Wärmewiderstand, thermischer Widerstand

Zum Wärmewiderstand bzw. Thermischen Widerstand allgemein

Halbleiterbauelemente werden durch die sogenannte Verlustleistung P_V erwärmt. Dies geschieht besonders an den PN-Übergängen. Bei kleinen Leistungen (z.B. an einer LED) müssen wir uns über eine unzulässig hohe Erwärmung bzw. Gebrauch von Kühlkörpern keine Gedanken machen. Bei größeren Leistungen der  elektroníschen Bauteilen muss eine unzulässig hohe Erwärmung schon bei der Entwicklung einer Schaltung berücksichtigt werden.

Die maximale, zulässige Sperrschichttemperatur Tj (engl. junction) wird vom Hersteller im Datenblatt. angegeben. Meistens beträgt die max. Sperrschichttemperatur 150°C. Ein Überschreiten der Sperrschichttemperatur zerstört den Halbleiter. 

Der Wärmewiderstand gibt an, wie gut oder schlecht ein Bauteil Wärme ableitet. Je kleiner dieser Wert ist, desto besser wird die Temperatur abgeleitet und desto geringer ist der Temperaturanstieg des Bauteils. Die Berechnungsformel Wärmewiderstand bzw. Thermischer Widerstand ist wie folgt:

Die Gleichung zur Berechnung des Wärmewiderstandes ähnelt sehr dem Ohm´schen Gesetz. Tatsächlich kann man die Analogie elektrischer Wíderstand zum Wärmewiderstand ableiten:

Vergleich Thermischer Widerstand zum Ohm'schen Widerstand

Bemerkung: Der Wärmefluss q steht im direkten Zusammenhang mit der Verlustleistung P_V. Da die Berechnung des Wärmewiderstand meist in der Elektroník Anwendung findet, wurde in der obigen Berechnungsformel die Verlustleistung P_V verwendet.

Berechnung Wärmewiderstand mit und ohne Kühlkörper

Um die Wärme abzuführen werden Kühlkörper verwendet. Bei sehr kleinen Leistungen reicht meist das Gehäuse aus, oder der Halbleiter wird direkt auf das Gerätegehäuse montiert. Bei größeren Leistung behilft man sich mit Kühlkörpern, meistens in Verbindung mit einer sogenannten Wärmeleitplaste.

Berechnung Wärmewiderstand bzw. Thermischer Widerstand mit Kühlkörper

Beispielrechnung

Ein Transistor erwärmt sich im Betrieb auf eine maximale Temperatur von 105 °C am Bauteilgehäuse. Die Sperrschicht-Temperatur beträgt 133 °C. Die Umgebungstemperatur beträgt 30 °C. Der maximale thermische Übergangswiderstand Rth_SG ist mit 40 K/W angegeben.

1. Berechnen Sie die am Transistor auftretende Verlustleistung PV_1.
2. Berechnen Sie die maximale erlaubte Umgebungstemperatur. Die maximale Sperrschichttemperatur beträgt 150 °C. Die unter Punkt 1 berechnete Verlustleistung bleibt gleich.
3. Um die Verlustleistung des Transistors zu verbessern, wird ein ein Kühlkörper verwendet.
   Der thermischen Übergangswiderstand Rth_SG beträgt 0,5 K/W. Der verwendete Kühlkörper inklusive Wärmeleitpaste hat einen thermischen Übergangswiderstand von 5 K/W. Die Umgebungstemperatur T_U kann wieder mit 30°C angegeben werden.