Výpočet chladiče

Pro tepelnou rovnováhu existuje základní rovnice:

	Tepelný rozdíl mezi systémy (pol. přechod prostředí)
Ztrátový výkon =	-------------------------------------------------------------
	Součet tepelných odporů na cestě přestupu tepla

 

	Tj - Ta
P =	--------------------
	Qjc + Qcs + Qsa

 

Tj - je povolená teplota přechodu cca 125°C – udávaná výrobcem a okolní teplota je 30 – 50 °C dle pracovních podmínek (v rozvaděči)

P - je ztrátový výkon na modulu, přibližně 1,2 násobek proudu v sepnutém stavu

Qjc - je tepelný odpor přechod - chladící ploška modulu - hodnotu udává výrobce

Qcs - je tepelný odpor chladící ploška - chladič, pohybuje se od 0,1 - 1,5 °C/W v závislosti na použití izolační slídové podložky (u SSR není zapotrebí), zlepší se použitím teplovodných past. Pro naše účely lze počítat 0,2 °C/W

Qsa - je tepelný odpor chladič -okolí, tento odpor je udáván grafy pro jednotlivé typy profilu v závislosti na délce. Záleží také, zda je chladič černený či nikoliv. Černění značně snižuje tepelný odpor a vyzařování tepla je účinnější. Snížení tepelného odporu se dá provést také nuceným chlazením, tedy ofukem chladiče ventilátorem. Výpočet je složitejší a je uveden níže.

V sepnutém stavu má relé na sobě zbytkové napětí - viz obrázek. Toto napětí je fázi s proudem.

Va - vzniká po sepnutí relé - je u každého relé se spínáním v nule a jeho velikost záleží na velikosti napětí, při kterém SSR spíná ( bývá kolem 20 V, někteří výrobci uvádějí hodnotu 7 - 8 V )

Vt - prahové napětí na spoji polovodiče, bývá 0,8 - 1 V. Toto napětí se snižuje s teplotou přibližně 2 mV/ °C

rt - odpor polovodiče a spojů - bývá 5 - 30 mW podle typu relé a použitého čipu

Spínací prvek musí být chlazen tak, aby teplota polovodičového přechodu nepřekročila hodnotu obvykle 110 °C nebo 125 °C

Platí Ohmův zákon : DT = Rth x PD

DT je rozdíl Tmax = 125°C a Tok - teploty okolí

Rth - celkový tepelný odpor od polovodičového přechodu až k okolnímu prostředí, skládá se z několika dílčích tepelných odporů, seriově zapojených ( tepelný odpor polovodičového přechodu - poudro - uvádí výrobce relé, přechod pouzdro-chladič - hodnota se pohybuje od 0,1 do 0,2 °C/W. silikonový kompaund tuto hodnotu pomáhá snížit k 0,1 °C/ W, tepelný odpor chladiče - uvádí výrobce chladiče)

PD - tepelný výkon vznikající na relé, vyjádřený ve watech, který musí být odveden z relé a závisí na protékajícím proudu

Tepelný výkon, který se má vyzářit se dá určit : PD = 0,9 x Vt x I + rt x I x I

Kde I je efektivní hodnota proudu protékající relé

(Poznámka : výrobce čipů pro řadu SSR řady 020 D …… uvádí tyto hodnoty Vt a rt pro výpočet tepelné ztráty:

Pokud budete používat hodnotu On state Voltage Drop (úbytek napětí při jmenovitém proudu) - viz katalogové listy, a protékající proud, dostanete ztrátový výkon na relé)

Pro amatérské aplikace je třeba volit na výrobu chladiče měděný nebo hliníkový plech od 5mm výše, plochu pod relé mít rovnou, bez nečistot, které by zvetšovaly mezeru mezi chladičem a modulem, použít kompaund, plech černit. Rozměry plechu nad určitou velikost přestávají ovlivňovat tepelný odpor chladiče. Nespoléhat na ocelový plech tlouštky 1 mm. Nejlépe je použít co nejčlenitější profil, který se podaří sehnat, žebra orientovat svisle, aby mohl nastat komínkový efekt a účinnost se ješte zvýšila. Nedávat chladiče do míst, kde jsou již další teplo vyzařující prvky. Zajistit nucenou výměnu vzduchu v rozvaděči. Hliníkový panel o rozměru 150 x 150 mm má odpor asi 4 °C / W, u hliníkového panelu 300 x 300 mm přibližně 2°C / W, tlouštka cca 5 mm. Ocelový plech má mnohem větší tepelný odpor a je zde i vliv nátěru panelu.

!!!Pozor na uzavřené plastové skříňky!!!

Je nutno si uvědomit, že polovodičové relé je polovodič jako každý jiný a má stejné požadavky na chlazení!!! Teplota polovodičového přechodu je max 125 °C, při vyšší teplotě hrozí destrukce polovodičového relé. Proto by chladič neměl mít teplotu vyšší než 100 °C. Je vhodné v blízkosti relé namontovat vratný tepelný spínač na 100°C, který rozepnutím hlásí havarijní stav.Spínač by měl být v těsné blízkosti relé, ale dále od ventilátoru. Do otvoru se závitem M4 umístíme termostat a zajistíme dobrý přestup tepla. Rozpínací kontakt zapojit buď do přívodu buzení relé nebo jako alarmový signál buď do PLC či jiného obvodu. Pokud dochází k vypínání, znamená to, že chlazení je nedostatečné a nezbývá než přistoupit k nucenému chlazení pomocí ventilátorků. U proudů nad 60 A je toto doporučováno.

 

 

Korekce tepelného odporu chladiče při nuceném chlazení

Hodnoty tepelných odporu chladičů jsou uváděny pro přirozené předávání tepla do okolí, tedy bez nuceného chlazení a ofukování chladiče. V případě, že použijeme nucené chlazení, můžeme z následujícího grafu získat odpovídající vztažný korekční faktor - při známé rychlosti proudu vzduchu. Výsledný tepelný odpor bude násobkem tepelného odporu vlastního chladiče a odečteného korekčního faktoru.

Příklad: chladič s tepelným odporem 0,37°C/W je umístěn v proudu vzduchu 2 m/s. Dle grafu je korekční faktor 0,435, výsledný tepelný odpor je:

0,37 x 0,435 = 0,16 °C/W

Někteří výrobci uvádějí u ventilátoru hodnotu CFM (cubic feet per minute - kubických stop za minutu). Pro přepočet na m/s lze použít následující vztah:

	471 CFM
m/s =	-------------------------
	N x H x V

 

Korekční graf pro nucené chlazení