ソリッドステート リレーはヒートシンクなしで使用できますか?-

短い答え: はい、しかし

はい、ヒートシンクなしでもソリッド ステート リレー（SSR）を使用できます。-ただし、計算できるのは非常に特殊な条件下のみです。これは推理ゲームではありません。これは、熱分析とリスク評価に基づいたエンジニアリング上の決定です。

電力負荷が低い場合、アプリケーションのオン/オフが速い場合、または環境が涼しい場合は、ヒートシンクなしで SSR を実行できます。{0}

状況がこれらの狭い条件に当てはまらない場合は、過熱やコンポーネントの故障を防ぐために計算を行う必要があります。

SSRが発熱する理由

ソリッドステート リレーは完全なスイッチではありません。- MOSFET や TRIAC などの内部部品は、「オン」のときに少量の抵抗を持ちます。

MOSFET- ベースの DC SSR では、これをオン状態抵抗 (RDS(on))- と呼びます。 TRIAC- ベースの AC SSR では、順方向電圧降下 (Vf) として現れます。

SSRに電流が流れると、この抵抗や電圧降下により電力損失が発生します。その失われた電力は熱になります。

基本的な関係は単純です。熱は、SSR の両端の電圧降下とそこを流れる電流の積に等しくなります。この熱は SSR の内部接合部から逃がす必要があり、そうしないと温度が最大安全限界を超えてしまいます。

電源、SSR、負荷を備えた単純な回路を想像してください。 SSR に電流が流れると、内部抵抗により SSR の端子間に小さな電圧降下が発生します。まさにここから熱が蓄積し始めます。

熱を数値化する

キーパワーの公式

ヒートシンクが必要かどうかを判断するには、まず SSR が生成する熱の量を計算する必要があります。このステップはオプションではありません。

ほとんどの TRIAC- ベースの AC ソリッドステート リレー-の場合、計算は簡単です。

電力 (ワット)=オン-状態の電圧降下 (V_f) * 負荷電流 (アンペア)

- オン状態の電圧降下は、SSR のデータシートの重要な仕様です。一般的な TRIAC- ベースの SSR の場合、この範囲は 1.0V ～ 1.6V であり、電流が異なってもほぼ一定です。

MOSFET- ベースの DC SSR の場合は、オン状態抵抗を使用する別の計算式がより適切に機能します。-

電力 (ワット)=(負荷電流)^2 * オン状態の抵抗 (RDS(on))-

RDS(on) の値はデータシートにも記載されています。通常、それらはわずか数ミリオーム (mΩ) です。

実用的な例

AC パネル マウント SSR を使用した一般的なシナリオを見てみましょう。{0}

SSR データシートには、典型的なオン状態の電圧降下が 1.2V と示されているとします。- 5 アンペアを消費する抵抗ヒーターを切り替えたいと考えています。

式を使用すると、次のようになります。

消費電力=1.2V * 5A=6 ワット

この結果は、SSR がアクティブになると毎秒 6 ワットの熱を生成することを意味します。この熱は継続的に SSR の半導体接合部から遠ざかり、周囲の空気中に逃がす必要があります。効果的に逃げることができない場合、SSR の内部温度は故障するまで上昇します。

熱抵抗を理解する

熱の除去は熱抵抗 (Rth) の概念に従い、ワットあたりの摂氏度 (度/W) で測定されます。コンポーネントが発生する熱の 1 ワットごとにコンポーネントの温度がどの程度上昇するかを示します。

いくつかの熱抵抗値が存在し、それぞれが熱源から周囲空気までの熱経路の異なる部分を表します。

ヒートシンクがない場合、最も重要な値はジャンクション-対周囲熱抵抗 (Rth-ja) です。これは、内部半導体接合から周囲の空気へ直接流れる熱に対する総抵抗を表します。通常、この値は高く、大量の熱を除去することが困難になります。

ヒートシンクを使用しない場合、熱はジャンクションからケースに伝わり、次にケースから周囲の空気に伝わります。合計の熱抵抗は、Rth-jc に Rth-ca を加えたものと等しくなります（ケース-対-）。

決定要因

要因 1: 負荷電流

発熱の主な原因は負荷電流です。電力の式が示すように、熱は AC SSR の場合は電流に直接比例し、DC SSR の場合は電流の 2 乗に比例して増加します。

負荷電流が低いと発熱が少なくなり、SSR がヒートシンクなしで動作できる可能性が高くなります。

大まかなルールとして、多くの標準パネルマウント SSR は、ヒートシンクなしで屋外、室温で 1 ～ 2 アンペアを処理できる可能性があります。{0}

しかし、これは単なる大まかなガイドラインです。特定の SSR のデータシートとアプリケーションの動作条件に基づく適切な熱計算の代わりに、この値を決して使用しないでください。

要因 2: 周囲温度

周囲温度 (Ta) は、すべての温度上昇を測定するためのベースラインです。 SSRのすぐ近くの空気の温度です。

すべての SSR には最大ジャンクション温度 (Tj max) があり、多くの場合約 125 度であり、これを超えることはできません。周囲温度が高いと、この制限に達するまでの温度上昇の余地が少なくなります。

重要な周囲温度は、外部の室温ではなく、コントロール パネルまたはエンクロージャの内部です。密閉された混雑した筐体では、外部の室温より 20 度以上高い温度で動作する可能性があります。

要素 3: デューティ サイクルと周波数

ロードのタイミングも非常に重要です。 SSR が継続的にオン状態 (100% デューティ サイクル) になると、一定の熱が発生します。

SSR が長い「オフ」時間を挟んで短期間のみ動作する場合、平均電力は大幅に低くなります。 「オフ」時間により SSR が冷却されるため、ピーク電流が高くてもヒートシンクが不要になる可能性があります。

AC SSR の場合、ゼロクロス スイッチング技術により当然スイッチング損失が最小限に抑えられるため、周波数はそれほど重要ではありません。-高周波パルス幅変調 (PWM) アプリケーションで使用される DC SSR の場合、スイッチング損失により、伝導損失に加えて余分な熱が追加される可能性があります。

要素 4: 取り付けと方向

SSR のケースと取り付けは冷却に役立ちます。 SSR のベースプレートを塗装されていない大型の金属シャーシまたはサブパネルに直接取り付けると、その金属が伝導を通じて基本的なヒートシンクとして機能します。

実際の経験から、SSR がプラスチック DIN レール アダプタまたはプラスチック表面に取り付けられ、熱伝達が完全に遮断されるとシステムが故障することが確認されています。小さな金属製の取り付けブラケットであっても、完全な絶縁と比較して大きな違いを生む可能性があります。

向きも自然対流に影響します。 SSR をパネルに垂直に取り付けると、空気がその表面をより自由に流れ、水平に平らに取り付けるよりも熱を逃がしやすくなります。

SSR ディレーティング曲線の見方

ディレーティングカーブとは何ですか?

熱軽減曲線は、おそらく SSR データシートの熱管理における最も重要なグラフです。これにより、SSR がさまざまな動作温度でどのくらいの電流を安全に処理できるかについて、視覚的に直接わかります。

グラフは、横 (X) 軸の周囲温度に対して、縦 (Y) 軸に最大許容負荷電流を示します。

通常、データシートには同じグラフ上に複数の曲線が表示されます。 1 つの曲線はヒートシンクなしの SSR の性能を表し、他の曲線は特定の推奨ヒートシンクを使用した場合のパフォーマンスの向上を示しています。

曲線の読み方

ディレーティングカーブの使用は簡単です。データシートの情報を設計の明確な動作制限に変換します。例を見てみましょう。

25A SSR のディレーティング曲線を見ていると想像してください。グラフには、「ヒートシンクなし」とラベル付けされた線を含む複数の線が表示されます。

ステップ 1: 周囲温度を確認します。まず、コントロール エンクロージャ内の最悪の場合の周囲温度を決定します。{0}ここが 60 度の高温環境だとします。水平 (X) 軸上で 60 度を見つけます。

ステップ 2: 正しい行を特定します。表示された複数の曲線から、ヒートシンクなしで動作するための特定の線を見つけます。

ステップ 3: 最大電流を見つけます。X- 軸上の 60 度の点から、「ヒートシンクなし」曲線と交わるまで垂直線を描きます。その交差点から、垂直 (Y) 軸に向かって水平線を描きます。

ステップ 4:解釈する結果。Y- 軸上でこの線が指す値は、ヒートシンクなしで SSR が 60 度で処理できる絶対最大負荷電流です。典型的な例では、これはわずか 3 アンペアであり、SSR の公称定格 25A のほんの一部にすぎません。

常に安全マージンを確保してください。曲線が 3.0A の制限を示している場合、確実な設計では最大動作電流 2.4A (80% ディレーティング) 以下を目標とします。この余裕により、電圧変化、軽度のエアフローの問題、コンポーネントの経年劣化などの予期せぬ変動が考慮され、システムの長期的な信頼性が保証されます。-

現実の-世界の熱の落とし穴

落とし穴 1: エンクロージャのエアフロー

よくある設計ミスは、SSR を密閉された高密度の電気キャビネットに設置するときに、「自由空気」条件を想定して熱計算を行うことです。

複数の熱を発生するデバイス（電源、VFD、その他のリレー）を備えた密閉された筐体内の空気は、室温に保たれません。{0}内部の周囲温度が上昇し、場合によっては大幅に上昇し、内部のすべてのコンポーネントの冷却効果が低下します。

必ず実際の動作環境を考慮して設計してください。エンクロージャが密閉されており、数ワットの熱が含まれている場合は、内部温度の上昇をモデル化するか、プロトタイプで測定します。計算された内部周囲温度によってコンポーネントの信頼性が損なわれる場合は、換気ファンまたはキャビネット ファンの追加を検討してください。

落とし穴 2: 熱源の近く

熱管理はシステム全体を考慮する必要があります。 SSR をパネル内のどこに配置するかは、パネル全体の温度と同じくらい重要です。

よくある間違いは、可変周波数ドライブ、大容量電源、高ワット制動抵抗器など、別の主要な熱源のすぐ隣または上に SSR を取り付けることです。{0}}

近くのコンポーネントからの熱が SSR に放射して流れ、局所的な周囲温度を人為的に上昇させ、SSR 自体の冷却能力を損ないます。記憶に残る現場での故障では、負荷電流が低いにもかかわらず SSR が故障し続けました。根本的な原因は、それらの直下に取り付けられた大きな電力抵抗器でした。熱の上昇により SSR が過熱し、定格周囲温度を超えました。

パネル レイアウト内の主な熱源を計画し、熱干渉を防ぐために適切な物理的間隔を確保します。

落とし穴 3: 不適切な取り付け

パッシブ冷却に金属シャーシまたはサブパネルを使用する場合、取り付け面の品質が重要です。

ペイント、粉体塗装、陽極酸化層は効果的な断熱材です。これらは、SSR のベースプレートから金属パネルへの熱の流れを大幅に遮断するバリアを形成します。

熱伝導を最適にするには、取り付け面を裸の清潔な平らな金属にする必要があります。これは正式なヒートシンクを使用する場合に最も重要ですが、シャーシをヒートシンクとして使用する場合でも引き続き推奨されます。この小さなステップにより、有用な熱マージンが得られます。

落とし穴 4: サーマル グリースの神話

エンジニアは、たとえヒートシンクがなくても、SSR のベースにサーマル ペーストまたはサーマル パッドを塗布すると冷却に役立つと誤って信じていることがあります。これは間違いです。

サーマル インターフェイス マテリアル (TIM) は、グリースやパッドと同様に、2 つの滑らかな固体表面 (SSR ベースプレートとヒート シンクなど) の間の小さな空隙を埋めるという 1 つの役割を果たします。空気は熱を伝導しにくいため、TIM は熱をよりよく伝導する素材で置き換えます。

その役割は、固体間の熱伝導を改善することです。表面から空気中への熱対流や放射を改善することはできません。 SSR にサーマル グリースを塗布して屋外に放置しても、意味のある冷却効果はありません。

結論: 最終決定

重要なポイント

ヒートシンクなしでソリッド ステート リレーを使用する決定は、データに裏付けられた慎重な判断でなければなりません。-分析もせずにコスト削減のために手を抜くことはできません。多忙なエンジニアにとって、このプロセスは 4 つの重要な原則に要約されます。

常に計算します。決して推測したり、経験則に頼ったりしないでください。電力損失の公式 (P=V*I または P=I^2*R) を使用して、特定のアプリケーションの熱負荷を定量化します。

ディレーティング曲線を信頼してください。 SSR データシートのこのグラフは、最も重要なツールです。これにより、特定の周囲温度における電流処理能力に関する最終的な答えが得られます。-

システム全体を考えてみましょう。実効周囲温度、エンクロージャのエアフロー、他の熱源への近さは、SSR 自体の負荷電流と同じくらい重要です。

疑わしい場合は、ヒートシンクを使用してください。適切なサイズのヒートシンクのコストは、システム障害、計画外のダウンタイム、機器の損傷、フィールド サービス コールに比べれば、ほとんどの場合わずかです。

信頼性への道

ソリッド ステート リレーは、動作要件を尊重すれば、非常に強力で信頼性の高いコンポーネントです。{0}熱管理を理解し、習得することが、その可能性を最大限に引き出すための絶対的な鍵となります。

推測から計算に移行することで、設計が機能するだけでなく堅牢であることが保証されます。この勤勉さは、安全で長持ちする信頼性の高い自動化装置を構築するための基礎となります。-

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