رله های حالت جامد

اصول اولیه ی رله های حالت جامد (SSRها): دستگاه تعویض (سوییچینگ)

نگاهی بر عملکرد پایه ی رله های حالت جامد با تمرکز بر روی دستگاه های خروجی در رله های حالت جامد امروزی.

در مقاله ی زیر، بر عملکرد اصلی رله های حالت جامد با تمرکز بر دستگاه های خروجی در رله های حالت جامد امروزی نگاهی جامع و کلی داشته ایم.

در بسیاری از شرایط مانند استفاده از خروجی ۵ ولت از میکروکنترلر برای روشن کردن بار ۱۰A ، ۲۴۰V، ما نیاز پیدا میکنیم تا بر اساس عملکرد یک مدار کم مصرف، بار/ جریان ولتاژ بالا را کنترل کنیم. در این موارد، لازم است که بین قطعات پر قدرت و کم قدرت سیستم تفکیک کافی انجام گیرد. برای دستیابی به این هدف میتوانیم از انواع مختلفی از رله ها مانند رله های الکترومکانیکی (EMR)، رله های رید و رله های حالت جامد (SSR) استفاده کنیم.

در حالی که EMR ها هنوز هم به صورت وسیعی مورد استفاده قرار می گیرند، اما نباید از معایب آنها در مقایسه با رله های حالت جامد چشم پوشی کرد. در این مقاله ایرادات اصلی EMR ها به طور خلاصه بررسی شده و نکاتی درباره ی عملکرد اصلی SSR با تاکید بر دستگاههای خروجی ارائه شده است.

رله های الکترومکانیکی و ایرادات آنها

رله ی الکترومکانیکی (EMR) برای کنترل موقعیت یک آرماتور، به سیم پیچ خمیده ی روی هسته آهن، انرژی میدهد. برای یک خروجی معمولا باز، سیم پیچ انرژی، آرماتور را مجبور می کند تا تماس های الکتریکی را در حالت روشن قرار دهد. هنگامی که سیم پیچ انرژی خود را از دست می دهد، فنرها می توانند تماس را به حالت خاموش برگردانند.

 

رله های حالت جامد

در EMR، سیم پیچ انرژی، آرماتور را برای اتصال یا قطع کردن پایانه های خروجی حرکت می دهد.

رله ی الکترومکانیکی، پرقدرت بوده و کاربردهای زیادی دارد. با این حال، این رله نسبت به رله های حالت جامد فضای بیشتری را اشغال کرده و از رله های حالت جامد کندتر است. به طور معمول، EMR ۵  تا ۱۵ میلی ثانیه برای تعویض و تنظیم نیاز دارد و این تاخیر در بعضی برنامه ها قابل قبول نیست. علاوه بر این، رله های الکترومکانیکی با توجه به قسمت های متحرک آنها، عمر عملیاتی کمتری دارند.

رله ی الکترومکانیکی از میدان های مغناطیسی برای ایجاد انزوا استفاده می کند. در عوض، رله های حالت جامد، از طریق اتصال نوری، انزوا ایجاد میکند. همانطور که در شکل ۲ نشان داده شده است، در SSR از یک ولتاژ ورودی کوچک، معمولا ۳ تا VDC ۳۲، برای روشن کردن یک LED استفاده می شود. هنگامی که LED روشن است، یک دستگاه حساس به عکس خروجی، مانند TRIAC، جریان را روشن کرده و هدایت می کند.

 

رله های حالت جامد

 

ساختار پایه ی یک SSR

رله های حالت جامد می توانند برای تعویض بار یک DC و یا AC مورد استفاده قرار گیرند. برخی دیگر از انواع رله های حالت جامد، قادر به تغییر هر دو بار AC و DC هستند. نوع خروجی رله های حالت جامد (AC ، DC یا AC / DC) با توجه به نوع دستگاه تعویض تعیین می شود: ترانزیستور (دو قطبی یا MOS)، SCR یا TRIAC.

رله های حالت جامد مبتنی بر BJT

ساختار خروجی ساده سازی شده ی این رله های حالت جامد در شکل ۳ نشان داده شده است. (دقت داشته باشید که این تنها دستگاه خروجی است و اپتوکوپلر نمایش داده نشده است). هنگامی که LED روشن میشود، ترانزیستور جریان را منتقل می کند. همانطور که در شکل ۳ نشان داده شده است، رله های حالت جامد دارای انعطاف پذیری بار هستند: RL می تواند به کلکتور (RL در شکل ۳ و ۵) یا امیتر (RL (ALT)  در شکل ۳ و ۵) و یا پایانه ی ترانزیستور وصل شود.  با توجه به ویژگی های منحنی های شناخته شده I-V یک BJT، که در شکل ۴ نشان داده شده اند، ترانزیستور میتواند در حالت A (اشباع) و یا B (تقریبا کاملاً خاموش) قرار بگیرد.

از آنجا که نقطه کار ترانزیستور از A یا B دور شده و به سمت مرکز خط بار حرکت می کند، ترانزیستور وارد منطقه ای می شود که در آن هر دو ولتاژ کلکتور – امیتر (VCE) و جریان فعلی (IC) زیاد است. در این حالت انرژی زیادی به هدر رفته و ممکن است به رله های حالت جامد آسیب برسد (در A و B ، VCE یا IC کوچک است و گرمای تولیدی قابل کنترل است). برای سرعت بخشیدن به پروسه ی انتقال بین حالتهای روشن و خاموش، برخی از رله های حالت جامد از بازخورد مثبت استفاده می کنند.

رله های حالت جامد

استفاده از BJT به عنوان خروجی رله های حالت جامد

 

رله های حالت جامد

مشخصات جریان ولتاژ BJT

هنگامی که دستگاه تعویض (سوییچینگ) رله های حالت جامد روشن است (به نقطه ی A در تصویر بالا مراجعه کنید)، افت ولتاژ در پایانه های خروجی رله های حالت جامد وجود دارد که به آن “افت ولتاژ در حالت” گفته می شود. این پارامتر در صفحه داده ی دستگاه آورده شده است. برای رله های حالت جامد مبتنی بر BJT، مانند سری DC60، حداکثر افت ولتاژ در حالت، ممکن است بین ۱ تا ۱٫۳ ولت باشد. اگر فرض کنیم که افت ۱ ولت در خروجی SSR داشته باشیم، می توانیم تخلیه نیروی رله های حالت جامد مبتنی بر BJT را در حدود ۱ وات در هر آمپر تخمین بزنیم.

همانطور که در تصویر زیر مشاهده می کنید، تولید کنندگان با استفاده از رله های حالت جامد BJT  از ساختارهایی مانند دارلینگتون و تنظیمات مکمل، برای دستیابی به سود بیشتر از کوپلر-عکس تا مرحله ی تعویض، استفاده می کنند.

 

رله های حالت جامد

دارلینگتون و تنظیمات مکمل مورد استفاده در برخی از SSR های مبتنی بر BJT

رله های حالت جامد مبتنی بر MOS

بسیاری از رله های حالت جامد از ترانزیستورهای MOS به عنوان وسیله تعویض (سوییچینگ) استفاده می کنند. تصویر ۶ نمونه ای از رله های حالت جامد را نشان می دهد که می توانند برای بارهای AC و DC مورد استفاده قرار گیرند. اما چرا این رله های حالت جامد به دو ترانزیستور نیاز دارند؟ رله های حالت جامد با استفاده از یک ترانزیستور، نمی توانند ولتاژ AC را به درستی قطع کنند. همانطور که در شکل ۶ نشان داده شده است، این به این دلیل است که هر ترانزیستور MOS به طور کلی یک دیود انگلی به نام دیود بدنه، بین تخلیه و منبع دارد.

دیود بدنه با داشتن تنها یک ترانزیستور بین پایانه های ۴ و ۳ در تصویر ۶، نیمی از چرخه را با منبع تغذیه AC هدایت میکند. بنابراین، در حالی که جریان نمی تواند از طریق FET منتقل شود، دیود برای نیم چرخه روشن شده است و اجازه می دهد جریان از طریق دستگاه عبور کند. برای از بین بردن این مشکل، از دو ترانزیستور به صورت سری استفاده می شود به طوری که در هر چرخه نیم، یک دیود معکوس وجود دارد که جریان را قطع میکند.

منشا این دیود چیست؟ هر ترانزیستور MOS چهار پایانه دارد: منبع، تخلیه، دروازه و بدنه. برای یک NMOS، منبع و تخلیه از نوع N و بدنه از نوع P است. از این رو، ما یک دیود بین منبع و بدنه و یک دیود دیگر بین تخلیه و بدنه داریم. از آنجا که این منبع به طور کلی به بدنه متصل است (به خصوص در MOSFET های قدرت)، یک دیود میان بدنه (که به منبع متصل است) و تخلیه باقی می ماند. در حین فعالیت طبیعی ترانزیستور کانال N، در جایی که تخلیه در ولتاژ بالاتری نسبت به منبع قرار دارد، دیود معکوس است. اما اگر منبع به ولتاژ بالاتری نسبت به پایانه ی تخلیه متصل شود، دیود شروع به انتقال جریان می کند.

 

رله های حالت جامد

 

SSR مبتنی بر MOS

اگرچه داده های مربوط به رله های حالت جامد مبتنی بر BJT، افت ولتاژ در حالت را نشان میدهند، داده های رله های حالت جامد مبتنی بر MOS مقاومت در حالت را مشخص میکنند، که در دستگاه های مختلف، متفاوت است و می تواند به اندازه چند میلی گرم باشد.

برخی از رله های حالت جامد مبتنی بر MOS منجر به تولید پایانه ی منبع می شوند. همانطور که در شکل ۷ نشان داده شده است، اینگونه دو پیکربندی متفاوت خواهیم داشت. پیکربندی فقط DC، در شکل ۷ می تواند تقریبا نیمی از مقاومت پیکربندی AC / DC  را داشته باشد.

 

رله های حالت جامد

 

پیکربندی AC / DC و پیکربندی فقط DC در SSR مبتنی بر MOS

رله های حالت جامد AC  ولتاژ / جریان بالا معمولا از SCR یا TRIAC به عنوان وسیله ی تعویض استفاده می کنند. از این رله های حالت جامد AC می توان برای جابجایی بار A 90، ۴۸۰ Vrms و تنها با یک دروازه درایو ۵۰ میلی آمپری استفاده کرد. بر خلاف دستگاه های تعویض (سوییچینگ) که قبلا در موردشان صحبت کردیم، SCR ها و TRIAC ها نمی توانند برای تعویض DC مورد استفاده واقع شوند. این به دلیل وجود یک مکانیسم بازخورد مثبت است در SCR ها و TRIAC ها است و از خاموش شدن دستگاه، مگر در هنگام عبور جریانی پایین تر از یک سطح مشخص، جلوگیری می کند. (و این به طور معمول با بار DC رخ نمی دهد.) ویژگی های اصلی این رله های حالت جامد در ادامه به طور خلاصه بررسی شده اند.

رله های حالت جامد مبتنی بر SCR و TRIAC

یکسو کننده ی کنترل شده با سیلیکون (SCR)، یک ساختار PNPN چهار لایه با سه پایانه است: آند، دروازه و کاتد. SCR دارای بازخورد احیا کننده بوده و دو حالت پایدار روشن و خاموش دارد. هنگامی که یک SCR خاموش است، جریان را از هر دو جهت مسدود می کند و وقتی روشن شود، به عنوان یکسو کننده عمل می کند و اجازه می دهد جریان از آند به کاتد منتقل شود. عملکرد یک SCR با مقایسه ی ساختار PNPN یک SCR و آنالوگ ترانزیستور نشان داده شده در شکل ۸ قابل درک است. توجه داشته باشید که ترانزیستور در شکل (b)8 دارای دو عنصر سه لایه (ترانزیستور PNP و یک NPN) است، اما با توجه به اتصال بین لایه های نشان داده شده در شکل (a)8، می توانیم برخی از این لایه ها را بین دو ترانزیستور به اشتراک گذاشته و با استفاده از یک دستگاه PNPN چهار لایه، کل ساختار را ایجاد کنیم.

 

رله های حالت جامد

 

ساختار PNPN مانند دو ترانزیستور BJT عمل می کند.

هنگامی که ولتاژ دروازه ی شکل (B)8 افزایش یابد، IC2 افزایش یافته و منجر به افزایش IB2 می شود. اینگونه مقدار ولتاژ دروازه Q2 هم افزایش می یابد. در نتیجه، یک مکانیسم بازخورد مثبت به وجود می آید که سعی دارد جریان آند به کاتد SCR را افزایش دهد. در حالی که ما می توانیم SCR را با استفاده از سیگنال روی دروازه آن روشن کنیم، اما با کنترل دروازه نمی توانیم آن را خاموش کنیم. SCR فقط با کاهش جریان ورودی به دستگاه به زیر سطح مشخصی می تواند خاموش شود تا بدین ترتیب حلقه بازخورد مثبت به زیر مقدار واحد رسیده و دستگاه انتقال جریان را متوقف کند. با توجه به این مکانیسم بازخورد، ما نمی توانیم از SCR ها برای روشن و خاموش کردن بار DC استفاده کنیم.

از آنجا که یک SCR عمل انتقال در نیمی از چرخه را انجام می دهد، برای جابجایی منبع تغذیه AC، لازم است یک SCR را مانند تصویر ۹، در یک پیکربندی یک پل قرار دهید یا از دو SCR در تنظیمات موازی معکوس استفاده کنید.

 

 

رله های حالت جامد

SSR مبتنی بر SCR را می توان با قرار دادن یک SCR در یک پل (A) و یا دو SCR به صورت موازی معکوس (B) بدست آورد.

در شکل (A)9، وقتی SCR روشن است، ساختار پل مسیری را فراهم می کند که جریان بدون توجه به قطب منبع تغذیه انتقال یابد. یکی از اشکالات اصلی این مدار افت ولتاژ از دو دیود اضافی است که باید به SCR اضافه شوند. ساختار نمایش داده شده در شکل (B)9 از بین رفتن انرژی اضافی را نشان نمی دهد اما برای کار با SCR ها به دو سیگنال کنترل نیاز دارد. یکی از راه های تولید این دو سیگنال کنترل، استفاده از تغییر مدار نشان داده شده در شکل (A)9 به عنوان مرحله پیش برد در شکل (B)9 است. ساختار کلی بسیار شبیه به تصویر ۱۱ خواهد بود. توجه داشته باشید که ساختار در شکل (A)9 برای استفاده به عنوان درایور دستگاه تعویض کننده دیگری مناسب است زیرا در مرحله قبلی جریان می تواند بسیار پایین تر بوده و مصرف قابل کنترل باشد.

تولید کنندگان با ادغام دو SCR در یک ساختار موازی معکوس، به یک سوییچ AC واقعی به نام TRIAC دست یافته اند. TRIAC دارای سه پایانه ی است: دروازه، پایانه ی اصلی ۲ و پایانه ی اصلی ۱٫ جالب اینجاست که یک TRIAC تنها یک ورودی سیگنال کنترل دارد و وقتی دستگاه از طریق این پایانه دروازه فعال می شود، جریان از هر جهت هدایت می شود. ویژگی کلی TRIAC شبیه به دو SCR در پیکربندی موازی معکوس است.

همانطور که در شکل ۱۰ نشان داده شده است، یک TRIAC می تواند به عنوان وسیله تعویض رله های حالت جامد استفاده شود. با این وجود، استفاده از TRIAC به عنوان درایور برای دستگاه تعویض دیگر، همانطور که در شکل ۱۱ نشان داده شده است نیز ممکن است. این طرح به رله های حالت جامد کم قدرت اجازه می دهد تا با استفاده از SCR های خارجی و پرقدرت بارهای جریان بالا را کنترل کنند. در شکل ۱۱ مشاهده میکنیم که چگونه می توانیم از یک TRIAC به همراه سه مقاومت برای تولید دو سیگنال کنترل کننده در شکل (B)9 استفاده کنیم. خواننده با مطالعه ی این متن متوجه خواهد شد که صرف نظر از قطبیت ولتاژ AC خروجی، دروازه ی SCR ها به دلیل جریانی که از طریق TRIAC عبور می کند دارای ولتاژ مثبت خواهد بود. اینگونه و بر اساس قطبیت ولتاژ AC یکی از دو SCR جریان را هدایت می کند.

 

رله های حالت جامد

 

TRIAC به عنوان دستگاه خروجی SSR.

رله های حالت جامد

 

استفاده از TRIAC به عنوان درایور دو SCR در پیکربندی موازی معکوس

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *