رله های الکتریکی

 رله‌های الکتریکی و کنتاکتورها از یک سیگنال کنترل برای قطع و وصل کردن یک ولتاژ بایاس خیلی بزرگ استفاده می‌کنند  

در مقالات قبلی در مورد تعدادی از المان‌های  ورودی که به منظور تشخیص یا احساس گروهی از متغیرهای فیزیکی مورد استفاده قرار می‌گیرد، صحبت شد. این المان‌ها غالباً سنسور یا دتکتور نامیده می‌شوند. علاوه بر این گروهی از المان‌های  الکتریکی و الکترونیکی وجود دارند که به عنوان دستگاه‌های خروجی طبقه‌بندی می‌شوند و از آن‌ها برای کنترل یا راه‌اندازی فیزیکی خارجی استفاده می‌شود. این المان‌ها غالباً راه‌انداز نامیده می‌شوند.

راه انداز ها یک سیگنال الکتریکی را تبدیل به یک کمیت فیزیکی مانند حرکت، نیرو، صوت و غیره می‌کنند.  یک راه‌انداز در دسته‌ی مبدل‌ها طبقه‌بندی می‌شود؛ چرا که می‌تواند یک مشخصه فیزیکی را تبدیل به مشخصه دیگری کند و معمولاً توسط یک سیگنال دستور ولتاژ فعال یا راه‌اندازی می‌شود. راه‌اندازها به دو دسته باینری یا پیوسته تقسیم می‌شوند. این دسته بندی بر اساس تعداد حالات ثابتی است که خروجی آن‌ها خواهد داشت.

به عنوان مثال رله در دسته‌ی راه‌اندازهای باینری محسوب می‌شود که دارای دو وضعیت پایدار است. اما موتور یک راه‌انداز پیوسته است چرا که می تواند ۳۶۰ درجه گردش داشته باشد. رایج ترین راه‌اندازها یا المان‌های خروجی رله‌های الکتریکی، چراغ‌ها، موتورها و اسپیکرها هستند .

در گذشته دیدیم که از سلونوئیدها می‌توان برای باز و بسته کردن شیرها و تعداد کثیری از فرایندهای رباتیک و مکاترونیک استفاده نمود به هر حال اگر سلونوئید پیستونی برای راه‌اندازی یک یا چند دسته کانتاکت الکتریکی به کار رود می‌توان نام آن را رله گذاشت . رله ، المان فوق‌العاده پر کاربردی است و به روش‌های متنوعی می‌تواند مورد استفاده قرار گیرد در این مقاله به رله‌های الکتریکی می‌پردازیم .

رله‌های الکتریکی دارای دو زیر مجموعه به نام رله‌های الکترومکانیکی(Electromechanical) و رله‌های حالت جامد ( Solid State ) (SSR) هستند رله‌های حالت جامد از یک نیمه رسانا مانند ترازیستور ، تریستور ، ترایاک یا … به عناون المان کلید زنی استفاده می‌کنند.

رله‌ی الکترومکانیکی

رله به طور کلی به المانی اتلاق می‌شود که با اعمال سیگنال کنترل یک اتصال الکتریکی را بین ۲ تا چند نقطه به وجود می‌آورد رایج‌ترین و پرکاربردترین رله الکتریکی، رله الکترومکانیکی یا (EMR) می‌باشد.

۱. رله‌ی الکترومکانیکی

ساده‌ترین شیوه‌ی کنترل یک دستگاه، خاموش و روشن کردن آن می‌باشد. راحت‌ترین راه برای کلیدزنی، استفاده از سوییچ‌‌هایی است که می‌توانند جریان منبغ تغذیه را قطع یا وصل کنند. سوییچ‌ها دارای معایبی هستند که بزرگ‌ترین آن‌ها این است که باید به صورت دستی قطع یا وصل بشوند. همچنین اندازه‌ی آن‌ها تقریباً بزرگ است و تنها پاسخگوی جریان‌های الکتریکی کم می‌باشند.

در هر صورت رله‌های الکتریکی سوییچ‌‌هایی هستند که با جریان برق کار می‌کنند  و شکل‌ها، اندازه‌ها و توان‌های مختلفی دارند که آن‌ها را برای مدارات مختلف قابل استفاده می‌کند. رله‌ها می‌توانند دارای یک یا چند کانتکت باشند از رله‌های قدرت بزرگ معمولاً برای جریان و ولتاژهای بالا استفاده می‌شود.

در این مقاله ما تنها به بررسی اصول پایه و طرز کار رله‌های الکترومکانیکی توان پایین که از آن‌ها برای کنترل موتورهای کوچک یا در مدارات رباتیک استفاده می‌شوند می‌پردازیم. این دسته از رله‌ها یا به طور مستقیم بر روی بردهای PBC قرار می‌گیرند یا به صورت مجزا به مدار متصل می‌شوند در مدارات الکترونیکی استفاده از رله بسیار شایع می‌باشد.

همان‌طور که از نام آن‌ها مشخص است رله‌های الکترومکانیکی المان‌های  الکترومغناطیسی هستند که میدان مغناطیسی که بر اثر اعمال ولتاژ AC یا DC در پایه‌های رله به وجود آمده است را به نیروی مکانیکی تبدیل می‌کنند که می‌تواند شیوه‌ی اتصال بین کانتکت‌های داخل رله را تغییر دهد. ساده‌ترین رله‌ی الکترومکانیکی شامل یک سیم پیچ است که به عنوان مدار اولیه دور یک هسته آهنی پیچیده شده است.

این هسته‌ی آهنی دارای یک قسمت ثابت می‌باشد و بخش متحرک آن از یک فنر تشکیل شده که آرماتور نام دارد آرماتور با تغییر میدان مغناطیسی به حرکت در می‌آید و باعث بسته یا باز شدن کانتکت‌هایی می‌شود که در داخل رله وجود دارند. همچنین در داخل رله یک فنر به منظور بازگرداندن رله به شرایط اولیه نیز تعبیه شده.

ساختار رله‌ی الکترومکانیکی

۲. ساختار رله‌ی الکترومکانیکی

در شکل بالا دو دسته کانتکت‌های الکتریکی به چشم می‌خورد. کانتکت‌های رله می‌تواند در دو حالت پیشفرض باز (Normally Open) یا پیشفرض بسته (Normally closed) باسد در حالت پیشفرض باز (NO) کانتکت‌ها تنها در شرایطی بسته می‌شوند که جریان در رله برقرار باشد.

در حالت پیشفرض بسته (NC) کانتکت‌ها، هنگامی که جریان از رله عبور نمی‌کند بسته هستند کانتکت‌های رله هادی جریان الکتریسیته هستند که اگر به یکدیگر اتصال پیدا کند مدار بسته خواهد شد و جریان از آن عبور می‌کند هنگامی که کانتکت‌هاباز هستند، مقاومت بین کانتکت‌ها خیلی بالاست ( در حد چند مگااهم) و در نتیجه مدار باز می‌باشد. در حالتی که کانتکت‌هابسته هستند مقاومت بین آن‌ها در حالت ایده‌آل صفر است. اما در واقعیت کانتکت‌ها مقدار کمی مقاومت از خود نشان می‌دهد که به آن مقاومت حالت روشن (On Resistance) گفته می‌شود .

اگر رله جدید باشد و کانتکت‌ها دچار استهلاک نشده باشند؛ مقاومت حالت روشن فوق‌العاده کم است ( کمتر از ۰/۲Ω) چرا که سر کانتکت‌ها تمیز و بدن خش است اما به مرور مقاومت سر کانتکت‌ها افزایش می‌یابد.

به عنوان مثال، اگر قرار باشد جریان ۱۰ آمپر از رله بگذرد افت ولتاژ در طول کانتکت‌ها با استفاده از قانون اهم به صورت ۰/۲*۱۰=۲ ولت محاسبه خواهد شد و اگر منبع تغذیه ۱۲ ولت باشد ولتاژی که دو سربار می‌افتد ۱۰ ولت خواهد بود به تدریج و با مستهلک شدن سرهای کانتکت‌ها، اگر مدار به خوبی در برابر بارهای القایی و خازنی محافظت نشده باشد خواهیم دید که با باز شدن کانتکت‌ها و دشارژ شدن سیم پیچ جریان کمی هنوز از رله عبور می‌کند و مابین کانتکت‌ها جرقه خواهد زد.

۳. ساختار رله‌ی الکترومکانیکی

جرقه زدن کانتکت‌ها باعث می‌شود مقاومت سرهای کانتکت‌ها بالاتر رود و کانتکت‌ها بیشتر آسیب ببینند. اگر کانتکت‌ها بر اثر قوس‌های الکتریکی مداوم به طور کامل بسوزند، دیگر هیچ جریانی در حالتی که رله بسته است از آن عبور نمی‌کند. البته در برخی مواقع ممکن است براثر قوس الکتریکی کانتکت‌ها به یکدیگر جوش بخورند و حالت اتصال کوتاه به وجود بیاید. این حالت ممکن است باعث آسیب دیدن مداری شود که توسط رله کنترل می‌شود. اگر مقاومت کانتکت‌هابر اثر قوس الکتریکی به میزان یک اهم افزایش پیدا کند، افت ولتاژ در دو سر رله نسبت به حالت قبلی فوق‌العاده زیاد خواهد بود ۱*۱۰=۱۰ ولت و این افت ولتاژ شدید باعث می‌شود که ولتاژ‌ مورد نیاز برای مدار اصلی تأمین نشود در چنین شرایطی رله‌ی معیوب باید تعویض گردد .

به منظور جلوگیری از ایجاد قوس الکتریکی درمیان کانتکت‌ها و همچنین مقاومت بالا در حالت روشن، کانتکت‌های رله‌های جدید از انواع گوناگونی از آلیاژهای نقره ساخته می‌شوند که در زیر نام این آلیاژها آورده شده :

موادی که برای ساخت کانتکت‌های رله به کار می‌روند

Ag ( نقره ی خالص ):

(۱) هدایت حرارتی و الکتریکی نقره از تمام فلزات بالاتر است.

(۲) مقاومت فوق‌العاده پایینی دارد و چندان گران‌قیمت نیست.

(۳) اما کانتکت‌ها به راحتی توسط فرایند سولفاته شدن زنگ می‌زنند.

AgcU (Silver Copper)  آلیاژ‌نقره ـ مس :

(۱) این آلیاژبه نقره ی سخت شده معروف است و در مقابل استهلاک مقاوم‌تر است.

(۲) قوس الکتریکی در میان کانتکت‌هایی از این نوع آلیاژ به راحتی به وجود نمی‌آید اما مقاومت بین کانتکت‌هانسبت به نقره ی خالص بیشتر است.

AgCdO (Silver Cadmium Oxide)  نقره اکسید کادمیوم

(۱) به راحتی دچار قوس الکتریکی و جوش خوردن به یکدیگر نمی‌شوند.

(۲) مقاومت خوبی در برابر سایش دارند.

AgW ( Silver Tungsten)  نقره تنگستن

(۱) سختی و نقطه ی جوش فوق‌العاده بالا

(۲) ارزان‌قیمت بودن

(۳) فشار زیادی باید به کانتکت‌هاوارد شود تا مقاومت شان کاهش پیدا کند.

(۴) مقاومت کانتکت‌هاتقریباً بالاست و به راحتی دچار زنگ زدگی می‌شوند.

AgNi (Silver Nickel)  نقره نیکل

(۱) به اندازه ی نقره هدایت الکتریکی دارند.

(۲) به راحتی دچار قوس الکتریکی نمی‌شوند.

AgPd (Silver Palladium)  نقره پالادیوم

(۱) سختی فوق‌العاده زیاد

(۲) گرانقیمت بودن

آلیاژهای پلاتین و طلا

(۱) مقاوت عالی در برابر زنگ زدگی

(۲) اما عموما برای مدارهایی با جریان پایین مورد استفاده قرار می‌گیرند.

سازندگان قطعات الکتریکی و الکترونیکی در دیتاشیت رله‌ها اطلاعات مربوط به بارهایی که می‌تواند به رله متصل شود را درج می‌کنند. بارهای القایی یا خازنی فوق‌العاده شدید می‌تواند به رله متصل شود را درج می‌کنند. بارهای القایی یا خازنی فوق‌العاده شدید می‌تواند به رله ها آسیب بزند؛ بنابراین به منظور آسیب ندیدن قطعه و طول عمر بالای آن باید دیتاشیت را مطالعه نمود و در صورت لزوم از مدارات سرکوب کننده قوس الکتریکی یا فیلترهای مخصوص استفاده کرد.

به منظور اینکه تعداد قوس‌های  الکتریکی در هنگام باز شدن کانتکت‌هابه حداقل برسد؛ می‌توان یک مدار که شامل یک شبکه خازن و مقاومت است را با کانتکت‌های رله موازی نمود. در لحظه‌ای که کانتکت‌ها باز می‌شوند، ولتاژ به اوج خودش می‌رسد و با وجود شبکه RC، این ولتاژ تخلیه می‌شود و در نتیجه از تولید قوس الکتریکی جلوگیری می‌کند.

مدار حذف کننده برای رله الکتریکی

۴. مدار حذف کننده برای رله الکتریکی

انواع کانتکت‌های رله الکتریکی

چیدمان کانتکت‌های رله‌ها می‌تواند توسط عملکردشان طبقه‌بندی شود. رله‌های الکتریکی می‌توانند از یک یا چند کانتکت درست شوند که به هر کانتکت پل (Pole) گفته می‌شود هر کدام از این کانتکت‌ها می‌توانند با ایجاد نیروی القایی در سیم‌‌پیچ به هم متصل یا از هم جدا شوند و بر این اساس کانتکت‌ها به انواع زیر تقسیم می‌شوند :

SPST : تک پل تک مسیره (Single Pole Single Throw )

SPDT : تک پل دو مسیره (Single Pole Double Throw)

DPST : دو پل تک مسیره (Double Pole Single Throw)

DPDT : دو پل دو مسیره (Double Pole Double Throw )

عمل‌کرد کانتکت‌هابه دو ورت متصل کننده (Make) و شکننده اتصال ( Break ) تعریف می‌شود. بنابراین برای رله ساده‌ای که در شکل بالا نشان داده شده نحوه‌ی چیدمان کانتکت‌هابه صورت زیر است :

تک پل دو مسیره (SPDT) ( شکستن اتصالات قبلی پیش از برقراری اتصال جدید رخ می‌دهد )

اشکال شماتیک و علائمی که می‌توان توسط آن نوع رله در مدار را تشخیص داد در زیر آورده شده البته رله‌ها دارای انواع  و پیکربندی‌های بسیار گوناگونی هستند.

پیکربندی کانتکت‌های رله الکتریکی

C نشانگر ترمینال مشترک است

NO کانتکت پیش‌فرض باز می‌باشد

NC کانتکت پیش‌فرض بسته می‌باشد

رله‌های الکترومکانیکی دارای ترکیب پایه‌های فوق‌العاده متنوعی هستند و تعداد زیادی کانتکت می‌توانند در یک رله مجتمع شوند به عنوان مثال کانتکتی که به صورت پیش‌فرض باز است ( کانتکت نوع A ) کانتکت متصل کننده نامیده می‌شود و کانتکت پیش‌فرض بسته ( کانتکت نوع B ) یا کانتکت شکننده اتصال لقب می‌گیرد.

هنگامی که گروهی از کانتکت‌های نوع A و نوع B در یک مدار موجود هستند به طوری که چند کانتکت هم‌نوع یک نقطه مشترک را به وجود می‌آورد و با هم اتصال مشترک دارند، نوع C کانتکت‌ها به وجود می‌آید و اگر هیچ اتصال الکتریکی بین کانتکت‌های نوع A و B وجود نداشته باشد؛ کانتکت‌های نوع D به وجود می‌آید.

آخرین نکته‌ای که در مورد استفاده از رله‌های الکتریکی باید به یاد بسپاریم این است که بهتر است چند رله را به منظور دستیابی به جریان بالاتر با یکدیگر موازی نکنیم. به عنوان مثال هرگز سعی نکنید یک بار که نیاز به ۱۰ آمپر جریان دارد را به ۲ رله موازی با یکدیگر که هر کدام توانایی تحمل ۵ آمپر جریان را دارند متصل کنید؛ چرا که شما هرگز نمی‌توانید دو رله حتی با مشخصات یکسان را پیدا کنید که به طور همزمان با یکدیگر باز و بسته شوند بنابراین همواره یکی از رله‌ها برای لحظه‌ای جریان فوق‌العاده زیادی را تحمل می‌کند و در نهایت خواهد سوخت .

یکی از وظایف رله این است که می‌توانیم به وسیله آن مدارات الکترونیکی کم توان را به بارهای پر توان متصل و آن‌ها را خاموش یا روشن کنیم اما باید به یاد داشته باشید که هرگز نباید از یک رله برای خاموش و روشن کردن همزمان یک بار کم توان و یک بار پر توان استفاده کرد بلکه برای این منظور باید از دو رله مجزا بهره ببرید.

یکی از بخش‌های هر رله‌ای سیم‌پیچ آن می‌باشد این سیم‌پیچ جریان الکتریکی را به یک میدان الکترومغناطیسی تبدیل می‌کند که باعث باز و بسته شدن کانتکت‌ها می‌شود. سیم پیچ ها بارهای القایی هستند ( هر سیم پیچ دارای یک مقاومت R و اندوکتانس L  منحصر به خودش است و معادل با یک مدار سری مقاومت ـ سلف می‌باشد .)

هنگامی که جریان از یک سیم‌پیچ عبور می‌کند یک میدان مغناطیسی اطراف آن به وجود می‌آید هنگامی که جریان قطع می‌شود یک نیرو محرکه القایی با کاهش میدان مغناطیسی در سیم‌پیچ تولید می‌شود. پلاریته نیرو محرکه القایی، معکوس ولتاژ اولیه است و مقدار نیرو محرکه القایی ممکن است در مقایسه با ولتاژ سوییچینگ فوق‌العاده زیاد باشد که باعث آسیب رسیدن به قطعات نیمه‌رسانای مدار از جمله ترانزیستور و … می‌شود.

 به منظور جلوگیری از آسیب رسیدن به این نوع قطعات، یک دیود به صورت بایاس معکوس با رله موازی می‌شود.

اختلاف پتانسیلی که ناشی از نیرو‌ محرکه القایی است؛ دیود هرزگرد را بایاس مستقیم می‌کند و این دیود به نوبه خود با مصرف انرژی حاصله از نیرو محرکه القایی از آسیب رسیدن به قطعات نیمه‌رسانای مدار جلوگیری می‌کند.

دیگر المان‌های الکتریکی که باید همراه آن‌ها از دیود هرزگرد استفاده شود عبارتند از : سلونوئیدها، موتورها و سیم‌پیچ‌های القایی.

علاوه بر دیودهای هرزگرد می‌توان از المان‌های دیگری برای محافظت از مدار استفاده کرد. مانند مدارات حذف کننده RC، وریستورهای اکسید فلز و دیودهای زنر.

۵. پیکربندی کانتکت‌های رله الکتریکی

رله‌های حالت جامد (SSR)

رله‌های الکترومکانیکی (EMR) ارزان و راحت الاستفاده هستند. در ضمن می‌توان از آن‌ها هم برای مدارات توان پایین و هم برای مدارات توان بالا استفاده نمود. اما یکی از مضرات این نوع رله‌ها، مکانیکی بودنشان می‌باشد. این نوع رله اجزای متحرک زیادی دارد، بنابراین سرعت سوییچینگ آن یا زمان پاسخی دهی پایین است.

در ضمن به مرور زمان اجزای متحرک دچار فرسودگی می‌شوند و قطعه غیرقابل استفاده می‌شود .

به منظور برطرف کردن این نقاط ضعف نوع دیگری از رله‌ها به نام رله‌های حالت جامد (Solid State Relay) یا SSR به بازار آمد این رله یک المان کاملاً الکترونیکی است و از کانتکت‌ها برای قطع و وصل مدار استفاده نمی‌کند.

نداشتن قسمت‌های متحرک یکی از نقاط قوت این طراحی است در این طراحی کانتکت‌ها جای خود را به ترازیستورهای قدرت، تریستور و ترایاک داده‌اند و ایزولاسیون بین سیگنال کنترل ورودی و ولتاژ بار خروجی توسط یک اپتوکوپلر تأمین شده است.

رله‌های حالت جامد بسیار مطمئن‌تر هستند. در ضمن طول عمر بالایی دارند و میدان مغناطیسی تولید نمی‌کنند.  گفتنی است سرعت پاسخ این المان‌ها نسبت به رله‌های معمولی فوق‌العاده بالا می‌باشد.

در ضمن توان بالایی برای سوییچینگ این نوع رله نیاز است بنابراین می‌توان از آن‌ها در مدارات مجتمع منطقی استفاده کرد و نیاز به استفاده از بافر ، درایور یا تقویت کننده را مرتفع می‌کنند.  اما المان‌های حالت جامد باید روی یک هیت‌سینک سوار شوند چرا که ممکن است بر اثر گرما آسیب ببینند.

رله‌ی حالت جامد

۶. رله‌ی حالت جامد

نوع AC رله حالت جامد در نقطه صفر موج سینوسی روشن می‌شود تا از عبور جریان ناگهانی اولیه در هنگامی که کلیدزنی بارهای القایی یا خازنی جلوگیری کند.

همانند رله‌های الکترومکانیک، مدار حذف کننده RC برای رله‌های حالت جامد نیز به کار می‌رود تا از ایجاد نویز و نوسانات ناگهانی ولتاژ جلوگیری کند. در اکثر SSRهای مدرن، یک مدار حذف کننده RC در داخل خود رله تعبیه شده تا نیاز به استفاده از المان‌های  خارجی را کاهش دهد.

از آن جایی که معمولاً المانی که سیگنال خروجی رله را دریافت می‌کند یک نیمه‌رسانا است ( ترانزیستور برای مدارات DC و ترایاک یا تریستور برای مدارات AC ) افت ولتاژ در ترمینال‌های یک رله حالت جامد در حالت روشن فوق‌العاده بیشتر از رله الکترومغناطیسی می‌باشد ( بین ۱/۵ تا ۲ ولت ) بنابراین توان تلفاتی در این نوع رله‌ها بالاست و برای سوییچ در جریان‌های بالا ممکن است به هیت‌سینک جانبی نیاز باشد .

ماژول‌های رابط ورودی /خروجی

ماژول‌های رابط ورودی خروجی (I/O Modules) گروه دیگری از رله‌های حالت جامد هستند که به صورت تخصصی برای کامپیوترها و میکروکنترلرها طراحی شده‌اند این نوع ماژول‌ها خود به ۴ دسته تقسیم می‌شوند:

(۱) ورودی AC خروجی TTL

(۲) ورودی AC خروجی CMOS

(۳) ورودی DC خروجی TTL

(۴) ورودی DC خروجی CMOS

در این ماژول انواع قطعات ضروری تعبیه شده و دارای ۴ ، ۸ یا ۱۶ کانال می‌باشند.

سیستم ماژول‌های رابط ورودی / خروجی

۷. سیستم ماژول‌های رابط ورودی / خروجی

بزرگ‌ترین نقطه ضعف رله‌های حالت جامد نسبت به رله‌های الکترومکانیکی، توان مصرفی و قیمت بالای آن می‌باشد. در ضمن این نوع رله‌ها فقط به صورت تک پل تک مسیره (SPST) ارائه می‌شوند و جریان نشتی حالت خاموش دارند در ضمن، آن‌ها نمی‌توانند بار با جریان خیلی پایین را سوییچ بزنند .

در این مقاله، رله‌های الکترومکانیکی و حالت جامد مورد بررسی قرار گرفت و دیدیم که می‌توان از آن‌ها برای کنترل یک فرایند فیزیکی استفاده نمود در مقاله‌ی بعدی به راه‌اندازهایی می‌پردازیم که می‌توانند سیگنال‌های الکتریکی را با استفاده از میدان الکترومغناطیسی به حرکت تبدیل کنند.