Os relés-de estado sólido podem ser usados ​​sem dissipador de calor?

A resposta curta: sim, mas

Sim, você pode usar um relé de{0}estado sólido (SSR) sem dissipador de calor. Mas apenas sob condições muito específicas que você pode calcular. Este não é um jogo de adivinhação. É uma decisão de engenharia baseada na análise de calor e na avaliação de riscos.

Você pode executar um SSR sem dissipador de calor quando tiver cargas-baixas de energia, aplicativos que ligam e desligam rapidamente ou ambientes frios.

Se a sua situação não se enquadra nessas condições restritas, você precisa fazer as contas para evitar superaquecimento e falha de componentes.

Por que os SSRs geram calor

Relés-de estado sólido não são switches perfeitos. Suas partes internas, como MOSFETs ou TRIACs, têm uma pequena resistência quando estão "ligadas".

Em SSRs DC-baseados em MOSFET, isso é chamado de-resistência de estado (RDS(on)). Em SSRs CA-baseados em TRIAC, ela aparece como uma queda de tensão direta (Vf).

Quando a corrente flui através do SSR, esta resistência ou queda de tensão causa perda de energia. Essa energia perdida se transforma em calor.

A relação básica é simples: o calor é igual à queda de tensão no SSR vezes a corrente que flui através dele. Este calor deve escapar da junção interna do SSR ou a temperatura excederá o limite máximo de segurança.

Imagine um circuito simples com uma fonte de energia, um SSR e uma carga. À medida que a corrente flui através do SSR, ocorre uma pequena queda de tensão nos terminais do SSR devido à sua resistência interna. É exatamente aqui que o calor começa a aumentar.

Quantificando o Calor

A fórmula do poder chave

Para descobrir se você precisa de um dissipador de calor, primeiro você deve calcular quanto calor o SSR irá gerar. Esta etapa não é opcional.

Para a maioria dos relés de estado sólido-AC baseados em TRIAC, a matemática é simples:

Potência (Watts)=Ligado-Estado de queda de tensão (V_f) * Corrente de carga (Amperes)

A queda de tensão-no estado ligado é uma especificação importante na folha de dados do SSR. Para SSRs típicos-baseados em TRIAC, isso varia de 1,0 V a 1,6 V e permanece razoavelmente constante em diferentes correntes.

Para SSRs DC-baseados em MOSFET, uma fórmula diferente funciona melhor usando a resistência-no estado ligado:

Potência (Watts)=(Corrente de carga)^2 * Ligado-Resistência de estado (RDS(ligado))

Você também encontrará valores RDS(on) na folha de dados. Geralmente têm apenas alguns miliohms (mΩ).

Um exemplo prático

Vamos trabalhar em um cenário comum com um SSR-montado em painel AC.

Digamos que a folha de dados do SSR mostre uma queda de tensão típica-no estado ligado de 1,2 V. Você deseja trocar um aquecedor resistivo que consome 5 Amps.

Usando a fórmula:

Dissipação de energia=1.2V * 5A=6 Watts

Este resultado significa que o SSR gera 6 Watts de calor a cada segundo em que está ativo. Este calor deve afastar-se continuamente da junção semicondutora do SSR e escapar para o ar circundante. Se não conseguir escapar de forma eficaz, a temperatura interna do SSR aumentará até falhar.

Compreendendo a resistência térmica

A remoção de calor segue o conceito de resistência térmica (Rth), medida em graus Celsius por Watt (grau /W). Mostra quanto a temperatura de um componente aumentará para cada watt de calor que ele gera.

Existem vários valores de resistência térmica, cada um representando uma parte diferente do caminho de calor da fonte ao ar ambiente.

Sem um dissipador de calor, o valor mais importante é a resistência térmica da junção-à-ambiente (Rth-ja). Isto representa a resistência total ao fluxo de calor da junção interna do semicondutor diretamente para o ar circundante. Esse valor normalmente é alto, dificultando a eliminação de calor significativo.

Quando você não usa um dissipador de calor, o calor viaja da junção para a caixa e, em seguida, da caixa para o ar ambiente. A resistência térmica total é igual a Rth-jc mais Rth-ca (Caso-para-Ambiente).

Os fatores decisivos

Fator 1: Corrente de Carga

A corrente de carga é a principal causa da geração de calor. Como mostram as fórmulas de potência, o calor aumenta diretamente com a corrente para SSRs CA e com o quadrado da corrente para SSRs CC.

Corrente de carga mais baixa significa menos calor, o que aumenta a probabilidade de o SSR funcionar sem dissipador de calor.

Uma regra aproximada sugere que muitos SSRs de montagem-padrão em painel podem suportar 1 a 2 A ao ar livre em temperatura ambiente sem dissipador de calor.

Mas esta é apenas uma diretriz vaga. Nunca use-o em vez de cálculos de calor adequados com base na folha de dados específica do seu SSR e nas condições operacionais da sua aplicação.

Fator 2: Temperatura Ambiente

A temperatura ambiente (Ta) é a linha de base para medir todos os aumentos de temperatura. É a temperatura do ar ao redor do SSR.

Cada SSR tem uma temperatura máxima de junção (Tj max), geralmente em torno de 125 graus, que você não pode exceder. Temperatura ambiente mais alta significa menos espaço para aumento de temperatura antes de atingir esse limite.

A temperatura ambiente importante está dentro do painel de controle ou gabinete, e não a temperatura ambiente externa. Um gabinete selado e lotado pode facilmente funcionar 20 graus ou mais acima da temperatura ambiente externa.

Fator 3: Ciclo de Trabalho e Frequência

O tempo de carregamento também é importante. Um SSR que permanece ligado continuamente (ciclo de trabalho de 100%) cria calor constante.

Se o SSR funcionar apenas por curtos períodos com longos períodos de “desligamento” entre eles, a potência média será muito menor. O tempo “desligado” permite que o SSR esfrie, eliminando potencialmente a necessidade de um dissipador de calor mesmo com correntes de pico mais altas.

Para SSRs AC, a tecnologia de comutação-de cruzamento zero minimiza naturalmente as perdas de comutação, de modo que a frequência importa menos. Para SSRs DC usados ​​em aplicações de modulação por largura de pulso-de alta frequência (PWM), as perdas de comutação podem adicionar calor extra além das perdas condutivas.

Fator 4: Montagem e Orientação

O gabinete e a montagem do SSR podem ajudar no resfriamento. A montagem da placa de base do SSR diretamente em um chassi ou subpainel de metal grande e sem pintura permite que o metal funcione como um dissipador de calor básico por meio de condução.

Por experiência-em primeira mão, vimos sistemas falharem onde um SSR foi montado em um adaptador de trilho DIN de plástico ou em uma superfície de plástico, interrompendo completamente a transferência de calor. Mesmo um pequeno suporte de montagem metálico pode fazer uma diferença real em comparação com o isolamento total.

A orientação também afeta a convecção natural. Montar um SSR verticalmente em um painel permite que o ar flua mais livremente em suas superfícies, transportando o calor melhor do que montá-lo horizontalmente.

Lendo curvas de redução de SSR

O que é uma curva de redução?

A curva de redução térmica é provavelmente o gráfico mais importante em uma folha de dados SSR para gerenciamento de calor. Ele fornece uma resposta visual direta sobre a quantidade de corrente que o SSR pode suportar com segurança em diferentes temperaturas operacionais.

O gráfico mostra a corrente de carga máxima permitida no eixo vertical (Y) em relação à temperatura ambiente no eixo horizontal (X).

Normalmente, uma planilha de dados mostra várias curvas no mesmo gráfico. Uma curva representa a capacidade do SSR sem dissipador de calor, enquanto outras curvas mostram melhor desempenho com dissipadores de calor específicos recomendados.

Como ler a curva

Usar a curva de desclassificação é simples. Ele traduz as informações da folha de dados em limites operacionais claros para o seu projeto. Vejamos um exemplo.

Imagine que você está observando uma curva de redução de potência para um SSR 25A. O gráfico mostra várias linhas, incluindo uma chamada “Sem dissipador de calor”.

Etapa 1: localize sua temperatura ambiente.Primeiro, determine a temperatura ambiente do pior-caso dentro do gabinete de controle. Digamos que este seja um ambiente quente a 60 graus. Encontre 60 graus no eixo horizontal (X).

Etapa 2: Identifique a linha correta.A partir das múltiplas curvas mostradas, encontre a linha específica para operação sem dissipador de calor.

Etapa 3: Encontre a corrente máxima.A partir do ponto de 60 graus no eixo X-, desenhe uma linha vertical para cima até encontrar a curva "Sem dissipador de calor". A partir dessa interseção, desenhe uma linha horizontal até o eixo vertical (Y).

Etapa 4:Interpretaro resultado.O valor para o qual esta linha aponta no eixo Y-é a corrente de carga máxima absoluta que o SSR pode suportar a 60 graus sem um dissipador de calor. Em um exemplo típico, isso pode ser apenas 3 Amps, uma pequena fração da classificação nominal de 25A do SSR.

Sempre crie uma margem de segurança. Se a curva mostrar um limite de 3,0A, um projeto sólido teria como meta uma corrente operacional máxima de 2,4A (uma redução de 80%) ou menos. Essa margem leva em conta variáveis ​​inesperadas, como alterações de tensão, pequenos problemas de fluxo de ar e envelhecimento de componentes, garantindo-a confiabilidade do sistema a longo prazo.

Armadilhas térmicas-do mundo real

Armadilha 1: Fluxo de ar do gabinete

Um erro comum de projeto é fazer cálculos de calor assumindo condições de “ar livre” quando o SSR for instalado em um gabinete elétrico vedado e densamente compactado.

O ar dentro de um gabinete selado com vários dispositivos-produtores de calor (fontes de alimentação, VFDs e outros relés) não permanecerá na temperatura ambiente. A temperatura ambiente interna aumentará, às vezes significativamente, reduzindo a eficácia do resfriamento de todos os componentes internos.

Sempre projete para o ambiente operacional real. Se o gabinete for vedado e contiver vários watts de calor, modele o aumento da temperatura interna ou meça-o em um protótipo. Considere adicionar ventilação ou ventiladores de gabinete se a temperatura ambiente interna calculada prejudicar a confiabilidade dos componentes.

Armadilha 2: Proximidade da Fonte de Calor

O gerenciamento de calor deve considerar todo o sistema. O local onde você coloca o SSR no painel é tão importante quanto a temperatura geral do painel.

Um erro frequente é montar um SSR diretamente próximo ou acima de outra fonte de calor importante, como um inversor de frequência variável, uma grande fonte de alimentação ou resistores de frenagem de alta-potência.

O calor do componente próximo irá irradiar e fluir para o SSR, aumentando artificialmente a temperatura ambiente local e prejudicando a sua capacidade de se resfriar. Em uma falha de campo memorável, os SSRs continuaram falhando apesar da baixa corrente de carga. A causa raiz foi um grande resistor de potência montado diretamente abaixo deles. O aumento do calor superaqueceu os SSRs, empurrando-os além da temperatura ambiente nominal.

Mapeie as principais fontes de calor no layout do seu painel e garanta um espaçamento físico adequado para evitar interferência térmica.

Armadilha 3: Montagem inadequada

Ao contar com um chassi ou subpainel metálico para resfriamento passivo, a qualidade da superfície de montagem é crítica.

Camadas de tinta, revestimento em pó e anodização são isolantes térmicos eficazes. Eles criam uma barreira que bloqueia significativamente o fluxo de calor da placa de base do SSR para o painel metálico.

Para melhor transferência de calor, a superfície de montagem deve ser de metal liso, limpo e descoberto. Embora isso seja mais importante ao usar um dissipador de calor formal, continua sendo uma boa prática mesmo ao usar um chassi como dissipador de calor. Este pequeno passo pode fornecer uma margem térmica útil.

Armadilha 4: O Mito da Graxa Térmica

Às vezes, os engenheiros acreditam erroneamente que a aplicação de pasta térmica ou almofada térmica na base de um SSR ajudará a resfriá-lo, mesmo sem dissipador de calor. Isso está incorreto.

O Material de Interface Térmica (TIM), como graxa ou almofadas, faz uma coisa: preencher as pequenas lacunas de ar entre duas superfícies lisas e sólidas (como a placa de base SSR e um dissipador de calor). O ar conduz mal o calor e a TIM o substitui por um material que conduz o calor muito melhor.

Sua função é melhorar a condução de calor entre os sólidos. Não faz nada para melhorar a convecção de calor ou a radiação de uma superfície para o ar. Aplicar graxa térmica em um SSR e deixá-lo ao ar livre não terá efeito de resfriamento significativo.

Conclusão: A Decisão Final

Principais conclusões

A decisão de usar um relé de{0}estado sólido sem dissipador de calor deve ser deliberada e respaldada por dados. Não é um caminho a ser cortado para economia de custos sem análise. Para o engenheiro ocupado, o processo se resume a quatro princípios fundamentais.

Sempre calcule. Nunca adivinhe ou confie em regras práticas. Use as fórmulas de dissipação de energia (P=V*I ou P=I^2*R) para quantificar a carga de calor para sua aplicação específica.

Confie na curva de redução. Este gráfico na planilha de dados SSR é sua ferramenta mais importante. Ele fornece a resposta definitiva sobre a capacidade-de manuseio atual em sua temperatura ambiente específica.

Considere todo o sistema. A temperatura ambiente efetiva, o fluxo de ar do gabinete e a proximidade de outras fontes de calor são tão importantes quanto a própria corrente de carga do SSR.

Em caso de dúvida, use um dissipador de calor. O custo de um dissipador de calor de tamanho adequado é quase sempre pequeno em comparação com o custo de falha do sistema, tempo de inatividade não planejado, danos ao equipamento e chamadas de serviço de campo.

Seu caminho para a confiabilidade

Os relés-de estado sólido são componentes extremamente poderosos e confiáveis ​​quando você respeita seus requisitos operacionais. Compreender e dominar a gestão do calor é absolutamente fundamental para desbloquear todo o seu potencial.

Ao passar das suposições para o cálculo, você garante que seu projeto não seja apenas funcional, mas também robusto. Essa diligência é a base para a construção de equipamentos automatizados seguros,-duradouros e confiáveis.

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