رله SSR چیست؟ (آشنایی با ساختار، عملکرد و انواع آن)

رله SSR چیست؟ همواره قطع و وصل ولتاژ برق یا کلیدزنی برای مصرف کننده موضوعی حائز اهمیت بوده است. بر همین اساس، تجهیزات متنوعی با توجه به محدوده ولتاژ و نوع جریان ساخته شده اند. رله SSR یا حالت جامد از جمله این تجهیزات است که با پیشرفت فناوری برق  الکترونیک به بازار عرضه شده است.

رله های حالت جامد از انواع تجهیزات کلیدزنی الکترونیک هستند که در آنها با استفاده از سیگنال کنترلی کوچک می توان ولتاژ یا جریانی بزرگ تر را کنترل کرد. این قطعات عملکردی مشابه رله های الکترومکانیکی یا EMR دارند؛ اما ابعادی کوچک تر داشته و فاقد قطعات متحرک هستند. این رله ها به دلیل عدم وجود قسمت متحرک، از دوام بالاتری برخوردارند و برای مدارهایی با تعداد دفعات زیاد سوئیچینگ کاربرد مناسبی دارند. به همین دلیل در حوزه تجهیزات اتوماسیون صنعتی جایگزین خوبی برای رله های الکترومکانیکی یا EMR هستند.

رله SSR چیست؟

رله SSR (Solid State Relay) یا رله حالت جامد یک عنصر الکترونیک نیمه هادی با عملکردی مشابه رله های الکترومکانیکی (EMR) است؛ با این تفاوت که در مقایسه با رله های الکترومکانیکی سرعت تعویض بالایی دارند. ضمن اینکه در این قطعات از کلیدهای نیمه هادی و دیود به جای کنتاکت های متحرک و مکانیکی استفاده می شود.

این قطعه یک کلید الکترونیکی است که جهت قطع و وصل کردن مدارها با استفاده از ورودی جریان کاربرد دارد. رله های اس اس آر هیچ کنتاکت متحرکی ندارند؛ به همین دلیل می توانند عملکردی با فرکانس بالا را فراهم کنند.

رله های حالت جامد در دو مدل یک فاز و سه فاز تولید می شوند. این قطعات از دو بخش مدار فرمان یا بوبین و مدار قدرت یا کنتاکت تشکیل شده اند. دو بخش ذکر شده توسط یک ایزوله نوری یا اپتوکوپلر از هم جدا می شوند.  

مزایای رله های حالت جامد

•         طول عمر بالاتر و مصرف برق پایین در مقایسه با رله های EMR
•         ایده آل برای مدارهایی با سرعت بالای سوئیچینگ
•         فاقد بخش های متحرک
•         عدم ضعیف و مستعمل شدن در طول زمان
•         عدم وجود تماس فیزیکی
•         دارای طراحی متنوع جهت استفاده در مدارات DC و AC
•         قابلیت اتصال به خروجی plc
•         عدم وجود جرقه در خروجی با فرمان سوئیچینگ (قطع و وصل)
•         قابلیت تحمل جریان های با شدت بالا در زمان استارت
•         امکان کنترل رله های SSR توسط میکروکنترلرها
•         عدم تاثیرگذاری حرکت یا لرزش بر عملکرد رله

معایب رله های SSR

•         احتمال روشن شدن تصادفی رله در شرایطی چون وجود نویز و تغییرات بالای ولتاژ
•         دارای جریان نشتی در حالت خاموش
•         عدم قابلیت سوئیچینگ ولتاژهای پایین در قیاس با رله های EMR
•         مرتبط بودن قطع و وصل رله به ولتاژ مدار کنترل شده
•         وجود داشتن افت ولتاژ در پایانه های بار رله
•         حساس بودن نسبت به اتصالات کوتاه در خروجی و احتمال سوختگی
•         مقرون به صرفه نبودن در مقایسه با رله های الکترومکانیکی

کاربرد رله SSR

کاربرد رله SSR چیست؟ هدف اصلی از به کار بردن این قطعات الکتریکی سوئیچینگ یا کنترل قطع و وصل کردن برق متناوب است.  یکی دیگر از موارد کاربرد این قطعات به دلیل قابلیت کنترل دمایی آنهاست. کنترل گرمایش SSR ها در بخش های مختلفی چون منسوجات، تهویه مطبوع، گرمایش مسکونی، ترموفرمینگ، کوره ها و گرمایش مادون قرمز مورد استفاده قرار می گیرد.

از دیگر موارد کاربرد رله های حالت جامد می توان به این موارد اشاره کرد:

•         نورپردازی در بخش هایی چون فضاهای اداری، باند فرودگاه، سینما، روشنایی خیابان و معابر
•         کنترل موتور( کمپرسورها، آسانسور و بالابرها، پمپ ها و نوارهای نقاله)
•      پردازش پلاستیک جهت کنترل دقیق دما در تجهیزاتی چون خشک کن های گرانوله، چاپگرهای سه بعدی، ماشین های قالب گیری تزریقی و دمشی و اکسترودرها
•         سوئیچینگ تجهیزات مختلف در صنایع خوراکی و نوشیدنی
•         بهینه سازی بسته بندی در صنعت غذایی و پزشکی
•         کنترل موتورهای موجود در تجهیزات توانبخشی و تخت های بیمارستان
•         تهویه مطبوع در ساختمان ها

ساختار رله های اس اس آر

رله های اس اس آر از یک ترمینال ورودی (جهت کنترل سوئیچینگ) و یک ترمینال خروجی (برای اتصال به مصرف کننده) تشکیل شده اند. این دو بخش توسط یک ایزوله نوری یا اپتوکوپلر از هم جدا می شوند.

ولتاژ مورد نیاز برای فعال شدن این رله ها به ترمینال های ورودی وارد می شود. در صورت عدم اعمال این ولتاژ، خروجی رله تغییر وضعیت نمی دهد. ترمینال ها در حالت عادی یا استراحت باز هستند و جریانی از آنها عبور نمی کند. با فعال شدن رله، اتصال ترمینال ها کوتاه شده و فاز را از منبع به مصرف کننده ارسال می کنند.

در حالت استراحت رله، اتصال ترمینال های خروجی برقرار است و جریان عبور می کند. وقتی رله فعال می شود، اتصال باز ترمینال ها و قطع شدن خروجی رله اتفاق می افتد.

عملکرد رله اس اس آر

رله های SSR با اعمال یک سیگنال ولتاژ پایین به ترمینال های ورودی فعال می شوند. در صورت توقف سیگنال ورودی، رله غیر فعال شده و ترمینال های خروجی آن به حالت استراحت (اتصال باز) در می آیند. در حالت فعال بودن رله، سوئیچ الکتریکی در انتهای آن فعال و ترمینال های خروجی آن اتصال کوتاه می شوند. در ادامه، فاز با عبور از ترمینال های خروجی به مصرف کننده می رسد. با دادن نول به مصرف کننده می توان آن را روشن کرد.

عملکرد رله اس اس آر بر پایه کوپلینگ نوری است که توسط اپتوکوپلر انجام می شود. نحوه عملکرد این قطعه را می توان در مراحل زیر توصیف کرد:

•         دریافت سیگنال ورودی (ولتاژ) توسط رله SSR
•         فعال شدن اپتوکوپلر
•         ساطع شدن نور مادون قرمز توسط LED
•         دریافت امواج مادون قرمز توسط سنسور نوری
•         تبدیل شدن امواج مادون قرمز به سیگنال الکتریکی توسط سنسور
•         فعال شدن سوئیچ خروجی توسط سیگنال الکتریکی
•         کنترل سوئیچینگ یا ON/OFF مصرف کننده

انواع رله SSR بر اساس فرم

رله های حالت جامد با توجه به ویژگی فرم، شامل انواع فرم A، فرم B و فرم C می شوند.

فرم A: این فرم شامل رله هایی با کارکردی مشابه رله های SPST با ترمینال باز (NO) است. فرم A رله ها جهت ورود تجهیز به مدار مورد استفاده قرار می گیرد. با دریافت سیگنال DC و فعال شدن رله، اتصال ترمینال های خروجی و عبور جریان انجام می شود.

فرم B: این فرم رله ها ترمینال بار بسته دارند و مانند رله های SPST عمل می کنند. فرم B رله های اس اس آر، بر خلاف فرم A، جهت خارج کردن تجهیز از مدار استفاده می شود. در این فرم، در صورت عدم وجود سیگنال کنترلی ورودی، ترمینال های بار خروجی متصل بوده و جریان عبور می کند. با وجود سیگنال ورودی، ترمینال های بار باز شده و در نتیجه عبور جریان متوقف می شود.

فرم C: عملکرد این فرم رله مشابه رله های SPDT است. شامل ترمینال های بار مشترک، بسته و باز است و در شرایط نیاز به کنترل همزمان دو تجهیز استفاده می شود. در شرایط فعال نبودن رله، ترمینال مشترک با ترمینال بسته (NC) اتصال کوتاه می شود و با فعال شدن رله، ترمینال مشترک به ترمینال باز (NO) اتصال پیدا می کند.

انواع رله SSR با توجه به نوع ورودی و خروجی

رله AC به AC: عملکرد موثر این رله ها زمانی است که هر دو سیگنال ورودی و خروجی از نوع AC باشند. با توجه به اینکه اپتوکوپلر با ولتاژ DC کار می کند، در این نوع رله ها قبل از اپتوکوپلر از یکسو ساز استفاده می شود تا سیگنال AC به DC تبدیل شود.

رله DC  به AC: در مواردی که ولتاژ ورودی DC باشد، اما در خروجی مدار لازم است تا بار AC کنترل شود، از این رله استفاده می شود. نحوه عملکرد این رله شامل مراحل زیر است:

•         تبدیل سیگنال نوری به سیگنال الکتریکی توسط ایزولاتور
•         ارسال سیگنال به ترایاک
•         کنترل سوئیچینگ مدار AC خروجی توسط ترایاک

رله DC به DC:  در این رله ها سیگنال ورودی و خروجی هر دو DC است. در این نوع رله ها، سیگنال ورودی DC به اپتوکوپلر اعمال می شود. ماسفت توسط اپتوکوپلر فعال می شود و در نهایت، بار DC را سوئیچ می کند.

رله DC به AC/DC: مزیت این نوع رله SSR چیست؟ در این رله ها قابلیت کنترل بار AC و DC با استفاده از ترمینال های مجزا وجود دارد. با اعمال یک ولتاژ ورودی DC، رله فعال می شود. به دنبال آن LED نور ساطع می کند. نور توسط آرایه فتودیود دریافت شده و به سیگنال ولتاژ تبدیل می شود.

انواع رله حالت جامد بر اساس سوئیچینگ

• سوئیچینگ آنالوگ (Analog Switching): یکی از پرکاربردترین انواع رله های اس اس آر است. از موارد کاربرد آن می توان به کنترل فاز، کنترل دمای المنت ها و کوره ها اشاره کرد. این نوع SSR ها در انواع سافت استارترها و کنترل کننده های سرعت موتور استفاده می شوند. این رله ها دارای ورودی آنالوگ (در رنج 20-4 میلی آمپر و یا 10-0 ولت) می باشند. خروجی آنها نیز بر اساس تابع خطی ورودی تغییر می کند.
• سوئیچینگ صفر (Zero Switching): روشن و خاموش شدن و انجام عملیات سوئیچینگ در این رله ها زمانی اتفاق می افتد که ولتاژ به صفر برسد. این روش جریان های تولید شده در طول عملیات سوئیچینگ را محدود می کند. از مزایای Zero Switching جلوگیری از ایجاد نویز و آسیب به رله است. این رله ها در بارهای سلفی، مقاومتی و خازنی کاربرد دارند.
• سوئیچینگ پیک (Peak Switching): عملیات سوئیچینگ در این رله ها زمانی انجام می شود که دامنه ولتاژ در حد بیشینه قرار گیرد. موارد کاربرد این رله ها در عملیات خاموش و روشن کردن ترانسفورماتورهاست.
• سوئیچینگ تصادفی (Random Switching): این نوع رله های SSR به طور آنی در لحظه تحریک روشن شده و با قطع آن خاموش می شوند. این روش سوئیچینگ جهت کنترل فازها و بارهای سلفی استفاده می شود.

در پایان

اگر به عنوان یک مهندس برق مشغول به کار هستید باید بدانید که رله SSR چیست و چه تفاوتی با دیگر رله های الکترومکانیکی دارد. رله های اس اس آر یک کلید الکتریکی جهت سوئیچینگ وسایل الکتریکی با استفاده از ورودی جریان برق هستند. این رله ها علاوه بر کاربرد در سیستم های نیازمند سوئیچ بین حالت ON/OFF جهت مدیریت سیگنال نور و جریان الکتریکی و مقاومت موجود در مدار نیز مورد استفاده قرار می گیرند. طول عمر بالا، مصرف برق پایین، عدم وجود قطعات متحرک و بی صدا بودن بخش از مزیت هایی هستند که کاربرد این رله ها را در حوزه های مختلفی صنعتی افزایش داده است.

اگر به مطالعه مطالب بیشتر در حوزه برق علاقمند هستید، به آزند اتوماسیون مراجعه کنید.