آشنایی با رله های حالت جامد(SSR)

رله های حالت جامد (SSR) قادر به انجام بسیاری از وظایف مشابه رله های الکترومکانیکی (EMR) هستند. تفاوت اصلی این است که SSR ها هیچ بخش مکانیکی متحرکی در داخل خود ندارند. اساساً، این یک دستگاه الکترونیکی است که برای دستیابی به عملکرد انزوا و سوئیچینگ رله، به خواص الکتریکی، مغناطیسی و نوری نیمه هادی ها و اجزای الکتریکی متکی است.

اصل عملیات SSR

هر دو SSR و EMR از یک مدار کنترل و یک مدار جداگانه برای تعویض بار استفاده می کنند. هنگامی که ولتاژ به ورودی SSR اعمال می شود، رله توسط یک دیود ساطع کننده نور فعال می شود. نور دیود به یک نیمه هادی حساس به نور تابیده می شود که در مورد رله های متقاطع ولتاژ صفر، مدار کنترل را برای روشن کردن سوئیچ حالت جامد خروجی در متقاطع ولتاژ صفر بعدی شرط می کند.

در مورد رله های متقاطع ولتاژ غیر صفر، کلید حالت جامد خروجی با ولتاژ دقیقی که در آن زمان رخ می دهد روشن می شود. حذف برق ورودی مدار کنترل را غیرفعال می کند و هنگامی که جریان بار از نقطه صفر چرخه خود عبور می کند، کلید حالت جامد خاموش می شود.

برنامه های کاربردی

از زمان معرفی، SSR در بسیاری از زمینه‌هایی که قبلاً تنها حوزه EMR یا کنتاکتور بودند، پذیرفته شده است. SSR به طور فزاینده ای در کاربردهای کنترل فرآیند صنعتی، به ویژه کنترل دما، موتورها، لامپ ها، شیر برقی ها، شیرها و ترانسفورماتورها استفاده می شود.

نمونه های از کاربرد SSR عبارتند از:

• اتوماسیون صنعتی
• وسایل برقی
• لوازم صنعتی
• ماشین آلات بسته بندی
• ماشین آلات ابزار
• تجهیزات تولیدی
• تجهیزات مواد غذایی
• سیستم های امنیتی
• روشنایی صنعتی
• سیستم های آتش نشانی و ایمنی
• دستگاه های توزیع کننده
• تجهیزات تولید
• کنترل قدرت روی برد
• کنترل ترافیک
• سیستم های ابزار دقیق
• دستگاه فروش خودکار
• سیستم های تست
• ماشین های اداری
• تجهیزات پزشکی
• نورپردازی نمایشگر
• کنترل آسانسور
• تجهیزات اندازه گیری
• نورپردازی سرگرمی

مزایا

هنگامی که به درستی در برنامه مورد نظر استفاده می شود، SSR بسیاری از ویژگی هایی را ارائه می دهد که اغلب یافتن آنها در EMR دشوار است. درجه بالایی از قابلیت اطمینان، عمر طولانی، کاهش قابل توجه تداخل الکترومغناطیسی، پاسخ سریع و مقاومت در برابر لرزش بالا. SSR هیچ قطعه متحرکی ندارد که فرسوده شود یا تماس های قوس دار برای خراب شدن وجود ندارد که اغلب علت اصلی خرابی EMR است.

• عمر طولانی (قابلیت اطمینان) > ۱۰۹ عملیات
• روشن شدن ولتاژ صفر، EMI/RFI کم
• مقاوم در برابر ضربه و لرزش
• روشن شدن تصادفی، کنترل متناسب
• بدون پرش تماس
• سوئیچینگ بدون قوس
• بدون نویز صوتی
• سازگار با ریزپردازنده
• پاسخ سریع
• عدم وجود قطعات متحرک

ملاحظات حرارتی

یکی از ملاحظات عمده در هنگام استفاده از SSR، مدیریت صحیح گرمایی است که هنگام تعویض جریان های بالاتر از حدود ۵ آمپر (A) ایجاد می شود. در این مورد، صفحه پایه SSR باید روی یک رسانای حرارتی خوب مانند آلومینیوم نصب شود و با یک محیط انتقال حرارتی خوب مانند گریس حرارتی یا یک پد انتقال حرارت استفاده شود. با استفاده از این تکنیک، مورد SSR مقاومت حرارتی سینک حرارتی به مقدار ناچیز ۰٫۱ درجه سانتیگراد بر وات کاهش می یابد.

ملاحظات بارگذاری

یکی از دلایل اصلی مشکلات کاربرد با SSR ها، فرورفتن حرارت نامناسب است. مشکلات همچنین می تواند از شرایط عملیاتی که بارهای خاص بر یک SSR تحمیل می کند، ایجاد شود. هنگام طراحی در یک SSR به عنوان راه حل سوئیچینگ، ویژگی های افزایش بار باید به دقت در نظر گرفته شود.

بارهای مقاومتی

بارهای مقادیر ثابت مقاومت ساده ترین کاربرد SSR ها هستند. ملاحظات حرارتی مناسب، همراه با توجه به رتبه‌بندی‌های جریان حالت پایدار، منجر به عملکرد بدون مشکل می‌شود.

بارهای DC

این نوع بار را باید القایی در نظر گرفت و یک دیود باید در سرتاسر بار قرار داده شود تا هرگونه نوسانی در هنگام خاموش شدن را جذب کند.

بارهای لامپ

بارهای لامپ رشته ای، اگرچه اساساً مقاومتی هستند، می توانند چالش هایی را ایجاد کنند. از آنجایی که مقاومت رشته سرد حدود ۵ تا ۱۰ درصد مقدار گرم شده است، جریان هجومی زیادی می تواند رخ دهد. ضروری است که بررسی شود که این جریان هجومی در محدوده مشخصات افزایشی SSR است.

همچنین باید بررسی کنید که از امتیاز لامپ SSR تجاوز نکنید. این رتبه بندی بر اساس هجوم یک لامپ معمولی است. به دلیل مقاومت کم فیلامنت در زمان روشن شدن، مشخصه روشن شدن ولتاژ صفر به ویژه در مورد لامپ های رشته ای مطلوب است.

بارهای خازنی

این نوع بارها به دلیل ظاهر اولیه آنها به عنوان اتصال کوتاه می توانند مشکل ساز باشند. جریان‌های موجی بالا می‌توانند هنگام شارژ اتفاق بیفتند که فقط با مقاومت مدار محدود می‌شود. در مورد بارهای خازنی با امپدانس کم باید احتیاط کرد تا بررسی شود که از قابلیت های di/dt تجاوز نمی شود. روشن کردن ولتاژ صفر وسیله ای بسیار ارزشمند برای محدود کردن di/dt با بارهای خازنی است.

موتور و شیر برقی

بارهای موتور و سلونوئید می توانند چالش هایی را برای عملکرد SSR قابل اعتماد ایجاد کنند. شیر برقی ها جریان های موج اولیه بالایی دارند زیرا امپدانس ثابت آنها بسیار کم است. موتورها همچنین اغلب در هنگام راه‌اندازی جریان‌های هجومی شدیدی دارند و می‌توانند ولتاژهای غیرعادی بالایی را در هنگام خاموش شدن ایجاد کنند. همانطور که روتور موتور می چرخد، یک EMF پشتی ایجاد می کند که جریان جریان را کاهش می دهد.

این EMF پشتی می تواند به ولتاژ خط اعمال شده اضافه کند و در هنگام خاموش شدن شرایط اضافه ولتاژ ایجاد کند. به همین ترتیب، جریان‌های هجومی مرتبط با بارهای مکانیکی دارای گشتاور راه‌اندازی یا اینرسی بالا، مانند فن‌ها و فلایویل‌ها، باید به دقت در نظر گرفته شوند تا تأیید شود که در قابلیت‌های موج SSR هستند. برای بررسی مدت زمان جریان هجومی باید از شنت جریان و اسیلوسکوپ استفاده شود.

مبدل ها

در کنترل ترانسفورماتورها، ویژگی های بار ثانویه باید در نظر گرفته شود، زیرا آنها بار موثر بر SSR را منعکس می کنند. گذراهای ولتاژ از مدارهای بار ثانویه، به طور مشابه، در ترانسفورماتورها مکرر هستند و می توانند بر SSR اعمال شوند. ترانسفورماتورها مشکلی را ایجاد می کنند که بسته به وضعیت شار ترانسفورماتور در زمان خاموش شدن، ممکن است ترانسفورماتور در نیمه اول چرخه ولتاژ اعمال شده بعدی اشباع شود.

این اشباع می تواند جریان بسیار بزرگی (۱۰ تا ۱۰۰ برابر با امتیاز معمولی) را به SSR تحمیل کند که به مراتب بیشتر از نرخ موج نوسان نیم سیکل آن است. SSRهایی که دارای روشن شدن تصادفی هستند ممکن است شانس بیشتری برای بقا نسبت به یک دستگاه روشن کننده متقاطع صفر داشته باشند، زیرا معمولاً به ترانسفورماتور نیاز دارند تا تنها بخشی از نیم چرخه اول ولتاژ را پشتیبانی کند.

از سوی دیگر، یک دستگاه روشن کننده تصادفی اغلب در نقطه ضربدر صفر بسته می شود و سپس SSR باید جریان اشباع را در بدترین حالت حفظ کند. یک دستگاه روشن کننده ضربدر صفر این مزیت را دارد که در حالت شناخته شده روشن می شود و بلافاصله بدترین حالت را نشان می دهد. استفاده از یک شنت جریان و یک اسیلوسکوپ برای بررسی اینکه از قابلیت موج نیم چرخه تجاوز نکرده است توصیه می شود.

یک روش معمول در اعمال یک SSR به بار ترانسفورماتور، انتخاب یک SSR با نرخ افزایش جریان نیم سیکل بیشتر از حداکثر ولتاژ خط اعمال شده تقسیم بر مقاومت اولیه ترانسفورماتور است. مقاومت اولیه معمولاً به راحتی اندازه‌گیری می‌شود و می‌توان روی آن به عنوان حداقل امپدانس اتکا کرد که نیمی از سیکل اول جریان هجومی را محدود می‌کند. وجود مقداری شار باقیمانده، به علاوه راکتانس اشباع اولیه، در بدترین حالت، موج نوسان نیم چرخه را به طور ایمن در محدوده رتبه‌بندی افزایش SSR محدود می‌کند.

سوئیچینگ دستگاه ها

خانواده نیمه هادی های تریستور از چندین وسیله بسیار مفید تشکیل شده است. بیشترین استفاده از این خانواده ترانزیستورهای اثر میدان نیمه هادی اکسید فلزی (MOSFET)، یکسو کننده های کنترل شده با سیلیکون (SCRs)، تریاک و آلترنیستور تریاک هستند. در بسیاری از کاربردها، این دستگاه ها عملکردهای کلیدی را انجام می دهند و برای تعیین صحیح یک سیستم قابل اعتماد، ضروری است که مزایا و معایب آنها را درک کنید. هنگامی که تریستورها به درستی اعمال شوند، می توانند یک مزیت مهم در برآوردن مشخصات محیطی، سرعت و قابلیت اطمینان باشند که همتایان الکترومکانیکی آنها نمی توانند آن را برآورده کنند.

ماسفت

ماسفت یک دستگاه نیمه هادی است که از دو ترانزیستور اثر میدانی نیمه هادی متالاکسید (MOSFET)، یکی از نوع N و دیگری از نوع P تشکیل شده است که روی یک تراشه سیلیکونی منفرد یکپارچه شده اند. ماسفت برای تعویض بارهای DC ایده آل است.

SCR

یکسو کننده کنترل شده با سیلیکون (SCR) یک دستگاه حالت جامد چهار لایه است که جریان جریان را کنترل می کند. SCR به عنوان یک سوئیچ عمل می کند و هنگامی که گیت آن پالس جریان را دریافت می کند، هدایت می کند و تا زمانی که بایاس به جلو باشد به هدایت خود ادامه می دهد. SCR برای تعویض انواع بارهای AC ایده آل است.

ترایاک

ترایاک یک قطعه الکترونیکی تقریبا معادل دو یکسو کننده کنترل شده با سیلیکون است که به صورت موازی معکوس (موازی اما با قطبیت معکوس) و با دروازه های آنها به هم متصل شده اند. این منجر به یک کلید الکترونیکی دو طرفه می شود که می تواند جریان را در هر جهت هدایت کند. تریاک برای تعویض بارهای AC مقاومتی ایده آل است.

آلترنیستور ترایاک

آلترنیستور برای تعویض بارهای متناوب متناوب استفاده می شود، آلترنیستور به طور خاص برای کاربردهایی طراحی شده است که بارهای بسیار القایی را تغییر می دهند. یک تراشه ویژه عملکردی مشابه دو SCR، موازی معکوس سیمی (پشت به پشت) ارائه می دهد که رفتار خاموش کردن بهتری را نسبت به یک تریاک استاندارد ارائه می دهد. آلترنیستور تریاک یک راه حل اقتصادی است که برای تعویض بارهای AC القایی ایده آل است.

ملاحظات حرارتی

مدیریت حرارتی به دلیل اتلاف تماس (معمولاً ۱ وات در هر آمپر) در طراحی و استفاده از SSRها یک ملاحظ اساسی است. بنابراین، بسیار مهم است که غرق حرارت کافی فراهم شود، در غیر این صورت عمر و قابلیت اطمینان سوئیچینگ SSR به خطر خواهد افتاد. برای اندازه‌گیری صحیح یک هیت سینک، باید در نظر داشت که چه چیزی برای گرفتن اعداد مقاومت حرارتی انجام می‌شود تا معنی آن را بفهمیم. بیایید ابتدا با تعریف چند متغیر شروع کنیم:

P = اتلاف توان (W)
EDROP = افت ولتاژ – حداکثر حالت روشن (V) را می توان در جدول مشخصات یافت
ILOAD = جریان بار (A)
TA = حداکثر دمای محیط در جایی که رله قرار خواهد گرفت (°C)
TJ = حداکثر دمای اتصال نیمه هادی – معمولاً ۱۰۰ درجه CTR = افزایش دمای مجاز ( درجه سانتیگراد)
REJC = مقاومت حرارتی، اتصال به کیس – موجود در جدول مشخصات (°C/W)
RECS = مقاومت حرارتی، کیس به سینک حرارتی – عموما ۰٫۱ درجه سانتیگراد / غربی این مربوط به تلفات در گریس حرارتی یا پد انتقال حرارتی
RESA = مقاومت حرارتی، هیت سینک به محیط – این ویژگی سینک حرارتی مورد نیاز بر اساس حجم هیت سینک و طراحی (°C/W)

فرمول های اصلی به شرح زیر است. به شرح زیر است:
P = EDROP x ILOAD
TR = TJ – TA
TR = P(REJC + RECS + RESA)
حل برای RESA
RESA = (TR / P) – (REJC+ RECS)

مثال: مشخصه مقاومت حرارتی سینک حرارتی مورد نیاز برای یک رله حالت جامد با افت ولتاژ ۱٫۶ ولت و مقاومت حرارتی (اتصال به کیس) ۱٫۰۲ درجه سانتیگراد بر وات، با بار ۲۰ آمپر و دمای محیط چقدر است. ۲۵ درجه سانتیگراد؟

تخصیص متغیرها:
EDROP = 1.6V (از جدول مشخصات کاتالوگ)
ILOAD = 20A
TA = 25°C
TJ = 100°C
REJC = 1.02°C/W (از جدول مشخصات کاتالوگ)
RECS = 0.1°C/W (به طور کلی پذیرفته شده است مقاومت حرارتی ناشی از گریس یا پد انتقال حرارتی)

حل:
P = 1.6 x 20 = 32W
TR = 100 – ۲۵ = ۷۵°C
RESA = (75/32) – (۱٫۰۲ + ۰٫۱)
R ESA = 1.22°C/W

به طور معمول، تمرین خوبی است که به نزدیکترین دهم گرد کنید تا فضای بیشتری برای سر ایجاد شود. این منجر به مقاومت حرارتی ۱٫۲ درجه سانتیگراد بر وات می شود.

استفاده از نمودار به انتخاب هیت سینک کمک بیشتری می کند. نمودارهای متنوعی از منابع مختلف بر اساس استفاده از فن و مواد موجود است.