چگونه اندازهٔ مناسب رادیاتور را برای رله‌های حالت جامد (SSR) با توان بالا انتخاب کنیم تا از شکست حرارتی جلوگیری شود

مقدمه: چرا گرما دشمن رله‌های حالت جامد است

رله‌های حالت جامد (SSR) با توان بالا به‌طور گسترده‌ای در اتوماسیون صنعتی برای کنترل عناصر گرمایشی با جریان بالا، موتورها و بارهای روشنایی صنعتی مورد ترجیح قرار می‌گیرند. از آنجا که SSRها فاقد تماس‌های مکانیکی متحرک هستند، از سایش مکانیکی آزادند. با این حال، وابستگی آن‌ها به اجزای نیمه‌هادی قدرتی (مانند تریستورها، تریاک‌ها یا موسفت‌ها) محدودیت فیزیکی عمده‌ای را ایجاد می‌کند: تولید گرما در داخل دستگاه.

در حین عملیات، افت ولتاژ داخلی جلویی کوچکی (معمولاً بین ۱٫۰ تا ۱٫۶ ولت) در سراسر اتصال نیمه‌هادی SSR رخ می‌دهد. این افت ولتاژ، هنگامی که در جریان بار عبوری از دستگاه ضرب می‌شود، گرما تولید می‌کند. به‌عنوان مثال، یک SSR که بار ۴۰ آمپری را قطع و وصل می‌کند، می‌تواند ۴۰ تا ۶۰ وات گرما را درون پوشش خود تولید کند. در صورت عدم استفاده از یک رادیاتور مناسب برای دفع این انرژی حرارتی، دمای اتصال نیمه‌هادی داخلی به‌سرعت از حداکثر مقدار مجاز خود (معمولاً ۱۲۵ درجه سانتی‌گراد) فراتر می‌رود. این امر منجر به روند گرمایی ناپایدار فوری شده و SSR را به‌صورت دائمی و در حالت اتصال کوتاه خراب می‌کند. برای مهندسان B2B و سازندگان تابلوهای کنترل، انتخاب اندازه مناسب رادیاتور برای تضمین طول عمر و ایمنی سیستم امری حیاتی است. این راهنما فرآیند محاسبات حرارتی گام‌به‌گام را برای شما توضیح می‌دهد.

فیزیک مقاومت حرارتی در مجموعه‌های SSR

برای انتخاب مناسب‌ترین رادیاتور گرما، باید مفهوم مقاومت حرارتی را درک کنیم که با نماد Rth نشان داده می‌شود و بر حسب درجه سلسیوس بر وات (°C/W) اندازه‌گیری می‌گردد. مقاومت حرارتی، میزان مقاومت یک ماده یا مجموعه در برابر جریان گرماست. هرچه مقدار Rth کمتر باشد، جریان گرما آسان‌تر انجام می‌شود و در نتیجه خنک‌سازی بهتری حاصل می‌گردد.
در مونتاژ SSR و رادیاتور گرما، گرما باید از سه مانع اصلی مقاومت حرارتی عبور کند تا در هوای محیطی اطراف پراکنده شود:

۱. مقاومت حرارتی اتصال به پوشش (Rth-jc): این مقاومت، میزان مقاومت بین تراشه نیمه‌هادی داخلی و صفحه فلزی پشتی SSR است. این مقدار در طول فرآیند ساخت تعیین می‌شود و در برگه مشخصات فنی SSR ذکر شده است. برای SSRهای پرتوان DAQCN، این مقدار با استفاده از صفحات پایه مسی با هدایت حرارتی بالا، به‌طور استثنایی کاهش یافته است.

۲. مقاومت حرارتی بین پوشش بدنه و صفحهٔ انتقال حرارت (Rth-cs): این مقاومت، میزان مقاومت حرارتی بین صفحهٔ فلزی پشت سوئیچ‌های حالت جامد (SSR) و سطح نصب‌شده روی صفحهٔ انتقال حرارت است. هوا رسانای ضعیفی برای گرماست؛ بنابراین حتی شکاف‌های هوایی میکروسکوپی بین این دو سطح نیز می‌توانند انتقال حرارت را مختل کنند. برای کاهش این مقاومت، لازم است لایه‌ای نازک از گریس حرارتی با کیفیت بالا اعمال شود یا از پد حرارتی استفاده گردد.

۳. مقاومت حرارتی بین صفحهٔ انتقال حرارت و محیط اطراف (Rth-sa): این مقاومت، میزان مقاومت حرارتی خود صفحهٔ انتقال حرارت در برابر هوای اطراف است. این مقدار، مقداری است که باید محاسبه و هنگام انتخاب صفحهٔ انتقال حرارت تعیین شود.
راهنمای گام‌به‌گام برای محاسبهٔ مقاومت حرارتی صفحهٔ انتقال حرارت
برای تعیین حداکثر مقاومت حرارتی قابل قبول صفحهٔ انتقال حرارت شما (Rth-sa)، از این فرمول مهندسی استفاده کنید:
Rth-sa = ((Tj - Ta) ÷ Pd) - Rth-jc - Rth-cs
در ادامه، هر یک از متغیرهای این فرمول را توضیح داده و نحوهٔ به‌دست‌آوردن مقدار آن‌ها را بیان می‌کنیم:

گام ۱: شناسایی حداکثر دمای اتصال نیمه‌هادی (Tj)
در حالی که اکثر نیم‌رساناهای قدرتی برای حداکثر دمای پیوند (Tj) برابر با ۱۲۵ درجه سانتی‌گراد مشخصه‌بندی شده‌اند، کارکرد دستگاه در حداکثر حد مجاز آن، عمر مفید آن را کاهش می‌دهد. برای اطمینان از ایمنی و قابلیت اطمینان بلندمدت، مهندسان معمولاً از ضریب کاهش ایمنی (safety derating factor) استفاده می‌کنند تا حداکثر دمای پیوند در حالت کاری (Tj) را به ۹۵ یا ۱۰۰ درجه سانتی‌گراد محدود کنند.

مرحله ۲: تعیین حداکثر دمای محیط (Ta)
این بالاترین دما در داخل جعبه کنترل الکتریکی است که در آن SSR نصب می‌شود. توجه داشته باشید که دمای داخل یک تابلوی صنعتی اغلب به‌طور قابل‌توجهی بالاتر از دمای محیط سالن کارخانه است. اگر تابلو تهویه‌نشده باشد یا در مجاورت تجهیزات تولیدکننده حرارت دیگری قرار گرفته باشد، دمای محیط (Ta) را به‌صورت محافظه‌کارانه بین ۴۰ تا ۵۰ درجه سانتی‌گراد در نظر بگیرید.

مرحله ۳: محاسبه تلفات توان (Pd)
تبدیل توان به گرما مقدار کل توان حرارتی تولیدشده توسط SSR است که بر حسب وات اندازه‌گیری می‌شود. یک قاعدهٔ مهندسی قابل اعتماد برای SSRهای متناوب استاندارد این است که تقریباً ۱٫۲ وات گرما را برای هر آمپر جریان بار تولید می‌کنند.
Pd = جریان بار (I) × ۱٫۲
برای بار ۴۰ آمپری:
Pd = ۴۰ × ۱٫۲ = ۴۸ وات گرما.

مرحلهٔ ۴: دریافت ثابت‌های برگه داده (Rth-jc و Rth-cs)

• Rth-jc: به برگه داده محصول DAQCN مراجعه کنید. برای یک SSR صنعتی معمولی ۴۰ آمپری، این مقدار معمولاً حدود ۰٫۳ درجه سانتی‌گراد بر وات است.
  
• Rth-cs: اگر روغن حرارتی با کیفیت بالا به‌درستی اعمال شده باشد، مقاومت بین پوشش و صفحهٔ گرماگیر بسیار کوچک است و معمولاً حدود ۰٫۱ درجه سانتی‌گراد بر وات می‌باشد.
  

مرحلهٔ ۵: انجام محاسبه
با استفاده از مثال بار ۴۰ آمپری ما و دمای جمع‌کنندهٔ Tj با عامل ایمنی کاهش‌یافته برابر با ۹۵ درجه سانتی‌گراد و دمای محیطی جعبهٔ Ta برابر با ۴۵ درجه سانتی‌گراد:
Tj = ۹۵ °C
Ta = 45 درجه سانتی‌گراد
Pd = 48 وات
Rth-jc = 0.3 درجه سانتی‌گراد بر وات
Rth-cs = 0.1 درجه سانتی‌گراد بر وات
Rth-sa = ((95 - 45) ÷ 48) - 0.3 - 0.1
Rth-sa = (50 ÷ 48) - 0.4
Rth-sa = 1.04 - 0.4 = 0.64 درجه سانتی‌گراد بر وات
برای حفظ دمای اتصال SSR در زیر ۹۵ درجه سانتی‌گراد، باید یک رادیاتور با مقاومت حرارتی برابر یا کمتر از ۰٫۶۴ درجه سانتی‌گراد بر وات انتخاب کنید. رادیاتوری با مقاومت حرارتی ۰٫۵ یا ۰٫۶ درجه سانتی‌گراد بر وات انتخابی عالی و ایمن برای این کاربرد خواهد بود.
عوامل عملی قابل توجه هنگام انتخاب رادیاتورها
اگرچه فرمول‌های ریاضی پایه‌ای دقیق فراهم می‌کنند، اما چندین عامل واقعی در دنیای واقعی می‌توانند بر عملکرد رادیاتور تأثیر بگذارند و باید در فرآیند طراحی در نظر گرفته شوند:

• جریان هوا و انتقال حرارت اجباری: رتبه‌بندی مقاومت حرارتی یک رادیاتور معمولاً برای انتقال حرارت به روش همرفت طبیعی (هوای ساکن) مشخص می‌شود. استفاده از یک فن خنک کننده در داخل محفظه، پراکندگی حرارت را به‌طور چشمگیری بهبود می‌بخشد و مقاومت حرارتی مؤثر رادیاتور را تا ۵۰ درصد کاهش می‌دهد. اگر فضای موجود محدود باشد، اغلب رادیاتور کوچک‌تری با استفاده از فن هوای اجباری ترجیح داده می‌شود تا رادیاتور بزرگ و غیرفعال.
  
• جهت نصب: رادیاتورها برای جابه‌جایی هوای گرم به سمت بالا به جریان‌های همرفت طبیعی متکی هستند. برای حداکثر کارایی، همیشه رادیاتور را به‌صورت عمودی نصب کنید تا صفحات خنک‌کننده آن نیز عمودی قرار گیرند. نصب افقی می‌تواند کارایی رادیاتور را ۲۰ تا ۳۰ درصد کاهش دهد.
  
• تهویه محفظه: اگر هواي گرم درون یک محفظه بسته محبوس شود، رادیاتور نمی‌تواند SSR را خنک کند. اطمینان حاصل کنید که کابینت کنترل دارای دریچه‌های مناسب، شیارهای تهویه یا فن‌های تخلیه فعال است تا هوای گرم داخلی با هوای خنک‌تر خارجی تعویض شود.
  
• تأمین واحدهای پیش‌مونتاژشده: برای حذف ریسک طراحی و کاهش زمان مونتاژ در خط تولید کارخانه، عموماً عمده‌فروشان B2B و سازندگان پنل‌ها ترکیب‌های SSR و صفحه‌های دفع حرارت (هیتسینک) را از تولیدکننده تأمین می‌کنند که به‌صورت یک واحد پیش‌آزمایش‌شده و رتبه‌بندی‌شده عرضه می‌شوند.
  

چرا DAQCN شریک قابل اعتماد شما برای راه‌حل‌های مدیریت حرارتی است

DAQCN خطی جامع از رله‌های حالت جامد (SSR) با توان بالا و صفحه‌های دفع حرارت آلومینیومی منطبق با آن‌ها را تولید می‌کند که برای کار در محیط‌های صنعتی پرتلاش طراحی شده‌اند. راه‌حل‌های مدیریت حرارتی ما شامل موارد زیر هستند:

• صفحه‌های دفع حرارت آلومینیومی اکسترودشده با خلوص بالا با سطح بهینه‌شده‌ی فین‌ها برای بیشینه‌سازی انتقال حرارت.
  
• پدهای حرارتی با هدایت بالا که از پیش روی مونتاژهای SSR ما اعمال شده‌اند و از ایجاد ناخالصی و ناسازگانی ناشی از اعمال دستی پاست حرارتی جلوگیری می‌کنند.
  
• داده‌های حرارتی کامل و مشخص‌شده برای تمام محصولات، که امکان انجام محاسبات دقیق توسط مهندسان را بدون حدس و گمان فراهم می‌کند.
  چه شما قطعات فردی یا ماژول‌های یکپارچه خنک‌کننده SSR را تأمین کنید، DAQCN اطمینان حاصل می‌کند که سیستم‌های صنعتی گرمایشی و کنترل موتور شما همواره خنک، کارآمد و قابل اعتماد باقی بمانند.
  

نتیجه‌گیری: محافظت از سرمایه‌گذاری صنعتی شما

خرابی حرارتی مهم‌ترین علت آسیب به SSR است، اما کاملاً قابل پیشگیری است. با محاسبه دقیق مقاومت حرارتی خنک‌کننده مورد نیاز، استفاده از مواد بازدهی بالای اتصال حرارتی و اطمینان از جریان هوای مناسب، مهندسان B2B می‌توانند قابلیت اطمینان بلندمدت سیستم‌های خود را تضمین کنند. همکاری با تأمین‌کننده تخصصی مانند DAQCN دسترسی به اجزای با عملکرد بالا و تخصص فنی لازم برای حذف کامل خرابی‌های حرارتی را فراهم می‌کند.