معرفی رله حالت جامد به همراه مثال - بخش اول

سرویس آموزش و آزمون برق نیوز، برخلاف رله الکترومکانیکی (EMR) که در آن از سیم‌پیچ، میدان‌های مغناطیسی، فنر‌ها و کنتاکت‌های مکانیکی استفاده می‌شود و یک منبع را سوئیچ می‌کند، «رله حالت جامد» (Solid State Relay) یا SSR بخش متحرک ندارد و به جای آن از ویژگی‌های الکتریکی و نوری نیمه‌هادی‌های حالت جامد برای ایزوله‌سازی ورودی از خروجی و عملکرد سوئیچینگ استفاده می‌کند.

مشابه یک رله الکترومکانیکی معمولی، رله حالت جامد ایزولاسیون یا جداسازی الکتریکی بین کنتاکت‌های ورودی و خروجی را مهیا می‌کند. همچنین خروجی این رله مشابه یک سوئیچ الکتریکی عمل می‌کند که در آن، هنگام قطع بودن، مقاومت ورودی بسیار بزرگ و حتی بی‌نهایت است و وقتی هدایت می‌کند، مقدار مقاومتش بسیار کوچک است. رله‌های حالت جامد را می‌توان برای سوئیچ جریان‌های AC یا DC با استفاده از تریستور، ترایاک و یا ترانزیستور سوئیچینگ خروجی به جای کنتاکت‌های در حالت عادی باز (NO) مکانیکی طراحی کرد.

هرچند رله حالت جامد و رله الکترومکانیکی در ورودی ولتاژ پایین خود اساساً مشابه بوده و از خروجی (که یک بار را سوئیچ یا کنترل می‌کند) ایزوله هستند، اما رله‌های الکترومکانیکی چرخه عمر کنتاکت محدودی دارند که می‌تواند منجر به سرعت سوئیچ کم‌تر، مخصوصاً در رله‌های توان بالا و کنتاکتور‌ها شود. رله‌های حالت جامد چنین محدودیتی ندارند.

بنابراین، مزایای اصلی رله‌های حالت جامد نسبت به رله‌های الکترومکانیکی رایج این است که بخش‌های متحرکی ندارند که در طول زمان ضعیف و مستعمل شوند. بنابراین، مشکلی برای کنتاکت‌ها وجود ندارد و قادرند هر دو سوئیچ ON و OFF را بسیار سریع‌تر از آرمیچر یک رله مکانیکی انجام دهند و نویز و حالت گذرا را حذف کنند.


رله‌های حالت جامد را می‌توان در بسته‌های استاندارد و محدوده چند ولت یا آمپر تا چند صد ولت یا آمپر با قابلیت سوئیچینگ خروجی تهیه کرد. البته رله‌های حالت جامد با جریان ورودی بسیار بالا (۱۵۰ آمپر و بالاتر) به دلیل داشتن نیمه‌هادی قدرت و الزامات هیت‌سینک مورد نیاز برای خنک‌سازی آن‌ها بسیار گران هستند و در این مورد هنوز از کنتاکتور‌های الکترومکانیکی ارزان‌تر استفاده می‌شود.

مشابه رله‌های الکترومکانیکی، یک ولتاژ ورودی کوچکِ معمولاً ۳ تا ۳۲ ولت DC را می‌توان برای کنترل یک ولتاژ یا جریان خروجی بسیار بزرگ مانند ۲۴۰ ولت و ۱۰ آمپر به کار برد. این ویژگی، رله‌های حالت جامد را به گزینه ایده‌آلی برای واسط میکروکنترلرها، PIC‌ها و آردونیو تبدیل می‌کند. مثلاً می‌توان یک سیگنال ۵ ولتی جریان پایین میکروکنترلر یا گیت منطقی را برای کنترل بار یک مدار خاص به کار برد که این کار با استفاده از اپتوایزولاتور انجام می‌شود.

ورودی رله حالت جامد

یکی از قطعات اصلی یک رله حالت جامد (SSR)، اپتوایزولاتور (اپتوکوپلر) است که از یک (یا چند) دیود مادون قرمز و یک قطعه حساس به نور تشکیل شده است. اپتوکوپلر ورودی را از خروجی ایزوله می‌کند.

دیود نورانی یا LED به بخش ورودی SSR متصل می‌شود و در ناحیه‌ای کوپل نوری را با ترانزیستور، زوج دارلینگتون یا ترایاک حساس به نور مهیا می‌کند. وقتی جریان از LED عبور کند، این قطعه روشن می‌شود و نور آن از طریق فاصله هوایی به یک فتوترانزیستور یا فتوترایاک می‌رسد.

بنابراین، خروجی یک رله حالت جامد اپتوکوپل با انرژی دادن یک سیگنال ولتاژ پایین به این LED روشن می‌شود. از آن‌جایی که تنها اتصال بین ورودی و خروجی پرتو نور است، ایزولاسیون ولتاژ بالا (معمولاً چند هزار ولت) را می‌توان با این جداسازی نوری درونی انجام داد.

اپتوکوپلر علاوه بر یک ایزوله‌سازی ورودی-خروجی بالاتر، می‌تواند سیگنال‌های DC و فرکانس پایین را نیز انقال دهد. همچنین، LED و قطعه حساس به نور را می‌توان با استفاده از فیبر نوری از یکدیگر کاملاً جدا کرد.

مدار ورودی یک SSR ممکن است از فقط یک مقاومت محدود کننده جریان سری با LED اپتوکوپلر یا یک مدار پیچیده‌تر با یکسوسازی، تنظیم جریان، حفاظت پلاریته معکوس، فیلترسازی و… تشکیل شده باشد.

برای فعال یا روشن (ON) کردن رله حالت جامد به حالت هدایت، یک ولتاژ بزرگتر از مقدار مینیمم (معمولاً ۳ ولت DC) باید به ترمینال‌های ورودی آن اعمال کرد (معادل با رله پیچه‌ای الکترومکانیکی). مطابق شکل زیر می‌توان سیگنال DC را از یک سوئیچ مکانیکی، یک گیت منطقی یا میکروکنترلر تأمین کرد. شکل زیر، مدار‌های مختلف ورودی DC رله حالت جامد را نشان می‌دهد.



ولتاژ منبع در هنگام استفاده از کنتاکت‌های مکانیکی، سوئیچ‌ها، شستی، سایر کنتاکت‌های رله‌ای و… به عنوان سیگنال فعال‌ساز، می‌تواند برابر با حداقل مقدار ولتاژ ورودی SSR باشد، در حالی که وقتی از قطعات حالت جامد مانند ترانزیستورها، گیت‌ها و میکروکنترلر‌ها استفاده می‌کنیم، به دلیل افت ولتاژ داخلی قطعات سوئیچینگ، باید ولتاژ تغذیه مینیمم را به اندازه ۱ تا ۲ ولت بزرگتر از ولتاژ روشن بودن (Turn-on) رله حالت جامد در نظر گرفت.

مشابه استفاده از یک ولتاژ DC، چه به عنوان منبع و چه بار، برای سوئیچ رله حالت جامد به وضعیت هدایت، می‌توانیم از یک شکل موج سینوسی با اضافه کردن یکسوساز پل برای یکسوسازی تمام موج و یک مدار فیلتر برای ورودی DC مطابق شکل زیر استفاده کنیم.



یکسوساز پل یک ولتاژ سینوسی را به پالس‌های یکسو شده تمام موج در دو برابر فرکانس ورودی تبدیل می‌کند. مشکلی که در اینجا وجود دارد این است که این پالس‌های ولتاژ در ولتاژ‌های صفر شروع می‌شوند و پایان می‌یابند. این بدین معنی است که پالس‌ها الزامات حداقل ولتاژ روشن کردن ترشهلد ورودی SSR را برقرار نمی‌کنند و این امر سبب می‌شود خروجی در هر نیم سیکل روشن و خاموش شود.

برای غلبه بر این مشکلِ آتش‌های خروجی نامنظم، می‌توانیم ریپل‌های یکسو شده را با استفاده از خازن صافی C۱

در خروجی پل یکسوساز نرم کنیم. اثر شارژ و دشارژ خازن مؤلفه DC سیگنال یکسو شده را به بالاتر از مقدار ولتاژ روشن شدن ماکزیمم ورودی رله حالت جامد افزایش خواهد داد. در نتیجه، با اینکه یک شکل موج ولتاژ سینوسی مورد استفاده قرار می‌گیرد، ورودی SSR به عنوان یک ولتاژ DC ثابت دیده می‌شود.

مقادیر افت ولتاژ مقاومت R۱و خازن هموارساز C۱ و همچنین امپدانس ورودی رله حالت جامد با توجه به ولتاژ تغذیه ۱۲۰ ولت AC یا ۲۴۰ ولت AC انتخاب می‌شوند. این مقادیر در حدود ۴۰kΩ و ۱۰μFهستند.

در نتیجه، با افزودن این یکسوساز پل و مدار خازن هموارسازِ شکل موج، می‌توان یک رله حالت جامد DC استاندارد را با استفاده از یک منبع AC یا DC بدون پلاریته کنترل کرد. البته، تولیدکنندگان رله‌های حالت جامد با ورودی AC (معمولاً ۹۰ تا ۲۸۰ ولت) را تولید می‌کنند و می‌فروشند.