Thermisches Design

Beim Betreiben elektronischer Schaltungen und Geräte bis hin zu komplexen Systemen entsteht immer eine Verlustleistung \(P_{v}\) , die sich aus der Differenz der zugeführten elektrischen Leistung \(P_{\text{elzu}}\) und der abgeführten Leistung  \(P_{\text{ab}}\) (Nutzleistung) ergibt: 7.1 \(P_{v}=P_{\text{elzu}}-P_{\text{ab}}\) Diese Verlustleistung stellt in einem definierten Zeitintervall eine Energie in Form von Wärmeenergie  \(Q\) dar, die als ein Wärmestrom \(\dot{Q}\) abgeführt werden muss. Ebenfalls häufig vorkommende mechanische Verformungsenergien spielen dabei zunächst eine untergeordnete Rolle. Die Einheit von \(\dot{Q}\) ist das Watt  \(W\) , wie bei den Leistungen. Aus der Definition des Wirkungsgrades  \(\eta\) ist zum einen sofort ersichtlich, dass das Ziel immer sein muss, diese Verlustleistung zu minimieren: 7.2 \(\eta=\dfrac{P_{\text{ab}}}{P_{\text{elzu}}}=\dfrac{P_{\text{elzu}}-P_{v}}{P_{\text{elzu}}}\) Weiterhin ist zu sehen, dass die Verlustleistung maximal den Wert der zugeführten elektrischen Leistung annehmen kann. Bei einem typischen Ohm’schen Widerstand wird keine elektrische Leistung abgeführt, sondern die zugeführte Leistung wird vorrangig in Wärme und eine geringfügige mechanische Verformung (es existieren Wärmeausdehnungskoeffizienten) umgesetzt mit \(P_{\text{elzu}}=P_{v}\) . Rechnerisch ist aus elektrischer Sicht damit der Wirkungsgrad Null. Eine Wirkungsgradbetrachtung macht in diesem Zusammenhang wenig Sinn.