مدار سوئیچ رله

رله ها المان هایی الکترومکانیکی هستند که از یک آهنربای الکتریکی برای عملکرد یک جفت کنتاکت متحرک از حالت باز به حالت بسته، استفاده می‌کنند.

مزیت رله­‌ها این است که برای به کار انداختن سیم­ پیچ رله، انرژی نسبتاً کمی مصرف می­شود اما خود رله می­‌تواند برای کنترل موتورها، بخاری‌­ها، لامپ‌­ها یا مدارهای AC استفاده شود که می‌­توانند توان الکتریکی بسیار بیشتری را جذب کنند.

رله الکترومکانیکی یک دستگاه خروجی (راه ­انداز) است که در شکل‌ها، اندازه‌ها و طرح‌های زیادی وجود دارد و استفاده‌­ها و کاربردهای زیادی در مدارهای الکترونیکی دارد. اما در حالی که رله‌های الکتریکی می‌توانند به مدارهای الکترونیکی یا کامپیوتری با توان کم اجازه دهند تا جریان‌ها یا ولتاژهای نسبتاً بالا را بر روی «روشن» یا «خاموش» سوئیچ کنند، نوعی مدار سوئیچ رله برای کنترل آن لازم است.

طراحی و انواع مدارهای سوئیچینگ رله، بسیار زیاد هستند اما بسیاری از پروژه‌­های الکترونیکی کوچک از ترانزیستورها و ماسفت­‌ها به عنوان المان سوئیچینگ اصلی خود استفاده می­‌کنند، زیرا ترانزیستور می‌­تواند کنترل سریع سوئیچینگ DC (روشن-خاموش) سیم ­پیچ رله را از منابع ورودی مختلف فراهم کند. در اینجا، مجموعه‌­ای کوچک از برخی روش‌­های رایج‌­تر سوئیچینگ رله­ ها آورده شده است.

مدار سوئیچ رله NPN

یک مدار سوئیچ رله معمولی، دارای سیم­‌پیچی است که توسط یک کلید ترانزیستور NPN، TR1 راه‌­اندازی می­‌شود که همانطور که نشان داده شده است به سطح ولتاژ ورودی بستگی دارد. هنگامی که ولتاژ بیس ترانزیستور صفر (یا منفی) باشد، ترانزیستور قطع می­‌شود و به عنوان یک کلید باز عمل می­‌کند. در این شرایط، هیچ جریان کلکتوری عبور نمی­‌کند و سیم‌پیچ رله بدون انرژی است زیرا به عنوان ادوات جریان، اگر جریانی به بیس نرود جریانی از سیم‌پیچ رله عبور نخواهد کرد.

اگر اکنون یک جریان مثبت به اندازه کافی به بیس وارد شود تا ترانزیستور NPN اشباع شود، جریانی که از بیس به امیتر (B به E) می‌گذرد، جریان سیم­‌پیچ رله بزرگ‌تر را که در ترانزیستور از کلکتور به امیتر می‌گذرد، کنترل می‌کند.

برای اکثر ترانزیستورهای سوئیچینگ دوقطبی، مقدار جریان سیم­ پیچ رله‌­ای که به کلکتور می‌­رسد، چیزی بین ۵۰ تا ۸۰۰ برابر جریان بیس مورد نیاز برای هدایت ترانزیستور به سمت اشباع است. بهره جریان یا مقدار بتا (β) ترانزیستور BC109 نشان داده شده، معمولاً حدود ۲۹۰ در ۲ میلی آمپر است ( طبق دیتاشیت ترانزیستور).

توجه داشته باشید که سیم­ پیچ رله نه تنها یک آهنربای الکتریکی بلکه یک سلف نیز می‌­باشد. هنگامی که به دلیل عملکرد سوئیچینگ ترانزیستور، توان به سیم ­پیچ اعمال می‌­شود، به دلیل مقاومت DC سیم ­پیچ، یک جریان بیشینه همانطور که توسط قانون اهم (I = V/R) تعریف شده است، جریان می­‌یابد. بخشی از این انرژی الکتریکی در میدان مغناطیسی سیم‌­پیچ رله ذخیره می­‌شود.

هنگامی که ترانزیستور خاموش می­‌شود، جریان عبوری از سیم پیچ رله کاهش یافته و میدان مغناطیسی فروکش می­‌کند. با این حال، انرژی ذخیره شده در میدان مغناطیسی باید به جایی برود و یک ولتاژ معکوس در سراسر سیم­‌پیچ ایجاد می‌­شود، زیرا تلاش می‌کند جریان را در سیم ­پیچ رله حفظ کند. این عمل باعث ایجاد یک ولتاژ بالا در سیم‌پیچ رله می­‌شود که در صورتی که اجازه تولید یابد، به ترانزیستور سوئیچینگ NPN آسیب می‌­رساند.

بنابراین برای جلوگیری از آسیب به ترانزیستور نیمه هادی، یک “دیود فلایویل” (flywheel diode) که به عنوان دیود فلایویل یا هرزگرد (freewheeling) نیز شناخته می­‌شود، در راستای سیم­ پیچ رله متصل می­‌شود. این دیود فلایویل، ولتاژ معکوس در سیم ­پیچ را به حدود 0.7 ولت نگه داشته، انرژی ذخیره شده را هدر داده و از ترانزیستور سوئیچینگ محافظت می­‌کند. دیودهای فلایویل فقط زمانی قابل اجرا هستند که منبع تغذیه، ولتاژ DC قطبی­ شده باشد. سیم­‌پیچ AC به روش حفاظتی متفاوتی نیاز دارد و برای این کار از مدار RC اسنابر (RC snubber) استفاده می­‌شود.

مدار سوئیچ رله دارلینگتون NPN

مدار سوئیچ رله ترانزیستور NPN قبلی، برای سوئیچینگ بارهای کوچک مانند LED و رله‌­های مینیاتوری ایده‌­آل است. اما گاهی اوقات لازم است که سیم­‌پیچ­‌های رله بزرگتر یا جریان­‌های فراتر از محدوده ترانزیستورهای عمومی BC109 سوئیچ شوند و این امر می‌­تواند با استفاده از ترانزیستورهای دارلینگتون به دست آید.

حساسیت و بهره جریان مدار سوئیچ رله را می‌­توان با استفاده از یک جفت ترانزیستور دارلینگتون به جای یک ترانزیستور سوئیچینگ، به میزان زیادی افزایش داد. جفت‌ ترانزیستوری دارلینگتون را می‌توان از دو ترانزیستور دوقطبی که به صورت جداگانه به هم متصل شده‌اند، همانطور که نشان داده شده است، ساخت یا به ‌عنوان یک دستگاه منفرد با سیم‌های اتصال بیس، امیتر و کلکتور در دسترس هستند.

دو ترانزیستور NPN همانطور که نشان داده شده است به هم متصل می­‌شوند تا جریان کلکتور ترانزیستور اول، TR1 به جریان بیس ترانزیستور دوم، TR2 تبدیل شود. اعمال جریان بیس مثبت به TR1 به طور خودکار ترانزیستور سوئیچینگ TR2 را روشن می­‌کند.

اگر دو ترانزیستور مجزا به عنوان یک جفت سوئیچینگ دارلینگتون پیکربندی شوند، معمولاً یک مقاومت با مقدار کوچک (100 تا 1000 اهم) بین بیس و امیتر ترانزیستور سوئیچینگ اصلی، TR2 قرار می‌گیرد تا از خاموش شدن کامل آن اطمینان حاصل شود. مجدداً از یک دیود فلایویل برای محافظت از TR2 در برابر EMF برگشتی که هنگام قطع برق سیم ­پیچ رله ایجاد می­‌شود، استفاده می‌­شود.

مدار سوئیچ رله امیتر پیرو (Emitter Follower)

علاوه بر پیکربندی استاندارد امیتر مشترک برای مدار سوئیچ رله، سیم­پیچ رله همچنین می‌تواند به ترمینال امیتر ترانزیستور متصل شود تا یک مدار امیتر پیرو ایجاد کند. سیگنال ورودی مستقیماً به بیس متصل می‌­شود در حالی که خروجی از بار امیتر مطابق شکل، گرفته می‌­شود.

پیکربندی کلکتور مشترک یا امیتر پیرو، برای کاربردهای تطبیق امپدانس به دلیل امپدانس ورودی بسیار بالا، در ناحیه صدها هزار اهم، بسیار مفید است، در حالی که امپدانس خروجی نسبتاً کم برای سوئیچ سیم ­پیچ رله دارد. همانند مدار قبلی سوئیچ رله NPN، سوئیچینگ با اعمال جریان مثبت به بیس ترانزیستور انجام می‌­شود.

مدار سوئیچ رله دارلینگتون امیتر

این مدار، نسخه ترانزیستور دارلینگتون مدار امیتر پیرو قبلی است. یک جریان بیس مثبت بسیار کوچک اعمال شده به TR1، به دلیل ضرب دو مقدار بتا باعث می­‌شود جریان کلکتور بسیار بیشتری از TR2 عبور کند.

مدار سوئیچ رله دارلینگتون امیتر مشترک برای تامین بهره جریان و بهره توان با بهره ولتاژ تقریبا برابر با واحد، مفید است. یکی دیگر از ویژگی­‌های مهم این نوع مدار امیتر پیرو این است که دارای امپدانس ورودی بالا و امپدانس خروجی کم است که آن را برای تطبیق امپدانس با سیم­‌پیچ‌­های رله بزرگ ایده‌­آل می‌­کند.

مدار سوئیچ رله PNP

علاوه بر سوئیچینگ سیم­ پیچ­ های رله و بارهای دیگر با ترانزیستورهای دوقطبی NPN، می­‌توانیم آن­ها را با استفاده از ترانزیستورهای دوقطبی PNP سوئیچ کنیم. مدار سوئیچ رله PNP از نظر توانایی کنترل سیم‌­پیچ رله، هیچ تفاوتی با مدار سوئیچینگ رله NPN ندارد. با این حال، به قطبیت­‌های متفاوتی از ولتاژهای عملیاتی نیاز دارد. به عنوان مثال، ولتاژ کلکتور-امیتر، Vce، برای نوع PNP باید منفی باشد تا باعث ایجاد جریان از امیتر به کلکتور شود.

مدار ترانزیستور PNP برخلاف مدار سوئیچینگ رله NPN عمل می­‌کند. زمانی که بیس بایاس مستقیم با ولتاژی منفی‌­تر از امیتر باشد، جریان بار از امیتر به کلکتور عبور می­‌کند. برای اینکه جریان بار رله از طریق امیتر به کلکتور جریان یابد، هم بیس و هم کلکتور باید نسبت به امیتر منفی باشند.

به عبارت دیگر، هنگامی که Vin زیاد است ترانزیستور PNP خاموش می­‌شود و سیم­پیچ رله نیز به همین ترتیب است. وقتی که Vin  کم است، ولتاژ بیس کمتر از ولتاژ امیتر (منفی تر) است و ترانزیستور PNP “روشن” می­‌شود. مقدار مقاومت بیس، جریان بیس را تنظیم می­‌کند که به نوبه خود جریان کلکتور را تنظیم کرده و سیم‌­پیچ رله را به حرکت در می‌­آورد.

سوئیچ­‌های ترانزیستوری PNP را می‌­توان زمانی استفاده کرد که سیگنال سوئیچینگ برای یک ترانزیستور NPN معکوس باشد، به عنوان مثال خروجی یک گیت CMOS NAND یا سایر المان های منطقی دیگر. خروجی منطقی CMOS دارای قدرت راه­اندازی در منطق 0 است تا جریان کافی برای روشن کردن ترانزیستور PNP را جذب کند. بنابراین، جاذب­‌های جریان را می‌توان با استفاده از ترانزیستورهای PNP و منبع تغذیه با قطبیت مخالف به منابع جریان تبدیل کرد.

مدار سوئیچ رله کلکتور PNP

عملکرد این مدار همانند مدار قبلی سوئیچینگ رله می­‌باشد. در این مدار سوئیچ رله، بار رله به کلکتور ترانزیستور PNP متصل شده است. عمل سوئیچینگ روشن-خاموش ترانزیستور و سیم­‌پیچ زمانی اتفاق می­‌افتد که Vin  کم، ترانزیستور “روشن” و Vin بالا، ترانزیستور خاموش باشد.

دیدیم که یک ترانزیستور دوقطبی NPN یا یک ترانزیستور دوقطبی PNP می‌تواند به عنوان سوئیچ برای سوئیچینگ رله یا هر بار دیگری عمل کند. اما دو شرط مختلف وجود دارد که باید درک شود زیرا جریان در دو جهت متفاوت جریان دارد.

بنابراین در یک ترانزیستور NPN، یک ولتاژ بالا نسبت به امیتر، به بیس اعمال شده، جریان از کلکتور به امیتر عبور می­‌کند و ترانزیستور NPN روشن می­‌شود. برای یک ترانزیستور PNP، یک ولتاژ کم نسبت به امیتر، به بیس اعمال شده، جریان از امیتر به کلکتور جریان می­‌یابد و ترانزیستور PNP روشن می­‌شود.

مدار سوئیچ رله ماسفت کانال N

عملکرد سوئیچینگ رله ماسفت بسیار شبیه عملکرد سوئیچ ترانزیستوری اتصال دوقطبی (BJT) است که در بالا مشاهده شد و هر یک از مدارهای قبلی را می­‌توان با استفاده از ماسفت­‌ها، پیاده‌­سازی کرد. با این حال، تفاوت‌های عمده‌ای در عملکرد مدارهای ماسفت وجود دارد که عمده‌ترین آن­ها این است که ماسفت‌ها المان‌هایی هستند که با ولتاژ کار می‌کنند و از آنجایی که گیت به صورت الکتریکی از کانال درین-سورس (Drain-Source) جدا شده است، امپدانس‌ ورودی بسیار بالایی داشته و جریان گیت برای ماسفت صفر است، بنابراین مقاومت بیس غیر ضروری است.

ماسفت­ ها از طریق یک کانال رسانا که در ابتدا بسته است، ترانزیستور خاموش، هدایت می­‌کنند. این کانال به تدریج در عرض رسانا افزایش می­‌یابد زیرا ولتاژ اعمال شده به ترمینال گیت به آرامی زیاد می‌شود. به عبارت دیگر، ترانزیستور با افزایش کانال همانطور که ولتاژ گیت افزایش می‌­یابد، عمل می­‌کند و به همین دلیل به این نوع ماسفت، ماسفت افزایشی یا E-MOSFET می­‌گویند.

ماسفت­‌های افزایشی کانال N  (NMOS)، متداول­‌ترین نوع ماسفت هستند که ولتاژ مثبت در ترمینال گیت، ماسفت را روشن می­‌کند و ولتاژ صفر یا منفی روی گیت، آن را خاموش می‌­کند و آن را به عنوان سوئیچ رله ماسفت، ایده‌‌­آل می‌­کند. ماسفت­ های مکمل افزایشی کانال P (Complementary P-channel Enhancement MOSFETs) نیز موجود هستند که مانند PNP BJT با ولتاژهای مخالف کار می‌­کنند.

مدار سوئیچ رله ماسفت فوق در پیکربندی سورس مشترک وصل شده است. با ورودی ولتاژ صفر، شرایط کم، مقدار VGS برای باز کردن کانال ناکافی است و ترانزیستور “خاموش” است. اما هنگامی که VGS به بالاتر از ولتاژ آستانه پایین­‌تر ماسفت VT، افزایش می­‌یابد، کانال باز شده، جریان عبور کرده و سیم­‌پیچ رله کار می­‌کند.

بنابراین ماسفت افزایشی به عنوان یک سوئیچ معمولا باز عمل می­‌کند و آن را برای سوئیچینگ بارهای کوچک مانند رله­‌ها، ایده‌­آل می‌­کند. ماسفت‌های نوع E، مقاومت حالت خاموش بالا اما مقاومت حالت روشن متوسط (مناسب برای اکثر کاربرد‌ها) دارند، بنابراین هنگام انتخاب برای یک برنامه سوئیچینگ خاص، مقدار  RDS آن باید در نظر گرفته شود.

مدار سوئیچ رله ماسفت کانال P

ماسفت افزایشی کانال P (PMOS)، مانند ماسفت افزایشی کانال N ساخته می­‌شود با این تفاوت که تنها با ولتاژهای گیت منفی کار می­‌کند. به عبارت دیگر، یک MOSFET کانال P به همان شکل اما با قطبیت­‌های مخالف عمل می­‌کند زیرا گیت باید منفی‌­تر از سورس باشد تا ترانزیستور را با بایاس مستقیم، روشن کند.

در این پیکربندی، ترمینال سورس کانال P به +Vdd و ترمینال درین از طریق سیم ­پیچ رله به زمین متصل می­‌شود. هنگامی که یک سطح ولتاژ بالا به گیت اعمال می‌­شود، ماسفت کانال P خاموش می­‌شود. E-MOSFET خاموش، مقاومت کانال بسیار بالایی داشته و تقریباً مانند یک مدار باز عمل می­‌کند.

هنگامی که یک سطح ولتاژ پایین به گیت اعمال می­‌شود، ماسفت کانال P “روشن” می‌شود. این امر باعث می‌شود تا جریان از طریق مسیر مقاومت کم کانال e-MOSFET عبور کرده و سیم پیچ رله کار می­‌کند. هر دوی e-MOSFET های کانال N و P، مدارهای سوئیچینگ رله ولتاژ پایین بسیار خوبی را ایجاد می­‌کنند و به راحتی می­‌توانند به طیف گسترده‌­ای از گیت‌­های منطقی دیجیتال و ریزپردازنده­‌های کاربردی متصل شوند.

مدار سوئیچ رله کنترل شده منطقی

ماسفت افزایشی کانال N، به عنوان یک سوئیچ ترانزیستوری بسیار مفید است زیرا در حالت “خاموش” (با بایاس گیت صفر)، کانال آن دارای مقاومت بسیار بالایی است و جریان را مسدود می‌­کند. با این حال، یک ولتاژ مثبت نسبتا کوچک بیشتر از ولتاژ آستانه VT در گیت امپدانس بالا، باعث می­شود که جریان را از ترمینال درین به ترمینال سورس خود هدایت کند.

برخلاف ترانزیستور پیوندی دوقطبی که برای روشن کردن آن به جریان بیس نیاز است، e-MOSFET  فقط به ولتاژ روی گیت نیاز دارد زیرا به دلیل ساختار گیت عایقی آن، جریان صفر به گیت می‌رسد. بنابراین این باعث می‌شود که e-MOSFET، کانال N یا P، به طور مستقیم توسط گیت‌های منطقی معمولی TTL یا CMOS هدایت کند که در زیر نشان داده شده است.

در اینجا، E-MOSFET کانال N توسط یک گیت منطقی دیجیتال هدایت می­شود. پین‌های خروجی اکثر گیت‌های منطقی فقط می‌توانند مقدار محدودی جریان را تأمین کنند که معمولاً بیش از 20 میلی آمپر نیست. از آنجایی که ماسفت‌های افزایشی دستگاه‌هایی هستند که دارای ولتاژ هستند و جریان گیت مصرف نمی‌کنند، می‌توانیم از مدار سوئیچ رله ماسفت برای کنترل بارهای توان بالا استفاده کنیم.

مدار سوئیچ رله میکروکنترلر

علاوه بر گیت‌های منطقی دیجیتال، می‌توانیم از پین‌های خروجی و کانال‌های میکروکنترلر، PIC ها و پردازنده‌ها برای کنترل دنیای بیرون استفاده کنیم. مدار زیر نحوه اتصال رله با استفاده از سوئیچ ماسفت را نشان می‌­دهد.

خلاصه مدار سوئیچینگ رله

در این مقاله دیدیم که چگونه می‌توانیم از ترانزیستورهای پیوندی دوقطبی، NPN یا PNP و ماسفت‌های افزایشی، چه کانال N یا کانال P به عنوان مدار سوئیچینگ ترانزیستوری استفاده کنیم.

گاهی اوقات هنگام ساخت مدارهای الکترونیکی یا میکروکنترلر، می­خواهیم از یک سوئیچ ترانزیستوری برای کنترل یک دستگاه توان بالا مانند موتورها، لامپ­ ها، عناصر گرمایش یا مدارهای AC، استفاده کنیم. به طور کلی، این دستگاه‌­ها به جریان‌­های بزرگتر یا ولتاژهای بالاتری نسبت به یک ترانزیستور توان نیاز دارند، بنابراین می‌­توانیم از مدار سوئیچینگ رله برای انجام این کار استفاده کنیم.

ترانزیستورهای دوقطبی (BJT) مدارهای سوئیچینگ رله بسیار خوب و ارزانی را می‌سازند، اما BJT ها ادواتی هستند که با جریان کار می‌­کنند همانطور که یک جریان بیس کوچک را به جریان بار بزرگتر تبدیل می‌­کنند تا سیم ­پیچ رله را فعال کنند.

با این حال، سوئیچ ماسفت به عنوان یک کلید الکتریکی ایده‌‌آل است، زیرا عملاً جریان گیت برای روشن شدن نیاز ندارد و ولتاژ گیت را به جریان بار تبدیل می‌کند. بنابراین، ماسفت می­‌تواند به عنوان یک کلید کنترل ­شده با ولتاژ کار کند.

در بسیاری از کاربردها، ترانزیستورهای دوقطبی را می‌توان با ماسفت‌های افزایشی جایگزین کرد که عملکرد سوئیچینگ سریع‌تر، امپدانس ورودی بسیار بالاتر و احتمالاً اتلاف توان کمتری را ارائه می‌دهند. ترکیبی از امپدانس گیت بسیار بالا، مصرف انرژی بسیار کم در حالت خاموش و قابلیت سوئیچینگ بسیار سریع، ماسفت را برای بسیاری از کاربردهای سوئیچینگ دیجیتال مناسب می‌کند. همچنین با جریان صفر گیت، عمل سوئیچینگ آن نمی‌­تواند مدار خروجی یک گیت دیجیتال یا میکروکنترلر را دچار اضافه بار کند.

با این حال، از آنجایی که گیت یک E-MOSFET از بقیه اجزا عایق شده است، به الکتریسیته ساکن حساس است که می­‌تواند لایه نازک اکسید روی گیت را از بین ببرد. بنابراین هنگام حمل قطعه یا زمانی که از آن استفاده می‌­شود باید مراقبت ویژه­ای صورت گیرد و هر مداری که از ماسفت­ های افزایشی استفاده می­‌کند باید دارای محافظت مناسب در برابر جهش­‌های استاتیکی و ولتاژ باشد.

همچنین برای محافظت بیشتر از BJT یا ماسفت، همیشه از یک دیود فلایویل و سیم‌پیچ رله استفاده کنید تا به طور ایمن EMF برگشتی ایجاد شده توسط عمل سوئیچینگ ترانزیستور را از بین ببرید.