كيفية اختيار حجم مشتت الحرارة الصحيح لمفاتيح الحالة الصلبة عالية القدرة لمنع الفشل الحراري

مقدمة: لماذا تُعَدّ الحرارة عدوًّا لمرحلات الحالة الصلبة

تُفضَّل مرحلات الحالة الصلبة عالية القدرة (SSRs) على نطاق واسع في أتمتة المصانع للتحكم في عناصر التسخين عالية التيار، والمحركات، وأحمال الإضاءة الصناعية. وبما أن مرحلات الحالة الصلبة لا تحتوي على أي تلامس ميكانيكي متحرك، فهي خالية من التآكل الميكانيكي. ومع ذلك، فإن اعتمادها على أجهزة الطاقة شبه الموصلة (مثل الثايروستورات، أو الترايكات، أو الترانزستورات ذات تأثير المجال MOSFETs) يُدخل قيدًا فيزيائيًّا رئيسيًّا: وهو توليد الحرارة داخليًّا.

أثناء التشغيل، يحدث انخفاض صغير في الجهد الأمامي داخليًا (عادةً ما يتراوح بين ١,٠ و١,٦ فولت) عبر وصلة أشباه الموصلات في المفتاح الصلب (SSR). ويؤدي هذا الانخفاض في الجهد، عند ضربه بالتيار المار عبر الحمل، إلى توليد حرارة. فعلى سبيل المثال، قد يولّد مفتاح صلب (SSR) يقوم بتشغيل حمل قدره ٤٠ أمبير حرارة تتراوح بين ٤٠ و٦٠ واط داخل غلافه. وفي حال عدم توفر مُبدِّد حراري كافٍ لتبديد هذه الطاقة الحرارية، فإن درجة حرارة وصلة أشباه الموصلات الداخلية ستتجاوز بسرعة الحد الأقصى المسموح به (عادةً ١٢٥ درجة مئوية). وهذا يؤدي إلى حدوث انفلات حراري فوري، ما يجعل المفتاح الصلب (SSR) عرضة للتلف الدائم في حالة القصر الكهربائي. وللمهندسين العاملين في القطاع التجاري (B2B) وبناة لوحات التحكم، يُعد اختيار حجم المُبدِّد الحراري المناسب أمرًا بالغ الأهمية لضمان طول عمر النظام وسلامته. ويشرح هذا الدليل خطوة بخطوة عملية الحساب الحراري.

الفيزياء الكامنة وراء المقاومة الحرارية في تجميعات المفتاح الصلب (SSR)

لتحديد المبذر الحراري المناسب، يجب أن نفهم مفهوم المقاومة الحرارية، الذي يُرمز له بالرمز Rth ويقاس بوحدة الدرجات المئوية لكل واط (°C/W). والمقاومة الحرارية هي مقدار مقاومة مادةٍ ما أو تجميعٍ ما لتدفق الحرارة. وكلما انخفضت قيمة Rth، زادت سهولة انتقال الحرارة، مما يؤدي إلى تبريد أفضل.
في تجميع المفتاح الصلب الحالتين (SSR) والمبذر الحراري، يجب أن تمر الحرارة عبر ثلاث حواجز رئيسية للمقاومة الحرارية قبل أن تتب рассеى في الهواء المحيط:

1. المقاومة الحرارية بين الوصلة والغلاف (Rth-jc): وهي المقاومة بين رقاقة أشباه الموصلات الداخلية ولوحة القاعدة المعدنية لمفتاح SSR. وتُحدد هذه القيمة أثناء التصنيع، وتُذكر في ورقة البيانات الفنية الخاصة بمفتاح SSR. وفي مفاتيح SSR عالية القدرة من شركة DAQCN، تُحافظ على هذه القيمة عند مستوى منخفضٍ للغاية باستخدام لوحات قاعدة نحاسية ذات توصيل حراري عالٍ.

2. المقاومة الحرارية بين العلبة ومشتّت الحرارة (Rth-cs): هذه المقاومة تشير إلى المقاومة بين لوحة الخلفية المعدنية لمفتاح الحالة الصلبة (SSR) وسطح التثبيت في مشتّت الحرارة. والهواء موصل حراري ضعيف، لذا فإن أي فراغات هوائية دقيقة جدًّا بين السطحين قد تعيق انتقال الحرارة. ولذلك، يُلزم تطبيق طبقة رقيقة من مادة التبريد الحراري عالية الجودة أو استخدام وسادة حرارية لتقليل هذه المقاومة قدر الإمكان.

3. المقاومة الحرارية بين مشتّت الحرارة والبيئة المحيطة (Rth-sa): هذه المقاومة تمثّل مقاومة مشتّت الحرارة نفسه تجاه الهواء المحيط. وهي القيمة التي يجب حسابها واختيارها عند شراء مشتّت حرارة.
دليل خطوة بخطوة لحساب المقاومة الحرارية لمشتّت الحرارة
لتحديد أقصى مقاومة حرارية مسموح بها لمشتّت الحرارة الخاص بك (Rth-sa)، استخدم المعادلة الهندسية التالية:
Rth-sa = ((Tj - Ta) ÷ Pd) - Rth-jc - Rth-cs
دعنا نفصّل كل متغيّر في هذه المعادلة ونوضّح كيفية الحصول على قيمته:

الخطوة 1: تحديد أعلى درجة حرارة مسموح بها في نقطة الوصل أشباه الموصلات (Tj)
في حين أن معظم أشباه الموصلات القدرة مُصنَّفة لدرجة حرارة اتصال قصوى (Tj) تبلغ 125 درجة مئوية، فإن تشغيل الجهاز عند الحد الأقصى المطلق له يقلل من عمره الافتراضي. ولضمان السلامة والموثوقية على المدى الطويل، يطبِّق المهندسون عادةً عامل تخفيض أمانٍ، بحيث يقتصر أقصى درجة حرارة لاتصال التشغيل (Tj) على 95 أو 100 درجة مئوية.

الخطوة الثانية: تحديد أعلى درجة حرارة محيطة (Ta)
وهي أعلى درجة حرارة داخل غلاف التحكم الكهربائي الذي سيُركَّب عليه جهاز الترانزيستور الصلب (SSR). وتجدر الإشارة إلى أن درجة الحرارة داخل لوحة التحكم الصناعية غالبًا ما تكون أعلى بكثير من درجة الحرارة المحيطة في أرضية المصنع. فإذا كانت اللوحة غير مزوَّدة بتبريد أو كانت مجاورة لمعدات أخرى تولِّد حرارة، فيجب افتراض درجة حرارة محيطة محافظَة تتراوح بين 40 و50 درجة مئوية.

الخطوة الثالثة: حساب استهلاك القدرة (Pd)
استهلاك القدرة هو مجموع القدرة الحرارية الناتجة عن المفتاح الصلب ذي الحالة الصلبة (SSR)، ويُقاس بوحدة الواط. وتنص قاعدة التصميم الهندسي الموثوقة للمفاتيح الصلبة ذات التيار المتناوب القياسي (AC SSRs) على أن كل أمبير من تيار الحمل يولّد تقريبًا ١,٢ واط من الحرارة.
Pd = تيار الحمل (I) × ١,٢
لتيار حمل قدره ٤٠ أمبير:
Pd = ٤٠ × ١,٢ = ٤٨ واط من الحرارة.

الخطوة ٤: الحصول على ثوابت ورقة البيانات (Rth-jc وRth-cs)

• Rth-jc: راجع ورقة بيانات منتج DAQCN. وللمفتاح الصلب الصناعي القياسي بسعة ٤٠ أمبير، تكون هذه القيمة عادةً حوالي ٠,٣ °م/واط.
  
• Rth-cs: إذا طُبِقت مادة التبريد الحراري عالية الجودة بشكل صحيح، فإن مقاومة الانتقال الحراري بين الغلاف والمشتّت الحراري تكون ضئيلة جدًّا، وتبلغ عادةً حوالي ٠,١ °م/واط.
  

الخطوة ٥: إجراء الحساب
وباستخدام مثال تيار الحمل البالغ ٤٠ أمبير مع درجة حرارة تشغيل آمنة مُخفَّضة للوصلة الحرارية (Tj) تساوي ٩٥ درجة مئوية ودرجة حرارة محيطة داخل الغلاف (Ta) تساوي ٤٥ درجة مئوية:
Tj = ٩٥ °م
Ta = 45 °م
Pd = 48 واط
Rth-jc = 0.3 °م/واط
Rth-cs = 0.1 °م/واط
Rth-sa = ((95 - 45) ÷ 48) - 0.3 - 0.1
Rth-sa = (50 ÷ 48) - 0.4
Rth-sa = 1.04 - 0.4 = 0.64 °م/واط
لضمان بقاء درجة حرارة مفصل أشباه الموصلات الصلبة (SSR) دون ٩٥ درجة مئوية، يجب اختيار مشتّت حراري يمتلك مقاومة حرارية تساوي أو أقل من ٠٫٦٤ °م/واط. ويُعَدّ المشتّت الحراري ذي التصنيف ٠٫٥ °م/واط أو ٠٫٦ °م/واط خيارًا ممتازًا وآمنًا لهذا التطبيق.
العوامل العملية التي يجب أخذها في الاعتبار عند اختيار المشتّتات الحرارية
ورغم أن الصيغ الرياضية توفر أساسًا دقيقًا، فإن عدة عوامل واقعية قد تؤثر على أداء المشتّت الحراري ويجب أخذها في الاعتبار أثناء عملية التصميم:

• تدفق الهواء والحمل القسري: عادةً ما يتم تحديد تصنيف المقاومة الحرارية لمُبدد الحرارة للحمل الطبيعي (الهواء الساكن). وإدخال مروحة داخل الغلاف يحسّن بشكل كبير من تبديد الحرارة، ويقلل المقاومة الحرارية الفعالة لمُبدد الحرارة بنسبة تصل إلى 50 في المئة. وإذا كانت المساحة محدودة، فإن استخدام مُبدد حرارة أصغر مع مروحة هوائية قسرية يكون غالبًا مفضلًا على مُبدد حرارة سلبي ضخم. مروحة التبريد اتجاه التثبيت: يعتمد مُبدد الحرارة على التيارات الناتجة عن الحمل الطبيعي لتحريك الهواء الدافئ نحو الأعلى. ولتحقيق أقصى كفاءة، يجب دائمًا تركيب مُبدد الحرارة بشكل عمودي بحيث تكون الأسلاك أو الزعانف التبريدية عمودية. وقد يؤدي التثبيت الأفقي إلى خفض كفاءة مُبدد الحرارة بنسبة تتراوح بين 20 و30 في المئة.
  
• تهوية الغلاف: لا يمكن لمُبدد الحرارة أن يبرّد جهاز التحكم الصلب (SSR) إذا احتجز الهواء الساخن داخل غلاف مغلق. لذا يجب التأكد من أن خزانة التحكم مزودة بفتحات تهوية كافية، أو شقوق تهوية، أو مراوح طرد نشطة لتبادل الهواء الدافئ الداخلي بالهواء الخارجي الأبرد.
  
• التهوية في الغلاف: لا يمكن لمُبدد الحرارة أن يبرّد جهاز التحكم الصلب (SSR) إذا احتجز الهواء الساخن داخل غلاف مغلق. لذا يجب التأكد من أن خزانة التحكم مزودة بفتحات تهوية كافية، أو شقوق تهوية، أو مراوح طرد نشطة لتبادل الهواء الدافئ الداخلي بالهواء الخارجي الأبرد.
  
• الاستعانة بوحدات مُجمَّعة مسبقًا: لاستبعاد مخاطر التصميم وتقليل وقت التجميع على أرضية المصنع، يعمد تجار الجملة B2B ومشغلو اللوحات عادةً إلى استيراد وحدات المفاتيح الصلبة (SSR) ومبدِّدات الحرارة المدمجة معًا، والتي تكون قد خضعت سابقًا لاختبارات شاملة وتمت تصنيفها كوحدة واحدة من قِبل الشركة المصنِّعة.
  

لماذا تُعَدُّ شركة DAQCN شريككم الموثوق به في حلول إدارة الحرارة؟

تُصنِّع شركة DAQCN سلسلةً شاملةً من المفاتيح الصلبة عالية القدرة (Solid State Relays) ومبدِّدات الحرارة المصنوعة من الألومنيوم المتوافقة معها، والمُصمَّمة للعمل في البيئات الصناعية الشديدة التطلُّب. وتوفِّر حلولنا لإدارة الحرارة ما يلي:

• مبدِّدات حرارة من الألومنيوم المُستخرج عالي النقاء، ذات مساحات سطحية مُحسَّنة للزُّوائد الحرارية لتحقيق أقصى انتقال حراري ممكن.
  
• وسادات حرارية عالية التوصيلية مُطبَّقة مسبقًا على تجميعات المفاتيح الصلبة (SSR) الخاصة بنا، مما يلغي الفوضى وعدم الاتساق الناجمين عن تطبيق معجون حراري يدوي.
  
• بيانات حرارية مُفصَّلة بالكامل لجميع المنتجات، ما يسمح للمهندسين بإجراء الحسابات الدقيقة دون الحاجة إلى التخمين.
  سواء كنت تشتري مكونات فردية أو وحدات متكاملة لمشتتات الحرارة الخاصة بالمقومات الصلبة (SSR)، فإن شركة DAQCN تضمن أن تظل أنظمتك الصناعية للتسخين والتحكم في المحركات باردة وكفؤة وموثوقة.
  

الخلاصة: حماية استثمارك الصناعي

يُعد الفشل الحراري السبب الرئيسي لتلف المقومات الصلبة (SSR)، لكنه قابلٌ للمنع تمامًا. وبإجراء حساب دقيق لمقاومة مشتت الحرارة الحرارية المطلوبة، واستخدام مواد واجهة حرارية عالية الجودة، وضمان تدفق هواء كافٍ، يستطيع المهندسون في القطاع B2B ضمان موثوقية أنظمتهم على المدى الطويل. كما أن التعاون مع مورد متخصص مثل DAQCN يوفّر الوصول إلى المكونات عالية الأداء والخبرة الفنية اللازمة للقضاء التام على حالات الفشل الحراري.