آشنایی با رله حالت جامد یا رله SSR دیجیتال
رله حالت جامد دیجیتال
رله حالت جامد Solid State Relay یا رله SSR یک کلید الکترونیک تشکیل شده از عناصر نیمه هادی قدرت مانند ترانزیستور، تریستور و یا ترایاک است. این رله در مدل های AC و DC با تعداد پل های مختلف جهت استفاده در مدارهای فرمان و قدرت جریان مستقیم، متناوب تک فاز و سه فاز ساخته می شود. در این مقاله ابتدا با ساختار رله حالت جامد آشنا شده و در ادامه معایب، نحوه قطع و وصل جریان و ایزوله سازی آن ها را بررسی می کنیم.
ساختار رله حالت جامد
رله حالت جامد دارای دو بخش فرمان و قدرت بوده که با شیوه های مختلفی از یکدیگر ایزوله می شوند. در این رله با اعمال ولتاژ فرمان بسیار کوچکی می توان جریان و ولتاژ های بزرگ تری را در مدار قدرت قطع و وصل کرد. در واقع ساختمان این رله شبیه به ساختمان کنتاکتور است؛ با این تفاوت که هیچ قطعه ی متحرکی در آن وجود نداشته و به جای استفاده از نیروی الکترومکانیکی، از نیمه هادی ها در سوئیچ بار استفاده می شود. در تصویر زیر یک رله SSR سه فاز 25 آمپر را مشاهده می کنید.
با توجه به استفاده از عناصر نیمه هادی، سرعت پاسخ گویی یا قطع و وصل این رله در مقایسه با مدل های مکانیکی بسیار سریع تر بوده و می توان از آن در مدارهای لحظه ای استفاده کرد. سرعت عملکرد این رله بسیار بالا و بین 1 تا 100 نانو ثانیه است. از طرفی به علت پائین بودن ولتاژ و جریان تحریک که با توجه به نوع ایزوله سازی می تواند بین 6 تا 100 میلی وات باشد، می توان این رله را مستقیم به خروجی کنترلر ها مانند انواع IC و PLC متصل کرد. در تصویر زیر یک نمونه رله حالت جامد فرمان، جهت نصب روی سوکت را مشاهده می کنید.
معایب رله SSR
مزایای ذکر شده به علاوه ی طول عمر بالا، توانایی سوئیچ انواع بار مانند مصرف کننده های اهمی، القایی، روشنایی و … باعث افزایش سرعت استفاده از رله حالت جامد در تاسیسات الکتریکی شده است. اما این قطعه معایب خاصی داشته و می توان گفت که برای هر نوع مداری مناسب نیستند. با در نظر گرفتن موارد درج شده در جدول زیر می توانید یک انتخاب مناسب بین رله حالت جامد یا کنتاکتور داشته باشید.
نوع کلید | مزایا | معایب |
SSR
(Solid State Relay) |
|
|
EMR
(Electromechanical Relay) |
|
|
قطع و وصل جریان در رله حالت جامد
رله حالت جامد در مدل های تک، دو و سه پل برای کلید زنی در انواع مدارهای فرمان و قدرت جریان مستقیم، تک فاز و سه فاز جریان متناوب ساخته می شود. با توجه به نوع رله ممکن است تعداد ترمینال های روی آن متفاوت باشد. به عنوان مثال رله ی تک فاز نشان داده شده در تصویر زیر را در نظر بگیرید. این رله دارای دو ترمینال قدرت و دو ترمینال فرمان است. ترمینال های قدرت با شماره ی های 1 و 2 و علامت جریان متناوب مشخص شده اند. عبارت 24 تا 380 ولت به این معنی ست که رله می تواند برای قطع و وصل بار در مداری با این بازه ی ولتاژ قرار بگیرد. در ادامه عبارت 40 آمپر/250 ولت میزان جریان نامی در این ولتاژ را نشان می دهد.
صرف نظر از ساختمان داخلی رله حالت جامد، ولتاژ کنترل آن می تواند به صورت AC یا DC باشد. این ولتاژ ممکن است به صورت یک بازه روی بدنه ی رله درج شده باشد. طبق تصویر بین ترمینال های 3 و 4 عبارت 3~32 VDC به همراه پلاریته ی مثبت و منفی درج شده است. این اطلاعات به معنی مستقیم بودن ولتاژ فرمان، مهم بودن پلاریته ی آن و بازه ی کاری بین 3 تا 32 ولت می باشد. در این مثال اگر ولتاژی بیشتر از 3 ولت به بخش کنترل اعمال شود، رله روشن شده و مدار قدرت را برق دار می کند. نکته ی مهم این است که برای خاموش شدن رله، ولتاژ فرمان باید به میزان کمتر از 50 درصد حداقل درج شده روی رله برسد.
یکی از بزرگ ترین معایب رله SSR، جریان نشتی آن هنگام خاموش بودن است. این مقدار در منابع مختلف حدود چند میکروآمپر اعلام شده و در تصویر با شکل موج های سینوسی قابل مشاهده هستند. در این مثال هنگام خاموش بودن رله که از نوع AC می باشد، ممکن است جریانی حدود یک هزارم جریان بار از آن عبور کند. این جریان به شکل سینوسی و با دامنه ی بسیار کم در مدار جاری خواهد شد.
یکی از مزیت های رله حالت جامد در مدارهای جریان متناوب، قطع جریان مدار قدرت در نقطه ی صفر است. این رفتار ناشی از خصوصیات ذاتی عناصر نمیه هادی قدرت بوده ولی در مورد وصل جریان صدق نمی کند. رله های حالت جامد از نظر نوع راه اندازی مدار قدرت در جریان متناوب به دو گروه غیر سنکرون و سنکرون تقسیم می شوند.
رله غیر سنکرون
در تصویر زیر شکل موج عملکرد رله ی غیر سنکرون در مدار قدرت جریان متناوب با بار اهمی را مشاهده می کنید. سطر اول شکل موج سینوسی ولتاژ منبع، سطر دوم شکل موج جریان خروجی رله و سطر سوم ولتاژ کنترل رله را نشان می دهد.
طبق شکل و با وصل شدن ولتاژ مدار فرمان، جریان مدار قدرت بدون در نظر گرفتن موقعیت آن هدایت خواهد شد اما هنگام قطع، جریان تا صفر شدن ادامه پیدا می کند. به علت عدم کنترل رله حالت جامد روی شکل موج جریان در لحظه ی استارت، نام این رله غیر سنکرون در نظر گرفته شده است.
جهت مطالعه ده ها مقاله ی تخصصی دیگر، بخش مقالات آموزش مدار فرمان را مشاهده کنید.
رله سنکرون
در تصویر زیر شکل موج عملکرد رله ی سنکرون در مدار قدرت جریان متناوب با بار اهمی را مشاهده می کنید. سطر اول شکل موج سینوسی ولتاژ منبع، سطر دوم شکل موج جریان خروجی رله و سطر سوم ولتاژ کنترل رله را نشان می دهد.
طبق شکل و با وصل شدن ولتاژ مدار فرمان، جریان قدرت به صورت لحظه ای هدایت نشده و تا نقطه ی صفر بعدی به تاخیر خواهد افتاد. این رله برای هر دو لحظه ی روشن و خاموش شدن از نقطه ی صفر جریان استفاده کرده و به همین علت این نوع رله حالت جامد به نام رله ی سنکرون شناخته می شود.
ایزوله سازی در رله حالت جامد
در کنتاکتورها هیچ ارتباط الکتریکی بین مدار فرمان و قدرت وجود ندارد. در واقع با اعمال ولتاژ به بوبین، یک نیروی مغناطیسی ایجاد شده و باعث قطع و وصل کنتاکت های قدرت می شود. این خاصیت باعث ایجاد توانایی در انتخاب ولتاژ جدا گانه برای مدار فرمان و قدرت، بالا بردن ایمنی و … می شود.
در عناصر نیمه هادی مانند ترانزیستور و … بین قسمت کنترل و قدرت ارتباط الکتریکی مستقیم وجود دارد. این ارتباط می تواند مشکلات زیادی را هنگام سوئیچ بارها، بروز انواع خطا و یا استفاده در ولتاژهای مختلف ایجاد کند. برای رفع اشکالات ناشی از یکپارچه بودن مدار فرمان و قدرت در رله های حالت جامد از انواع مختلف ایزوله سازی استفاده می شود. با این کار می توان ارتباط الکتریکی بین دو مدار فرمان و قدرت را به صفر رساند. برای ایزوله سازی در رله های حالت جامد از انواع روش های هیبریدی، مغناطیسی و نورانی استفاده می شود.
هیبرید یا کوپل با رید رله Reed-Relay-Coupled
در تصویر زیر مدار داخلی یک رله حالت جامد تک فاز از نوع هیبرید یا کوپل با رید رله را مشاهده می کنید. این رله از یک سیم پیچ کوچک و رله ی حساس به میدان مغناطیسی در بخش فرمان و یک ترایاک و مدار فعال کننده در بخش قدرت تشکیل شده است. طبق تصویر هیچ ارتباط الکتریکی بین دو قسمت فرمان و قدرت وجود ندارد. با اعمال ولتاژ مستقیم یا DC به مدار کنترل، یک میدان مغناطیسی ایجاد شده و باعث بسته شدن تیغه ی رید رله می شود. بسته شدن تیغه باعث وصل مدار فعال کننده و در نهایت روشن شدن ترایاک می شود. با قطع ولتاژ مدار فرمان، میدان مغناطیسی از بین رفته و پلاتین رید رله به حالت اول خود باز می گردد. با باز شدن تیغه، مدار فعال کننده و ترایاک خاموش خواهند شد.
کوپل با ترانسفورماتور Transformer-Coupled
در تصویر زیر مدار داخلی یک رله حالت جامد تک فاز با کوپل ترانسفورماتوری را مشاهده می کنید. در این رله از اولیه ی یک ترانسفورماتور کوچک در بخش فرمان و از ثانویه ی آن در تحریک ترایاک استفاده می شود. با این روش ارتباط الکتریکی بین دو قسمت فرمان و قدرت به یک ارتباط مغناطیسی تبدیل می شود.
در صورتی که ولتاژ فرمان رله حالت جامد از نوع متناوب باشد، آن را مستقیم به اولیه ی ترانسفورماتور متصل می کنیم. (منظور از مستقیم عدم یکسوسازی و یا تغییر در فرکانس می باشد. ممکن است مدارهایی جهت محدود کردن ولتاژ و جریان قبل از اتصال به اولیه ی ترانسفورماتور در نظر گرفته شده باشد.) از آن جایی که ولتاژ مستقیم توانایی ایجاد میدان مغناطیسی در ترانسفورماتور را ندارد، برای رله های DC از یک مبدل در بخش فرمان استفاده می شود. با این کار ولتاژ مستقیم به ولتاژ متناوب تبدیل و سپس به اولیه ی ترانسفورماتور اعمال می شود.
با برق دار شدن اولیه ی ترانسفورماتور و ایجاد میدان مغناطیسی، ولتاژ ثانویه تشکیل می شود. این ولتاژ در بخش مدار قدرت برای تحریک ترایاک استفاده خواهد شد. برای خاموش کردن رله کافی ست ولتاژ مدار فرمان را قطع کنیم. با این کار میدان مغناطیسی و به دنبال آن ولتاژ ثانویه از بین خواهد رفت.
کوپل نورانی Photo-Coupled, Optically Coupled, Photo-Isolated
در تصویر زیر مدار داخلی یک رله حالت جامد تک فاز با کوپل نورانی را مشاهده می کنید. در بخش فرمان این رله از یک منبع نور و در سمت قدرت آن از یک نیمه هادی وابسته به نور استفاده شده است. با این کار ارتباط الکتریکی بین دو قسمت فرمان و قدرت به یک ارتباط نوری تبدیل شده است.
ولتاژ فرمان رله SSR معمولا مستقیم یا DC می باشد. با اعمال ولتاژ به بخش اولیه، یک دیود نورانی معمولی و یا مادون قرمز روشن خواهد شد. این نور باعث تحریک نیمه هادی سمت قدرت شده و در نهایت ترایاک روشن می شود. با قطع ولتاژ مدار فرمان، منبع نورانی خاموش و در نتیجه مدار قدرت نیز باز می شود.
این روش با نام های مختلفی مانند فتوکوپلر یا اپتوکوپلر (Optocoupler, Photocoupler) بسیار پر کاربرد بوده و در تجهیزات دیگر مانند انواع سنسور، PLC و … نیز جهت ایزوله سازی مدارها از یکدیگر استفاده می شود.
در مقاله بعد به بررسی و آموزش نصب وسیم بندی رله حالت جامد می پردازیم.
بسیار عالی و کامل آقای مهندس … امیدوارم در زندگی و کارتان موفق و سربلند باشید.
ممنون از شما. خوشحالیم که مطالب براتون مفید بوده
سلام و دورود :
تشکر میکنم بابت مطالب مفیدتون و اینکه خواستم بپرسم مزیت رله نوع سنکرون نسبت به غیر سنکرون چیه ایا واقعا ارزش هزینه بیشتر رو براش داره؟؟؟ باتشکر
سلام. ممنون بابت نظر لطف شما. همانطور که در مقاله شرح داده شده فقط لحظه ی هدایت و قطع جریان در این رله متفاوت هست. یعنی شروع از صفر ولتاژ و پایان هم در همین نقطه. این مورد بستگی به نوع بار داره و در موارد معمول خیلی تفاوتی ایجاد نمی کنه.
شما بی نظیر هستید،ممنون از سایت خوب اینستا فوق العاده،و پیگیری شما،شما بی شک در کار خودتون جز اولینها هستید
از نظر لطف و حمایت شما بسیار سپاسگزاریم. خوشحالیم که براتون مفید بوده. موفق باشید.
با سلام
استفاده از ssr برای محیط ضد انفجار منع قانونی و استاندارد دارد؟ با توجه به اینکه که جریان نشتی دارد میتواند حادثه ساز باشد؟
سلام وقت بخیر. باید جستجو کنید. از نظر استاندارد چیزی رو در این خصوص مطالعه نکردیم.