رله الکترونیکی SSR

رله حالت جامد یا سولید اِستِیت رله به اسم تجاری Solid state relay که مخفف (SSR) یک کلید الکتریکی است که می تواند برای روشن و خاموش کردن وسایل با استفاده از ورودی الکتریکی استفاده شود. برخلاف رله های الکترومکانیکی  EMR (رله های دارای سیم پیچ )، هستند و برای برخی تفاوت رله اِس اِس آر با رله مکانیکی هنوز سوال است ...

رله جامد SSR چیست؟

رله حالت جامد SSR  رله ای است که دارای کنتاکت متحرک نمی باشد واز نظر عملکرد، SSR ها با رله های مکانیکی که کنتاکت های متحرک دارند، تفاوت چندانی ندارند. با این حال، SSR ها از عناصر سوئیچینگ نیمه هادی ، از کلیدهای نیمه هادی و الکترونیک نوری مانند تریستور، تریاک، دیود و ترانزیستور استفاده می کنند. رله حالت جامد یا SSR، یک دستگاه الکترونیکی سوئیچینگ است که هنگام اعمال یک ولتاژ خارجی (AC یا DC) به ترمینال‌های کنترلی آن، روشن یا خاموش می‌شود. این نوع رله‌ها عملکردی مشابه رله‌های الکترومکانیکی دارند، اما برخلاف آن‌ها، SSR فاقد قطعات متحرک است و از اجزای الکترونیکی جامد ساخته شده که موجب افزایش طول عمر عملیاتی آن می‌شود. رله‌های حالت جامد در سال ۱۹۷۱ توسط بخش Crydom Controls از شرکت International Rectifierاختراع شدند.
ضمنا رله های جامد SSR  به نسبت گران تر نسبت به رله های معمولی هستند ولی با این تفاوت که از نظر کیفیت و طول عمر عملکردبهتری نسبت به رله های مکانیکی دارند .
همچنین در برخی موارد رله های آمپر بالا و قدرت در رله های مکانیکی از نظرابعاد بزرگ تر واز نظر حجمی سنگین تر از رله های اِس اِس آر  می باشند . برخی از مشتریان جهت عملکرد بهتر رله SSR  و جلوگیری از افزایش دما هیت سینک آلومینیومی برای رله های جامد استفاده می‌کنند که جهت طول عمر و بهبود عملکرد رله SSR  می‌شود.

ساختار SSR

یک SSR معمولاً از سه بخش تشکیل شده است:

1. حسگر که به سیگنال ورودی (سیگنال کنترلی) پاسخ می‌دهد،
2. دستگاه سوئیچینگ الکترونیکی که برق را به مدار بار وصل یا قطع می‌کند،
3. مکانیزم کوپلینگ که اجازه می‌دهد سیگنال کنترلی بدون استفاده از قطعات مکانیکی، سوئیچ را فعال کند.

SSR می‌تواند برای سوئیچ‌کردن بارهای AC یا DC طراحی شود. در SSRهای بسته‌بندی‌شده، از قطعات نیمه‌هادی قدرت مانند تریستور و ترانزیستور برای عبور جریان‌هایی تا حدود صد آمپر استفاده می‌شود. مزیت مهم SSR نسبت به رله‌های الکترومکانیکی، سرعت سوئیچینگ بسیار بالا و نبود قطعات فیزیکی فرسایشی است. اما معایب آن شامل عدم تحمل اضافه‌بار ناگهانی و مقاومت بالاتر در حالت روشن است.

قیمت و خرید رله اس اس آرSSR

در فروشگاه ما انواع رله اس اس آر تکفاز با برندهای معتبر جهانی و قیمت مناسب عرضه می‌شود. شما می‌توانید متناسب با نیاز پروژه خود، بهترین SSR را با قیمت مناسب و مشاوره تخصصی انتخاب کنید. فروشگاه اسپرینت الکترونیک به جهت بالابردن کیفیت خرید شما عزیزان از انواع رله ازجمله رله های الکترونیکی SSR اقدام به واردات مجموعه کامل این قطعات از برندهای نامدار و باکیفیت نظیر امرون (OMRON)، رایکس (RAYEX)، کیوتو (KYOTTO)، کرایدوم (CRYDOM) در انواع مختلف AC/ AC ، DC/DC و DC/AC در رنج جریان و ولتاژهای متنوع کرده است.

انواع رله SSR بر اساس بار خروجی

1. رله SSR مخصوص بار AC: معمولاً با ترایاک یا SCR ساخته می‌شود. این رله‌ها با کمک تکنیک "سوئیچینگ در نقطه صفر (Zero Crossing)"، از ایجاد ولتاژهای گذرا جلوگیری می‌کنند.
2. رله SSR مخصوص بار DC: معمولاً از MOSFET یا IGBT استفاده می‌شود. برای جلوگیری از هدایت معکوس، از دو MOSFET به صورت back-to-back استفاده می‌شود.
تکنولوژی Zero Crossing چیست؟
در مدارهای AC، رله SSR هنگام عبور جریان از نقطه صفر ولتاژ، عملیات قطع یا وصل را انجام می‌دهد. این ویژگی باعث می‌شود از ایجاد نویز و تنش ولتاژی شدید در مدار جلوگیری شود. این موضوع مخصوصاً در بارهای القایی مانند موتورها اهمیت دارد.

ورودی رله حالت جامد

یکی از اجزای اصلی یک رله حالت جامد (SSR) یک جداساز اپتو (همچنین کوپلر نوری نیز نامیده می‌شود) است که حاوی یک یا چند دیود ساطع کننده مادون قرمز یا منبع نور LED و یک دستگاه حساس به عکس است. OPTO- LSOLATOR یک مورد واحد ورودی که از خروجی جدا می‌کند. منبع نور LED به بخش درایو ورودی SSR متصل است و اتصال نوری را از طریق یک شکاف به ترانزیستور حساس به عکس مجاور، جفت دارلینگتون یا تریاک فراهم می کند. هنگامی که جریانی از LED عبور می کند، روشن شده و نور آن در سراسر شکاف به یک ترانزیستور فوتو/فوتوتریاک متمرکز می شود.  بنابراین خروجی یک SSR اپتو کوپل شده با انرژی دادن به این LED، معمولاً با سیگنال ولتاژ پایین، «روشن» می شود. از آنجایی که تنها ارتباط بین ورودی و خروجی یک پرتو نور است، جداسازی ولتاژ بالا (معمولاً چندین هزار ولت) با استفاده از این اپتو ایزوله داخلی به دست می آید.

جداکننده اپتو در رله SSR

جداکننده اپتو نه تنها درجه بالاتری از عایق بندی ورودی/خروجی را ارائه می دهد، بلکه می تواند سیگنال های dc و فرکانس پایین را نیز ارسال کند. همچنین، LED و دستگاه حساس به عکس می توانند کاملاً از یکدیگر جدا باشند و با استفاده از یک فیبر نوری به صورت نوری جفت شوند. مدار ورودی یک SSR ممکن است فقط از یک مقاومت محدود کننده جریان به صورت سری با LED جداکننده نوری یا یک مدار پیچیده تر با یکسوسازی، تنظیم جریان، حفاظت از قطبیت معکوس، فیلتر کردن و غیره تشکیل شده باشد.

نحوه فعال کردن رله

برای فعال یا روشن کردن یک رله حالت فروخته شده به رسانایی، ولتاژی بیشتر از مقدار حداقل آن (معمولاً 3 ولت DC) باید به پایانه های ورودی آن (معادل سیم پیچ رله الکترومکانیکی) اعمال شود. این سیگنال DC ممکن است از یک سوئیچ مکانیکی، یک گیت منطقی یا میکروکنترلر مشتق شود، همانطور که نشان داده شده است.
هنگام استفاده از کنتاکت های مکانیکی، سوئیچ ها، دکمه های فشاری، سایر کنتاکت های رله و غیره به عنوان سیگنال فعال کننده، ولتاژ تغذیه مورد استفاده می تواند برابر با حداقل مقدار ولتاژ ورودی SSR باشد، در حالی که هنگام استفاده از دستگاه های حالت جامد مانند ترانزیستور، گیت و میکرو کنترل کننده ها، حداقل ولتاژ تغذیه باید یک یا دو ولت بالاتر از ولتاژ روشن شدن SSR باشد تا افت ولتاژ داخلی دستگاه سوئیچینگ را در نظر بگیرد. اما علاوه بر استفاده از یک ولتاژ DC، اعم از فرورفتگی یا منبع، برای تغییر رله حالت جامد به رسانایی، 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

یکسو کننده های پل یک ولتاژ سینوسی را به پالس های تصحیح شده تمام موج در دو برابر فرکانس ورودی تبدیل می کنند. یکی از معایب  پالس‌های که ولتاژ آن از صفر ولت شروع و پایان می‌یابند. 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 شلیک نامنظم خروجی، می‌توانیم با استفاده از یک خازن صاف‌کننده (C1) روی خروجی یکسوساز پل، موج‌های اصلاح‌شده را صاف کنیم. اثر شارژ و دشارژ خازن مولفه DC سیگنال تصحیح شده را بالاتر از حداکثر مقدار ولتاژ روشن شدن ورودی رله های حالت جامد افزایش می دهد. سپس حتی اگر از شکل موج ولتاژ سینوسی دائماً در حال تغییر استفاده شود، ورودی SSR یک ولتاژ DC ثابت است.
مقادیر مقاومت افت ولتاژ، R1 و خازن صاف کننده، C1 متناسب با ولتاژ تغذیه، 120 ولت AC یا 240 ولت AC و همچنین امپدانس ورودی رله حالت جامد انتخاب می شوند. اما چیزی در حدود 40kΩ و 10uF می تواند انجام دهد.
سپس با اضافه شدن این یکسو کننده پل و مدار خازن صاف کننده، یک رله حالت جامد DC استاندارد را می توان با استفاده از منبع DC AC یا غیر قطبی کنترل کرد. البته، تولیدکنندگان رله های حالت جامد ورودی AC (معمولاً 90 تا 280 ولت)  می‌باشد.

خروجی رله حالت جامد اس اس آر

قابلیت سوئیچینگ خروجی یک رله حالت جامد می تواند 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 معمولی باز، تک قطبی، تک پرتابی SPST-NOیک رله الکترومکانیکی است.
برای اکثر DC SSR ها، دستگاه سوئیچینگ حالت جامد که معمولاً مورد استفاده قرار می گیرد، ترانزیستورهای قدرت، دارلینگتون و ماسفت هستند، در حالی که برای AC SSR، دستگاه سوئیچینگ یا تریستورهای تریاک یا پشت به پشت است. تریستورها به دلیل قابلیت های ولتاژ و جریان بالا ترجیح داده می شوند. همانطور که نشان داده شده است می توان از یک تریستور منفرد نیز در مدار یکسو کننده پل استفاده کرد.

نحوه عملکرد رله اس اس آر در مدارهای AC:

رله‌های مبتنی بر SCR یا تریاک، ذاتاً در نقطه‌ی عبور صفر جریان (Zero Cross) خاموش می‌شوند، یعنی وقتی بار جریان ندارد. این ویژگی باعث جلوگیری از قطع جریان در وسط قله موج سینوسی می‌شود و از ایجاد ولتاژهای گذرای بالا ناشی از فروپاشی ناگهانی میدان مغناطیسی القایی جلوگیری می‌کند. در صورتی که مدار دارای آشفتگی القایی نباشد و از یک آشکارساز نقطه صفر استفاده شود، SCRها می‌توانند در شروع موج بعدی دوباره روشن شوند. این قابلیت «سوئیچینگ در نقطه عبور صفر» (Zero-Crossing Switching) نام دارد.

نحوه عملکرد رله اس اس آر در مدارهای DC:

برای بارهای DC از MOSFET به صورت تکی یا آرایه‌ای موازی استفاده می‌شود. MOSFET دارای دیود داخلی است که در جهت معکوس هدایت می‌کند، بنابراین یک MOSFET تکی نمی‌تواند جریان دوطرفه را قطع کند. برای عملکرد دوطرفه در AC، دو MOSFET به صورت پشت‌به‌پشت با اتصال پایه‌های Source به یکدیگر قرار می‌گیرند. پایه‌های Drain به دو سمت خروجی متصل می‌شوند. دیودهای داخلی به صورت متناوب در بایاس معکوس قرار می‌گیرند تا هنگام خاموشی، عبور جریان را مسدود کنند. هنگام روشن بودن، پایه Source روی ولتاژ لحظه‌ای قرار دارد و هر دو گیت با کمک فتودیود، نسبت به Source بایاس مثبت می‌گیرند.
در بسیاری از موارد، برای موازی‌کردن چند MOSFET در بارهای DC، دسترسی به پایه Source مشترک فراهم می‌شود. معمولاً مداری برای تسریع خاموش شدن MOSFET هنگام حذف سیگنال کنترل نیز در نظر گرفته می‌شود.
در SSRهای مخصوص سوئیچ‌کردن DC، از MOSFET یا IGBT استفاده می‌شود.

رایج ترین کاربرد رله های جامد اس اس آر

• برای کنترل برق متناوب
• سوئیچینگ روشن/خاموش
• کاهش نور و سیستم‌های نورپردازی هوشمند
• کنترل سرعت موتور و راه‌اندازی موتورهای کوچک
• سایر کاربردها از این قبیل که درآن‌ها کنترل برق مورد نظر است.

• اتوماسیون صنعتی
• سیستم‌های کنترل دما (هیتر، المنت)
• تجهیزات پزشکی و آزمایشگاهی
• مدارهای فرمان PLC

این بارهای AC می توانند به راحتی با ولتاژ DC جریان پایین با استفاده از یک رله حالت جامد کنترل کنند، که طول عمر طولانی و سرعت سوئیچینگ بالا را فراهم می کند.

یکی از مزایای رله‌های حالت جامد نسبت به رله‌های الکترومکانیکی

توانایی آن در خاموش کردن بارهای متناوب AC در نقطه جریان بار صفر است، در نتیجه قوس الکتریکی، نویز الکتریکی و جهش تماس مرتبط با رله‌های مکانیکی معمولی و بارهای القایی را کاملاً از بین می‌برد. . این به این دلیل است که رله‌های حالت جامد سوئیچینگ AC از SCR و TRIAC 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 برسد، به هدایت خود ادامه می‌دهد. سپس خروجی یک SSR هرگز نمی تواند در وسط یک پیک موج سینوسی خاموش شود. خاموش شدن جریان صفر یک مزیت عمده برای استفاده از رله حالت جامد است زیرا نویز الکتریکی و EMF برگشتی مرتبط با تغییر بارهای القایی را کاهش می دهد که به صورت قوس در تماس های یک رله الکترومکانیکی دیده می شود. نمودار شکل موج خروجی زیر یک رله حالت جامد AC معمولی را در نظر بگیرید.
سپس 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 می کند، بنابراین هر جریان هجومی بالا را سرکوب می کند زیرا جریان بار همیشه شروع می شود. از نقطه ای نزدیک به 0 ولت و مشخصه خاموش شدن جریان صفر ذاتی تریستور یا تریاک. بنابراین حداکثر تاخیر خاموش شدن (بین حذف سیگنال ورودی و حذف جریان بار) یک نیم سیکل وجود دارد.

برخی از دیگر مزایای رله SSR

• عملکرد کاملاً بی‌صدا به  دلیل نداشتن قطعات مکانیکی
• سرعت سوئیچینگ بالاتر؛ سوئیچینگ در حد میکروثانیه تا میلی‌ثانیه
• طول عمر بیشتر؛ به دلیل نبود قطعات مکانیکی و جرقه
• عملکرد بدون نویز یا جهش (Bounce)، سوئیچینگ سریع و بی‌صدا مناسب برای محیط‌های صنعتی حساس.
• فعال‌سازی در نقطه صفر جریان (Zero Crossing) در SSR باعث حذف نویز الکترومغناطیسی (EMI) و کاهش جریان هجومی می‌شود.
• مقاومت بالا در برابر لرزش، گردوغبار و خوردگی.
• عدم ایجاد جرقه یا قوس الکتریکی در هنگام سوئیچینگ، که موجب افزایش ایمنی و مناسب بودن برای محیط‌های قابل اشتعال می‌شود.

معایب رله SSR

• عدم تحمل جریان‌های هجومی بالا
• افزایش دمای داخلی در حالت روشن به دلیل مقاومت داخلی
• قیمت نسبتاً بالاتر از رله مکانیکی
• نیاز به هیت‌سینک برای جریان‌های بالا

زمان‌بندی در رله اس اس آر

انتخاب نوع مناسب SSR بسیار مهم است، به‌ویژه زمانی که کاربرد نیاز به روشن/خاموش شدن دقیق و بدون تغییر دارد.
در کاربردهایی که نیاز به زمان‌بندی دقیق دارند، بهتر است از SSRهای مبتنی بر ترانزیستور یا MOSFET استفاده شود، زیرا برخلاف SCR یا TRIAC، آن‌ها تحت تأثیر ویژگی ذاتی «عبور صفر» نیستند.

کوپلینگ (ایزولاسیون گالوانیکی)  در رله اس اس آر

سیگنال کنترلی باید به نحوی به مدار خروجی متصل شود که ایزولاسیون گالوانیکی بین دو مدار حفظ گردد. بسیاری از SSRها از کوپلینگ نوری استفاده می‌کنند؛ در این روش، ولتاژ کنترلی یک LED داخلی را فعال می‌کند که یک دیود حساس به نور (فتودیود یا فتوولتائیک) را روشن می‌سازد. جریان فتودیود، تریاک، SCR یا MOSFET پشت‌به‌پشت را روشن کرده و بار را فعال می‌کند. این روش باعث جداسازی کامل الکتریکی بین مدار کنترل و بار می‌شود.

شکل موج خروجی رله حالت جامد

اعمال سیگنال ورودی به رله SSR

بدون اعمال سیگنال ورودی، هیچ جریان باری از طریق SSR جریان نمی‌یابد زیرا به طور موثر خاموش است (مدار باز) و پایانه‌های خروجی ولتاژ منبع تغذیه AC را مشاهده می‌کنند. با اعمال سیگنال ورودی DC، صرف نظر از اینکه چرخه در کدام بخش از شکل موج سینوسی، چه مثبت یا منفی باشد، به دلیل ویژگی های سوئیچینگ ولتاژ صفر SSR، خروجی تنها زمانی روشن می شود که شکل موج از روی آن عبور کند.
نقطه صفر با افزایش ولتاژ تغذیه در جهت مثبت یا منفی، به حداقل مقدار لازم برای روشن کردن کامل تریستورهای خروجی یا تریاک (معمولاً کمتر از حدود 15 ولت) می رسد. افت ولتاژ در پایانه های خروجی SSR افت ولتاژ دستگاه های سوئیچینگ در حالت افت ولتاژ VT (معمولاً کمتر از 2 ولت) است. بنابراین هر جریان هجومی زیاد مرتبط با بارهای راکتیو یا لامپ تا حد زیادی کاهش می یابد.
هنگامی که سیگنال ولتاژ ورودی DC حذف می شود، خروجی به طور ناگهانی خاموش نمی شود، همانطور که پس از راه اندازی به حالت رسانایی، تریستور یا تریاک مورد استفاده به عنوان دستگاه سوئیچینگ برای بقیه نیم سیکل روشن می ماند تا زمانی که جریان بار به زیر دستگاه های نگهدارنده کاهش یابد. جریان، در این نقطه خاموش می شود. بنابراین، dv/dt بالای EMF مربوط به بارهای القایی سوئیچینگ در وسط یک موج سینوسی تا حد زیادی کاهش می یابد.

رله حالت جامد کم نور فاز

در حالی که رله‌های حالت جامد می‌توانند سوئیچینگ مستقیم به سمت صفر 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 کم نور لامپ، چه در خانه و چه برای نمایش یا کنسرت است.
رله های حالت جامد سوئیچینگ غیرصفر (روشن فوری) بلافاصله پس از اعمال سیگنال کنترل ورودی روشن می شوند، برخلاف SSR عبوری صفر در بالای آن که تا نقطه عبور صفر بعدی موج سینوسی AC منتظر می ماند. این سوئیچینگ تصادفی در کاربردهای مقاومتی مانند کم نور کردن لامپ و کاربردهایی که نیاز به بار فقط برای بخش کوچکی از چرخه AC دارند استفاده می شود.

پارامترهای مهم در انتخاب  و خرید رله SSR

• ولتاژ و جریان ورودی (کنترلی)
• ولتاژ و جریان خروجی (بار)
• نوع بار (AC یا DC)
• مقاومت حالت روشن (On-State Resistance)
• مکانیزم خنک‌سازی (Heat Sink و Thermal Resistance)

در کاربردهایی که نیاز به خاموش و روشن کردن دقیق و سریع دارند، SSR با طراحی مبتنی بر ترانزیستور یا MOSFET مناسب‌تر است. چون نوع ترایاکی یا SCR به دلیل سوئیچ در نقطه صفر، ممکن است در زمان‌بندی دقیق محدودیت داشته باشد.

 

جمع‌بندی

رله SSR یک گزینه عالی برای کاربردهای صنعتی و کنترلی حساس است که نیاز به عملکرد سریع، بدون نویز و طول عمر بالا دارند. با درک دقیق عملکرد و انتخاب درست نوع رله SSR، می‌توان بهره‌وری سیستم‌های کنترلی را تا حد زیادی افزایش داد.