رله حالت جامد چیست؟

رله‌­های حالت جامد یا SSR ، معادل نیمه‌هادی رله‌­های الکترومکانیکی هستند و می­‌توانند برای کنترل بارهای الکتریکی بدون استفاده از قطعات متحرک استفاده شوند.

برخلاف رله‌های الکترومکانیکی (EMR) که از سیم‌پیچ‌ها، میدان‌های مغناطیسی، فنرها و کنتاکت‌های مکانیکی برای راه‌اندازی و تغییر منبع تغذیه استفاده می‌کنند، رله حالت جامد یا SSR هیچ قسمت متحرکی ندارد اما در عوض از خواص الکتریکی و نوری نیمه‌رساناهای حالت جامد استفاده می‌کند تا عملکردهای جداسازی و سوئیچینگ ورودی به خروجی را انجام دهد.

درست مانند رله‌های الکترومکانیکی معمولی، SSR‌ها جداسازی الکتریکی کاملی را بین کنتاکت‌های ورودی و خروجی خود ایجاد می‌کنند و خروجی آن مانند یک کلید الکتریکی معمولی عمل می‌کند، زیرا در هنگام نارسانایی (باز) مقاومت بسیار بالا و تقریباً بی‌نهایت دارد و در هنگام هدایت، مقاومت بسیار کمی دارد. رله‌های حالت جامد را می‌توان برای سوییچ جریان‌های AC یا DC با استفاده از خروجی SCR، ترایاک یا ترانزیستور سوئیچینگ به‌جای کنتاکت‌های مکانیکی معمولا باز ((NO) -normally-open) طراحی کرد.

۱. رله حالت جامد

در حالی که رله حالت جامد و رله الکترومکانیکی اساساً مشابه هم هستند زیرا ورودی ولتاژ پایین آن­ها از خروجی ایزوله شده که بار را تغییر می­‌دهد و کنترل می­‌کند، رله‌­های الکترومکانیکی چرخه عمر کنتاکت محدودی دارند و می­‌توانند فضای زیادی را اشغال کرده و دارای سرعت سوئیچ کندتر به خصوص رله‌­های قدرت بزرگ و کنتاکتورها هستند. رله­‌های حالت جامد چنین محدودیتی ندارند.

بنابراین، مزیت اصلی رله‌های حالت جامد نسبت به رله‌های الکترومکانیکی معمولی این است که هیچ بخش متحرکی برای فرسودگی ندارند. بنابراین هیچ مشکلی در تغییر کنتاکت ندارند و می‌توانند هر دو حالت “روشن” و “خاموش” را بسیار سریعتر از رله‌های مکانیکی آرمیچر سوئیچ کنند. همچنین ولتاژ روشن شدن صفر و جریان خاموش شدن صفر، نویز الکتریکی و حالت گذرا را حذف می‌­کند.

رله‌های حالت جامد را می‌توان در بسته‌های استاندارد از چند ولت یا آمپر تا صدها ولت و آمپر با قابلیت سوئیچینگ خروجی خریداری کرد. با این حال، رله‌های حالت جامد با درجه‌بندی جریان بسیار بالا (بیش از ۱۵۰ آمپر) به دلیل نیاز به نیمه‌رسانای قدرت و نیاز به جذب حرارتی، هنوز برای خرید بسیار گران هستند، و به این ترتیب، کنتاکتورهای الکترومکانیکی ارزان‌تر همچنان استفاده می‌شوند.

مشابه رله‌­های الکترومکانیکی، یک ولتاژ ورودی کوچک، معمولاً 3 تا 32 ولت DC، می‌­تواند برای کنترل ولتاژ یا جریان خروجی بسیار زیاد استفاده شود. به عنوان مثال 240 ولت، 10 آمپر. این ویژگی، آن­ها را برای میکروکنترلر، PIC و رابط آردوینو (Arduino)، ایده‌آل می‌کند، زیرا سیگنال 5 ولت با جریان کم از یک میکروکنترلر یا گیت منطقی می‌تواند برای کنترل یک بار مدار خاص استفاده شود، و این ویژگی با استفاده از جداساز نوری (opto-isolator) به دست می‌آید.

ورودی رله حالت جامد

یکی از اجزای اصلی یک رله حالت جامد (SSR) یک جداساز نوری (همچنین کوپلر نوری نیز نامیده می­‌شود) است که حاوی یک (یا چند) دیود ساطع کننده نور مادون قرمز یا منبع نور LED و یک دستگاه حساس به نور است. جداساز نوری، ورودی را از خروجی جدا می‌­کند.

منبع نور LED به بخش راه‌­انداز ورودی SSR متصل است و تزویج (coupling) نوری را از طریق یک شکاف به ترانزیستور حساس به نور مجاور، جفت دارلینگتون یا ترایاک، فراهم می­‌کند. هنگامی که جریان از LED عبور می­‌کند، روشن می­‌شود و نور آن از طریق شکاف به یک ترانزیستور نوری/ترایاک نوری (photo-transistor/photo-triac) متمرکز می‌­شود.

بنابراین خروجی یک SSR تزویج نوری با انرژی دادن به این LED، معمولاً با سیگنال ولتاژ پایین «روشن» می‌­شود. از آنجایی که تنها ارتباط بین ورودی و خروجی یک پرتو نور است، جداسازی ولتاژ بالا (معمولاً چندین هزار ولت) با استفاده از این جداساز نوری داخلی به دست می‌­آید.

جداساز نوری نه تنها درجه بالاتری از عایق بندی ورودی/خروجی را ارائه می‌­کند، بلکه می‌­تواند سیگنال­‌های dc و فرکانس پایین را نیز ارسال کند. همچنین LED و دستگاه حساس به نور می‌­توانند کاملاً از یکدیگر جدا باشند و با استفاده از یک فیبر نوری به صورت نوری کوپل شوند.

مدار ورودی یک SSR ممکن است فقط از یک مقاومت محدود­کننده جریان به صورت سری با LED جداساز نوری یا یک مدار پیچیده‌­تر با یکسوسازی، تنظیم جریان، حفاظت از قطبیت معکوس، فیلتر کردن و غیره تشکیل شده باشد.

برای فعال یا روشن کردن یک رله حالت جامد به حالت رسانایی، ولتاژی بیشتر از مقدار حداقل آن (معمولاً 3 ولت DC) باید به پایانه‌­های ورودی آن اعمال شود (معادل سیم پیچ رله الکترومکانیکی). این سیگنال DC ممکن است از یک سوئیچ مکانیکی، یک گیت منطقی یا میکروکنترلر مشتق شود، همانطور که نشان داده شده است.

مدار ورودی DC رله حالت جامد

2. مدار ورودی DC رله حالت جامد

هنگام استفاده از کنتاکت­‌های مکانیکی، سوئیچ‌­ها، دکمه‌­های فشاری، سایر کنتاکت­‌های رله به عنوان سیگنال فعال­‌کننده، ولتاژ تغذیه مورد استفاده می­‌تواند برابر با حداقل مقدار ولتاژ ورودی SSR باشد. در حالی که هنگام استفاده از دستگاه‌­های حالت جامد مانند ترانزیستور، گیت و میکرو‌کنترل کننده‌­ها، حداقل ولتاژ تغذیه باید یک یا دو ولت بالاتر از ولتاژ روشن SSR باشد تا افت ولتاژ داخلی دستگاه سوئیچینگ را در نظر بگیرد.

اما علاوه بر استفاده از ولتاژ DC، اعم از جذب یا تامین، برای تبدیل رله حالت جامد به حالت هدایت، می‌توانیم از شکل موج سینوسی نیز با افزودن یکسوساز پل برای یکسوسازی تمام موج و یک مدار فیلتر به ورودی DC استفاده کنیم، همانطور که نشان داده شده است.

مدار ورودی AC رله حالت جامد

3. مدار ورودی AC رله حالت جامد

یکسو­کننده‌­های پل، یک ولتاژ سینوسی را به پالس‌­های یکسو­شده تمام موج با دو برابر فرکانس ورودی تبدیل می­‌کنند. مشکل اینجاست که این پالس‌های ولتاژ از صفر ولت شروع و به پایان می‌رسند که به این معنی است که کمتر از حداقل ولتاژ روشن مورد نیاز آستانه ورودی SSR قرار می‌گیرند و باعث می‌شود خروجی هر نیم سیکل “روشن” و “خاموش” شود.

برای غلبه بر این تحریک نامنظم خروجی، می‌توانیم موج‌های اصلاح شده را با استفاده از یک خازن هموار‌کننده (C1) روی خروجی یکسوساز پل، هموار کنیم. اثر شارژ و تخلیه خازن، مولفه DC سیگنال یکسوشده را به بالاتر از مقدار ولتاژ روشن­‌شدن حداکثر برای ورودی رله‌­های حالت جامد، افزایش می­‌دهد. بنابراین، حتی اگر از یک شکل موج ولتاژ سینوسی دائماً در حال تغییر استفاده شود، ورودی SSR یک ولتاژ DC ثابت است.

مقادیر مقاومت افت ولتاژ، R۱ و خازن هموارکننده، C۱ متناسب با ولتاژ تغذیه، 120 ولت AC یا 240 ولت AC و همچنین امپدانس ورودی رله حالت جامد انتخاب می‌­شوند. اما چیزی در حدود 40 کیلو اهم و 10میکرو فاراد می­‌تواند مناسب باشد.

بنابراین، با اضافه شدن این یکسوساز پل و مدار خازن هموارکننده، یک رله حالت جامد DC استاندارد را می­‌توان با استفاده از منبع تغذیه AC یا بدون قطبیت DC کنترل کرد. البته تولیدکنندگان، رله­‌های حالت جامد با ورودی AC (معمولاً 90 تا 280 ولت AC) را در حال حاضر تولید کرده و می­‌فروشند.

خروجی رله حالت جامد

قابلیت سوئیچینگ خروجی یک رله حالت جامد می­‌تواند AC یا DC مشابه ولتاژ ورودی آن باشد. مدار خروجی اکثر رله‌های حالت جامد استاندارد به گونه‌ای پیکربندی شده‌اند که تنها یک نوع عمل سوئیچینگ را انجام دهند که معادل یک عملیات معمول باز (normally-open)، تک‌­پل (single-pole)، یک­طرفه (single-throw) (SPST-NO) یک رله الکترومکانیکی است.

برای اکثر SSRهای DC، دستگاه سوئیچینگ حالت جامد که معمولاً استفاده می­‌شوند، ترانزیستورهای قدرت، دارلینگتون و ماسفت هستند، در حالی که برای SSRهای AC، دستگاه سوئیچینگ یا تریستورهای ترایاک یا پشت به پشت (back-to-back) است. تریستورها به دلیل قابلیت­‌های ولتاژ و جریان بالا ترجیح داده می‌­شوند. همانطور که نشان داده شده است، می­توان از یک تریستور منفرد نیز در مدار یکسو­کننده پل استفاده کرد.

مدار خروجی رله حالت جامد

۴. مدار خروجی رله حالت جامد

رایج‌ترین کاربرد رله‌های حالت جامد در سوئیچینگ بار AC است، چه برای کنترل برق متناوب برای سوئیچینگ روشن/خاموش، کاهش نور، کنترل سرعت موتور یا سایر کاربردهایی که کنترل توان مورد نیاز است و این بارهای AC را می­‌توان به راحتی با ولتاژ DC جریان پایین با استفاده از یک رله حالت جامد کنترل کرد که طول عمر طولانی و سرعت سوئیچینگ بالا را فراهم می­‌کند.

یکی از بزرگترین مزیت‌های رله‌های حالت جامد نسبت به رله‌های الکترومکانیکی، توانایی آن در خاموش کردن بارهای AC در نقطه جریان بار صفر است، در نتیجه قوس الکتریکی، نویز الکتریکی و تغییر کنتاکت مرتبط با رله‌های مکانیکی معمولی و بارهای القایی را کاملاً از بین می‌برد.

دلیل آن این است که رله‌های حالت جامد سوئیچینگ AC از SCR و تریاک به عنوان دستگاه سوئیچینگ خروجی خود استفاده می‌کنند که پس از حذف سیگنال ورودی، تا زمانی که جریان AC که از دستگاه می‌گذرد به زیر آستانه یا مقدار جریان نگه‌دارنده آن برسد، به هدایت خود ادامه می‌دهد. بنابراین، خروجی یک SSR هرگز نمی‌­تواند در وسط یک پیک موج سینوسی خاموش شود.

جریان قطع صفر، مزیت اصلی استفاده از رله حالت جامد است زیرا نویز الکتریکی و EMF برگشتی مرتبط با سوئیچ بارهای القایی را کاهش می‌دهد که به صورت قوس در کنتاکت‌های یک رله الکترومکانیکی دیده می‌شود. نمودار شکل موج خروجی یک رله حالت جامد AC معمولی را در زیر در نظر بگیرید.

شکل موج خروجی رله حالت جامد

۵. شکل موج خروجی رله حالت جامد

بدون اعمال سیگنال ورودی، هیچ جریان باری از طریق SSR جریان نمی‌یابد، زیرا به طور موثر خاموش است (مدار باز) و پایانه‌های خروجی، تمام ولتاژ منبع تغذیه AC را می‌­بینند. با اعمال سیگنال ورودی DC، صرف نظر از اینکه چرخه در کدام بخش از شکل موج سینوسی، مثبت یا منفی قرار دارد، به دلیل مشخصه سوییچینگ ولتاژ صفر SSR، خروجی تنها زمانی روشن می­‌شود که شکل موج از نقطه صفر آن عبور کند.

با افزایش ولتاژ تغذیه در جهت مثبت یا منفی، به حداقل مقدار لازم برای روشن کردن کامل تریستورهای خروجی یا ترایاک (معمولاً کمتر از حدود 15 ولت)، می‌­رسد. افت ولتاژ در پایانه­های خروجی SSR، افت ولتاژ حالت روشن ادوات سوئیچینگ، VT (معمولاً کمتر از 2 ولت) است. بنابراین هر جریان هجومی (inrush current) زیاد مرتبط با بارهای راکتیو یا لامپ، تا حد زیادی کاهش می­‌یابد.

هنگامی که سیگنال ولتاژ ورودی DC حذف می­‌شود، خروجی به طور ناگهانی خاموش نمی‌­شود، زیرا پس از شروع به رسانایی، تریستور یا تریاک مورد استفاده به عنوان دستگاه سوئیچینگ برای بقیه نیم سیکل روشن می­‌ماند تا زمانی که جریان بار به زیر جریان نگهدارنده کاهش یابد و در این نقطه خاموش می‌­شود. بنابراین، dv/dt بالای EMF های برگشتی مربوط به بارهای القایی سوئیچینگ در وسط یک موج سینوسی، تا حد زیادی کاهش می­‌یابد.

بنابراین، مزیت اصلی رله حالت جامد AC نسبت به رله الکترومکانیکی، عملکرد عبور صفر آن است که SSR را هنگامی که ولتاژ بار AC نزدیک به صفر ولت است، روشن می­کند، بنابراین هرگونه جریان هجومی بالا را حذف می‌­کند زیرا جریان بار همیشه از نقطه­‌ای نزدیک به 0 ولت شروع می­‌شود و مشخصه خاموش شدن جریان صفر ذاتی تریستور یا تریاک است. بنابراین، یک حداکثر تاخیر خاموش شدن ممکن (بین حذف سیگنال ورودی و حذف جریان بار) به مقدار یک نیم سیکل وجود دارد.

رله حالت جامد کاهش‌دهنده نور فازی

در حالی که رله‌های حالت جامد می‌توانند سوئیچینگ مستقیم عبور صفر (zero-crossing) بار را انجام دهند، همچنین می‌توانند عملکردهای بسیار پیچیده‌تری را با استفاده از مدارهای منطقی دیجیتال، ریزپردازنده‌ها و حافظه‌ها انجام دهند. یکی دیگر از کاربردهای عالی رله حالت جامد در کاربردهای کاهش نور، چه در خانه و چه برای نمایش یا کنسرت است.

رله‌­های حالت جامد سوئیچینگ غیرصفر (روشن فوری) بلافاصله پس از اعمال سیگنال کنترل ورودی، روشن می­‌شوند، برخلاف SSR عبور صفر بالا که تا نقطه عبور صفر بعدی موج سینوسی AC منتظر می­‌ماند. این سوئیچینگ تصادفی در کاربردهای مقاومتی مانند کاهش نور لامپ و کاربردهایی که نیاز به بار فقط برای بخش کوچکی از چرخه AC دارند، استفاده می‌­شود.

شکل موج خروجی سوئیچینگ تصادفی

۶. شکل موج خروجی سوئیچینگ تصادفی

در حالی که این ویژگی امکان کنترل فاز شکل موج بار را فراهم می‌­کند، مشکل اصلی SSR های روشن تصادفی این است که جریان نوسان اولیه بار در لحظه روشن شدن رله، ممکن است به دلیل قدرت سوئیچینگ SSR زمانی که ولتاژ منبع تغذیه نزدیک به مقدار اوج خود (90o) است، زیاد باشد. هنگامی که سیگنال ورودی حذف می­‌شود، و جریان بار به زیر جریان نگهدارنده تریستورها یا تریاک­‌ها می­‌رسد، هدایت آن متوقف می‌­شود. بدیهی است که برای SSRهای DC، عمل سوئیچینگ ON-OFF فوری است.

رله حالت جامد برای طیف وسیعی از کاربردهای سوئیچینگ روشن/خاموش ایده‌آل است، زیرا برخلاف رله‌های الکترومکانیکی (EMR) هیچ بخش متحرک یا تماسی ندارند. انواع مختلف تجاری برای سیگنال­‌های کنترل ورودی AC و DC و همچنین سوئیچینگ خروجی AC و DC وجود دارد زیرا از عناصر سوئیچینگ نیمه هادی مانند تریستورها، تریاک‌­ها و ترانزیستورها استفاده می­‌کنند.

اما با استفاده از ترکیبی از یک جداساز نوری خوب و یک تریاک، می­‌توانیم رله حالت جامد ارزان و ساده خود را برای کنترل بار AC مانند گرم­‌کننده، لامپ یا سولنوئید (solenoid) بسازیم. از آنجایی که یک جداساز نوری برای کار کردن فقط به مقدار کمی توان ورودی/کنترلی نیاز دارد، سیگنال کنترل می‌تواند از PIC، آردوینو، رزبری پی (Raspberry PI) یا هر میکروکنترلر دیگری از این قبیل باشد.

رله حالت جامد - مثال ۱

فرض کنید یک میکروکنترلر با سیگنال پورت خروجی دیجیتال فقط 5+ ولت برای کنترل المنت حرارتی 120 ولت AC و 600 وات می­‌خواهیم. برای این کار می‌توانیم از جداساز اپتوتریاک MOC 3020 استفاده کنیم، اما تریاک داخلی تنها می‌تواند حداکثر جریان 1 آمپر(ITSM)  را در پیک منبعAC  120 ولت عبور دهد، بنابراین باید از یک تریاک سوئیچینگ اضافی نیز استفاده شود.

ابتدا مشخصه­‌های ورودی جداساز نوری MOC 3020 را در نظر می­‌گیریم (سایر اپتوتریاک­‌ها نیز موجود هستند). برگه اطلاعات جداساز نوری می­‌گوید که افت ولتاژ مستقیم (VF) دیود ساطع کننده نور ورودی، 1.2 ولت و حداکثر جریان (IF) مستقیم، ۵۰ میلی آمپر است.

LED به حدود 10 میلی آمپر نیاز دارد و تا حداکثر مقدار 50 میلی آمپری خود به طور معقولی می‌­درخشد. با این حال، پورت خروجی دیجیتال میکروکنترلر تنها می­‌تواند حداکثر 30 میلی آمپر را تامین کند. بنابراین، مقدار جریان مورد نیاز چیزی بین 10 تا 30 میلی آمپر است. از این رو:

بنابراین می­‌توان از یک مقاومت محدود­‌کننده جریان سری با مقدار بین 126 و 380 اهم استفاده کرد. از آنجایی که پورت خروجی دیجیتال همیشه +5 ولت سوئیچ می‌کند تا اتلاف برق از طریق LED تزویج نوری را کاهش دهد، مقدار مقاومتی ترجیحی 240 اهم را انتخاب می‌کنیم. این مقدار، جریان LED مستقیم کمتر از 16 میلی آمپر می­‌دهد. در این مثال، هر مقدار مقاومت ترجیحی بین 150 و 330 اهم مناسب خواهد بود.

بار المنت حرارتی مقاومتی 600 وات است. استفاده از منبع 120 ولت AC، جریان بار 5 آمپر (I = P/V) را می­دهد. از آنجایی که می­‌خواهیم این جریان بار را در هر دو نیم سیکل (هر 4 ربع) شکل موج AC کنترل کنیم، به یک تریاک سوئیچینگ شبکه نیاز داریم.

BTA06 یک تریاک 6 آمپری 600 ولتی است که برای سوئیچینگ کلی روشن/خاموش بارهای متناوب AC مناسب است، اما هر تریاک 6 تا 8 آمپری مشابه این کار را انجام می‌­دهد. همچنین این تریاک سوئیچینگ تنها به 50 میلی آمپر راه‌­انداز گیت برای شروع هدایت نیاز دارد که بسیار کمتر از حداکثر آستانه 1 آمپری ایزولاتور نوری MOC 3020 است.

در نظر بگیرید که تریاک خروجی جداساز نوری در مقدار پیک (۹۰o) ولتاژ تغذیه AC 120VRMS روشن شده است. این پیک ولتاژ دارای مقدار: 120 × 1.414 = 170Vpk است. اگر حداکثر جریان (ITSM) تریاک نوری  1آمپر پیک باشد، حداقل مقدار مقاومت سری مورد نیاز 170/1 = 170Ω یا 180 اهم، نزدیکترین مقدار ترجیحی است. این مقدار 180 اهم از تریاک خروجی کوپلر نوری و همچنین گیت تریاک BTA06 در منبع 120 ولت AC، محافظت می‌­کند.

اگر تریاک جداساز نوری در نقطه تقاطعی صفر (۰o) ولتاژ تغذیه AC 120VRMS روشن شود، حداقل ولتاژ مورد نیاز برای تامین جریان مورد نیاز راه‌­­اندازی گیت 50 میلی آمپری که تریاک سوئیچینگ را مجبور به هدایت می‌­کند، مقدار 9 ولت خواهد بود: 180Ω × 50mA = 9.0. بنابراین، هنگامی که ولتاژ سینوسی گیت به MT1 از 9 ولت بیشتر باشد، تریاک به حالت هدایت می‌­رود.

بنابراین، حداقل ولتاژ مورد نیاز پس از نقطه تقاطع صفر شکل موج AC، 9 ولت پیک خواهد بود و اتلاف توان در این مقاومت گیت سری بسیار کم است، بنابراین می­‌توان با خیال راحت از یک مقاومت 180 اهم و 0.5 وات استفاده کرد. مدار زیر را در نظر بگیرید.

مدار رله حالت جامد AC

7. مدار رله حالت جامد AC

این نوع پیکربندی کوپلر نوری اساس یک برنامه رله حالت جامد بسیار ساده را تشکیل می‌­دهد که می­‌تواند برای کنترل هر بار برق AC مانند لامپ­‌ها و موتورها استفاده شود. در اینجا ما از MOC 3020 استفاده کرده‌­ایم که یک جداساز سوئیچینگ تصادفی است. جداساز اپتوتریاک MOC 3041 دارای ویژگی‌های یکسانی است، اما با تشخیص عبور از صفر داخلی که به بار اجازه می‌دهد تا هنگام تعویض بارهای القایی، بدون جریان‌های هجومی سنگین، توان کامل را دریافت کند.

دیود D۱ از آسیب ناشی از اتصال معکوس ولتاژ ورودی جلوگیری می‌­کند، در حالی که مقاومت 56 اهم (R۳) جریان­‌های di/dt را هنگامی که تریاک خاموش است حذف می­‌کند و باعث حذف تحریک کاذب می‌­شود. همچنین ترمینال گیت را به MT1 متصل کرده و از خاموش شدن کامل تریاک اطمینان حاصل می‌­کند.

اگر از سیگنال ورودی مدوله شده با عرض پالس PWM استفاده شود، فرکانس سوئیچینگ روشن/خاموش باید برای بار AC روی حداکثر کمتر از 10 هرتز تنظیم شود، در غیر این صورت سوئیچینگ خروجی این مدار رله حالت جامد ممکن است نتواند ادامه یابد.