Können Halbleiterrelais-ohne Kühlkörper verwendet werden?

Die kurze Antwort: Ja, aber

Ja, Sie können ein Halbleiterrelais (SSR) ohne Kühlkörper verwenden. Aber nur unter ganz bestimmten Bedingungen, die Sie berechnen können. Das ist kein Ratespiel. Es handelt sich um eine technische Entscheidung, die auf einer Wärmeanalyse und einer Risikobewertung basiert.

Sie können ein SSR ohne Kühlkörper betreiben, wenn Sie eine geringe -Stromauslastung, Anwendungen, die sich schnell ein- und ausschalten, oder kühle Umgebungen haben.

Wenn Ihre Situation diese engen Bedingungen nicht erfüllt, müssen Sie nachrechnen, um eine Überhitzung und einen Komponentenausfall zu verhindern.

Warum SSRs Wärme erzeugen

Halbleiterrelais-sind keine perfekten Schalter. Ihre internen Teile, wie MOSFETs oder TRIACs, weisen einen geringen Widerstand auf, wenn sie eingeschaltet sind.

In MOSFET-basierten DC-SSRs wird dies On-State Resistance (RDS(on)) genannt. In TRIAC-basierten AC-SSRs zeigt sich dies als Vorwärtsspannungsabfall (Vf).

Wenn Strom durch das SSR fließt, verursacht dieser Widerstand oder Spannungsabfall einen Leistungsverlust. Diese verlorene Energie wird zu Wärme.

Der grundlegende Zusammenhang ist einfach: Wärme entspricht dem Spannungsabfall am SSR mal dem durch ihn fließenden Strom. Diese Wärme muss aus der internen Verbindungsstelle des SSR entweichen, sonst überschreitet die Temperatur den maximalen Sicherheitsgrenzwert.

Stellen Sie sich einen einfachen Schaltkreis mit einer Stromquelle, einem SSR und einer Last vor. Wenn Strom durch das SSR fließt, kommt es aufgrund seines Innenwiderstands zu einem kleinen Spannungsabfall an den Anschlüssen des SSR. Genau hier beginnt die Hitzeentwicklung.

Quantifizierung der Hitze

Die Schlüsselkraftformel

Um herauszufinden, ob Sie einen Kühlkörper benötigen, müssen Sie zunächst berechnen, wie viel Wärme das Halbleiterrelais erzeugen wird. Dieser Schritt ist nicht optional.

Für die meisten TRIAC-basierten Wechselstrom-Festkörperrelais- ist die Rechnung einfach:

Leistung (Watt)=Ein-Zustand Spannungsabfall (V_f) * Laststrom (Ampere)

Der Spannungsabfall im -Zustand ist eine wichtige Spezifikation im Datenblatt des SSR. Bei typischen TRIAC--basierten SSRs liegt dieser Wert zwischen 1,0 V und 1,6 V und bleibt über verschiedene Ströme hinweg ziemlich konstant.

Für MOSFET-basierte DC-SSRs funktioniert eine andere Formel unter Verwendung des Ein---Zustandswiderstands besser:

Leistung (Watt)=(Laststrom)^2 * Ein-Zustandswiderstand (RDS(on))

Die RDS(on)-Werte finden Sie auch im Datenblatt. Normalerweise betragen sie nur wenige Milliohm (mΩ).

Ein praktisches Beispiel

Lassen Sie uns ein häufiges Szenario mit einem AC-Panel-montierten SSR durchgehen.

Angenommen, das SSR-Datenblatt zeigt einen typischen Spannungsabfall im -Zustand von 1,2 V. Sie möchten eine Widerstandsheizung schalten, die 5 Ampere verbraucht.

Mit der Formel:

Verlustleistung=1.2V * 5A=6 Watt

Dieses Ergebnis bedeutet, dass das SSR jede Sekunde, in der es aktiv ist, 6 Watt Wärme erzeugt. Diese Wärme muss sich kontinuierlich vom Halbleiterübergang des SSR entfernen und in die Umgebungsluft entweichen. Wenn es nicht effektiv entweichen kann, steigt die Innentemperatur des Halbleiterrelais an, bis es ausfällt.

Wärmewiderstand verstehen

Die Wärmeableitung folgt dem Konzept des Wärmewiderstands (Rth), gemessen in Grad Celsius pro Watt (Grad/W). Es zeigt an, um wie viel die Temperatur einer Komponente pro erzeugtem Watt Wärme steigt.

Es gibt mehrere Wärmewiderstandswerte, die jeweils einen anderen Teil des Wärmepfads von der Quelle zur Umgebungsluft darstellen.

Ohne Kühlkörper ist der wichtigste Wert der Übergang-zu-Wärmewiderstand der Umgebung (Rth-ja). Dies stellt den Gesamtwiderstand gegen den Wärmefluss vom internen Halbleiterübergang direkt zur Umgebungsluft dar. Dieser Wert ist typischerweise hoch, was es schwierig macht, erhebliche Wärme abzuleiten.

Wenn Sie keinen Kühlkörper verwenden, wandert die Wärme von der Verbindungsstelle zum Gehäuse und dann vom Gehäuse zur Umgebungsluft. Der gesamte Wärmewiderstand beträgt Rth-jc plus Rth-ca (Fall-zu-Umgebung).

Die entscheidenden Faktoren

Faktor 1: Laststrom

Der Laststrom ist die Hauptursache für die Wärmeentwicklung. Wie die Leistungsformeln zeigen, steigt die Wärme bei Wechselstrom-Halbleiterrelais direkt mit dem Strom und bei Gleichstrom-Halbleiterrelais mit dem Quadrat des Stroms.

Ein geringerer Laststrom bedeutet weniger Wärme, was die Wahrscheinlichkeit erhöht, dass das SSR ohne Kühlkörper arbeiten kann.

Eine grobe Regel geht davon aus, dass viele standardmäßige SSRs für die Schalttafelmontage 1 bis 2 Ampere im Freien bei Raumtemperatur ohne Kühlkörper verarbeiten können.

Aber das ist nur eine lose Richtlinie. Verwenden Sie es niemals anstelle ordnungsgemäßer Wärmeberechnungen basierend auf dem Datenblatt Ihres spezifischen SSR und den Betriebsbedingungen Ihrer Anwendung.

Faktor 2: Umgebungstemperatur

Die Umgebungstemperatur (Ta) ist die Basislinie für die Messung aller Temperaturanstiege. Es ist die Temperatur der Luft rund um das SSR.

Jedes SSR hat eine maximale Sperrschichttemperatur (Tj max), oft etwa 125 Grad, die Sie nicht überschreiten können. Eine höhere Umgebungstemperatur bedeutet weniger Spielraum für einen Temperaturanstieg, bevor dieser Grenzwert erreicht wird.

Die entscheidende Umgebungstemperatur ist die innerhalb Ihres Schaltschranks oder Gehäuses, nicht die Raumtemperatur draußen. In einem geschlossenen, überfüllten Gehäuse kann die Außentemperatur leicht 20 Grad oder mehr über der Raumtemperatur liegen.

Faktor 3: Arbeitszyklus und Frequenz

Auch das Lade-Timing ist von großer Bedeutung. Ein Halbleiterrelais, das kontinuierlich eingeschaltet bleibt (100 % Arbeitszyklus), erzeugt konstante Wärme.

Wenn das SSR nur für kurze Zeiträume mit langen „Aus“-Zeiten dazwischen läuft, ist die durchschnittliche Leistung viel niedriger. Durch die „Aus“-Zeit kann das SSR abkühlen, sodass selbst bei höheren Spitzenströmen möglicherweise kein Kühlkörper erforderlich ist.

Bei AC-SSRs minimiert die Nulldurchgangs-Schalttechnologie auf natürliche Weise Schaltverluste, sodass die Frequenz weniger wichtig ist. Bei DC-SSRs, die in hochfrequenten Pulsweitenmodulationsanwendungen (PWM) verwendet werden, können Schaltverluste zusätzlich zu den Leitungsverlusten zusätzliche Wärme erzeugen.

Faktor 4: Montage und Ausrichtung

Das Gehäuse und die Montage des SSR können bei der Kühlung hilfreich sein. Durch die direkte Montage der SSR-Grundplatte auf einem großen, unlackierten Metallgehäuse oder einer Unterplatte kann dieses Metall durch Leitung als grundlegender Kühlkörper fungieren.

Aus eigener Erfahrung-haben wir erlebt, dass Systeme ausfielen, bei denen ein SSR auf einem Kunststoff-DIN-Schienenadapter oder einer Kunststoffoberfläche montiert war und die Wärmeübertragung vollständig unterbrochen wurde. Selbst eine kleine Montagehalterung aus Metall kann im Vergleich zur völligen Isolierung einen echten Unterschied machen.

Die Ausrichtung beeinflusst auch die natürliche Konvektion. Durch die vertikale Montage eines SSR auf einer Platte kann die Luft freier über die Oberflächen strömen und die Wärme besser ableiten als bei der flachen horizontalen Montage.

Lesen von SSR-Derating-Kurven

Was ist eine Derating-Kurve?

Die thermische Derating-Kurve ist wahrscheinlich das wichtigste Diagramm in einem SSR-Datenblatt für das Wärmemanagement. Es gibt Ihnen eine direkte visuelle Antwort darauf, wie viel Strom das SSR bei unterschiedlichen Betriebstemperaturen sicher verarbeiten kann.

Das Diagramm zeigt den maximal zulässigen Laststrom auf der vertikalen (Y)-Achse gegenüber der Umgebungstemperatur auf der horizontalen (X)-Achse.

Normalerweise zeigt ein Datenblatt mehrere Kurven im selben Diagramm. Eine Kurve stellt die Leistungsfähigkeit des SSR ohne Kühlkörper dar, während andere Kurven eine verbesserte Leistung mit bestimmten empfohlenen Kühlkörpern zeigen.

So lesen Sie die Kurve

Die Verwendung der Derating-Kurve ist unkompliziert. Es übersetzt Datenblattinformationen in klare Betriebsgrenzen für Ihr Design. Lassen Sie uns ein Beispiel durchgehen.

Stellen Sie sich vor, Sie sehen sich eine Derating-Kurve für ein 25-A-SSR an. Das Diagramm zeigt mehrere Linien, darunter eine mit der Bezeichnung „Kein Kühlkörper“.

Schritt 1: Ermitteln Sie Ihre Umgebungstemperatur.Bestimmen Sie zunächst die ungünstigste-Umgebungstemperatur im Steuergehäuse. Nehmen wir an, dies ist eine heiße Umgebung mit 60 Grad. Finden Sie 60 Grad auf der horizontalen (X)-Achse.

Schritt 2: Identifizieren Sie die richtige Zeile.Finden Sie aus den dargestellten mehreren Kurven die konkrete Linie für den Betrieb ohne Kühlkörper.

Schritt 3: Ermitteln Sie den maximalen Strom.Zeichnen Sie vom 60-Grad-Punkt auf der X--Achse eine vertikale Linie nach oben, bis sie auf die Kurve „Kein Kühlkörper“ trifft. Zeichnen Sie von diesem Schnittpunkt aus eine horizontale Linie quer zur vertikalen Achse (Y).

Schritt 4:Interpretierendas Ergebnis.Der Wert, auf den diese Linie auf der Y--Achse zeigt, ist der absolute maximale Laststrom, den das SSR bei 60 Grad ohne Kühlkörper verarbeiten kann. In einem typischen Beispiel könnten dies nur 3 Ampere sein, ein kleiner Bruchteil der Nennleistung des SSR von 25 A.

Planen Sie immer einen Sicherheitsabstand ein. Wenn die Kurve einen Grenzwert von 3,0 A zeigt, würde ein solides Design einen maximalen Betriebsstrom von 2,4 A (eine Reduzierung um 80 %) oder weniger anstreben. Dieser Spielraum berücksichtigt unerwartete Variablen wie Spannungsänderungen, kleinere Luftstromprobleme und Komponentenalterung und gewährleistet so eine langfristige Systemzuverlässigkeit.

Echte-Wärmefallen

Fallstrick 1: Luftstrom im Gehäuse

Ein häufiger Konstruktionsfehler besteht darin, Wärmeberechnungen unter der Annahme von Bedingungen „freier Luft“ durchzuführen, wenn das SSR in einem versiegelten, dicht gepackten Schaltschrank installiert wird.

Die Luft in einem geschlossenen Gehäuse mit mehreren wärmeerzeugenden Geräten (Netzteile, VFDs, andere Relais) bleibt nicht auf Raumtemperatur. Die interne Umgebungstemperatur steigt manchmal erheblich an, wodurch die Kühlwirkung für alle Komponenten im Inneren verringert wird.

Entwerfen Sie immer für die tatsächliche Betriebsumgebung. Wenn das Gehäuse versiegelt ist und mehrere Watt Wärme enthält, modellieren Sie den internen Temperaturanstieg oder messen Sie ihn in einem Prototyp. Erwägen Sie den Einbau von Lüftungs- oder Gehäuselüftern, wenn die berechnete interne Umgebungstemperatur die Zuverlässigkeit der Komponenten beeinträchtigt.

Fallstrick 2: Nähe zur Wärmequelle

Wärmemanagement muss das gesamte System berücksichtigen. Wo Sie das SSR im Panel platzieren, ist genauso wichtig wie die Gesamttemperatur des Panels.

Ein häufiger Fehler besteht darin, ein SSR direkt neben oder über einer anderen großen Wärmequelle zu montieren, z. B. einem Frequenzumrichter, einem großen Netzteil oder Bremswiderständen mit hoher Leistung.

Wärme von der nahegelegenen Komponente wird abgestrahlt und auf das SSR strömen, wodurch dessen lokale Umgebungstemperatur künstlich erhöht wird und seine Fähigkeit, sich selbst zu kühlen, beeinträchtigt wird. Bei einem denkwürdigen Feldausfall fielen SSRs trotz niedrigem Laststrom immer wieder aus. Die Hauptursache war ein großer Leistungswiderstand, der direkt darunter montiert war. Steigende Hitze überhitzte die SSRs und brachte sie über ihre Nennumgebungstemperatur hinaus.

Ordnen Sie die Hauptwärmequellen in Ihrem Panel-Layout zu und achten Sie auf ausreichende räumliche Abstände, um thermische Störungen zu vermeiden.

Fallstrick 3: Falsche Montage

Wenn Sie sich für die passive Kühlung auf ein Metallgehäuse oder ein Subpanel verlassen, ist die Qualität der Montageoberfläche von entscheidender Bedeutung.

Lack-, Pulverbeschichtungs- und Eloxalschichten sind wirksame Wärmeisolatoren. Sie bilden eine Barriere, die den Wärmefluss von der Grundplatte des SSR zur Metallplatte erheblich blockiert.

Für eine optimale Wärmeübertragung sollte die Montagefläche aus blankem, sauberem und flachem Metall bestehen. Während dies bei der Verwendung eines formellen Kühlkörpers am wichtigsten ist, bleibt es auch dann eine bewährte Vorgehensweise, wenn ein Gehäuse als Kühlkörper verwendet wird. Dieser kleine Schritt kann einen hilfreichen thermischen Spielraum bieten.

Fallstrick 4: Der Mythos der Wärmeleitpaste

Ingenieure gehen manchmal fälschlicherweise davon aus, dass das Auftragen von Wärmeleitpaste oder einem Wärmeleitpad auf die Unterseite eines SSR zu dessen Kühlung beiträgt, auch ohne Kühlkörper. Das ist falsch.

Thermal Interface Material (TIM), wie Fett oder Pads, hat eine Aufgabe: Es füllt die winzigen Luftspalte zwischen zwei glatten, festen Oberflächen (wie der SSR-Grundplatte und einem Kühlkörper). Luft leitet Wärme schlecht und TIM ersetzt sie durch ein Material, das die Wärme viel besser leitet.

Seine Aufgabe ist es, die Wärmeleitung zwischen Festkörpern zu verbessern. Es trägt nicht dazu bei, die Wärmekonvektion oder -strahlung von einer Oberfläche in die Luft zu verbessern. Das Auftragen von Wärmeleitpaste auf ein SSR und das Stehenlassen im Freien hat keinen nennenswerten Kühleffekt.

Fazit: Die endgültige Entscheidung

Wichtige Erkenntnisse

Die Entscheidung, ein Halbleiterrelais ohne Kühlkörper zu verwenden, muss bewusst getroffen und durch Daten untermauert werden. Ohne Analyse ist es nicht möglich, Kosteneinsparungen zu erzielen. Für den vielbeschäftigten Ingenieur besteht der Prozess aus vier Grundprinzipien.

Rechnen Sie immer. Raten Sie niemals oder verlassen Sie sich nicht auf Faustregeln. Verwenden Sie die Verlustleistungsformeln (P=V*I oder P=I^2*R), um die Wärmebelastung für Ihre spezifische Anwendung zu quantifizieren.

Vertrauen Sie der Derating-Kurve. Dieses Diagramm im SSR-Datenblatt ist Ihr wichtigstes Werkzeug. Es gibt die endgültige Antwort auf die aktuelle-Handhabbarkeit bei Ihrer spezifischen Umgebungstemperatur.

Betrachten Sie das gesamte System. Die effektive Umgebungstemperatur, der Luftstrom im Gehäuse und die Nähe zu anderen Wärmequellen sind ebenso wichtig wie der Laststrom des SSR selbst.

Verwenden Sie im Zweifelsfall einen Kühlkörper. Die Kosten für einen richtig dimensionierten Kühlkörper sind im Vergleich zu den Kosten für Systemausfälle, ungeplante Ausfallzeiten, Geräteschäden und Außendiensteinsätze fast immer gering.

Ihr Weg zur Zuverlässigkeit

Halbleiterrelais-sind bemerkenswert leistungsstarke und zuverlässige Komponenten, wenn Sie ihre Betriebsanforderungen berücksichtigen. Um ihr volles Potenzial auszuschöpfen, ist es von entscheidender Bedeutung, ihr Wärmemanagement zu verstehen und zu beherrschen.

Indem Sie vom Raten zur Berechnung übergehen, stellen Sie sicher, dass Ihr Design nicht nur funktional, sondern auch robust ist. Diese Sorgfalt ist die Grundlage für den Bau sicherer, langlebiger und zuverlässiger automatisierter Geräte.

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