رله SSR حالت جامد

رله حالت جامد (SSR) – انواع رله‌های SSR – عملکرد و ساختار آنها

در این مقاله، ما به طور خلاصه در مورد SSR (رله حالت جامد)،ساختار، عملکرد و انواع مختلف رله‌های ssr براساس ویژگی سوئیچینگ و ورودی / خروجی آنها بحث خواهیم کرد. همچنین در مورد مزایا و معایب رله حالت جامد (SSR) در مقایسه با رله الکترومغناطیسی (EMR) بحث خواهیم کرد.

مقالات مرتبط :

انواع مختلف رله‌ها، ساختار، عملکرد و کاربردهای آن‌ها

فهرست مطالب

۱-رله حالت جامد (SSR) چیست؟

۱-۱ تفاوت بین SSR و EMR

۲- ساختار رله SSR (رله حالت جامد)

۲-۱- ترمینال های رله SSR

۲-۲- ترمینال ورودی یا کنترل

۲-۳- خروجی در حالت عادی باز (NO) ترمینال ها

۲-۴-خروجی در حالت عادی بسته (NC) ترمینال ها

۳-عملکرد و کار رله SSR

۴- مدل شماتیک رله SSR

۵- انواع مختلف رله SSR

۵-۱طبقه بندی بر اساس ورودی / خروجی

۵-۱-۱- رله  DC-To-AC SSR

۵-۱-۲- رله  AC-to-AC SSR

۵-۱-۳- رله  SSR  DC-To-DC

۵-۱-۴- رله  DC-To-AC / DC SSR

۵-۲- طبقه بندی بر اساس ویژگی های سوئیچینگ

۵-۲-۱- رله SSR روشن شونده به صورت آنی(Instant ON SSR Relay)

۵-۲-۲- رله SSR سوئیچ شونده در صفر(Zero Switching SSR Relay)

۵-۲-۳- رله  SSR  سوئیچ شونده در پیک (Peak Switching SSR Relay)

۵-۲-۴- رله SSR سوئیچ شونده آنالوگی(Analog Switching SSR Relay)

۵-۳- طبقه بندی بر اساس قطب ها و پرتاب(Poles & Throw)

۵-۳-۱-فرم A یا SSR نوع SPST NO

۵-۳-۲- فرم B یا SSR نوع SPST NC

۵-۳-۳-فرم C یا SSR نوع SPDT

6- مزایا و معایب رله‌های ssr ( حالت جامد )

۶-۱-مزایا:

۶-۲-معایب

7- کاربردهای رله‌های ssr ( حالت جامد )

۱-رله حالت جامد (SSR) چیست؟

رله حالت جامد ( ssr ) یک ابزار کلیدزنی الکترونیکی ساخته‌شده از نیمه هادی‌‌ها است‌که با استفاده از ولتاژ پایین در ترمینال‌های کنترلی خودش، یک مدار ولتاژ بالا را روشن و خاموش می‌کند.

بر خلاف EMR (رله الکترومغناطیسی) که کویل و سوئیچ مکانیکی (کنتاکت فیزیکی) دارد، رله SSR از Optocoupler (اوپتو کوپلر) برای جدا کردن مدار کنترلی از مدار کنترل شونده استفاده‌می‌کند.

مطالعه‌ی جواب سوال زیر پیشنهاد می‌گردد:

کاربرد رله ی ssr کجاست؟

۱-۱ تفاوت بین SSR و EMR

عملکرد رله SSR (رله حالت جامد) و EMR (رله الکترومغناطیسی یا رله کنتاکتی) مشابه‌است در حالی که تفاوت اصلی بین SSR و EMR این‌است که هیچ بخش مکانیکی و کنتاکتی در رله SSR وجود ندارد. به طور معمول، SSR فقط دارای کنتاکت 1a‌است در حالی که EMR دارای کنتاکت‌های متعدد‌است.

تفاوت دیگر‌بین رله حالت جامد و رله الکترومغناطیسی این‌است که هیچ افزایش ولتاژ ناگهانی(Voltage surge)  و یا نویز در زمان کار SSR وجود ندارد. احتمال وجود جریان نشتی در حدود μA تا mA در رله SSR وجود دارد در حالیکه مقدار جریان نشتی در رله الکترومغناطیسی صفر‌است. از سوی دیگر، SSR بارهای AC را در عبور از نقطه ی صفر جریان سوئیچ می‌کنند که در صورت بار  سلفی موجب از بین رفتن سر و صدا، لرزش و جرقه نسبت به EMR میشود.

۲- ساختار رله SSR (رله حالت جامد)

۲-۱- ترمینال های رله 

رله SSR دارای دو مجموعه ترمینال‌های ورودی و ترمینال‌های خروجی‌است. این ترمینال‌ها در زیر توضیح داده‌شده‌اند:

۲-۲- ترمینال ورودی یا کنترل

این دو ترمینال، ترمینال کنترل ورودی هستند. این ترمینال‌ها به یک مدار قدرت پایین، متصل هستند که سوئیچینگ ترمینال‌ها‌ را کنترل می‌کند.

ورودی کنترل یک رله SSR برای مدار DC یا AC به طور جداگانه طراحی می‌شود .

۲-۳-ترمینال‌های خروجی به طور معمول باز (NO)

بسته به کنترل ورودی ، ترمینال‌های خروجی رله SSR ، روشن و خاموش می‌شوند.

به طور معمول اتصال الکتریکی بین ترمینال ها این نوع رله SSR باز‌است. هنگامی که رله فعال می‌شود، این ترمینال‌ها به هم متصل می‌شوند و یک مسیر بسته را فراهم می‌کنند .

ترمینال‌های خروجی به طور خاص برای جریان AC یا DC طراحی می‌شوند. بر خلاف رله‌های EMR ، یک رله SSR نمی‌تواند هر دو سیگنال  AC و DC را با استفاده‌از همان ترمینال‌ها سوئیچ کند.

۲-۴-ترمینال‌های خروجی به طور معمول بسته (NC)

این ترمینال‌های رله تا زمانی که رله فعال شود بسته باقی می‌ماند. هنگامی که رله فعال‌می‌شود جریان وجود ندارد. پس از فعال شدن ترمینال‌های رله باز می‌شود.

نکته: رله‌های SSR رایج معوملا هیچ ترمینال NC ندارند. اما فرم B و فرم C  رله SSR (که در پایین بحث شده‌است) از ترمینال NC استفاده‌می‌کنند.

۳-عملکرد و کار رله SSR

هنگامی که ولتاژ پایین به ورودی ترمینال‌های کنترلی رله SSR اعمال می‌شود ، ترمینال های خروجی به صورت الکتریکی اتصال کوتاه میشود.

ورودی رله، optocoupler  را فعال می‌کند که مدار بار سوئیچ می‌شود. optocoupler هیچ اتصال فیزیکی ندارد و مدار ولتاژ پایین را از مدار ولتاژ بالا جدا میکند.

Optocoupler در ورودی دارای چراغی‌است که نور مادون قرمز را هنگام اعمال ولتاژ ساطع می‌کند. این امواج رادیویی توسط حسگر نوری (ترانزیستور نوری، دیود نوری و غیره) در انتهای خروجی این سنسورها دریافت‌می‌شود. سنسور نوری، سیگنال نور را به سیگنال الکتریکی تبدیل‌کرده و از این طریق سوئیچ مدار بین ترمینال‌ها را وصل‌میکند.

برای فعال‌کردن optocoupler، ولتاژ ورودی آن باید بیشتر از ولتاژ رو به جلو یا آستانه آن (forward voltage) باشد. به همین دلیل، رله SSR در ولتاژ پایین تر از ولتاژ مشخص‌شده  یا آسانه آن فعال نمی‌شود.

مدار خروجی رله SSR برای مدارهای AC و DC متفاوت‌است. این مدار معمولا از تریاک (TRIAC) یا تریستورها(Thyristors ) برای جریان AC و از MOSFET های قدرت برای جریان DC ساخته‌شده‌است.

۴-مدل شماتیک رله‌ی SSR

یک شماتیک کلی برای عملکرد یک رله SSR،  DC به AC  در زیر نمایش داده‌شده‌است :

یک ورودی ولتاژ DC به مقدار کافی در ترمینال‌های ورودی کنترلی اعمال‌می‌شود. یک دیود برای محافظت در برابر ولتاژ معکوس DC استفاده‌شده‌است.

هنگامی‌که ولتاژ به LED optocoupler اعمال میشود، نور مادون قرمز را منتشر می‌کند.

در انتهای دیگر، Opto-TRIAC (گیرنده)  نور را دریافت‌می‌کند و سوئیچ‌ها را روشن می‌کند. به محض اینکه optocoupler روشن می‌شود، جریان خروجی AC از طریق آن جریان می‌یابد.

به این ترتیب، این خروجی اپتوکوپلر، ترایاک را فعال میکند. بنابراین جریان AC می‌تواند برقرار‌شود.

۵-انواع رله SSR

انواع مختلفی از رله SSR (رله حالت جامد) وجود دارد. . آن‌ها بر اساس شکل ورودی / خروجی خود یا ویژگی سوییچینگ شان طبقه‌بندی می‌شوند .

۵-۱-طبقه بندی بر اساس ورودی / خروجی

در زیر برخی از انواع متداول‌ترین رله‌های SSR براساس مدار خروجی و ورودی‌شان ( AC / DC ) دسته‌بندی شده‌اند.

۵-۱-۱-رله DC-to-AC SSR

این رله با ورودی DC عمل می‌کند تا مدار بار AC  را سوئیچ کند. ورودی کنترلی این نوع  رله SSR فقط با ورودی DC عمل می‌کند.

علت این که این رله روی ورودی AC کار نمی‌کند به این دلیل‌است که optocoupler روی جریان مستقیم عمل می‌کند. ترمینال‌های ورودی آن نیز فقط در یک جهت هستند. تغییر پلاریته‌ی ورودی، رله را فعال نمی‌کند. در این نوع SSR  از دیود برای محافظت در مقابل اعمال پلاریته‌ی معکوس در ورودی استفاده می‌شود.

حتی پس از اعمال ورودی‌های مورد نیاز ، سوئیچ خروجی این SSR فعال نمی‌شود، تنها زمانی که ولتاژ AC به ترمینال‌های خروجی آن اعمال‌شود سوئیچ خروجی فعال‌می‌شود.

شکل زیر شماتیک رله SSR  DC – to – AC‌است .

۵-۱-۲-رله AC-TO-AC SSR

در این نوع،  رله SSR تنها زمانی عمل‌می‌کند که هر دو مدار ورودی و خروجی AC باشند.

همانطور که می دانیم، optocoupler بر روی ولتاژ DC عمل می‌کند. بنابراین از یک یکسوساز قبل از optocoupler برای تبدیل AC به DC استفاده‌می‌شود.

هنگامی‌که ولتاژ AC کافی به ترمینال کنترل ورودی اعمال‌می‌شود،رله فعال‌شده و جریان AC بار را فعال‌میکند.

شماتیک آن در زیر آمده‌است.

۵-۱-۳- رله SSR  DC-To-DC

این رله می‌تواند بار DC با توان بالا را با استفاده از سیگنال کم قدرت DC، سوئیچ کند.

ورودی DC به optocoupler اعمال می‌شود همانطور که در مثال بالا توضیح داده‌شده.

با این حال، برای سوئیچ بار DC، از یک MOSFET قدرت یا IGBT استفاده‌میشود.

MOSFET جریان را فقط در یک جهت هدایت می‌کند، بنابراین لازم‌است تا اطمینان حاصل‌شود که بار خروجی با پلاریته ی صحیح متصل شده‌است. از دیود حافظتی برای جلوگیری از آسیب در صورت اعمال پلاریته ی معکوس استفاده‌می‌شود.

اگر بار سلفی وجود داشته‌باشد، یک دیود جریان چرخان(freewheeling)با بار باید استفاده‌شود.

۵-۱-۴-رله DC-To-AC / DC SSR

این‌نوع رله SSR می‌تواند بار AC و DC را با استفاده از ترمینال‌های جداگانه سوئیچ کند.

این نوع رله SSR از MOSFET ها‌به صورت سری با ترمینال‌های مشترک منبع برای سوئیچینگ هر دو مدار AC و DC استفاده‌می‌کند.

شماتیک آن در زیر نمایش داده‌شده‌است.

این شماتیک یک آرایه سلولی دیود نوری را به عنوان یک سنسور نور نشان می‌دهد که هنگامی‌که LED فعال‌می‌شود ولتاژ تولید‌می‌کند. این ولتاژ به گیت و منبع N-MOSFET‌ها به صورت سری اعمال‌می‌شود

برای استفاده‌از این رله برای مدار AC، ترمینال‌های درین یا تخلیه MOSFET‌ها استفاده‌میشود و ترمینال‌های منبع (source) باید بدون‌استفاده باقی بمانند.

هنگام استفاده‌از مدار DC، ترمینال درین(Drain) و منبع(source) MOSFET‌ها برای سوئیچینگ استفاده‌میشود.

۵-۲-طبقه بندی بر اساس ویژگی سوئیچینگ

رله‌های SSR نیز براساس خواص سوئیچینگ‌شان که در زیر آورده‌شده‌اند طبقه‌بندی می‌شوند.

این رله‌ها مدارهای AC را کنترل می‌کنند و برای کنترل خروجی‌های دلخواه در یک کاربرد خاص مورد‌استفاده قرار‌می‌گیرند.

۵-۲-۱-رله SSR روشن شونده به صورت آنی(Instant ON SSR Relay)

این نوع رله ، هر زمان که ولتاژ ورودی کافی اعمال شود ، مدار بار سوییچ می‌کند. پس از برداشتن ورودی کنترل، بعد از عبور ولتاژ بار از صفر بعدی، خروجی رله خاموش‌میشود.

۵-۲-۲- رله SSR سوئیچ شونده در صفر(Zero Switching SSR Relay)

این نوع رله هنگامیکه یک ولتاژ ورودی اعمال‌می‌شود و ولتاژ AC از مقدار صفر بعدی ولتاژ عبور‌می‌کند سوئیچ را روشن‌می‌کند.

هنگامی‌که ولتاژ ورودی برداشته‌می‌شود و ولتاژ AC بار به صفر ولت می‌رسد، مانند رله‌های معمولی SSR خاموش‌می‌شود.

عملکرد رله SSR سوئیچ شونده در صفر توسط یک مدار ایجاد می‌شود‌که به عنوان مدار عبور از صفر(zero crossing circuit) شناخته‌می‌شود ، که عبور از صفر را تشخیص‌می‌دهد و تریاک را فعال می‌سازد .

۵-۲-۳-رله  SSR  سوئیچ شونده در پیک (Peak Switching SSR Relay)

این نوع از رله‌های SSR بعد از اعمال ولتاژ کنترلی ورودی مورد نیاز، هنگامی که ولتاژ AC خروجی به پیک و ماکسیمم خود می‌رسد، سوئیچ‌می‌شود.

همچنین پس از حذف ولتاژ ورودی و عبور صفر، جریان AC خروجی خاموش‌می‌شود.

در این رله‌ها یک بلوک تشخیص پیک وجود دارد که TRIAC را وقتی که ولتاژ AC خروجی به پیک و ماکسیمم خود می‌رسد فعال‌می‌کند.

۵-۲-۴- رله SSR سوئیچ شونده آنالوگی(Analog Switching SSR Relay)

در حالی که انواع دیگر سوئیچینگ SSR به سیکل AC خروجی بستگی دارند ، سوییچینگ این رله به دامنه ورودی آن بستگی دارد .

ولتاژ خروجی استارت‌کننده رله SSR سوئیچ شونده آنالوگی با ولتاژ کنترل ورودی متناسب‌است .

ورودی DC 3-32V را فرض‌کنید و 3v  نشان‌دهنده 0٪ و 32v  نشان‌دهنده 100٪ ولتاژ پیک ولتاژ AC‌است.

هنگامی که ورودی کنترل حذف‌میشود، رله با عبور از صفر در خروجی AC خاموش‌میشود.

۵-۳- طبقه بندی بر اساس قطب‌ها و پرتاب(Poles & Throw)

با توجه به در نظر‌گرفتن قطب‌ها پو پیکربندی پرتاب (Throw)، رله های SSR به سه نوع یا “فرم” طبقه‌بندی می‌شوند.

۵-۳-۱-فرم A یا SSR نوع SPST NO

شکل یک نوع رله SSR  SPST (تک قطب تک پرتاب)، رله با ترمینال‌های معمولی باز (NO)‌است. ترمینال های خروجی معمولا وقتی ورودی کنترلی خارجی وجود ندارد باز‌است. هنگامیکه رله فعال‌می‌شود، ترمینال‌های خروجی به هم وصل می‌شوند و عبور جریان را اجازه می‌دهند.

نمودار زیر نشان می‌دهد یک رله SSR قادر به سوئیچینگ AC و DC در ترمینال‌های جداگانه‌است.

یک سلول دیود نوری (Photodiode) به عنوان یک گیرنده نور و MOSFET تقویت کننده با منابع رایج برای سوئیچینگ مَدارِ بار استفاده می‌شود.

۵-۳-۲- فرم B یا SSR نوع SPST NC

نوع B نوع رله SSR دارای ترمینال‌های به طور معمول بسته(NC)‌است. ترمینال‌های خروجی بار به طور معمول متصل هستند و زمانی که ورودی کنترل وجود نداشته باشد هم اجازه‌ی عبور جریان را‌می‌دهد. اعمال یک ورودی کنترل، ترمینال‌های بار را باز کرده و عبور جریان را متوقف‌میکند.

این نوع رله از MOSFET‌های تخلیه‌ای استفاده‌می‌کند که در ورودی صفر روشن می‌شوند‌و زمانی که Vgs منفی باشد خاموش می‌شوند.

شکل زیر B SPST NC با‌استفاده از MOSFET‌های تخلیه‌ای را نشان‌می‌دهد.

۵-۳-۳-فرم C یا SSR نوع SPDT

نوع C رله SSR دارای دو ترمینال سوئیچ پرتابی‌است.

سه ترمینال بار: مشترک، NC و NO وجود‌دارد.هنگامی‌که رله فعال نیست، ترمینال مشترک به ترمینال NC متصل  می‌ماند.هنگامی که رله فعال‌می‌شود، ترمینال مشترک به ترمینال NO متصل می‌شود.نمودار رله SPDT SSR در زیر نشان داده‌شده‌است.

همچنین یک مدار کنترل سوئیچینگ وجود‌دارد که با تأخیر زمانی بین سوئیچینگ مانع از روشن شدن MOSFET‌ها در یک زمان‌می‌شود.

۶-مزایا و معایب رله‌های ssr ( رله حالت جامد )

۶-۱-مزیت‌ها :

• زمان سوییچینگ ssr بسیار سریع‌تر از رله الکترومغناطیس‌است .
• کانتکت‌های فیزیکی ندارد .
• هیچ مشکلی در مورد جرقه و سایش وجود ندارد .
• آنها عمر طولانیتری نسبت به رله‌های الکترومغناطیسی EMR دارند.
• رله SSR در جریان صفر بار الکتریکی را خاموش می‌کند که از هر سروصدا و یا نویز الکتریکی جلوگیری‌می‌کند .
• ارتعاش یا حرکت بر عملکرد آن تاثیر نمی گذارد.
• در مقایسه با رله emr , مصرف توان بسیار پایینی‌دارد .
• رله SSR به راحتی توسط مدارهای منطقی کنترل‌می‌شود (میکروکنترلرها)

۶-۲-معایب:

• در مقایسه با EMR رله دارای طراحی پیچیده‌تری‌‌است.
• افت ولتاژ در ترمینال‌های بار آن وجود‌دارد.
• در زمان خاموش بودن جریان نشتی‌دارد.
• رله‌های SSR حرارت زیادی دارند.
• در مقایسه با EMR رله نمی تواند ولتاژ پایین را سوئیچ کند.
• سوئیچینگ رله SSR بستگی به ولتاژ مدار کنترل شده‌دارد.

۷-کاربرد‌های رله SSR (رله حالت جامد)

در زیر‌استفاده رایج از رله حالت جامد در زمینه مهندسی برق و الکترونیک بیان شده‌است.

• به طور کلی , از رله ssr برای سوئیچینگ مدارها مانند کنترل و روشن / خاموش کردن توان ac استفاده‌می‌شود .
• از آن برای کنترل توان مانندکنترل سرعت موتور , تضعیف نور و کنترل دمنده ها استفاده‌میشود
• آنها همچنین برای کنترل بخاری‌ها، هیتر‌های الکتریکی برای کنترل دمای آنها استفاده‌میشود.
• در خطوط ارتباطی، رله SSR فتوكوپلر (photocoupler)برای از بین بردن جریان جاری درایو رله استفاده می شود.
• رله‌های حالت جامد بیشتر دربارهایی که سوئیچینگ های زیاد دارند استفاده می‌شوند.