انواع مختلف رله‌ها، ساختار، عملکرد و کاربردها

مقدمه‌ای پیرامون رله و انواع مختلف آن، ترمینال‌ها، کارکرد و کاربردهای آن

رله‌ ها، جزء اساسی حفاظت و کلید زنی  مدارهای کنترل و دیگر تجهیزات الکتریکی هستند. تمام رله‌ها، با هدف نهایی باز کردن یا بستن کنتاکت‌ها یا مدارها، با ولتاژ یا جریان سروکار دارند. این مقاله به شکل مختصر در مورد رله‌ها و انواع مختلف رله‌های مورد‌استفاده در کاربردهای گوناگون ‌می‌پردازد. انواع رله

مقاله ی مرتبط :

رله SSR حالت جامد

فهرست مطالب

• ۱- رله چیست؟
• ۲- ساختار رله
• ۲-۱- ترمینال‌های رله
• ۲-۲- ورودی کنترل یا ترمینال‌های سیم‌پیچ
• ۲-۳- COM یا ترمینال مشترک
• ۲-۴- ترمینال NO
• ۲-۵- ترمینال NC
• ۳- قطب‌ها و پرتابه
• ۴- عملکرد رله
• ۵- انواع رله
• ۵-۱- وابسته به قطب‌ها و پرتاب
• ۵-۱-۱- رله‌ی SPST
• ۵-۱-۲- رله‌ی SPDT
• ۵-۱-۳- رله‌ی DPST
• ۵-۱-۴- رله‌ی DPDT
• ۵-۲- شکل‌های رله
• ۵-۲-۱- رله‌ی شکل A
• ۵-۲-۲- رله‌ی شکل B
• ۵-۲-۳- رله‌ی شکل C
• ۵-۲-۴- رله‌ی شکل D
• ۵-۳- بر اساس اصول عملکرد
• ۵-۳-۱- EMR (رله‌ی الکترومغناطیسی)
• ۵-۳-۲- SSR (رله‌ی حالت جامد)
• ۵-۳-۳- رله‌ی ترکیبی
• ۵-۳-۴-رله‌ی Reed
• ۵-۳-۵- رله‌ی الکتروگرمایی (رله‌ی گرمایی)
• ۵-۴- رله‌ی قطبی و غیرقطبی
• ۶-کاربرد رله

۱-رله چیست؟

سوئیچ، مؤلفه‌ای‌است که یک مدار الکتریکی را باز (خاموش) یا بسته (روشن)‌می‌کند. این در حالی‌است که رله، یک سوئیچ الکتریکی‌است که یک مدار ولتاژ بالا را با استفاده از منبع ولتاژ پایین، کنترل (روشن یا خاموش)‌ می‌کند. رله به طور کامل مدار ولتاژ پایین را از مدار ولتاژ بالا، جدا می‌سازد.

۲- ساختار رله

برای آشنایی با ساختار پایه و اجزای درونی رله، در شکل پایین به طور مشخص نمای داخلی یک رله نشان داده‌شده‌است. اجازه دهید تا تمام آن‌ها را به صورت تک تک مورد بحث قرار‌دهیم.

۲-۱-ترمینال‌های رله

به طور کلی، چهار نوع ترمینال در یک رله وجود دارد.

۲-۲-ورودی کنترل یا ترمینال‌های سیم‌پیچ

ترمینال‌های ورودی کنترل، دو ترمینال ورودی یک رله هستند که مکانیزم سوئیچ کردن آن را کنترل می‌کنند.

یک منبع توان کم به این ترمینال‌ها متصل‌می‌شود تا رله را فعال و غیرفعال کند. این منبع می‌تواند بسته به نوع رله، AC یا DC باشد.

۲-۳-ترمینال COM یا مشترک

COM به ترمینال مشترک رله گفته‌می‌شود.

این ترمینال ورودی رله‌است که یکی از انتهاهای مدار بار به آن متصل شده‌است. این ترمینال بسته به وضعیت رله، به طور داخلی به دو ترمینال دیگر متصل شده‌است.

۲-۴-ترمینال NO

ترمینال NO‌ یا ترمینال به طور عادی باز نیز یک ترمینال بار رله است که زمان غیرفعال بودن رله، باز می‌ماند.

ترمینال NO در زمان فعالیت رله، همراه با ترمینال COM، بسته می‌شود.

۲-۵-ترمینال NC

ترمینال NC یا ترمینال به طور عادی بسته، ترمینال بار دیگری از رله است. این ترمینال در زمانی که ورودی کنترل وجود ندارد، به طور عادی به ترمینال COM متصل‌می‌شود. وقتی رله فعال شد، ترمینال NC از ترمینال COM جدا‌شده و تا زمان غیرفعال شدن، باز باقی می‌ماند.

۳-قطب‌ها و پرتابه‌ها

به سوئیچ‌های درون رله، قطب(Pole) می‌گویند.

تعداد سوئیچ‌های درون یک رله را قطب‌های رله می‌گویند.

تعداد مدارهای کنترل‌شده برای هر قطب را پرتابه‌ی(throw) رله می‌گویند.

رله‌ی تک پرتابی، تنها یک مدار را کنترل می‌کند، یعنی یا خاموش یا روشن، در حالی که رله‌ی دو پرتابی می‌تواند دو مدار را کنترل کند، یعنی با باز کردن یک مدار و بستن مدار دیگر، بین مدارها جابجا شود.

۴-عملکرد رله

یک رله‌ی SPDT (تک قطب دو پرتابی) را در نظر بگیرید.

وقتی هیچ منبع جریانی وجود نداشته باشد، رله غیر فعال است و موقعیت قطب آن در ترمینال NC باقی می‌ماند، که در حالت فوق در ترمینال بالایی روی‌می‌دهد. نتیجه‌ی امر، یک مسیر کوتاه الکتریکی بین ترمینال COM و NC‌است. بدین ترتیب، امکان عبور جریان از مدار متصل به ترمینال COM و NC فراهم‌می‌شود.

وقتی رله با استفاده‌از یک منبع ولتاژ پایین، روشن‌می‌شود، قطب رله به سمت ترمینال NO حرکت می‌کند. بدین ترتیب ترمینال NC روشن‌شده و ترمینال COM خاموش می‌گردد یا به صورت الکتریکی به ترمینال NO متصل می‌گردد. در نتیجه، امکان عبور جریان از مدار متصل شده به ترمینال COM و NO فراهم می‌گردد.

۵-انواع رله‌

رله‌ها انواع مختلفی دارند و طبق خصوصیاتشان به چندین دسته تقسیم می‌شوند. هر نوع از رله‌ها برای کاربرد خاصی استفاده می‌شوند و ضرورتاً باید قبل از استفاده‌در هر مدار، رله‌ی مناسب با آن انتخاب گردد.

۵-۱-براساس قطب و پرتاب

رله‌ها براساس تعداد قطب‌ها و پرتاب داخلشان، به انواع زیر تقسیم می‌شوند.

۵-۱-۱-(رله‌ی SPST ( Single Pole Single Throw 

SPST به رله‌ی تک قطب تک پرتاب گفته‌می‌شود.

تک قطب به این معنی‌است که تنها قادر به کنترل یک مدار‌است در حالی که تک پرتاب به این معنی می‌باشد که این قطب تنها یک موقعیت تماس دارد. نمودار SPST در زیر آمده‌است.

رله‌ی SPST دو وضعیت یعنی مدار باز یا بسته دارد.

۵-۱-۲-(رله‌ی SPDT  (Single Pole Double Throws

SPDT به رله‌ی تک قطب دو پرتابی گفته‌می‌شود.

تک قطب به این معنی‌است که تنها یک مدار را در لحظه می‌تواند کنترل کند. دو پرتابی یعنی این قطب دارای دو موقعیت برای اتصال می‌باشد.

رله‌ی SPDT دارای دو وضعیت می‌باشد و در هر وضعیت، یک مدار بسته و دیگری باز‌است.

۵-۱-۳-(رله‌ی DPST (Double Pole Single Throw

DPST به رله‌ی دو قطب تک پرتاب گفته‌می‌شود.

دو قطب یعنی این رله قادر به کنترل دو مدار منفرد مجزا به صورت کامل می‌باشد. تک پرتاب یعنی هر قطب دارای یک موقعیت برای اتصال‌است.

رله‌ی DPST می‌تواند دو مدار را به طور همزمان سوئیچ کند یعنی مدار را باز یا بسته نماید.

۵-۱-۴-(رله‌ی DPDT (Double Poles Double Throws

DPDT به رله‌ی دو قطب دو پرتاب گفته‌می‌شود.

دو قطب یعنی آن قادر به کنترل دو مدار است و دو پرتاب یعنی هر قطب می‌تواند به دو موقعیت جداگانه متصل‌شود.

رله‌ی DPDT را می‌توان به صورت رله‌های SPDT در نظر گرفت البته با این تفاوت که سوئیچ کردن آن‌ها به صورت همزمان می‌باشد.

رله می‌تواند تا 12 قطب داشته‌باشد.

۵-۲-شکل رله‌ها

رله‌ها براساس پیکربندی یا به اصطلاح «شکل» به انواع زیر تقسیم می‌شوند.

۵-۲-۱-رله‌ی شکل A

رله‌ی شکل A، یک رله‌ی SPDT‌است که معمولاً در حالت پیش‌فرض باز (NO) می‌باشد.

آن هیچ ترمینال NO ندارد که وقتی رله فعال‌است به مدار متصل شود و وقتی رله غیرفعال شد، مدار را قطع کند.

۵-۲-۲-رله‌ی نوع B

رله‌ی نوع B، رله‌ی SPST‌است که در حالت عادی در وضعیت بسته (NC) قرار دارد.

ترمینال NC وقتی رله غیرفعال باشد، متصل‌شده و وقتی رله فعال گردید، این ترمینال جدا‌می‌شود.

۵-۲-۳-رله‌ی شکل C

رله‌ی شکل C، یک رله‌ی SPDT‌است که دو ترمینال تماس پرتاب آن را NC و NO می‌گویند.

این رله، دو مدار را کنترل‌می‌کند، یعنی وقتی یک مدار بسته‌است، مدار دیگر باز می‌ماند. آن را رله‌ی «قطع قبل از وصل کردن (make-before-break)» هم می‌گویند چرا که قبل از بسته شدن مدار دیگر، یک مدار را باز‌می‌کند.

۵-۲-۴-رله‌ی شکل D

رله‌ی شکل D نیز یک رله‌ی SPDT‌است و دارای همان اصول رله‌ی C می‌باشد با این تفاوت که آن یک رله‌ی تماس «وصل قبل از قطع»‌است.

این رله قبل از قطع (باز کردن) اولین مدار، مدار بعدی را می‌بندد. از آن برای عدم قطع پیوستگی مدار استفاد‌ه‌می‌شود.

۵-۳-براساس اصول عملکرد

رله‌ها براساس اصول مختلف عملکردشان به گروه‌های زیر تقسیم می‌شوند.

۵-۳-۱- EMR (رله‌ی الکترومغناطیسی)

این نوع رله دارای یک سیم‌‌پیچ الکترومغناطیسی و یک اتصال مکانیکی متحرک می‌باشد. وقتی سیم‌پیچ دارای انرژی شود، یک میدان مغناطیسی ایجاد‌می‌کند. این میدان مغناطیسی، آرمیچر(armature) (اتصال متحرک) را جذب می‌کند. وقتی انرژی سیم‌پیچ تخلیه شد، میدان مغناطیسی را از دست‌داده و یک فنر، آرمیچر را به حالت عادی خود باز می‌گرداند.

رله‌ی EMR بسته به کاربردش برای منبع AC یا DC  طراحی‌می‌شود. ساختار رله‌ی EMR AC و DC از همدیگر متفاوت‌است به این صورت که یک اختلاف اندک در ساختار سیم‌پیچ وجود دارد. سیم‌پیچ DC یک دیود چرخش آزاد(freewheeling diode) برای حفاظت در مقابل EMF  Backو تخلیه‌ی انرژی سیم‌پیچ دارد.

پلاریته ی منبع در رله‌ی EMR مهم نیست، در هر پلاریته‌ای سیم پیچ این نوع رله کار می کند اما اگر یک دیود EMF Back  نصب شده‌باشد، آن‌گاه پلاریته ی منبع  باید مدنظر قرار‌گیرد.

ایراد اصلی رله‌ی EMR آن‌است که کنتاکت‌های ایجاد جرقه در حین فرایند قطع کردن می‌کنند که این امر منجر به افزایش مقاومت آن در طول زمان و کاهش طول عمر رله می‌شود.

۵-۳-۲- SSR (رله‌ی حالت جامد)

رله‌ی SSR به جای اجزای مکانیکی از نیمه رساناها ساخته‌شده و برای مجزا کردن مدار ولتاژ پایین از مدار ولتاژ بالا با استفاده از یک متصل‌کننده‌ی نوری (optocoupler) کار‌می‌کند.

وقتی ورودی کنترل به یک رله‌ی حالت جامد اعمال گردید، یک LED روشن‌شده و نور مادون قرمز تولید‌می‌کند. این نور توسط یک دستگاه نیمه رسانای حساس به نور دریافت‌می‌شود و این دستگاه سیگنال نور را به یک سیگنال الکتریکی تبدیل کرده و مدار را سوئیچ می‌کند.

SSR با سرعت نسبتاً بالا عمل می‌کند و مصرف توان بسیار کمی در مقایسه با رله‌ی EMR دارد. طول عمر آن هم طولانی‌تر‌است چرا که هیچ اتصال فیزیکی وجود ندارد که بسوزد.

ایراد اصلی رله‌ی SSR در افت ولتاژ اسمی آن در نیمه‌رسانا‌است که سبب هدررفت توان به شکل گرما‌می‌شود.

۵-۳-۳- رله‌ی ترکیبی

رله‌های ترکیبی با استفاده از رله‌های SSR و EMR ایجاد شده‌اند.

همانطور که می‌دانیم توان SSR به شکل گرما به هدر می‌رود و EMR هم دارای مسئله‌ی جرقه‌زنی اتصال‌است. رله‌ی ترکیبی از هر دو رله‌ی SSR و EMR برای غلبه بر معایبشان، استفاده‌می‌کند.

در رله‌ی ترکیبی، SSR و EMR به صورت موازی استفاده‌شده‌اند. یک مدار کنترل رله برای آن که SSR در ابتدا سوئیچ‌شود، بکار می‌رود. SSR جریان بار را دریافت می‌کند. بدین ترتیب، مسئله‌ی جرقه‌زنی رفع‌می‌شود. وقتی مدار کنترل دارای انرژی شد، سیم‌پیچ EMR و اتصال آن بسته می‌شوند اما هیچ قوسی وجود ندارد چرا که SSR بار را به صورت موازی دریافت می‌کند. بعد از مدتی، وقتی اتصال EMR برقرار شد، ورودی کنترل SSR، حذف‌می‌شود. EMR، کل بار را بدون هیچ گونه تلفاتی، انتقال می‌دهد. از آن‌جایی که هیچ جریانی از SSR عبور نمی‌کند و EMR کل بار را دریافت‌می‌کند، هیچ اتلاف توانی به شکل گرما وجود ندارد. بدین ترتیب مسئله‌ی گرما هم حل‌می‌شود.

۵-۳-۴-رله‌ی Reed

این رله از یک سوئیچ نی و یک سیم‌پیچ الکترومغناطیسی با یک دیود برای EMF Back ساخته‌شده‌است. سوئیچ نی، از دو تیغه‌ی فلزی ساخته شده از فلز فرومغناطیس ساخته شده که به طور محکم در یک لوله‌ی شیشه‌ای‌ که تیغه‌های فلزی را پشتیبانی می‌کند، قرار گرفته‌اند. این شیشه از گاز خنثی پر شده‌است.

وقتی سیم‌پیچ دارای انرژی شد، تیغه‌های فلزی فرومغناطیس، همدیگر را جذب کرده و یک مسیر بسته ایجاد می‌کنند. از آن‌جایی که هیچ آرمیچر متحرکی وجود ندارد، پس مسئله‌ی خرابی اتصال هم وجود نخواهد داشت. لوله‌ی شیشه‌ای نیز با گاز خنثی پر شده که آن هم طول عمر را افزایش می‌دهد.

۵-۳-۵-رله‌ی الکتروگرمایی (رله‌ی گرمایی) (Electro thermal Relay)

رله‌ی الکتروگرمایی از نوار دوفلزی (ساخته‌شده از دو فلز دارای ضرایب انبساط گرمایی مختلف) ایجاد شده‌است.

۵-۳-۵-رله‌ی گرمایی (رله‌ی اضافه بار)

وقتی جریان از رسانا عبور می‌کند، گرما تولید می‌شود. به سبب آن، دمای نوار دوفلزی افزایش یافته و منبسط می‌شود. فلز دارای ضریب انبساط گرمایی بالا، بیش از فلز دیگر منبسط می‌گردد. به این دلیل، نوار خمیده شده و به اتصال‌ها نزدیک می‌گردد تا معولا مدار تریپ را فعال کند.

                 

۵-۴-رله‌ی قطبی و غیرقطبی (با پلاریته و بدون پلاریته) (Polarized & Non-polarized Relay)

رله‌ی قطبی از یک مغناطیس پایدار با یک الکترومغناطیس استفاده می‌کند. مغناطیس پایدار، موقعیت ثابتی را برای آرمیچر مهیا می‌سازد. سیم‌پیچ الکترومغناطیسی، موقعیت آرمیچر را در اطراف محور ثابت، تغییر می‌دهد. موقعیت آرمیچر به قطبیت ورودی کنترل، بستگی دارد.

رله‌ی غیرقطبی از مغناطیس‌های پایدار استفاده نمی‌کند و سیم‌پیچ آن را می‌توان در هر دو سمت و بدون اثرگذاری بر موقعیتش، دارای انرژی کرد.

۶-کاربردهای رله

• رله‌ها برای جداسازی یک مدار ولتاژ پایین از مدار ولتاژ بالا بکار می‌روند.
• آن‌ها برای کنترل چند مدار استفاده‌می‌شوند.
• آن‌ها همچنین به عنوان تغییر خودکار مدارها (Change over) مورد استفاده قرار می‌گیرند.
• ریزپردازنده‌ها از رله‌ها برای کنترل یک بار الکتریکی سنگین استفاده می‌کنند.
• رله‌های اضافه بار برای حفاظت از موتور در مقابل سربار و قطع جریان الکتریکی بکار می‌روند.

انواع دیگری از رله‌ها هم هستند که در مدارهای الکتریکی و الکترونیکی مختلف مورد استفاده قرار می‌گیرند.