رله چیست؟ – به زبان ساده (+ دانلود فیلم آموزش رایگان)

همان‌طور که می‌دانیم، از سلونوئیدها می‌توان برای باز کردن قفل‌ها، درها، باز و بسته کردن شیرها و کاربردهای متنوعی در رباتیک و مکاترونیک و... استفاده کرد. اگر پیستون سلونوئید برای راه انداختن و عملکرد یک یا چند مجموعه کنتاکت الکتریکی به کار گرفته شود، با یک «رله» (Relay) مواجه خواهیم بود که انواع مختلفی دارد. در این آموزش بر رله‌های الکتریکی تمرکز می‌کنیم.

رله‌های الکتریکی را می‌توان در دو دسته قرار داد:

1. رله‌های مکانیکی که رله الکترومکانیکی (Electromechanical Relay) نامیده می‌شوند.
2. رله‌هایی که از ترانزیستورهای نیمه‌هادی، تریستورها، ترایاک‌ها و... برای بخش سوئیچینگ استفاده می‌کنند و «رله حالت جامد» (Solid State Relay) یا SSR نامیده می‌شوند.

رله الکترومکانیکی

واژه «رله» (Reley) عموماً به قطعه‌ای گفته می‌شود که در پاسخ به اعمال یک ولتاژ، اتصال الکتریکی بین دو یا چند نقطه را برقرار می‌کند. متداول‌ترین و پرکاربردترین نوع رله الکتریکی رله الکترومکانیکی یا EMR است.

رله‌های الکتریکی اساساً سوئیچ‌هایی هستند که عملکرد آن‌ها الکتریکی است و در شکل‌ها، اندازه‌ها و توان‌های متنوع برای کاربردهای مختلف مورد استفاده قرار می‌گیرند. رله‌ها همچنین می‌توانند یک یا چند کنتاکت در یک بسته با توان بالاتر باشند که برای ولتاژهای بالا یا کاربردهای سوئیچینگ جریان به کار می‌روند و در این حالت کنتاکتور (Contactor) نامیده می‌شوند.

«رله‌های الکترومکانیکی»، همان‌گونه که از نامشان پیداست، قطعاتی الکترومغناطیسی هستند که شار مغناطیسی تولیدی حاصل از اعمالِ یک سیگنال کنترل الکتریکی ولتاژ  پایین DC یا AC‌ در ترمینال‌های رله را به نیروی مکانیکی کششی تبدیل می‌کنند و کنتاکت‌های الکتریکی درون رله را به کار می‌اندازند (کنترل می‌کنند). رایج‌ترین نوع رله‌های الکترومکانیکی از یک کویل یا سیم‌پیچ انرژی دهنده به نام مدار اولیه (Primary Winding) تشکیل شده‌اند که به دور یک هسته آهنی با قابلیت نفوذپذیری پیچانده می‌شود.

در رله ساده شکل بالا، دو مجموعه کنتاکت هادی الکتریکی وجود دارد. رله ممکن است «در حالت عادی باز» (Normally Open) یا «در حالت عادی بسته» (Normally Closed) باشد. معمولاً یک جفت از کنتاکت‌ها با هم تماسی ندارند و به عنوان NO شناخته می‌شوند یا با هم تماس دارند و به عنوان NC دسته‌بندی می‌شوند. در وضعیت NO، کنتاکت‌ها فقط وقتی بسته می‌شوند که جریان میدان برقرار باشد و کنتاکت‌ها را به طرف سیم‌پیچ القایی بکشد.

در یک رله نو، مقاومت ON بسیار کوچک و معمولاً کمتر از ۰.۲ اهم است؛ زیرا سر کنتاکت‌ها نو و تمیز است، اما در طول زمان مقاومت سر کنتاکت‌ها افزایش خواهد یافت.

این آرک یا جرقه زدن بین کنتاکت‌ها سبب افزایش مقاومت سر کنتاکت و آسیب دیدن آن خواهد شد. در این موارد، اگر سر کنتاکت‌ها در این وضعیت آرک بمانند، در هم ذوب شده و سبب اتصال کوتاه در مدار می‌شوند.

حال اگر مقاومت کنتاکت به دلیل آرک به یک اهم افزایش یافته باشد، افت ولتاژ کنتاکت‌ها برای جریان بار مشابه حالت قبل به $$1\times 10 = 10 \,\text{V}$$ افزایش می‌یابد. این افت ولتاژ بزرگ کنتاکت‌ها برای مدارها، به ویژه اگر در ولتاژ ۱۲ یا ۲۴ ولت کار کنند، قابل قبول نیست و در نتیجه باید رله معیوب را تعویض کرد.

برای کاهش اثرات آرک زدن کنتاکت و مقاومت هدایت بالا، امروزه سرهای کنتاکت‌ها با فناوری‌های جدید ساخته می‌شود یا برای افزایش طول عمر آن‌ها با آلیاژهایی از نقره آن‌ها را می‌پوشانند.

دیتاشیتی که سازندگان رله‌ها ارائه می‌کنند، حداکثر مقادیر ممکن مربوط به کنتاکت‌ها را برای بارهای مقاومتی DC ارائه می‌کنند و این مقادیر برای بارهای AC یا بارهای بسیار سلفی یا خازنی به اندازه قابل توجهی کاهش می‌یابد.

در شرایط سوئیچینگ جریان‌های متناوب مربوط به بارهای سلفی یا خازنی، استفاده از مدار فیلتر و محافظ برای طول عمر و قابلیت اطمینان بالای رله امری ضروری است.

پیکربندی کنتاکت‌ها

مشابه تعاریف استانداردِ «در حالت عادی باز» (NO) و «در حالت عادی بسته» (NC) که برای بیان وضعیت اتصال کنتاکت‌ها وجود دارد، آرایش کنتاکت‌های رله‌ها را می‌توان با عملی که انجام می‌دهند نیز دسته‌بندی کرد.

فیلم آموزش حفاظت در سیستم‌های قدرت – پیشرفته در فرادرس

کلیک کنید

رله‌های الکتریکی ممکن است از یک یا چند کنتاکت تشکیل شده باشند و واژه «کنتاکت» در آن‌ها به عنوان یک قطب در نظر گرفته می‌شود. هر یک از این کنتاکت‌ها یا قطب‌ها را می‌توان با انرژی‌دار کردن سیم‌پیچ رله به یکدیگر متصل کرد و مسیری را برای عبور جریان ایجاد نمود. به این ترتیب، کنتاکت‌ها به صورت زیر دسته‌بندی می‌شوند:

• تک قطب تک مسیره (Single Pole Single Throw) یا SPST
• تک قطب دو مسیره (Single Pole Double Throw) یا SPDT
• دو قطب تک مسیره (Double Pole Single Throw) یا DPST
• دو قطب دو مسیره (Double Pole Double Throw) یا DPDT

با توجه به دسته‌بندی بالا، عمل رله را می‌توان به دو صورت وصل (Make) یا M و قطع (Break) یا B مسیر عبور جریان بیان کرد. در نتیجه، برای مثال، یک رله ساده با یک مجموعه کنتاک به این صورت توصیف می‌شود: تک قطب دو مسیره (قطع قبل از وصل) یا (SPDT - (B-M.

مثال‌هایی از تعدادی از نمودارهای مورد استفاده برای انواع پیکربندی‌های کنتاکت رله‌های الکتریکی در مدار یا نقشه‌ها در شکل زیر نشان داده شده است. البته پیکربندی‌های مختلف بیشتری نیز وجود دارد.

در شکل بالا، C ترمینال مشترک، NO کنتاکتِ در حالت عادی باز و NC کنتاکتِ در حالت عادی بسته است.

رله‌های الکترومکانیکی را می‌توان با نوع پیکربندی و تعداد کنتاکت‌ها یا عناصر سوئیچینگ نیز نشان داد. برای مثال، یک کنتاکت که در وضعیت بدون انرژی باز است «کنتاکت نوع A» یا کنتاکت وصل نامیده می‌شود. به طور مشابه، کنتاکتی که در وضعیت بدون انرژی بسته است «کنتاکت نوع B» یا کنتاکت قطع نامیده می‌شود.

وقتی هر دو مجموعه کنتاکت‌های وصل و قطع به طور همزمان وجود داشته باشند، به گونه‌ای که دو کنتاکت برای تولید یک نقطه مشترک (با سه اتصال نشان داده می‌شود) اتصال الکتریکی داشته باشند، مجموعه کنتاکت‌ها به عنوان «کنتاکت‌های نوع C» یا کنتاکت‌های تبدیل یا Change-Over نامیده می‌شوند. اگر اتصال الکتریکی بین کنتاکت‌های وصل و قطع وجود نداشته باشد، یک کنتاکت تبدیل دوگانه نامیده می‌شود.

نکته‌ دیگر که باید به آن اشاره کرد درباره استفاده از رله‌های الکتریکی است. در حالت کلی نباید کنتاکت‌های رله را برای کار در جریان‌های بالا با یکدیگر موازی کرد. برای مثال، هرگز نباید یک بار ۱۰ آمپری را با دو کنتاکت موازی که از هر یک از آن‌ها ۵ آمپر می‌گذرد تغذیه کرد؛ زیرا رله‌هایی که به صورت مکانیکی عمل می‌کنند دقیقاً در یک لحظه و به صورت همزمان باز یا بسته نمی‌شوند. در نتیجه، ممکن است یکی از رله‌ها، حتی برای یک لحظه کوتاه، دچار اضافه جریان شده و رله آسیب ببیند.

همان‌طور که گفتیم، وقتی جریان گذرنده از سیم‌پیچ قطع شود، یک emf معکوس القایی تولید می‌شود. این ولتاژ معکوس، دیود را بایاس مستقیم می‌کند و سبب روشن شدن و عبور جریان توسط آن می‌شود. در نتیجه، انرژی ذخیره شده تلف خواهد شد و به این ترتیب از آسیب‌دیدگی ترانزیستور جلوگیری می‌شود.

این دیود به عنوان «دیود هرزگرد» (Flywheel Diode) شناخته می‌شود. از بارهای القایی یا سلفی دیگر که به یک دیود هرزگرد برای حفاظت نیاز دارند، می‌توان به سلونوئیدها، موتورها و سیم‌پیچ‌های القایی اشاره کرد.

رله حالت جامد

علی‌رغم اینکه رله‌های الکترومکانیکی (EMR) ارزان هستند و استفاده از آن ساده است و با کمک آن‌ها می‌توان یک مدار با بار بزرگ را - که از نظر الکتریکی از سیگنال ورودی ایزوله است - با توان کمی کنترل کرد، اصلی‌ترین عیب آن‌ها این است که «قطعاتی مکانیکی» هستند و بخش‌های متحرکی دارند که سرعت سوئیچینگ (پاسخ زمانی) آن‌ها به دلیل حرکت کنتاکت‌های فلزی توسط میدان مغناطیسی آهسته و کند است.

با گذشت زمان، این بخش‌های متحرک فرسوده و خراب می‌شوند. همچنین ممکن است مقاومت رسانایی در هنگام آرک زدن کنتاکت‌های رله سبب ناپایداری آن شود و طول عمر آن را کم کند. علاوه بر این، این نوع رله‌ها از نظر الکتریکی با وجود کنتاکت‌ها نویز داشته و مشکلاتی از قبیل لرزش اتصال قطع و وصل کنترل نشده، و در عین حال محدود اتصالات دارند که به نوبه خود روی مدارهای الکترونیکی مرتبط و متصل به آن اثر می‌گذارد.

برای غلبه بر این معایب رله‌های الکتریکی، نوع دیگری رله به نام «رله حالت جامد» (Solid State Relay) یا SSR وجود دارد که به طور خلاصه می‌توان گفت یک رله الکترونیکی خالص و بدون تماس حالت جامد است.

رله حالت جامد قابلیت اطمینان بالایی دارد و طول عمر آن زیاد است. همچنین تداخل الکترومغناطیسی (EMI) را کاهش می‌دهد (آرک زدن کنتاکت‌ها یا میدان‌های مغناطیسی وجود ندارد) و پاسخ زمانی بسیار سریع‌تری نسبت به رله‌های الکترومکانیکی متداول دارد.

مشابه رله‌های الکترومکانیکی، معمولاً لازم است یک مدار اسنابر RC در خروجی رله حالت جامد قرار داد تا از قطعه سوئیچینگ نیمه‌هادی آن در برابر نویز و ولتاژهای ناگهانی هنگام کار با بارهای بسیار سلفی و بسیبار خازنی محافظت شود. در اغلب SSRهای مدرن، این مدار اسنابر RC در خود رله تعبیه شده است و دیگر نیازی به اجزای خارجی اضافه برای حفاظت مدار نیست.

علاوه بر این، رله‌های حالت جامد سوئیچینگ با قابلیت تشخیص عبور از غیرصفر (ON شدن لحظه‌ای) نیز برای کاربردهای کنترل فاز مانند کم و زیاد کردن نور در کنسرت‌ها و... یا کاربردهای کنترل موتور موجود هستند.

از آن‌جایی که قطعه سوئیچینگ خروجی رله حالت جامد یک قطعه نیمه‌هادی (ترانزیستور برای کاربردهای سوئیچینگ DC یا ترکیب ترایاک/تریستور برای سوئیچینگ AC) است، وقتی SSR روشن می‌شود، افت ولتاژ ترمینال‌های خروجی آن بسیار بزرگتر از رله الکترومکانیکی و معمولاً بین ۱.۵ تا ۲ ولت است. اگر جریان‌های بزرگ سوئیچینگ برای بازه‌های زمانی طولانی‌تر وجود داشته باشد، به یک هیت سینک اضافه نیاز است.

سیستم واسط ورودی/خروجی ماژولار

ماژول‌های واسط ورودی/خروجی (I/O Modules) نوع دیگری از رله‌های حالت جامد هستند که به طور خاص برای کامپیوترهای واسط، میکروکنترلرها یا PICها برای بارها و سوئیچ‌های «دنیای واقعی» طراحی شده‌اند. چهار نوع اصلی ماژول ورودی/خروجی وجود دارد: ولتاژ ورودی AC یا DC به خروجی منطقی TTL یا CMOS و ورودی منطقی TTL یا CMOS به یک ولتاژ خروجی AC یا DC که هر ماژول شامل همه مدارهای لازم برای یک واسط کامل و ایزوله در یک قطعه کوچک است. این ماژول‌ها به عنوان ماژول‌های حالت جامد تکی یا مجتمع در قطعات ۴، ۸ یا ۱۶ کاناله موجود هستند.

عیب اصلی رله‌های حالت جامد در مقایسه با رله‌ الکترومکانیکی با توان مشابه، هزینه بیشتر آن‌ها است. همچنین نمی‌توانند بارهایی با جریان کم و نیز سیگنال‌های فرکانس بالا را سوئیچ کنند. البته رله‌های خاصی برای این کاربردها نیز وجود دارد.

اگر این مطلب برای شما مفید بوده است، آموزش‌های زیر نیز به شما پیشنهاد می‌شوند:

• سنسور دما — به زبان ساده
• IGBT چیست؟ — به زبان ساده
• دیود سیگنال — از صفر تا صد

^^