رله حالت جامد چیست

مقدمه:

برخلاف رله‌های الکترومکانیکی (EMR) که از سیم‌پیچ‌ها، میدان‌های مغناطیسی، فنرها و کنتاکت‌های مکانیکی برای راه‌اندازی و سوئیچ کردن یک منبع تغذیه استفاده می‌کنند، رله حالت جامد یا SSR، هیچ قسمت متحرکی ندارد اما در عوض از خواص الکتریکی و نوری نیمه هادی های حالت جامد برای انجام عملکردهای جداسازی خروجی و سوئیچینگ استفاده می‌کند. در این سری از مقالات اسکای تک به بررسی رله حالت جامد می‌پردازیم.

مانند یک رله الکترومکانیکی معمولی، SSR ها جداسازی الکتریکی کاملی را بین کنتاکت های ورودی و خروجی خود ایجاد می‌کنند و خروجی آن مانند یک کلید الکتریکی معمولی عمل می‌کند؛ که در هنگام نارسانایی (باز) مقاومت بسیار بالا و تقریبا بی نهایت و در هنگام رسانش (بسته) مقاومت بسیار کم دارد. رله‌های حالت جامد را می‌توان برای تغییر جریان AC یا DC با استفاده از خروجی SCR، TRIAC یا سوئیچینگ ترانزیستور به جای کنتاکت‌های معمولی مکانیکی (NO) طراحی کرد.

در حالی که رله حالت جامد و رله الکترومکانیکی اساساً شبیه به هم هستند زیرا ورودی ولتاژ پایین آن‌ها به صورت الکتریکی از خروجی ایزوله می‌شود که بار را تغییر می‌دهد و کنترل می‌کند، رله های الکترومکانیکی چرخه عمر تماس محدودی دارند و می‌توانند فضای زیادی را اشغال کنند؛ و دارای سرعت سوئیچ کندتر به خصوص رله های قدرت بزرگ و کنتاکتورها هستند. رله های حالت جامد چنین محدودیتی ندارند.

بنابراین مزیت اصلی رله‌های حالت جامد نسبت به رله‌های الکترومکانیکی معمولی این است که هیچ قطعه متحرکی برای فرسودگی ندارند و بنابراین هیچ مشکلی در جهش تماسی ندارند و می‌توانند هم «روشن» و هم «خاموش» را بسیار سریع‌تر از رله‌های مکانیکی سوئیچ کنند. آرمیچر می‌تواند حرکت کند و همچنین روشن شدن ولتاژ صفر و خاموش شدن جریان صفر که نویز الکتریکی و گذرا را حذف می‌کند.

رله‌ حالت جامد را می‌توان در بسته‌های استاندارد خارج از قفسه از چند ولت یا آمپر تا صدها ولت و آمپر با قابلیت سوئیچینگ خروجی خریداری کرد. با این حال، رله‌های حالت جامد با درجه‌بندی جریان بسیار بالا (150A به علاوه) به دلیل نیاز به نیمه‌رسانای قدرت و فروپاشی حرارتی، هنوز برای خرید بسیار گران هستند و به این ترتیب، کنتاکتورهای الکترومکانیکی ارزان‌تر همچنان استفاده می‌شوند.

مشابه رله های الکترومکانیکی، یک ولتاژ ورودی کوچک، معمولاً 3 تا 32 ولت DC، می‌تواند برای کنترل ولتاژ یا جریان خروجی بسیار زیاد استفاده شود. به عنوان مثال 240 ولت، 10 آمپر. این باعث می‌شود آن‌ها برای رابط میکروکنترلر PIC و آردوینو به عنوان سیگنال 5 ولتی با جریان کم از یک میکروکنترلر ایده آل باشند. یا گیت منطقی را می‌توان برای کنترل یک بار مدار خاص استفاده کرد و این با استفاده از اپتو ایزولاتورها به دست می‌آید.

ورودی رله حالت جامد:

یکی از اجزای اصلی یک رله حالت جامد (SSR) یک جداساز نوری (همچنین به نام اپتوکوپلر) است که حاوی یک (چند) دیود ساطع کننده نور مادون قرمز یا منبع نور LED و یک دستگاه حساس به عکس است. یک مورد واحد Opto-Isolator ورودی را از خروجی جدا می‌کند.

منبع نور LED به بخش درایو ورودی SSR متصل است و اتصال نوری را از طریق یک شکاف به ترانزیستور حساس به عکس مجاور، جفت دارلینگتون یا ترایاک فراهم می‌کند. هنگامی که جریانی از LED عبور می‌کند، روشن می‌شود و نور آن در سراسر شکاف به یک ترانزیستور فوتو/فوتوترایاک متمرکز می‌شود.

بنابراین خروجی یک SSR اپتو کوپل شده با انرژی دادن به این LED، معمولاً با سیگنال ولتاژ پایین، «روشن» می‌شود. از آنجایی که تنها ارتباط بین ورودی و خروجی یک پرتو نور است، جداسازی ولتاژ بالا (معمولاً چندین هزار ولت) با استفاده از این اپتو ایزوله داخلی به دست می‌آید.

جداکننده اپتو نه تنها درجه بالاتری از عایق بندی ورودی/خروجی را ارائه می‌دهد، بلکه می‌تواند سیگنال های dc و فرکانس پایین را نیز ارسال کند. همچنین، LED و دستگاه حساس به عکس می‌توانند کاملاً از یکدیگر جدا باشند و با استفاده از یک فیبر نوری به صورت نوری جفت شوند.

مدار ورودی یک SSR ممکن است فقط از یک مقاومت محدود کننده جریان به صورت سری با LED جداکننده نوری یا یک مدار پیچیده تر با یکسوسازی، تنظیم جریان، حفاظت از قطبیت معکوس، فیلتر کردن و غیره تشکیل شده باشد.

برای فعال یا روشن کردن یک رله حالت فروخته شده به رسانایی، ولتاژی بیشتر از مقدار حداقل آن (معمولاً 3 ولت DC) باید به پایانه های ورودی آن (معادل سیم پیچ رله الکترومکانیکی) اعمال شود. این سیگنال DC ممکن است از یک سوئیچ مکانیکی، یک گیت منطقی یا میکروکنترلر مشتق شود، همانطور که نشان داده شده است.

مدار ورودی DC رله حالت جامد:

هنگام استفاده از کنتاکت های مکانیکی، سوئیچ ها، دکمه های فشاری، سایر کنتاکت های رله و غیره به عنوان سیگنال فعال کننده، ولتاژ تغذیه مورد استفاده می‌تواند برابر با حداقل مقدار ولتاژ ورودی SSR باشد، در حالی که هنگام استفاده از دستگاه های حالت جامد مانند ترانزیستور، گیت و میکرو -کنترل کننده ها، حداقل ولتاژ تغذیه باید یک یا دو ولت بالاتر از ولتاژ روشن شدن SSR باشد تا افت ولتاژ داخلی دستگاه سوئیچینگ را در نظر بگیرد.

اما علاوه بر استفاده از ولتاژ DC، اعم از فرورفتگی یا منبع، برای تبدیل رله حالت جامد به رسانایی، می‌توانیم از شکل موج سینوسی نیز با افزودن یکسوساز پل برای یکسوسازی تمام موج و یک مدار فیلتر به ورودی DC استفاده کنیم. همان‌طور که نشان داده شده است.

مدار ورودی AC رله حالت جامد:

یکسو کننده های پل یک ولتاژ سینوسی را به پالس های تصحیح شده تمام موج در دو برابر فرکانس ورودی تبدیل می‌کنند. مشکل اینجاست که این پالس‌های ولتاژ از صفر ولت شروع و به پایان می‌رسند، به این معنی که کمتر از حداقل ولتاژ روشن مورد نیاز آستانه ورودی SSR قرار می‌گیرند و باعث می‌شود خروجی هر نیم سیکل روشن و خاموش شود.

برای غلبه بر این شلیک نامنظم خروجی، می‌توانیم موج‌های اصلاح شده را با استفاده از یک خازن صاف‌کننده (C1) روی خروجی یکسوساز پل صاف کنیم. اثر شارژ و دشارژ خازن مولفه DC سیگنال تصحیح شده را بالاتر از حداکثر مقدار ولتاژ روشن شدن ورودی رله های حالت جامد افزایش می‌دهد. سپس حتی اگر از شکل موج ولتاژ سینوسی دائماً در حال تغییر استفاده شود، ورودی SSR یک ولتاژ DC ثابت است.

مقادیر مقاومت افت ولتاژ، R1 و خازن صاف کننده، C1 متناسب با ولتاژ تغذیه، 120 ولت AC یا 240 ولت AC و همچنین امپدانس ورودیش انتخاب می‌شوند؛ اما چیزی در حدود 40kΩ و 10uF می‌تواند انجام دهد. سپس با اضافه شدن این یکسو کننده پل و مدار خازن صاف کننده، یک رله حالت جامد DC استاندارد را می‌توان با استفاده از منبع DC AC یا غیر قطبی کنترل کرد. البته، تولید کنندگان رله حالت جامد ورودی AC (معمولاً 90 تا 280 ولت AC) را قبلاً تولید و می‌فروشند.

خروجی رله حالت جامد:

قابلیت سوئیچینگ خروجی یک رله حالت جامد می‌تواند AC یا DC مشابه ولتاژ ورودی آن باشد. مدار خروجی اکثر رله‌های حالت جامد استاندارد به گونه‌ای پیکربندی شده‌اند که تنها یک نوع عمل سوئیچینگ را انجام دهند که معادل یک عملیات معمولی باز، تک قطبی، تک پرتابی (SPST-NO) یک رله الکترومکانیکی است.

برای اکثر DC SSR ها، دستگاه سوئیچینگ حالت جامد که معمولاً استفاده می‌شود، ترانزیستورهای قدرت، دارلینگتون و ماسفت هستند، در حالی که برای AC SSR، دستگاه سوئیچینگ یا تریستورهای تریاک یا پشت به پشت است. تریستورها به دلیل قابلیت‌های ولتاژ و جریان بالا ترجیح داده می‌شوند. همان‌طور که نشان داده شده است می‌توان از یک تریستور منفرد نیز در مدار یکسو کننده پل استفاده کرد.

مدار خروجی رله حالت جامد:

رایج‌ترین کاربردش در سوئیچینگ بار AC است، خواه برای کنترل برق متناوب برای سوئیچینگ روشن/خاموش، کاهش نور، کنترل سرعت موتور یا سایر کاربردهایی از این قبیل که در آن کنترل برق مورد نیاز است. این بارهای AC را می توان به راحتی با ولتاژ DC جریان پایین با استفاده از یک رله حالت جامد کنترل کرد که عمر طولانی و سرعت سوئیچینگ بالا را فراهم می کند.

یکی از بزرگ‌ترین مزیت‌های رله‌ حالت جامد نسبت به رله‌های الکترومکانیکی، توانایی آن در خاموش کردن بارهای متناوب در نقطه جریان بار صفر است که در نتیجه قوس الکتریکی، نویز الکتریکی و جهش تماس مرتبط با رله‌های مکانیکی معمولی و بارهای القایی را کاملاً از بین می‌برد.

این به این دلیل است که رله‌ حالت جامد سوئیچینگ AC از SCR و TRIAC به عنوان دستگاه سوئیچینگ خروجی خود استفاده می‌کنند که پس از حذف سیگنال ورودی تا زمانی که جریان AC که از دستگاه می‌گذرد به زیر آستانه یا مقدار جریان نگه‌دارنده برسد، به هدایت خود ادامه می‌دهد. سپس خروجی یک SSR هرگز نمی‌تواند در وسط یک پیک موج سینوسی خاموش شود.

خاموش شدن جریان صفر یک مزیت عمده برای استفاده از رله حالت جامد است زیرا نویز الکتریکی و EMF برگشتی مرتبط با تغییر بارهای القایی را کاهش می‌دهد که به صورت قوس در تماس های یک رله الکترومکانیکی دیده می‌شود.

نمودار زیر شکل موج خروجی یک رله حالت جامد AC معمولی را در نظر بگیرید.

شکل موج خروجی رله حالت جامد:

بدون اعمال سیگنال ورودی، هیچ جریان باری از طریق SSR جریان نمی‌یابد زیرا به طور موثر خاموش است (مدار باز) و پایانه‌های خروجی ولتاژ منبع تغذیه AC را مشاهده می‌کنند. با اعمال سیگنال ورودی DC، مهم نیست که چرخه در کدام بخش از شکل موج سینوسی، مثبت یا منفی است.  به دلیل ویژگی های سوئیچینگ ولتاژ صفر SSR، خروجی تنها زمانی روشن می شود که شکل موج از نقطه صفر عبور کند. 

با افزایش ولتاژ تغذیه در جهت مثبت یا منفی، به حداقل مقدار لازم برای روشن کردن کامل تریستورهای خروجی یا تریاک (معمولاً کمتر از حدود 15 ولت) می‌رسد. افت ولتاژ در پایانه های خروجی SSR افت ولتاژ دستگاه های سوئیچینگ در حالت افت ولتاژ VT (ممولاً کمتر از 2 ولت) است؛ بنابراین هر جریان هجومی زیاد مرتبط با بارهای راکتیو یا لامپ تا حد زیادی کاهش می‌یابد.

هنگامی که سیگنال ولتاژ ورودی DC حذف می‌شود، خروجی به طور ناگهانی خاموش نمی‌شود، همان‌طور که پس از راه اندازی به حالت رسانایی، تریستور یا تریاک مورد استفاده به عنوان دستگاه سوئیچینگ برای بقیه نیم سیکل روشن می‌ماند تا زمانی که جریان بار به زیر دستگاه های نگهدارنده کاهش یابد. جریان، در این نقطه خاموش می‌شود؛ بنابراین، dv/dt بالای EMF مربوط به بارهای القایی سوئیچینگ در وسط یک موج سینوسی تا حد زیادی کاهش می‌یابد.

سپس مزیت اصلی رله حالت جامد AC نسبت به رله الکترومکانیکی عملکرد عبور صفر آن است که SSR را هنگامی که ولتاژ بار AC نزدیک به صفر ولت است روشن می‌کند، بنابراین هرگونه جریان هجومی بالا را سرکوب می‌کند زیرا جریان بار همیشه شروع می‌شود. از نقطه ای نزدیک به 0 ولت و مشخصه خاموش شدن جریان صفر ذاتی تریستور یا تریاک؛ بنابراین حداکثر تاخیر خاموش شدن (بین حذف سیگنال ورودی و حذف جریان بار) یک نیم سیکل وجود دارد.

رله حالت جامد کم نور فاز:

در حالی که رله‌ حالت جامد می‌توانند سوئیچینگ مستقیم به سمت صفر بار را انجام دهند، همچنین می‌توانند عملکردهای بسیار پیچیده‌تری را با استفاده از مدارهای منطقی دیجیتال، ریزپردازنده‌ها و حافظه‌ها انجام دهند. یکی دیگر از کاربردهای عالی رله حالت جامد در کاربردهای کم نور لامپ، چه در خانه و چه برای نمایش یا کنسرت است.

رله حالت جامد سوئیچینگ غیرصفر (روشن فوری) بلافاصله پس از اعمال سیگنال کنترل ورودی روشن می‌شوند، برخلاف SSR عبوری صفر در بالای آن که تا نقطه عبور صفر بعدی موج سینوسی AC منتظر می‌ماند. این سوئیچینگ تصادفی در کاربردهای مقاومتی مانند کاهش نور لامپ و کاربردهایی که نیاز به بار فقط برای بخش کوچکی از چرخه AC دارند استفاده می‌شود.

نتیجه‌گیری:

در نتیجه، رله‌های حالت جامد (SSR) دستگاه‌های سوئیچینگ الکترونیکی هستند که مزایای زیادی نسبت به رله‌های الکترومکانیکی سنتی دارند. SSR ها از اجزای نیمه هادی مانند ترانزیستورهای قدرت یا تریستورها برای انجام عملکرد سوئیچینگ بدون هیچ قطعه متحرک استفاده می‌کنند. این طراحی چندین مزیت از جمله سرعت سوئیچینگ سریع‌تر، قابلیت اطمینان بهبود یافته، طول عمر بیشتر و کاهش نویز و تداخل الکترومغناطیسی را به همراه دارد.

رله حالت جامد معمولا در کاربردهای مختلفی از جمله اتوماسیون صنعتی، سیستم های توزیع برق، سیستم های گرمایش و سرمایش، کنترل موتور و مخابرات استفاده می‌شوند. آن‌ها مزایایی مانند فرکانس های سوئیچینگ بالا، مصرف برق کم، اندازه جمع و جور و ویژگی های ایمنی افزایش یافته را ارائه می دهند.

علاوه بر این، SSR ها ایزولاسیون عالی بین مدارهای ورودی و خروجی را فراهم می‌کنند و از تاثیرگذاری ولتاژ یا تغییرات گذرا بر مدار کنترل جلوگیری می‌کنند. این جداسازی همچنین به SSR ها اجازه می‌دهد تا با سطوح مختلف ولتاژ سازگار باشند و نیاز به اجزای اضافی مانند اپتوکوپلرها را از بین می‌برد.