فرادرس
رله حالت جامد — به زبان ساده
در آموزش‌های قبلی مجله فرادرس با رلهها آشنا شدیم و گفتیم که 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 5 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 3 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 1 تا 2 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 $$C _ 1 $$ 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 $$ R _ 1$$ و خازن هموارساز $$ C _ 1 $$ و همچنین امپدانس ورودی رله حالت جامد با توجه به ولتاژ تغذیه 120 ولت AC یا 240 ولت AC انتخاب می‌شوند. این مقادیر در حدود $$ 40 \, \text{k}\Omega$$ و $$10\, \mu \text{F}$$ هستند.
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 90 تا 280 ولت) را تولید می‌کنند و می‌فروشند.
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 15 ولت). افت ولتاژ دو سر ترمینال‌های خروجی SSR، همان افت ولتاژ $$ V _ T$$ 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 $$dv/dt$$ مرتبط 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 (90 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 5+ ولتی یک میکروکنترلر، یک المنت هیتر 120 ولت AC و 600 وات را کنترل کنیم. برای این کار می‌توانیم از ایزولاتور اپتوترایاک MOC3020 استفاده کنیم، اما از ترایاک داخلی فقط یک مقدار جریان ماکزیمم $$ I _ {TSM}$$ برابر با 1 آمپر در پیک 120 ولت AC می‌گذرد. بنابراین باید از یک ترایاک سوئیچینگ اضافه نیز استفاده کنیم.
ابتدا، مشخصه ورودی اپتوایزولاتور MOC3020 را در نظر می‌گیریم. طبق دیتاشیت اپتوایزولاتورها، افت ولتاژ مستقیم ($$ V _ F $$) دیود نورانی ورودی، 1.2 ولت و جریان مستقیم ماکزیمم ($$ I _ F$$) 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 30 میلی‌آمپر است. در نتیجه، مقدار جریان باید در محدوده ۱۰ تا ۳۰ میلی‌آمپر باشد. بنابراین، داریم:
$$ \large \begin {align*}
R _ { max} = \frac {V _ S - V _ F } { 10\, \text{mA} } = \frac { 5 - 1.2 } {0.01} = 380 \, \Omega \\
R _ { mi n } = \frac {V _ S - V _ F } { 30\, \text{mA} } = \frac { 5 - 1.2 } {0.03} = 126 \, \Omega
\end {align*} $$
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 5+ 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 120 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 BTA06 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 MOC3020 است.
توجه کنید که ترایاک خروجی اپتوایزولاتور در مقدار پیک (۹۰ درجه) ولتاژ منبع AC روشن می‌شود. مقدار این ولتاژ پیک برابر است با $$ 120 \times 1.414 = 170\, \mathrm{V_{pk}}$$. اگر حداکثر جریان اپتوترایاک ($$ I _ {TSM}$$) برابر با ۱ آمپر پیک باشد، آن‌گاه حداقل مقدار مقاومت سری مورد نیاز برابر با $$ 170/1 = 170 \, \Omega $$ یا نزدیکترین مقدار به آن، یعنی $$ 180 \, \Omega $$ خواهد بود. این مقدار $$180\, \Omega$$ از ترایاک خروجی اپتوکوپلر و همچنین، گیت ترایاک BTA06 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 $$180\, \Omega \times 50\, \text{mA} = 9\, \text{V}$$ خواهد بود. در نتیجه، وقتی ولتاژ سینوسی گیت به MT1 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 0.5 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 MOC3020 که یک ایزولاتور سوئیچینگ تصادفی است استفاده شده است. ایزولاتور اپتوترایاک MOC3041 مشخصه‌های مشابهی با MOC3020 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 $$ D _ 1 $$ به دلیل اتصال معکوس ولتاژ ورودی از آسیب‌دیدگی اپتوکوپلر جلوگیری می‌کند، در حالی که مقاومت موازی $$ R _ 3 = 56 \, \Omega$$ هر 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 MT1 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.
اگر این مطلب برای شما مفید بوده است، آموزش‌های زیر نیز به شما پیشنهاد می‌شوند:
^^
سلام. چرا برای هر آموزش فیلم ندارید. با فیلم فراگیری بهتر است. می توانید هزینه هم دریافت کنید. مثلا من از آموزش ترانزیستور بسیار راضی هستم اما برای دیاک و تریستور هیچ ویدیویی وجود ندارد. ممنون