Kühlkörper

Ausreichende Wärmeableitung ist von größter Bedeutung für die korrekte Funktion und Stabilität jeder Elektronik-Entwicklung. Zu diesem Zweck gibt es Kühlkörper in verschiedenen Formen und Größen. Sehen wir uns hier die wichtigsten Typen an.

Das Thema dieser Ausgabe ist Prototyping und Produktion. Ein sehr wesentlicher Teil davon ist es, sicherzustellen, dass alle wärmeabgebenden Komponenten auf einer sicheren Temperatur gehalten werden – anderenfalls drohen vorzeitige Ausfälle oder Schäden an Ihrer Ausrüstung.

Kühlkörper sind recht unspektakuläre Komponenten; sie haben keinerlei elektronische Funktion, aber die richtige Auswahl und Verwendung von Kühlkörpern ist ein sehr wesentlicher Teil der Produktion. Und die Auswahl an Kühlkörpern ist riesig. Von winzigen Rippen, die auf TO-92- und TO-5-Transistoren geklemmt werden, über Aluminium-Profile, die an die allgegenwärtigen TO-220- und größere Flachgehäuse-Halbleiter geklippt oder geschraubt werden, bis hin zu großen Rippenprofilen, die mehrere Transistoren oder einen PC-Prozessor-Chip kühlen können – es gibt sie in nahezu endloser Vielfalt.

Heatsinks 1 — Bild 1. Eine Auswahl von Kühlkörpern für verschiedene Gehäuse. Für TO-18-Transistoren (A),
drei Aufklemm-Kühlkörper für TO-5-Transistoren (B), zwei selbstklebende Typen für SMD-ICs wie beim Raspberry Pi (C),
Leiterplatten- und Klemmmontage-Kühlkörper für TO-220 und größere Bauteile (D), Leiterplattenmontage-Kühlkörper für ein TO-3-Bauteil (E).
Verschiedene Isoliermaterialien: eine Glimmerscheibe (oben), zwei rote Isolierbuchsen zur Isolierung der Schrauben
von Kühlkörpern und verschiedene graue Silikon-Isolierscheiben (F). (Quelle: David Ashton)

Kühlkörper sind oft schwarz eloxiert – wenn Sie sich an Ihren Schulphysikunterricht erinnern, strahlen schwarze Körper Wärme besser ab als blanke Metallkörper. Wenn Sie schon einmal mehrere Transistoren auf einen Kühlkörper montieren mussten, kennen Sie die verschiedenen Arten von Isoliermaterialien wie Silikon- und Glimmerscheiben sowie Teflonbuchsen, die verhindern sollen, dass die zu kühlenden Bauteile elektrischen Kontakt mit dem Kühlkörper bekommen.

Kühlkörper haben eine Kennzahl in K (Kelvin), nämlich den Temperaturanstieg pro Watt der abgeführten Wärme, wobei Isolierscheiben die Berechnung erschweren.

Thermischer Kontakt ist jedoch wichtig, und eine Silikon-Wärmeleitpaste wird verwendet, um die Wärme zwischen dem Transistor und der Oberfläche des Kühlkörpers – die nie ganz glatt sind – besser zu leiten; die Wärmeleitpaste füllt die kleinsten Lücken aus.

Heatsinks 2 — Bild 2. Ein massiver, extrudierter Kühlkörper, der einzeln (rechts) oder
als zwei zusammengeklippte Teile mit montiertem Lüfter (links) für noch
bessere Kühlung verwendet werden kann. (Quelle: David Ashton)

Aktive Kühlkörper

Bei größeren Kühlkörpern werden oft Lüfter eingesetzt, um eine Zwangsbelüftung zu gewährleisten, sodass die Wärme schneller vom Kühlkörper abgeführt wird als durch natürliche Konvektion. Auch Heatpipes werden für effizienten Wärmetransport eingesetzt, aber das ist ein eigenes Thema und vielleicht etwas für einen späteren Artikel!

Staub ist der größte Feind jedes belüfteten Kühlkörpers. Er behindert die Luftzirkulation und wirkt wie eine Decke, die die Wärme einschließt. Besonders wenn Lüfter verwendet werden, sammelt sich Staub schnell an. Ein externer Filter lässt sich leichter reinigen als ein interner Kühlkörper.

Heatsinks 3 — Bild 3. Ein beeindruckender Kühlkörper für PC-Prozessoren, der sowohl
Zwangsbelüftung als auch Heatpipe-Technologien nutzt. (Quelle: Martin Rowe)

Bild 1 zeigt eine Auswahl von Kühlkörpern für verschiedene Transistoren bis zur TO-220- und TO-3-Größe. Sie werden entweder direkt auf dem Transistor montiert, oder der Kühlkörper wird an der Leiterplatte befestigt und der Transistor an den Kühlkörper geschraubt. Ebenfalls abgebildet ist Isoliermaterial – eine TO-3-Glimmerscheibe (transparent), verschiedene Silikonscheiben (grau) und einige Isolierbuchsen, die Befestigungsschrauben von Kühlkörpern isolieren.

Bild 2 zeigt einen zweiteiligen Kühlkörper. Die Teile können einzeln verwendet werden (rechts) oder zusammengeklippt und mit einem Lüfter versehen werden (links) – für noch bessere Kühlung. Bild 3 zeigt einen PC-Prozessor-Kühlkörper; sie sind oft groß und dekorativ!