Kühlkörper mit lötfähiger Oberfläche

Fragen zu Schaltungen, Elektronik, Elektrik usw.

Moderator: T.Hoffmann

Kühlkörper mit lötfähiger Oberfläche

Beitrag am Fr, 09.11.18, 20:15 (0 Bewertungen, 30 Sterne)

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Hat jemand Erfahrung mit solchen Kühlkörpern?
Mich interessiert, wie gut (oder schlecht) sich dort ein FET auflöten lässt und wieviel Megawatt der Lötkolben haben sollte.

ICK SMD M 17 MI (LxBxH: 17 x 14 x 6mm, 40K/W).
Link zu Fischer Elektronik:
https://www.fischerelektronik.de/web_fischer/de_DE/K%C3%BChlk%C3%B6rper/B04/K%C3%BChlk%C3%B6rper%20f%C3%BCr%20DIL-IC%2C%20PLCC%20und%20SMD/PR/ICKSMDM17_/$productCard/parameters/index.xhtml

Ein Stückchen Kupferblech hätte es wahrscheinlich auch getan, habe ich aber nicht.

Die zu kühlende Fläche am FET (IRLU3110ZPBF) ist (max.) 5,46 x 5,21 mm groß.
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Achim H
 
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Re: Kühlkörper mit lötfähiger Oberfläche

Beitrag am Sa, 10.11.18, 00:21 (1 Bewertungen, 10 Sterne)

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Erfahrung mit speziell diesen Kühlkörpern habe ich auch nicht. Ich habe aber schon auf einem Alu Kühlkörper einen Mosfet aufgelötet. Ging eigentlich relativ gut. Hierzu habe ich zuerst mit AL75 eine lötfähige Oberfläche 'erzeugt'. Da kann man dann mit ganz normalen Blei/Zinn-Lot was drauf löten (siehe auch hier: http://www.ledhilfe.de/viewtopic.php?p=74989#p74989 ). Megawatt braucht es zwar nicht, aber so ca. 70-100W sollten es schon sein.
Borax
 
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Re: Kühlkörper mit lötfähiger Oberfläche

Beitrag am Sa, 10.11.18, 04:02 (0 Bewertungen, 5 Sterne)

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Einen so leistungsstarken Lötkolben habe ich nicht, aber einen gasbetriebenen Brenner (max. 1300°C).

Ich hätte mal zuerst nachschauen sollen, wo es diesen Kühlkörper gibt und was dieser kosten:
Preis @ TME (Brutto): 1,63 EUR/Stück. Mindestabnahme 2 Stück. --> Autsch!

Ein Stück Kupferblech 0,3 x 100 x 250mm bekommt man bei Modulor für 4 EUR.
https://www.modulor.de/kupferblech-tafeln-0-3-x-100-x-250-mm.html

Ich frage mal anders:
die Kühlfläche am FET ist ja nicht gerade riesig. Ab wann sollte man diesen kühlen?

Über den Fet könnten RDS(on) x I² = max. 0,014R x 5A x 5A = max. 350mW anfallen.
Für mehr als 5A sind die Leiterbahnen nicht ausgelegt.

Der Rth (Junction - Ambient) beträgt 110°C/W und er verträgt Temperaturen bis max. 175°C.
110°C/W x max. 0,35W = max 38,5°C über Ambient.
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Achim H
 
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Re: Kühlkörper mit lötfähiger Oberfläche

Beitrag am Sa, 10.11.18, 14:40 (1 Bewertungen, 10 Sterne)

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Sollte also auch ohne Kühlung reichen. Bei höherer Temperatur steigt aber Rds(on) leider auch an. Anderer Vorschlag: Einfach ein paar dicke Kupfer-Drähte (z.B. aus 1.5mm² NYM Leitung) anlöten. Das kühlt auch schon besser als nichts. Und findet sich (fast) in jedem Haushalt.
Borax
 
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Re: Kühlkörper mit lötfähiger Oberfläche

Beitrag am Sa, 10.11.18, 16:24 (0 Bewertungen, 5 Sterne)

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> Bei höherer Temperatur steigt aber Rds(on) leider auch an.

Deswegen hatte ich das PWM auch auf 10V geändert. Bei 5V hätte der Widerstand max. 0,016 Ohm betragen. Bei 10V sind es nur max. 0,014 Ohm. Die 2 mOhm Unterschied würden schon 50mW bedeuten. Berechnet hatte ich die Verlustleistung aber mit dem maximal möglichen Widerstand, nicht mit dem typischen.
Bei 80°C ist der Widerstand 1,5mal so hoch. Dadurch würde auch die Verlustleistung auf den Faktor 1,5 ansteigen. --> 350mW x 1,5 = 525mW @ 10V.

Die Wahrscheinlichkeit, dass ich jemals 5A schalten/steuern muss, ist schon sehr gering.
Bei 12V wären das max. 60W, bei 24V (oder eine höhere Spannung) max. 120W.
Der FET könnte zwar mit max. 140W belastet werden, aber etwas Reserve plane ich immer ein. Ergo nur max. 120W.
Besser vorher alles durchkalkulieren, anstatt hinterher zu warm.

Vielen Dank für Deine Hilfe.

Und so sieht mein PWM-Dimmer aus (Update: aufgrund einer zusätzlichen Last (siehe Antworten von ustoni) geändert:
Zuletzt geändert von Achim H am So, 11.11.18, 17:49, insgesamt 1-mal geändert.
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Re: Kühlkörper mit lötfähiger Oberfläche

Beitrag am Sa, 10.11.18, 19:29 (1 Bewertungen, 10 Sterne)

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Vorsicht bei der Berechnung der Verlustleistung! Bei PWM-Steuerung ist die Verlustleistung, die bei den Schaltvorgängen des FETs (Anstiegs- und Abfallzeit) entsteht, nicht zu vernachlässigen. Auch die Anstiegs- und Abfallzeiten des Steuersignals am Gate tragen dazu bei.
Die Leistung tritt zwar nur sehr kurz auf, das Maximum kann aber UB/2 x I betragen, je nach angeschlossener Last.
ustoni
 
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Re: Kühlkörper mit lötfähiger Oberfläche

Beitrag am So, 11.11.18, 03:01 (0 Bewertungen, 5 Sterne)

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Fällt diese Leistung nur bei PWM an oder wird diese auch bei einer ED (Einschaltdauer) von 100% zusätzlich anfallen?
Und von wieviel Watt zusätzlich reden wir hier?

UB: 10V
I: max. 5A
PD: max. 140W.

td(on): 24ns
td(off): 33ns
Rise: 110ns
Fall: 48ns

Meine Frequenz liegt im Mittel bei 491Hz (327 - 655Hz).
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Achim H
 
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Re: Kühlkörper mit lötfähiger Oberfläche

Beitrag am So, 11.11.18, 10:43 (1 Bewertungen, 10 Sterne)

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Diese Leistung entfällt nur dann, wenn das Gate bei 100% ED auch wirklich mit Gleichspannung angesteuert wird. Liefert der NE555 bei maximaler Helligkeit immer noch ein Puls-Pausenverhältnis von z.B. 99,9%, fällt die Leistung trotzdem an.
Die 10 V UB gelten nur für den NE555. Für die Leistung ist die Betriebsspannung der Last maßgebend. Die Höhe der Leistung hängt von der Art der angeschlossenen Last ab.

Schonmal vorab: bei einer PWM-Frequenz von 500 Hz ist die Auswirkung eher gering.

Um das Ganze mal abschätzen zu können, habe ich Excel mal ein wenig rechnen lassen.

Annahme: Ohmsche Last von 5 Ohm bei einer Spannung von 24 V.
Beim Schaltvorgang ändert sich der Innenwiderstand des FET von Minimum auf Maximum innerhalb von 100 ns bzw. umgekehrt innerhalb von 50 ns. (Vereinfacht gerundet)
Ich hab Excel die Verlustleistung mal in 1 Ohm-Schritten von 1 bis 500 Ohm durchlaufen lassen.

Es entsteht ein Puls mit einer Spitzenleistung von ca. 28 W.
Die mittlere Verlustleistung während des Schaltvorgangs liegt bei etwa 4 W.

Wird eine Zeit von Rise+Fall = 150 ns =0,15 ms angenommen, liegt die zusätzliche Verlustleistung bei einer Frequenz von

500 Hz bei 0,3 W
1000 Hz bei 0,6 W
2000 Hz bei 1,2 W.

Bei einer nichtohmschen Last liegt die Leistung niedriger, müsste man dann aber von Fall zu Fall berechnen. Die ohmsche Last stellt aber den Worst-Case dar.

Die Grafik zeigt den Leistungsverlauf über dem Innenwiderstand:
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Re: Kühlkörper mit lötfähiger Oberfläche

Beitrag am So, 11.11.18, 18:04 (0 Bewertungen, 5 Sterne)

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0,3W sind mehr als ich gedacht/gehofft hatte. Rechne ich meine 525mW hinzu, komme ich um eine Kühlung des Fet nicht mehr drumrum.
Na ja, wann muss ich schon mal 100 Watt oder mehr schalten/steuern? - Wahrscheinlich nie.

@ ustoni:
kannst Du bitte noch ausrechnen, wieviel mW zusätzlich bei einem Strom von 0,912A @ 24V (24 Module x 0,038A) anfallen würden?
Eine Extra Grafik brauche ich nicht. Die Zahl reicht mir.
Diesen Strom wird mein aktuelles Bauprojekt (Wannenleuchte in klein) maximal benötigen. Verwendet wird der gleiche PWM-Dimmer.
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Re: Kühlkörper mit lötfähiger Oberfläche

Beitrag am So, 11.11.18, 19:40 (1 Bewertungen, 10 Sterne)

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Hab einfach mal eine ohmsche Last von 24 Ohm eingesetzt, was dann ja 1 A entsprechen würde.
Das Ergebnis hat mich selbst etwas verblüfft, deshalb doch noch die Grafik im Anhang (vernünftig einbauen geht ja bei diesem Schrott-Forum nicht).

Bei 500 Hz komme ich immer noch auf 0,18 W. Ich hätte eigentlich mit weniger gerechnet.

Erklärt sich aber aus der Grafik. Der Peak liegt zwar nur bei 6 W, dafür ist der Kurvenverlauf aber breiter.

Aber dran denken: das ist der Worst-Case mit rein ohmscher Last. Bei LEDs mit Vorwiderstand ist die Leistung entsprechend geringer.
Dateianhänge
P_Peak_2.jpg
P_Peak_2.jpg (55.2 KIB) 585-mal betrachtet
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Re: Kühlkörper mit lötfähiger Oberfläche

Beitrag am So, 11.11.18, 20:24 (0 Bewertungen, 5 Sterne)

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> Aber dran denken: das ist der Worst-Case mit rein ohmscher Last. Bei LEDs mit Vorwiderstand ist die Leistung entsprechend geringer.

Worst Case ist doch ok. Mir ging es ja nur darum, mit wieviel mW ich maximal kämpfen muss.
Die 0,18W machen den Braten aber nicht fett.

Über den Fet fallen nur max. 0,014R x 0,912A x 0,912A = max. 0,0116W = max. 11,6mW an. Bei 80°C wären es 50% mehr = 17,4mW.
Mit den 0,18W zusammen sind es dann ca. 0,2W. Zumindest bei dieser Lampe brauche ich keinen Kühlkörper.
Würde auch kaum etwas bringen. Der PWM-Dimmer wird in das Kunststoffgehäuse eingebaut. Die Luft im Innern ist nur minimal (ca. 50ml) vorhanden.

Danke.
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Re: Kühlkörper mit lötfähiger Oberfläche

Beitrag am So, 18.11.18, 11:24 (0 Bewertungen, 5 Sterne)

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@ ustoni

> Ich hab Excel die Verlustleistung mal in 1 Ohm-Schritten von 1 bis 500 Ohm durchlaufen lassen.

Woher kommen diese 500 Ohm?

Oder soll das die Frequenz sein?

Mein Poti hat 100k.
Die Frequenz des Dimmer liegt im Mittel bei 491Hz (327 - 655Hz). Linksanschlag des Poti (0R) bis Rechtsanschlag (100k). Unter 327Hz komme ich gar nicht.
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Re: Kühlkörper mit lötfähiger Oberfläche

Beitrag am So, 18.11.18, 13:02 (0 Bewertungen, 5 Sterne)

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Das war einfach mal eine Annahme, um auf die Größenordnung zu kommen.
In der ersten Rechnung hatte ich 5 Ohm Last angenommen, deshalb 100x Lastwiderstand.
Tatsächlich ändert sich der Innenwiderstand grob von 0 Ohm bis unendlich (angenähert). Allerdings ist nicht bekannt, wie der tatsächliche Verlauf des Innenwiderstands beim Schaltvorgang aussieht. Das gibt auch das Datenblatt nicht her.

Da die Anstiegs- bzw. Abfallzeit zwischen 10 und 90% der Kurve angegeben wird, ist der Bereich 1 bis 500 Ohm einfach ein "educated guess".
Die Größenordnung dürfte aber stimmen.

Genaue Werte lassen sich nur mit Speicherscope ermitteln.
ustoni
 
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Re: Kühlkörper mit lötfähiger Oberfläche

Beitrag am So, 18.11.18, 16:36 (0 Bewertungen, 5 Sterne)

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Mich hatte die letzte Zahl = 481 in der unteren Skala verwirrt. Meine Frequenz ist im Mittel 491Hz und der Graph reicht bis etwas über 481. Hätte ja sein können, dass Du dich einfach nur verschrieben hast. Wäre es die Frequenz gewesen, hätte ich auch gar nicht den Peak bekommen, da mein Dimmer nicht unter 327Hz geht.
Ok, es war so gemeint, wie Du es geschrieben hattest: in Ohm. - Mein Fehler.
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Re: Kühlkörper mit lötfähiger Oberfläche

Beitrag am So, 18.11.18, 17:01 (0 Bewertungen, 5 Sterne)

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Kein Thema. :wink:

Ich hatte den Graphen einfach von Excel übernommen. Die Werte hat Excel eingetragen, Änderungen hatte ich mir gespart.
Die X-Achse hätte genausogut mit einer Zeit beschriftet werden können, die Änderung war mir aber zu aufwändig.
Bin halt faul. :lol:

Deshalb hatte ich ja über den ersten Graphen geschrieben:
"Die Grafik zeigt den Leistungsverlauf über dem Innenwiderstand:"

Ist eigentlich auch genauer, da die Kurve dadurch unabhängig vom tatsächlichen Zeitverlauf wird.
ustoni
 
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Re: Kühlkörper mit lötfähiger Oberfläche

Beitrag am So, 18.11.18, 17:21 (0 Bewertungen, 5 Sterne)

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Kannst Du mir auch noch erklären, warum bei einer doppelt so hohen Frequenz die Leistung ebenfalls doppelt so hoch ausfällt?
Irgendwie will mir das nicht in den Kopp.

Wenn ich ein 20W Produkt mit einem PWM und Tastverhältnis von 50% ansteuere, dann verbrauche ich nur 10W. Und daran würde sich auch nichts ändern, wenn ich die Frequenz ändere. Das Produkt wäre dann noch immer 50% an und 50% aus.
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Re: Kühlkörper mit lötfähiger Oberfläche

Beitrag am So, 18.11.18, 17:25 (0 Bewertungen, 0 Sterne)

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Du darfst den Mosfet (um den geht es ja noch, oder) nicht als idealen digitalen Schalter sehen. Während des Schaltvorganges arbeitet er "im Analogmodus", wenn auch nur kurzzeitig
dieterr
 
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Re: Kühlkörper mit lötfähiger Oberfläche

Beitrag am So, 18.11.18, 17:28 (0 Bewertungen, 0 Sterne)

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Deswegen verbraucht er doch aber nicht mehr. Bei einer doppelt so hohen Frequenz ist die Zeit doch nur halb so lang.
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Achim H
 
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Re: Kühlkörper mit lötfähiger Oberfläche

Beitrag am So, 18.11.18, 17:31 (0 Bewertungen, 5 Sterne)

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Es geht ja um die Leistung, die während der Ein- und Ausschaltvorgänge auftritt.
Bei doppelter Frequenz finden auch doppelt so viele Schaltvorgänge statt.
Folglich verdoppelt sich auch die Leistung.
ustoni
 
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Re: Kühlkörper mit lötfähiger Oberfläche

Beitrag am So, 18.11.18, 17:35 (0 Bewertungen, 0 Sterne)

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wenn sich die Geschwindigkeit des Ein/Ausschaltvorganges nicht edit: [u]halbiert[/u] (was normal nicht der Fall ist).
dieterr
 
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Re: Kühlkörper mit lötfähiger Oberfläche

Beitrag am So, 18.11.18, 17:38 (0 Bewertungen, 0 Sterne)

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Und im schlimmsten Fall liegt nur noch ein Dreiecksignal zur Ansteuerung an, da wird es dann überdeutlich.
dieterr
 
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Re: Kühlkörper mit lötfähiger Oberfläche

Beitrag am So, 18.11.18, 17:48 (0 Bewertungen, 5 Sterne)

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Das will mir noch immer nicht in den Kopp.

Der Peak ist angegeben mit ca. 28W.
Bei 500Hz beträgt die Leistung 0,3W
1000Hz = 0,6W
2000Hz = 1,2W
4000Hz = 2,4W
8000Hz = 4,8W
16000Hz = 9,6W
32000Hz = 19,2W

Bei 64000Hz wäre die Leistung schon höher als der Peak. Wie soll das denn gehen?

150ns = 6,66MHz --> ca. 1958 Watt.
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Achim H
 
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Re: Kühlkörper mit lötfähiger Oberfläche

Beitrag am So, 18.11.18, 18:14 (0 Bewertungen, 5 Sterne)

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Im Peak hat der Mosfet 14mOhm, richtig? Die Spannung die darüber abfällt und daraus folgend die Verlustleistung hast du ja schon berechnet. Die ist auf der Zeitachse immer gleich.

"Halb durchgesteuert" ist der Widerstand 28mOhm (sage ich jetzt mal so), wie hoch ist der Spannungsabfall bzw. die Verlustleistung?

So, und jetzt die Rechnung für das ganze Integral zwischen unendlich und 14mOhm. Solange man das linear ansetzt bleibt es einfacher. Das ist dann pro Einschaltvorgang. Und bleibt jedes einzelne mal gleich, egal wie oft du es machst.
dieterr
 
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Re: Kühlkörper mit lötfähiger Oberfläche

Beitrag am So, 18.11.18, 18:27 (0 Bewertungen, 0 Sterne)

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Mir ist gerade noch ein Fehler aufgefallen:

ustoni schrieb: "Wird eine Zeit von Rise+Fall = 150 ns =0,15 ms angenommen, ..."
150ns = 0,15µs = 0,00015ms

Editiert. Faktor 1000 zu klein gewandelt
Zuletzt geändert von Achim H am So, 18.11.18, 18:32, insgesamt 1-mal geändert.
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Re: Kühlkörper mit lötfähiger Oberfläche

Beitrag am So, 18.11.18, 18:29 (0 Bewertungen, 5 Sterne)

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Gut, dass Du nochmal nachgefragt hast. :lol:
Beim Nachsehen ist mir noch ein entscheidender Fehler bei meiner Rechnung aufgefallen. Ich hatte geschrieben:
"Rise+Fall = 150 ns =0,15 ms"
Der Fehler hätte allerdings gleich zu Beginn jedem auffallen müssen! :wink: Richtig wäre natürlich:

Rise+Fall = 150 ns =0,15 µs = 0,00015 ms

Die berechneten Verlustleistungen sind also immerhin um den Faktor 1000 zu hoch. :roll:

Trotzdem zur Erklärung bei dem Beispiel mit den 5 Ohm:

Die maximale Leistung (der Peak) liegt bei 28 Watt. Über den ganzen Kurvenverlauf beträgt die (von Excel) gemittelte Leistung 4 W. Das gilt sowohl für den Einschalt- als auch für den Ausschaltvorgang.
Folglich entsteht für einen Zeitraum von 150 ns oder 0,00015 ms eine Verlustleistung von 4 W.

Bei einer Frequenz von 500 Hz hast Du eine Periodendauer von 2 ms. Gemittelt über die Periode werden aus den 4 W:

(0,00015 ms / 2 ms) x 4 W = 0,3 mW

Bei 1000 Hz ergeben sich dementsprechend: (0,00015 ms / 1 ms) x 4 W = 0,6 mW

Bei 2000 Hz ergeben sich dementsprechend: (0,00015 ms / 0,5 ms) x 4 W = 1,2 mW

Eine Verdoppelung der Frequenz ergibt also eine Verdoppelung der Leistung.

Bei sehr hohen PWM-Frequenzen kommt da dann tatsächlich einiges an Leistung zusammen.
Bei den üblichen PWM-Frequenzen bis zu einigen Dutzend Kiloherz kann man die Leistung aber vernachlässigen (Puuhhhh! Gefällt mir auch besser. Wenn ich mit PWM arbeite, dann immer mit möglichst hohen Frequenzen).

Die Frequenz kann aber nicht beliebig erhöht werden. Die Periodendauer kann ja logischerweise nicht kleiner als 150 ns werden. Das wäre aber erst bei mehr als 6,6 MHz der Fall. Dann würde die Verlustleistung 4 W betragen.


Edit:
Da ist uns der Fehler nahezu zeitgleich aufgefallen. :P

Edit 2:
Allerdings gilt: 150 ns =0,15 µs = 0,00015 ms
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