Cálculo de la temperatura de un SSR

Cálculo de la temperatura de un SSR
Cálculo de la temperatura
interna de un relé de estado
sólido
Este valor da una idea de la máxima temperatura
a la que se encuentra la superficie exterior del
relé.
Esto puede servir de referencia para calcular la
temperatura interna del SSR.
Impedancia interna y externa
Un relé de estado sólido con un disipador tiene
dos valores de resistencia térmica importantes a
tener en cuenta: la interna y la externa.
Para calcular la temperatura de la base de un
relé de estado sólido hay que aplicar la fórmula
que se muestra a continuación, conocidos
determinados parámetros:
- Potencia disipada (corriente de carga x caída
de tensión)
- Temperatura ambiente
- Impedancia térmica del disipador
TB = TA + (Potencia x RD-A)
* TB = temperatura máxima de la base
* TA = temperatura ambiente
* Potencia = disipación del SSR (P - Vf x
Corriente de carga)
* RD-A = Resistencia del disipador
Una vez calculada la temperatura actual de la
base del relé de estado sólido, ¿qué es
exactamente lo que indica este valor?
La principal diferencia entre las dos es que el
valor de resistencia térmica externa se puede
controlar ajustando el tamaño del disipador
(RD-A), modificando la temperatura ambiente (por
ejemplo modificando el flujo de aire)…
Sin embargo, la resistencia térmica interna está
determinada por el diseño y construcción del relé
de estado sólido. Es un dato que el fabricante
proporciona, denominado RJ-B o RJ-C y es la
resistencia térmica entre la unión (SCR) y la
base del relé medida (como en el caso del
disipador) en ºC por W de potencia disipada.
La RJ-B de un relé de estado sólido nos da una
idea de la transferencia de calor del SCR a la
base del relé.
Cuanto menor sea ese valor de impedancia,
mayor será la eficacia del relé en la transferencia
de calor.
La diferencia de temperatura entre el SCR y la
base se debe a la potencia disipada y a la
impedancia térmica. Además, da una estimación
de la temperatura del SCR en la aplicación.
Cálculo de la temperatura de la base
TB = TA + (Potencia x RD-A)
* TB = temperatura máxima de la base
* TA = temperatura ambiente
* Potencia = disipación del SSR (P - Vf x
Corriente de carga)
* RD-A = Resistencia del disipador
Cálculo de la temperatura del SCR
TSCR = TB + (Potencia x RJ-B)
* TSCR = temperatura del SCR
* TB = temperatura máxima de la base
* Potencia = disipación del SSR (en W,
Vf x corriente de carga)
* RJ-B = Resistencia térmica entre el SSR y la
base
Con las fórmulas anteriores se puede
estimar la temperatura actual del SCR del
relé de estado sólido para una aplicación
determinada.
Por ejemplo, realizaremos los cálculos para
un relé de la serie CWD de 90 A en una
aplicación de calefacción de 60 A, una
temperatura ambiente de 40 ºC, 100% del
ciclo de trabajo y con un disipador de
1,0 ºC/W.
La caída de tensión para un relé de estado
sólido de 90 A de la serie CW es de 1,0
Vrms y su RJ-B es de 0,13 ºC/W (según lo
indicado en sus características técnicas).
Hay que tener en cuenta que, en la hoja de
características técnicas, la caída de tensión
está indicada en valores de pico, por lo que
ttendremos que convertir ese valor a Vrms
para el cálculo de la potencia disipada, que
en este caso sería 1,3 Vpp o 0,9 Vrms.
Para simplificar los cálculos, tomaremos como
valor 1W por A. Esto nos proporcionará además
un cierto margen de seguridad.
También tendremos que tener en cuenta el
material del interfaz térmico entre la base y el l
disipador.
Este interfaz (junta térmica) será el encargado
de cubrir los pequeños espacios que quedan
libres entre la base del relé y la superficie de
montaje, consiguiendo que la transferencia de
calor sea lo más eficaz posible.
Sin este interfaz térmico (en cualquiera de sus
formatos), la impedancia de los espacios libres
entre la base y el disipador puede ser suficiente
como para provocar el sobrecalentamiento del
relé y su posterior fallo.
La impedancia adicional añadida por este
material es muy pequeña, pero tiene que ser
tenida en cuenta para asegurar que los cálculos
son correctos.
Vamos a suponer que estamos usando un
modelo TP01 con una resistencia térmica de
aproximadamente 0,1 ºC/W.
Ejemplo de aplicación:
- SSR, serie CW
- 60 A @ 100% ciclo
- Vf = 1,3 Vpk (~1,0 Vrms)
- Disipador: 1,0 ºC/W
- Junta térmica TP01 = 0,1 ºC/W
- RJ-B = 0,13ºC/W
- TA = 40 ºC
A) Lo primero que hay que calcular es la
temperatura de la base del relé:
1) TB = 40 ºC + ((1,0 Vrms x 60 A corriente
de carga) x (1,0 ºC/W disipador
+ 0,1 ºC/W junta térmica))
2) TB = 40 ºC + (66,0 ºC)
3) TB = 106,0 ºC
B) El siguiente paso es añadir este valor a la
temperatura interna para estimar la
temperatura total del SCR:
4)
TSCR = 106,0 ºC + (( 1,0 Vrms x
60 A corriente de carga ) x 0.13º C
RJ-B)
5) TSCR = 106,0 ºC + (7,8 ºC)
6) TSCR = 113,8 ºC
En este ejemplo, la temperatura alcanzará
aproximadamente 114 ºC una vez estabilizada.
Así, si la temperatura máxima del SCR de un
relé de estado sólido Crydom de salida a.c. es
de 125 ºC, con el valor calculado estaremos
dentro de los parámetros adecuados de
funcionamiento.
Aún así, existen otros puntos en los que hay que
prestar especial atención a la hora de calcular el
valor de la temperatura para una aplicación
determinada:
1) Confirmar siempre el valor de resistencia
térmica del disipador y asegurarse de que los
cálculos están bien realizados.
En la fórmula se puede comprobar el impacto
que el disipador tiene en el incremento de
temperatura. Por ejemplo, un error del 20%
en RJ-B provoca una variación de +/-1,6 ºC.
Sin embargo, el mismo error del 20% en el
cálculo de la resistencia térmica del disipador
puede producir una variación de +/-12 ºC de
temperatura total.
2) Confirmar siempre que el valor de
temperatura ambiente utilizado en los
cálculos se corresponde con el valor real al
que se encuentran sometidos el relé y el
disipador en el panel, ya que esto es un error
bastante común.
También hay que tener en cuenta que el
aumento de temperatura en el disipador
puede hacer aumentar la temperatura
ambiente en el panel.
3) Redondee los cálculos para aumentar la
seguridad. Un pequeño margen de seguridad
puede ser muy útil en determinadas
ocasiones.
4) Piense que si hay alguna posibilidad de que
existan fallos, por pequeña que esa
posibilidad sea, hay que intentar solventarla
con antelación. Cuente con un margen de
seguridad. Por ejemplo, si puede que la
temperatura ambiente aumente, asuma que
realmente va a aumentar y calcule los valores
de diseño según esos datos. Es muy fácil que
en determinadas aplicaciones con paneles
eléctricos emplazados en el exterior, estos se
vean afectados
por las
condiciones
atmosféricas (disminución del flujo de aire,
picos de corriente…) Diseñe siempre
pensando en el peor escenario posible ya
que así evitará sorpresas desagradables.
5) A veces, los cálculos de disipación térmica no
son tan sencillos como los mostrados en el
ejemplo así que para cualquier consulta, no
dude en ponerse en contacto con nuestro
departamento de soporte técnico.
Cálculo de la corriente maxima de carga con
un disipador determinado
Imax = (125 ºC - TA) / ((RS-A x Vf) +
(Rjunta x Vf))
Conclusión;
La temperatura del SCR de un relé de estado
sólido se puede calcular de la forma indicada
anteriormente, pero esta información está, en
su mayor parte, contenida en las hojas técnicas.
En las
curvas características podrá
comprobar qué disipador necesita para una
carga dada y una temperatura ambiente
determinada, aunque siempre es bueno conocer
los cálculos matemáticos por si se necesitaran
en algún momento.
Además, quizás se pueda utilizar un disipador
más pequeño del indicado para reducir espacio,
o quizás una pequeña disminución de la
temperatura ambiente nos permita reducir el
disipador, pero para tomar este tipo de
decisiones, necesitará conocer los cálculos
matemáticos.
Otras formulas interesantes;
Cálculo de la temperature del SCR
TSCR = TA + (Potencia x RS-A) + (Potencia x RJ-B)
+ (Potencia x 0,1 ºC/W (Rjunta))
Cálculo de la RS-A mínima requerida
RS-A = (125 ºC - TA - (RJ-B x Potencia)) /
Potencia
Cálculo de
disipador:
la
impedancia
térmica
RS-A = (TB - TA) / Potencia
RS-A = ((TSCR - (RJ-B x Potencia)) - TA) /
Potencia
del