Радиаторы для SSR: расчёт, монтаж и распространённые ошибки

Почему твердотельному реле обязательно нужен радиатор?

Главное преимущество твердотельных реле - далее SSR перед механическими реле — полная бесшумность и высокая надёжность за счёт отсутствия движущихся частей. Но у него есть и недостаток — значительное тепловыделение при работе. Потери мощности обусловлены падением напряжения на полупроводниковом переходе силового элемента — симистора или тиристора. Для инженерных расчётов принято использовать среднее значение падения напряжения 1,5 В.

Оценка выделяемой тепловой мощности: P = I × 1,5 В.

Пример: для 40 А нагрузки тепловыделение составит 60 Вт — столько же, сколько у маленького паяльника. Если не предусмотреть отвод тепла, внутренняя температура реле превысит предельно допустимые значения, что вызовет его разрушение.

Температура на кристалле силового элемента (p-n-переходе) рассчитывается по формуле:

Tj = Ta + P × (Rt1 + Rt2 + Rt3)

где:

Tj — температура p-n-перехода; должна оставаться ниже максимально допустимого значения Tjmax (для большинства SSR — 125 °С);
Ta — температура окружающей среды (в шкафу управления);
P — выделяемая тепловая мощность, Вт
Rt1 — тепловое сопротивление переход–корпус (задаётся производителем);
Rt2 — тепловое сопротивление корпус–радиатор (зависит от термоинтерфейса, как правило, не превышает 0,1 °С/Вт);
Rt3 — тепловое сопротивление радиатор–окружающая среда (искомое значение).

Из этой формулы можно выразить требуемое Rt3:

Rt3 = (Tjmax − Ta) / P − (Rt1 + Rt2)

Подобрав радиатор с R3 не выше рассчитанного, вы обеспечите работу реле в безопасном тепловом режиме.

Производители часто приводят собственные таблицы и графики — пользоваться ими удобнее всего, так как они уже учитывают все особенности конкретной модели твердотельного реле

Ключевая формула для расчёта

Упрощённая формула для оценки выделяемой тепловой мощности:

P = ток нагрузки × 1,5 В, о ней мы уже упоминали в начале нашей статьи.

Расчёт одинаково справедлив как для однофазных, так и для трёхфазных твердотельных реле, так как в каждом силовом ключе выделяется примерно 1,5 Вт на 1 А тока нагрузки.

При выборе самого реле профессионалы рекомендуют применять коэффициент запаса (обычно +30% к расчётному току), а также учитывать снижение пропускной способности при повышенной температуре: на каждые +10 °С окружающей среды допустимый рабочий ток падает на 20–25 %.

Монтаж радиатора для твердотельного реле 

Алюминий обладает хорошей теплопроводностью и относительно низкой стоимостью, поэтому большинство радиаторов изготавливается именно из него. При монтаже следуйте этим правилам:

1. Устанавливайте радиатор вертикально
Вертикальная ориентация рёбер обеспечивает наилучшую естественную конвекцию: холодный воздух затягивается снизу, нагревается, поднимается и уходит сверху. Не размещайте радиатор горизонтально — эффективность охлаждения многократно снизится;

2. Обязательно используйте термопасту
Даже идеально гладкие на вид поверхности имеют микронеровности, при соприкосновении которых остаются воздушные зазоры. Воздух — отличный теплоизолятор, и без термопасты эффективность отвода тепла будет ничтожной. Теплопроводящая паста заполняет все неровности, превращая сопротивление теплопередаче (Rthcs) в величину менее 0,1 °С/Вт.

Рекомендуемые составы: КПТ-8, КПТ-А-10, КПТ-А-20.

3. Наносите пасту тонким слоем
Слой должен быть минимальным, в точности заполняющим зазоры между поверхностями. Избыток пасты — не преимущество. Нанесите каплю в центре и размажьте её под давлением при затяжке винтов;

4. Обеспечьте вентиляцию радиатора
Не устанавливайте твердотельное реле в замкнутых, плохо вентилируемых объёмах. Если в шкафу управления высокая температура, следует организовать принудительную циркуляцию воздуха с помощью вентилятора. Даже небольшой обдув способен кратно снизить эффективное тепловое сопротивление радиатора;

5. Используйте рекомендованные производителем крепёжные детали
Момент затяжки винтов должен обеспечивать плотное прижатие корпуса твердотельного реле к радиатору без перекоса.

Распространённые ошибки при монтаже радиатора и твердотельного реле

Ошибка 1. Работа без радиатора или с недостаточным радиатором.

Последствия: недопустимый перегрев кристалла, преждевременный выход из строя.

Ошибка 2. Неиспользование теплопроводящей пасты.

Воздушные зазоры между корпусом реле и радиатором работают как термос: внутренняя температура реле достигает критических значений даже при умеренной нагрузке.

Ошибка 3. Монтаж радиатора в замкнутом шкафу без вентиляции.

Радиатор эффективно работает только если горячий воздух имеет возможность свободно удаляться.

Ошибка 4. Горизонтальная установка радиатора.

Естественная конвекция резко ухудшается, тепловая энергия задерживается на рёбрах, не уходя в окружающую среду.

Ошибка 5. Пренебрежение запасом по току (попытка нагрузить 25 А на реле 25 А при горячем шкафу).

Запас по току (рекомендуется ~30 %) снижает тепловыделение и продлевает срок службы реле.

Ошибка 6. Неучёт теплонагруженности других приборов в шкафу при расчёте температуры окружающей среды Ta.

Нагретые частотные преобразователи, блоки питания и другие сильноточные компоненты могут локально разогревать воздух, что снижает эффективность радиатора и создаёт риск перегрева реле.

Пример: подбор радиатора для твердотельного реле SSR-1DA25A от Ситирон

Условие: реле на 25 А управляет ТЭНом мощностью до 4,1 кВт. Ток нагрузки (из расчёта по мощности 220 В) — около 18,6 А. Выделяемая мощность = 18,6 А × 1,5 В ≈ 28 Вт. Контроллер установлен в шкафу, где температура воздуха достигает 45 °С.

Рассчитаем минимально допустимую эффективность радиатора.

Используем формулу теплового баланса. Допустимая температура кристалла Tjmax большинства мощных полупроводников — 125 °С. Пусть тепловое сопротивление Rt1 = 0,7 °С/Вт. Rthcs при использовании термопасты — не хуже 0,1 °С/Вт.

Тогда Rt3 = (125 – 45) / 28 – (0,7 + 0,1) = 80 / 28 – 0,8 ≈ 2,86 – 0,8 ≈ 2,0 °С/Вт.

Значит, нам нужен радиатор с эффективностью не хуже 2,0 °С/Вт. При таком значении даже без принудительного обдува система будет стабильно работать в заданных условиях.

Для упрощения задачи производители нередко публикуют готовые таблицы совместимости. 

Так, для SSR-1DA25A компания Ситирон рекомендует радиатор РТР-1140, который при правильном монтаже обеспечит охлаждение, достаточное для большинства практических применений. Подобный подход полностью снимает проблему расчёта и подбора.

Подведём итог

Твёрдотельное реле — надёжный и современный силовой прибор. Правильный выбор и монтаж радиатора — главное условие его долгой и безаварийной работы. При расчёте радиатора нужно учитывать конкретные условия монтажа, а при подборе термопасты и ориентировании радиатора — неукоснительно соблюдать рекомендации по монтажу.

Если вы планируете работу реле при номинальных токах (и особенно при токах, близких к максимальным), проконсультируйтесь с производителем или используйте готовые комплекты «реле + радиатор», прошедшие все необходимые тепловые испытания. Это избавит вас от ошибок, увеличит ресурс оборудования и обеспечит его безотказную работу.

Сотрудники Ситирон всегда рады помочь с подбором твердотельных реле и радиаторов к ним. Свяжитесь с нами, по телефонам указанным ниже.