Lamellen des Kühlkörpers vertikal ausgerichtet sein sollten. Ebenso wichtig ist die Gewährleistung eines konstanten Luftstroms – beispielsweise durch Lüftungsöffnungen im Gehäuse. Um die Effektivität des Kühlkörpers weiter zu steigern, kann der Luftstrom durch einen Lüfter erzwungen werden – hierbei spricht man von aktiver Kühlung. Kühlkörper bestehen aus Metallen mit hoher Wärmeleitfähigkeit – üblicherweise Aluminium oder Kupfer. Das am häufigsten gewählte Material sind jedoch Aluminiumkühlkörper, da sie trotz etwas geringerer Wärmeleitfähigkeit leichter und kostengünstiger in der Herstellung sind. Es gibt verschiedene Herstellungsverfahren für Kühlkörper, darunter Extrusion, Fräsen oder Gesenkschmieden. Es ist auch möglich, den Kühlkörper direkt in das Gerätegehäuse zu integrieren – diese Lösung wird unter anderem in Modulnetzteilen und anderen Geräten verwendet, die keine hohe Kühlleistungsanforderung haben.
Damit ein Kühlsystem seine Aufgabe effektiv erfüllen kann, muss ein effizienter Wärmetransfer zwischen dem zu kühlenden Bauteil und dem Kühlkörper gewährleistet sein. Dies wird durch diverse Materialien ermöglicht, welche den Wärmeaustausch vermitteln – meist handelt es sich dabei um Wärmeleitpasten. Diese bestehen aus Substanzen mit hoher Wärmeleitfähigkeit – normalerweise Metalle, Silikone oder keramische Materialien. Ihre Aufgabe ist das Ausfüllen mikroskopischer Unebenheiten der Oberflächen der Bauteile, wodurch die Kontaktfläche vergrößert wird. Um eine optimale Wärmeübertragung zu gewährleisten, sollte die Pastenschicht so dünn wie möglich sein.
Der grundlegende Parameter einer Wärmeleitpaste ist ihre Wärmeleitfähigkeit, die die maximale abgeführte Wärmeleistung bei einer bestimmten Kontaktfläche, Dicke und Temperaturdifferenz angibt. Ebenso wichtig ist die Beständigkeit gegen Austrocknen, damit die Paste länger ihre Eigenschaften behält und effektiv arbeitet, ohne häufig ersetzt werden zu müssen.
Um das Thema für Sie weiter zu veranschaulichen, präsentieren wir ein Beispiel einer von uns angebotenen Paste IE-HAY-410. Dabei handelt es sich um eine silikonbasierte Wärmeleitpaste für den allgemeinen Gebrauch mit einer Wärmeleitfähigkeit von 1,42 W/(m*K). Hervorzuheben ist ihr breiter Temperaturbereich für den Betrieb, der von -30 °C bis 280 °C reicht. Dadurch eignet sich diese Paste ausgezeichnet für viele Anwendungen, von Bimetallsensoren bis hin zu fortschrittlichen Kühlsystemen mit Peltier-Elementen. Wir laden Sie ein, das Angebot an Wärmeleitpasten der Firma InterElcom kennenzulernen!
| Bezeichnung | IE-HAY-410 |
| Typ | Silikonbasierte Wärmeleitpaste |
| Wärmeleitfähigkeit | 1.42 W/(m᛫K) |
| Betriebstemperaturbereich | -30 bis 280 °C |
| Verfügbare Verpackungen | Beutel (0,5 g), Spritze (20 g), Dose (100 g) |
Neben Pasten gibt es noch andere Lösungen mit ähnlicher Funktion. Dazu gehören unter anderem Wärmeleitpads – diese kommen vor allem dort zum Einsatz, wo keine enge Kontrolle des Abstands zwischen Bauteil und Kühlkörper möglich ist. Ebenso gibt es spezielle Kleber und selbstklebende Bänder. Einige Typen von Komponenten erlauben auch die Verwendung von Silikonhülsen und -pads, die eine einfache Montage am Kühlkörper mittels Schrauben ermöglichen.
Auf den ersten Blick könnte man denken, dass gedruckte Leiterplatten nicht als Kühlkörper geeignet sind. Es stellt sich jedoch heraus, dass eine bedeutende Anzahl von Komponenten die Leiterplattenkonstruktion für die Ableitung überschüssiger Wärme nutzt und somit optimale Arbeitsbedingungen sichert. Dazu gehören vor allem Bauteile wie Mikrocontroller, Hochleistungs-LEDs, Transistoren sowie integrierte Schaltungen von Wandlern und Verstärkern. Dafür verwenden sie sogenannte Wärme-Pads – speziell angepasste Anschlüsse, die durch die Verbindung mit der Leiterplatte eine effektive Wärmeableitung des Systems ermöglichen. Die Funktion des Kühlkörpers übernimmt dann eine zusammenhängende Kupferfläche, deren Größe und Form den Anforderungen des jeweiligen Bauteils entsprechen sollte. Die Effektivität dieser Kühlmethode kann zusätzlich durch spezielle Kühlkörper verbessert werden, die direkt auf der Leiterplatte montiert werden.
Eine weitere Möglichkeit ist die Verwendung von Leiterplatten mit Aluminium-Substrat. Sie ermöglichen eine noch effektivere Wärmeabfuhr sowie eine einfache Integration mit anderen Kühlsystemen. Diese werden hauptsächlich in der LED-Beleuchtung verwendet, wo viel Wärme entsteht und gleichzeitig einfache Schaltungen keinen mehrlagigen Aufbau brauchen.
Lesen Sie auch: LED – Charakteristika der wichtigsten ParameterEs liegt in der Verantwortung des Leiterplatten-Designers, die von den Komponenten erzeugte Wärme sowie deren Ableitung zu berücksichtigen. Vernachlässigungen in diesem Bereich können die Lebensdauer der Bauteile verkürzen oder zu vorzeitigen Ausfällen führen. Dies betrifft besonders hitzeempfindliche Bauteile, wie zum Beispiel Leuchtdioden (LED) mit hoher Leistung. Um sicherzustellen, dass ein Bauteil optimal gekühlt wird, empfiehlt es sich, auf Lösungen des Herstellers im Datenblatt zurückzugreifen. Bei komplexeren Systemen können Computersimulationen hilfreich sein.
Eine gute Strategie, um Überhitzungsprobleme zu vermeiden, besteht darin, die Wärmeentwicklung in Systemen zu minimieren. Hierzu sollte moderne Technologie eingesetzt werden, die auf maximale Effizienz ausgelegt ist. Ein hervorragendes Beispiel ist der Einsatz von Schaltreglern anstelle von linearen Reglern oder der Ersatz von Netztransformatoren durch effiziente Schaltnetzteile. Außerdem ist wichtig, dass Bauteile nicht über längere Zeit unter Volllast betrieben werden, da dies üblicherweise zu verstärkter Wärmeentwicklung führt. Dies erleichtert die Kontrolle der Systemtemperatur und gewährleistet eine lange und störungsfreie Funktion.
Die Entwicklung und der Bau eines zuverlässigen Geräts kann eine große Herausforderung sein, daher ist es am besten, diese Aufgabe Spezialisten zu überlassen. Die Firma InterElcom ist spezialisiert auf das Design und die Fertigung elektronischer Systeme sowie den Vertrieb einer breiten Palette von Komponenten. Unser qualifiziertes und erfahrenes Team sorgt ständig dafür, dass unsere Produkte selbst die strengsten Anforderungen unserer Kunden erfüllen. Unsere Lösungen finden sich nicht nur in der Beleuchtungsbranche, sondern auch in vielen Industriesektoren, wo sie seit Jahren zuverlässig ihren Dienst tun. Werden auch Sie zufriedener Kunde der Firma InterElcom – kontaktieren Sie uns noch heute!
