معرفی رله حالت جامد به همراه مثال - بخش دوم

 

خروجی رله حالت جامد

قابلیت‌های سوئیچینگ خروجی یک رله حالت جامد می‌تواند مشابه ولتاژ ورودی، AC یا DC باشد. مدار خروجیِ اغلب رله‌های حالت جامد استاندارد، تنها برای فراهم کردن یک نوع عمل سوئیچینگ پیکربندی شده است که معادل با عملکرد در حالت عادی باز (Normally Open) تک مسیره (SPST-NO) یک رله الکترومکانیکی است.

برای اغلب SSR‌های DC، قطعات حالت جامدی که استفاده می‌شوند، معمولاً ترانزیستور‌های قدرت، زوج‌های دارلینگتون و ماسفت‌ها هستند، در حالی که برای SSR‌های AC، قطعه سوئیچینگ یک ترایاک یا تریستور پشت به پشت است. تریستور‌ها به دلیل قابلیت‌های ولتاژ و جریان بالایی که دارند، ارجح هستند. تریستور را می‌توان مطابق شکل زیر در مدار یکسوساز پل نیز به کار برد.


متداول‌ترین کاربرد رله‌های حالت جامد در سوئیچینگ بار‌های AC مانند کنترل توان AC و سوئیچینگ ON/OFF، کاهش نور، کنترل سرعت موتور و یا چنین کاربرد‌هایی است که در آن‌ها کنترل توان لازم است. این بار‌های AC را می‌توان به سادگی با یک ولتاژ DC جریان پایین و با استفاده از رله حالت جامد که چرخه عمر و سرعت سوئیچینگ بالایی دارد کنترل کرد.

یکی از بزرگترین برتری‌های رله‌های حالت جامد نسبت به یک رله الکترومکانیکی، توانایی سوئیچِ OFF یا خاموشِ بار‌های AC در نقطه جریان صفر بار است. در نتیجه، آرک یا جرقه، نویز الکتریکی در کنتاکت رله‌های مکانیکی رایج و بار‌های القایی وجود نخواهد داشت.

دلیل این امر آن است که رله‌های حالت جامد سوئیچینگ از تریستور‌ها و ترایاک‌ها بهره می‌برند. وقتی سیگنال ورودی حذف شود، قطعات سوئیچینگ تا زمانی که جریان AC گذرنده از قطعه به پایین‌تر از مقدار ترشهلد یا مقدار جریان نگهدارنده برسد به طور پیوسته هدایت می‌کنند. در نتیجه، خروجی یک SSR هرگز نمی‌تواند در یک نیمه شکل موج سینوسی OFF شود.

خاموش شدن (Turn-off) یک مزیت اساسی برای استفاده از یک رله حالت جامد است، زیرا نویز الکتریکی و نیرو محرکه الکتریکی معکوس (Back-EMF) متناظر با سوئیچینگ بار‌های القایی مانند آرک کنتاکت‌های یک رله الکترومکانیکی را کاهش می‌دهد.



وقتی سیگنال ورودی اعمال نشود، جریان بار از SSR عبور نخواهد کرد، زیرا رله OFF (مدار باز) است و ولتاژ منبع AC به طور کامل در ترمینال‌های خروجی خواهد بود. با به کار بردن یک سیگنال ورودی DC، مهم نیست که کدام بخش شکل موج سینوسی (مثبت یا منفی) در حال عبور است و با توجه به مشخصه سوئیچینگ ولتاژ صفر رله حالت جامد، خروجی فقط در حالتی وجود خواهد داشت که شکل موج از صفر عبور کند.

به محض آنکه ولتاژ منبع در یک جهتِ مثبت یا منفی افزایش یابد، به مقدار مینیمم مورد نیاز برای کاملاً روشن کردن ترانزیستور یا ترایاک خروجی می‌رسد (معمولاً کمتر از حدود ۱۵ ولت). افت ولتاژ دو سر ترمینال‌های خروجی SSR، همان افت ولتاژ VT

حالت ON قطعه سوئیچینگ است (معمولاً ۲ ولت). در نتیجه، جریان‌های هجومی مرتبط با بار‌های راکتیو به طور قابل توجهی کاهش می‌یابد.

هنگامی که سیگنال ولتاژ ورودی DC حذف شود، خروجی به طور ناگهانی خاموش نمی‌شود، زیرا وقتی رله به حالت هدایت تحریک شده، تریستور یا ترایاک که به عنوان قطعه سوئیچینگ مورد استفاده قرار می‌گیرد تا زمانی که جریان بار به کمتر از جریان نگهدارنده قطعات (که در آن OFF می‌شوند) برسد، برای باقیمانده نیمه شکل موج در حالت ON خواهد ماند. بنابراین، نیروی محرکه الکتریکی معکوس dv/dtمرتبط با بار‌های سلفی در نیمه یک شکل موج سینوسی به طور قابل توجهی کاهش می‌یابد.

در نتیجه، مزیت اصلی رله حالت جامد AC نسبت به رله الکترومکانیکی عملکرد عبور از صفر آن است که وقتی ولتاژ بار AC نزدیک به صفر ولت باشد، SSR را ON می‌کند و بنابراین، هر گونه جریان هجومی بزرگ را سرکوب خواهد کرد؛ زیرا جریان بار به دلیل مشخصه جریان صفر ذاتی تریستور یا ترایاک همیشه از یک نقطه نزدیک به صفر ولت شروع می‌شود. بنابراین، یک مقدار تأخیر در خاموش شدن حداکثر یکی از نیم‌سیکل‌ها (بین حذف سیگنال ورودی و حذف جریان بار) وجود خواهد داشت.

رله حالت جامد کنترل فاز

رله‌های حالت جامد، علاوه بر اینکه قابلیت سوئیچینگ عبور از صفر مستقیمِ یک بار را دارند، می‌توانند عملکرد‌های پیچیده‌تری در مدار‌های منطقی دیجیتال، میکروپروسسور‌ها و حافظه‌ها انجام دهند. یک کاربرد دیگر رله حالت جامد در کاهش نور لامپ است.

رله‌های حالت جامد سوئیچینگ غیرصفر، سریعاً بعد از به کار بردن سیگنال کنترل ورودی روشن می‌شوند و عمل می‌کنند؛ برخلاف رله‌های عبور صفری که در بالا توضیح داده شد و تا زمانی که نقطه عبور از صفر بعدی شکل موج سینوسی رخ ندهد عمل نمی‌کنند. از این سوئیچینگ تصادفی در کاربرد‌های بار‌های مقاومتی مانند کاهش نور لامپ یا مواردی که نیاز است به بار فقط برای یک سهم کوچک از تناوب AC انرژی داده شود استفاده می‌شود. شکل زیر، شکل موج خروجی سوئیچینگ تصادفی را نشان می‌دهد.


هرچند با توجه به مطالبی که گفته شد می‌توان از رله‌های حالت جامد برای کنترل فاز شکل موج بار استفاده کرد، اما مشکل اصلی این رله‌ها که به صورت تصادفی روشن می‌شوند، جریان ضربه‌ای اولیه بار در لحظه روشن شدن رله است که ممکن است به دلیل توان سوئیچینگ رله در هنگام نزدیک بودن شکل منبع ولتاژ به مقدار پیک (۹۰ درجه) بالا باشد. همان‌طور که در شکل بالا نشان داده شده است، وقتی سیگنال ورودی حذف شود، در صورتی که جریان بار به کمتر از جریان نگهدارنده تریستور یا ترایاک برسد، رله از هدایت باز می‌ایستد. واضح است که در یک رله حالت جامد DC، عمل سوئیچینگ ON/OFF به صورت لحظه‌ای است.

رله حالت جامد گزینه ایده‌آلی برای طیف گسترده‌ای از کاربرد‌های سوئیچینگ ON/OFF است، زیرا برخلاف رله‌های الکترومکانیکی بخش یا کنتاکت متحرک ندارد. رله‌های حالت جامد، انواع مختلفی برای سیگنال‌های کنترل ورودی AC و DC و نیز سوئیچینگ خروجی AC و DC دارند، زیرا در این رله‌ها از عناصر سوئیچینگ حالت جامد از قبیل: تریستور، ترایاک و ترانزیستور استفاده می‌شود.

با استفاده از ترکیبی از یک اپتوایزولاتر و ترایاک مناسب، می‌توان یک رله حالت جامد ساده برای کنترل یک بار AC مانند هیتر، لامپ یا سلونوئید ساخت. از آن‌جایی که اپتوایزولاتور به مقدار کمی توان کنترل یا ورودی برای عمل کردن نیاز دارد، سیگنال کنترل می‌تواند از یک PIC، آردوینو یا هر میکروکنترلر دیگر گرفته شود.

مثال

فرض کنید می‌خواهیم با سیگنال پورت خروجی ۵+ ولتی یک میکروکنترلر، یک المنت هیتر ۱۲۰ ولت AC و ۶۰۰ وات را کنترل کنیم. برای این کار می‌توانیم از ایزولاتور اپتوترایاک MOC۳۰۲۰ استفاده کنیم، اما از ترایاک داخلی فقط یک مقدار جریان ماکزیمم ITSMبرابر با ۱ آمپر در پیک ۱۲۰ ولت AC می‌گذرد؛ بنابراین باید از یک ترایاک سوئیچینگ اضافه نیز استفاده کنیم.

ابتدا، مشخصه ورودی اپتوایزولاتور MOC۳۰۲۰ را در نظر می‌گیریم. طبق دیتاشیت اپتوایزولاتورها، افت ولتاژ مستقیم (VF) دیود نورانی ورودی، ۱.۲ ولت و جریان مستقیم ماکزیمم (IF) آن ۵۰ میلی‌آمپر است.

برای آنکه ال‌ای‌دی روشن شود به حدود ۱۰ میلی‌آمپر جریان نیاز دارد. البته پورت خروجی دیجیتال میکروکنترلر فقط قادر به تأمین ۳۰ میلی‌آمپر است. در نتیجه، مقدار جریان باید در محدوده ۱۰ تا ۳۰ میلی‌آمپر باشد. بنابراین، داریم:‌



در نتیجه می‌توانیم از یک مقاومت سری محدود کننده با مقداری بین ۱۲۶ تا ۳۸۰ اهم استفاده کنیم. از آن‌جایی که پورت خروجی دیجیتال همیشه ۵+ را سوئیچ می‌کند و برای آنکه اتلاف توان در LED اپتوکوپلر کاهش یابد، ترجیحاً مقدار مقاومت ۲۴۰ اهم را انتخاب می‌کنیم. با انتخاب این مقدار، جریان مستقیم LED به کمتر از ۱۶ میلی‌آمپر خواهد رسید. در این مثال، می‌توانیم هر مقداری را بین ۱۵۰ تا ۳۳۰ اهم برای مقاومت سری انتخاب کنیم.

بار مقاومتی ۶۰۰ وات است. با اعمال منبع ۱۲۰ ولتی AC، جریان ۵ آمپری از بار خواهد گذشت (I=P/V). از آن‌جایی که می‌خواهیم این مقدار جریان بار را در دو نیم‌سیکل (هر چهار ربع) شکل موج AC کنترل کنیم، به یک ترایاک سوئیچینگ اصلی نیاز داریم.

قطعه BTA۰۶ یک ترایاک ۶ آمپری ۶۰۰ ولتی مناسب برای سوئیچینگ ON/OFF بار‌های AC است، اما از هر ترایاک دیگری با جریان ۶ تا ۸ آمپر نیز می‌توان استفاده کرد. همچنین، این ترایاک سوئیچینگ به فقط ۵۰ میلی‌آمپر برای درایو گیت و روشن شدن نیاز دارد که به مراتب کمتر از ۱ آمپر ماکزیمم اپتوایزولاتور MOC۳۰۲۰ است.

توجه کنید که ترایاک خروجی اپتوایزولاتور در مقدار پیک (۹۰ درجه) ولتاژ منبع AC روشن می‌شود. مقدار این ولتاژ پیک برابر است با ۱۲۰×۱.۴۱۴=۱۷۰Vpk. اگر حداکثر جریان اپتوترایاک (ITSM) برابر با ۱ آمپر پیک باشد، آن‌گاه حداقل مقدار مقاومت سری مورد نیاز برابر با ۱۷۰/۱=۱۷۰Ω یا نزدیکترین مقدار به آن، یعنی ۱۸۰Ω خواهد بود. این مقدار ۱۸۰Ωاز ترایاک خروجی اپتوکوپلر و همچنین، گیت ترایاک BTA۰۶ محافظت خواهد کرد.

اگر ترایاک اپتوکوپلر در مقدار گذر از صفر (صفر درجه) ولتاژ AC منبع روشن شود، آن‌گاه حداقل ولتاژ مورد نیاز برای تغذیه جریان ۵۰ میلی‌آمپری گیت که منجر به سوئیچینگ ترایاک به حالت هدایت پیوسته شود، برابر با ۱۸۰Ω×۵۰mA=۹Vخواهد بود. در نتیجه، وقتی ولتاژ سینوسی گیت به MT۱ بزرگتر از ۹ ولت باشد، ترایاک به حالت هدایت آتش می‌شود.

حداقل ولتاژ مورد نیاز پس از نقطه عبور از صفر شکل موج AC، برابر با ۹ ولت خواهد بود و اتلاف توان در این مقاومت گیت سری بسیار کم است؛ بنابراین می‌توان از یک مقاومت ۱۸۰ اهمی با توان ۰.۵ وات به صورت ایمن استفاده کرد. شکل زیر مدار رله حالت جامد AC را نشان می‌دهد.



این نوع پیکربندی اپتوکوپلر اساس یک رله حالت جامد بسیار ساده را تشکیل می‌دهد که می‌توان از آن برای کنترل هر بار AC مانند لامپ و موتور استفاده کرد. در این مدار از MOC۳۰۲۰ که یک ایزولاتور سوئیچینگ تصادفی است استفاده شده است. ایزولاتور اپتوترایاک MOC۳۰۴۱ مشخصه‌های مشابهی با MOC۳۰۲۰ دارد، اما آشکارساز گذر از صفری درون آن تعبیه شده است که به بار اجازه می‌دهد کل توان را بدون جریان‌های هجومی سنگین در هنگام سوئیچینگ بار‌های القایی دریافت کند.

دیود D۱به دلیل اتصال معکوس ولتاژ ورودی از آسیب‌دیدگی اپتوکوپلر جلوگیری می‌کند، در حالی که مقاومت موازی R۳=۵۶Ωهر گونه جریان را هنگامی که ترایاک خاموش می‌شود از خود عبور می‌دهد و از تریگر اشتباه جلوگیری می‌کند. همچنین این مقاومت، ترمینال گیت را به MT۱ وصل می‌کند تا از خاموش بودن ترایاک اطمینان حاصل شود.

اگر از یک سیگنال مدوله شده پهنای پالس یا PWM استفاده کنیم، فرکانس سوئیچینگ ON/OFF باید کمتر از ۱۰ هرتز برای بار‌های AC باشد. در غیر این صورت سوئیچینگ خروجی مدار رله حالت جامد قادر به ادامه کار نخواهد بود.

 

منبع:فرادرس