رله‌های حالت جامد یا SSR ، معادل نیمه‌هادی رله‌های الکترومکانیکی هستند و می‌توانند برای کنترل بارهای الکتریکی بدون استفاده از قطعات متحرک استفاده شوند.
برخلاف رله‌های الکترومکانیکی (EMR) که از سیم‌پیچ‌ها، میدان‌های مغناطیسی، فنرها و کنتاکت‌های مکانیکی برای راه‌اندازی و تغییر منبع تغذیه استفاده می‌کنند، رله حالت جامد یا SSR هیچ قسمت متحرکی ندارد اما در عوض از خواص الکتریکی و نوری نیمه‌رساناهای حالت جامد استفاده میکند تا عملکردهای جداسازی و سوئیچینگ ورودی به خروجی را انجام دهد.
درست مانند رله‌های الکترومکانیکی معمولی، SSRها جداسازی الکتریکی کاملی را بین کنتاکت‌های ورودی و خروجی خود ایجاد می‌کنند و خروجی آن مانند یک کلید الکتریکی معمولی عمل میکند، زیرا در هنگام نارسانایی (باز) مقاومت بسیار بالا و تقریباً بی‌نهایت دارد و در هنگام هدایت، مقاومت بسیار کمی دارد. رله‌های حالت جامد را میتوان برای سوییچ جریان‌های AC یا DC با استفاده از خروجی SCR، ترایاک یا ترانزیستور سوئیچینگ به‌جای کنتاکت‌های مکانیکی معمولا باز ((NO) -normally-open) طراحی کرد.
در حالی که رله حالت جامد و رله الکترومکانیکی اساساً مشابه هم هستند زیرا ورودی ولتاژ پایین آنها از خروجی ایزوله شده که بار را تغییر میدهد و کنترل میکند، رله‌های الکترومکانیکی چرخه عمر کنتاکت محدودی دارند و می‌توانند فضای زیادی را اشغال کرده و دارای سرعت سوئیچ کندتر به خصوص رله‌های قدرت بزرگ و کنتاکتورها هستند. رله‌های حالت جامد چنین محدودیتی ندارند.
بنابراین، مزیت اصلی رله‌های حالت جامد نسبت به رله‌های الکترومکانیکی معمولی این است که هیچ بخش متحرکی برای فرسودگی ندارند. بنابراین هیچ مشکلی در تغییر کنتاکت ندارند و می‌توانند هر دو حالت “روشن” و “خاموش” را بسیار سریعتر از رله‌های مکانیکی آرمیچر سوئیچ کنند. همچنین ولتاژ روشن شدن صفر و جریان خاموش شدن صفر، نویز الکتریکی و حالت گذرا را حذف میکند.
رله‌های حالت جامد را میتوان در بسته‌های استاندارد از چند ولت یا آمپر تا صدها ولت و آمپر با قابلیت سوئیچینگ خروجی خریداری کرد. با این حال، رله‌های حالت جامد با درجه‌بندی جریان بسیار بالا (بیش از 150 آمپر) به دلیل نیاز به نیمه‌رسانای قدرت و نیاز به جذب حرارتی، هنوز برای خرید بسیار گران هستند، و به این ترتیب، کنتاکتورهای الکترومکانیکی ارزان‌تر همچنان استفاده می‌شوند.
مشابه رله‌های الکترومکانیکی، یک ولتاژ ورودی کوچک، معمولاً 3 تا 32 ولت DC، می‌تواند برای کنترل ولتاژ یا جریان خروجی بسیار زیاد استفاده شود. به عنوان مثال 240 ولت، 10 آمپر. این ویژگی، آنها را برای میکروکنترلر، PIC و رابط آردوینو (Arduino)، ایده‌آل میکند، زیرا سیگنال 5 ولت با جریان کم از یک میکروکنترلر یا گیت منطقی می‌تواند برای کنترل یک بار مدار خاص استفاده شود، و این ویژگی با استفاده از جداساز نوری (opto-isolator) به دست می‌آید.
ورودی رله حالت جامد
یکی از اجزای اصلی یک رله حالت جامد (SSR) یک جداساز نوری (همچنین کوپلر نوری نیز نامیده می‌شود) است که حاوی یک (یا چند) دیود ساطع کننده نور مادون قرمز یا منبع نور LED و یک دستگاه حساس به نور است. جداساز نوری، ورودی را از خروجی جدا میکند.
منبع نور LED به بخش راه‌انداز ورودی SSR متصل است و تزویج (coupling) نوری را از طریق یک شکاف به ترانزیستور حساس به نور مجاور، جفت دارلینگتون یا ترایاک، فراهم میکند. هنگامی که جریان از LED عبور میکند، روشن می‌شود و نور آن از طریق شکاف به یک ترانزیستور نوری/ترایاک نوری (photo-transistor/photo-triac) متمرکز می‌شود.
بنابراین خروجی یک SSR تزویج نوری با انرژی دادن به این LED، معمولاً با سیگنال ولتاژ پایین «روشن» می‌شود. از آنجایی که تنها ارتباط بین ورودی و خروجی یک پرتو نور است، جداسازی ولتاژ بالا (معمولاً چندین هزار ولت) با استفاده از این جداساز نوری داخلی به دست می‌آید.
جداساز نوری نه تنها درجه بالاتری از عایق بندی ورودی/خروجی را ارائه میکند، بلکه می‌تواند سیگنال‌های dc و فرکانس پایین را نیز ارسال کند. همچنین LED و دستگاه حساس به نور می‌توانند کاملاً از یکدیگر جدا باشند و با استفاده از یک فیبر نوری به صورت نوری کوپل شوند.
مدار ورودی یک SSR ممکن است فقط از یک مقاومت محدودکننده جریان به صورت سری با LED جداساز نوری یا یک مدار پیچیده‌تر با یکسوسازی، تنظیم جریان، حفاظت از قطبیت معکوس، فیلتر کردن و غیره تشکیل شده باشد.
برای فعال یا روشن کردن یک رله حالت جامد به حالت رسانایی، ولتاژی بیشتر از مقدار حداقل آن (معمولاً 3 ولت DC) باید به پایانههای ورودی آن اعمال شود (معادل سیم پیچ رله الکترومکانیکی). این سیگنال DC ممکن است از یک سوئیچ مکانیکی، یک گیت منطقی یا میکروکنترلر مشتق شود، همانطور که نشان داده شده است.
مدار ورودی DC رله حالت جامد
هنگام استفاده از کنتاکت‌های مکانیکی، سوئیچ‌ها، دکمه‌های فشاری، سایر کنتاکت‌های رله به عنوان سیگنال فعال‌کننده، ولتاژ تغذیه مورد استفاده می‌تواند برابر با حداقل مقدار ولتاژ ورودی SSR باشد. در حالی که هنگام استفاده از دستگاه‌های حالت جامد مانند ترانزیستور، گیت و میکرو‌کنترل کننده‌ها، حداقل ولتاژ تغذیه باید یک یا دو ولت بالاتر از ولتاژ روشن SSR باشد تا افت ولتاژ داخلی دستگاه سوئیچینگ را در نظر بگیرد.
اما علاوه بر استفاده از ولتاژ DC، اعم از جذب یا تامین، برای تبدیل رله حالت جامد به حالت هدایت، 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
یکسوکننده‌های پل، یک ولتاژ سینوسی را به پالس‌های یکسوشده تمام موج با دو برابر فرکانس ورودی تبدیل می‌کنند. مشکل اینجاست که این پالس‌های ولتاژ از صفر ولت شروع و به پایان می‌رسند 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 تحریک نامنظم خروجی، می‌توانیم موج‌های اصلاح شده را با استفاده از یک خازن هموارکننده (C1) روی خروجی یکسوساز پل، هموار کنیم. اثر شارژ و تخلیه خازن، مولفه DC سیگنال یکسوشده را به بالاتر از مقدار ولتاژ روشن‌شدن حداکثر برای ورودی رله‌های حالت جامد، افزایش میدهد. بنابراین، حتی اگر از یک شکل موج ولتاژ سینوسی دائماً در حال تغییر استفاده شود، ورودی SSR یک ولتاژ DC ثابت است.
مقادیر مقاومت افت ولتاژ، R1 و خازن هموارکننده، C1 متناسب با ولتاژ تغذیه، 120 ولت AC یا 240 ولت AC و همچنین امپدانس ورودی رله حالت جامد انتخاب می‌شوند. اما چیزی در حدود 40 کیلو اهم و 10میکرو فاراد می‌تواند مناسب باشد.
بنابراین، با اضافه شدن این یکسوساز پل و مدار خازن هموارکننده، یک رله حالت جامد DC استاندارد را میتوان با استفاده از منبع تغذیه AC یا بدون قطبیت DC کنترل کرد. البته تولیدکنندگان، رله‌های حالت جامد با ورودی AC (معمولاً 90 تا 280 ولت AC) را در حال حاضر تولید کرده و می‌فروشند.
خروجی رله حالت جامد
قابلیت سوئیچینگ خروجی یک رله حالت جامد می‌تواند 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 معمول باز (normally-open)، تک‌پل (single-pole)، یکطرفه (single-throw) (SPST-NO) یک رله الکترومکانیکی است.
برای اکثر SSRهای DC، دستگاه سوئیچینگ حالت جامد که معمولاً استفاده می‌شوند، ترانزیستورهای قدرت، دارلینگتون و ماسفت هستند، در حالی که برای SSRهای AC، دستگاه سوئیچینگ یا تریستورهای ترایاک یا پشت به پشت (back-to-back) است. تریستورها به دلیل قابلیت‌های ولتاژ و جریان بالا ترجیح داده می‌شوند. همانطور که نشان داده شده است، میتوان از یک تریستور منفرد نیز در مدار یکسوکننده پل استفاده کرد.
مدار خروجی رله حالت جامد
رایج‌ترین کاربرد رله‌های حالت جامد در سوئیچینگ بار AC است، چه برای کنترل برق متناوب برای سوئیچینگ روشن/خاموش، کاهش نور، کنترل سرعت موتور یا سایر کاربردهایی که کنترل توان مورد نیاز است و این بارهای AC را میتوان به راحتی با ولتاژ DC جریان پایین با استفاده از یک رله حالت جامد کنترل کرد که طول عمر طولانی و سرعت سوئیچینگ بالا را فراهم میکند.
یکی از بزرگترین مزیت‌های رله‌های حالت جامد نسبت به رله‌های الکترومکانیکی، توانایی آن در خاموش کردن بارهای AC در نقطه جریان بار صفر است، در نتیجه قوس الکتریکی، نویز الکتریکی و تغییر کنتاکت مرتبط با رله‌های مکانیکی معمولی و بارهای القایی را کاملاً از بین می‌برد.
دلیل آن این است که رله‌های حالت جامد سوئیچینگ AC از SCR و تریاک 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 آن برسد، به هدایت خود ادامه میدهد. بنابراین، خروجی یک SSR هرگز نمی‌تواند در وسط یک پیک موج سینوسی خاموش شود.
جریان قطع صفر، مزیت اصلی استفاده از رله حالت جامد است زیرا نویز الکتریکی و EMF برگشتی مرتبط با سوئیچ بارهای القایی را کاهش میدهد که به صورت قوس در کنتاکت‌های یک رله الکترومکانیکی دیده می‌شود. نمودار شکل موج خروجی یک رله حالت جامد AC معمولی را در زیر در نظر بگیرید.
شکل موج خروجی رله حالت جامد
بدون اعمال سیگنال ورودی، هیچ جریان باری از طریق SSR جریان نمی‌یابد، زیرا به طور موثر خاموش است (مدار باز) و پایانههای خروجی، تمام ولتاژ منبع تغذیه AC را می‌بینند. با اعمال سیگنال ورودی DC، صرف نظر از اینکه چرخه در کدام بخش از شکل موج سینوسی، مثبت یا منفی قرار دارد، به دلیل مشخصه سوییچینگ ولتاژ صفر SSR، خروجی تنها زمانی روشن می‌شود که شکل موج از نقطه صفر آن عبور کند.
با افزایش ولتاژ تغذیه در جهت مثبت یا منفی، به حداقل مقدار لازم برای روشن کردن کامل تریستورهای خروجی یا ترایاک (معمولاً کمتر از حدود 15 ولت)، می‌رسد. افت ولتاژ در پایانههای خروجی SSR، افت ولتاژ حالت روشن ادوات سوئیچینگ، VT (معمولاً کمتر از 2 ولت) است. بنابراین هر جریان هجومی (inrush current) زیاد مرتبط با بارهای راکتیو یا لامپ، تا حد زیادی کاهش می‌یابد.
هنگامی که سیگنال ولتاژ ورودی DC حذف می‌شود، خروجی به طور ناگهانی خاموش نمی‌شود، زیرا پس از شروع به رسانایی، تریستور یا تریاک مورد استفاده به عنوان دستگاه سوئیچینگ برای بقیه نیم سیکل روشن می‌ماند تا زمانی که جریان بار به زیر جریان نگهدارنده کاهش یابد و در این نقطه خاموش می‌شود. بنابراین، dv/dt بالای EMF های برگشتی مربوط به بارهای القایی سوئیچینگ در وسط یک موج سینوسی، تا حد زیادی کاهش می‌یابد.
بنابراین، 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 میکند، بنابراین هرگونه جریان هجومی بالا را حذف میکند زیرا جریان بار همیشه از نقطه‌ای نزدیک به 0 ولت شروع می‌شود و مشخصه خاموش شدن جریان صفر ذاتی تریستور یا تریاک است. بنابراین، یک حداکثر تاخیر خاموش شدن ممکن (بین حذف سیگنال ورودی و حذف جریان بار) به مقدار یک نیم سیکل وجود دارد.
رله حالت جامد کاهش‌دهنده نور فازی
در حالی که رله‌های حالت جامد می‌توانند سوئیچینگ مستقیم عبور صفر (zero-crossing) 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 کاهش نور، چه در خانه و چه برای نمایش یا کنسرت است.
رله‌های حالت جامد سوئیچینگ غیرصفر (روشن فوری) بلافاصله پس از اعمال سیگنال کنترل ورودی، روشن می‌شوند، برخلاف SSR عبور صفر بالا که تا نقطه عبور صفر بعدی موج سینوسی AC منتظر می‌ماند. این سوئیچینگ تصادفی در کاربردهای مقاومتی مانند کاهش نور لامپ و کاربردهایی که نیاز به بار فقط برای بخش کوچکی از چرخه AC دارند، استفاده می‌شود.
شکل موج خروجی سوئیچینگ تصادفی
در حالی که این ویژگی امکان کنترل فاز شکل موج بار را فراهم میکند، مشکل اصلی SSR های روشن تصادفی این است که جریان نوسان اولیه بار در لحظه روشن شدن رله، ممکن است به دلیل قدرت سوئیچینگ SSR زمانی که ولتاژ منبع تغذیه نزدیک به مقدار اوج خود (90o) است، زیاد باشد. هنگامی که سیگنال ورودی حذف می‌شود، و جریان بار به زیر جریان نگهدارنده تریستورها یا تریاک‌ها می‌رسد، هدایت آن متوقف می‌شود. بدیهی است که برای SSRهای DC، عمل سوئیچینگ ON-OFF فوری است.
رله حالت جامد برای طیف وسیعی از کاربردهای سوئیچینگ روشن/خاموش ایده‌آل است، زیرا برخلاف رله‌های الکترومکانیکی (EMR) هیچ بخش متحرک یا تماسی ندارند. انواع مختلف تجاری برای سیگنال‌های کنترل ورودی AC و DC و همچنین سوئیچینگ خروجی AC و DC وجود دارد زیرا از عناصر سوئیچینگ نیمه هادی مانند تریستورها، تریاک‌ها و ترانزیستورها استفاده می‌کنند.
اما با استفاده از ترکیبی از یک جداساز نوری خوب و یک تریاک، می‌توانیم رله حالت جامد ارزان و ساده خود را برای کنترل بار AC مانند گرم‌کننده، لامپ یا سولنوئید (solenoid) بسازیم. از آنجایی که یک جداساز نوری برای کار کردن فقط به مقدار کمی توان ورودی/کنترلی نیاز دارد، سیگنال کنترل می‌تواند از PIC، آردوینو، رزبری پی (Raspberry PI) یا هر میکروکنترلر دیگری از این قبیل باشد.
رله حالت جامد - مثال 1
فرض کنید یک میکروکنترلر با سیگنال پورت خروجی دیجیتال فقط 5+ ولت برای کنترل المنت حرارتی 120 ولت AC و 600 وات می‌خواهیم. برای این کار می‌توانیم از جداساز اپتوتریاک MOC 3020 استفاده کنیم، اما تریاک داخلی تنها می‌تواند حداکثر جریان 1 آمپر(ITSM) را در پیک منبعAC 120 ولت عبور دهد، بنابراین باید از یک تریاک سوئیچینگ اضافی نیز استفاده شود.
ابتدا مشخصه‌های ورودی جداساز نوری MOC 3020 را در نظر می‌گیریم (سایر اپتوتریاک‌ها نیز موجود هستند). برگه اطلاعات جداساز نوری می‌گوید که افت ولتاژ مستقیم (VF) دیود ساطع کننده نور ورودی، 1.2 ولت و حداکثر جریان (IF) مستقیم، 50 میلی آمپر است.
LED به حدود 10 میلی آمپر نیاز دارد و تا حداکثر مقدار 50 میلی آمپری خود به طور معقولی می‌درخشد. با این حال، پورت خروجی دیجیتال میکروکنترلر تنها می‌تواند حداکثر 30 میلی آمپر را تامین کند. بنابراین، مقدار جریان مورد نیاز چیزی بین 10 تا 30 میلی آمپر است. از این رو:
بنابراین میتوان از یک مقاومت محدودکننده جریان سری با مقدار بین 126 و 380 اهم استفاده کرد. از آنجایی که پورت خروجی دیجیتال همیشه +5 ولت سوئیچ میکند تا اتلاف برق از طریق LED تزویج نوری را کاهش دهد، مقدار مقاومتی ترجیحی 240 اهم را انتخاب می‌کنیم. این مقدار، جریان LED مستقیم کمتر از 16 میلی آمپر میدهد. در این مثال، هر مقدار مقاومت ترجیحی بین 150 و 330 اهم مناسب خواهد بود.
بار المنت حرارتی مقاومتی 600 وات است. استفاده از منبع 120 ولت AC، جریان بار 5 آمپر (I = P/V) را میدهد. از آنجایی که می‌خواهیم این جریان بار را در هر دو نیم سیکل (هر 4 ربع) شکل موج AC کنترل کنیم، به یک تریاک سوئیچینگ شبکه نیاز داریم.
BTA06 یک تریاک 6 آمپری 600 ولتی است که برای سوئیچینگ کلی روشن/خاموش بارهای متناوب AC مناسب است، اما هر تریاک 6 تا 8 آمپری مشابه این کار را انجام میدهد. همچنین این تریاک سوئیچینگ تنها به 50 میلی آمپر راه‌انداز گیت برای شروع هدایت نیاز دارد که بسیار کمتر از حداکثر آستانه 1 آمپری ایزولاتور نوری MOC 3020 است.
در نظر بگیرید که تریاک خروجی جداساز نوری در مقدار پیک (90o) ولتاژ تغذیه AC 120VRMS روشن شده است. این پیک ولتاژ دارای مقدار: 120 × 1.414 = 170Vpk است. اگر حداکثر جریان (ITSM) تریاک نوری 1آمپر پیک باشد، حداقل مقدار مقاومت سری مورد نیاز 170/1 = 170Ω یا 180 اهم، نزدیکترین مقدار ترجیحی است. این مقدار 180 اهم از تریاک خروجی کوپلر نوری و همچنین گیت تریاک BTA06 در منبع 120 ولت AC، محافظت میکند.
اگر تریاک جداساز نوری در نقطه تقاطعی صفر (0o) ولتاژ تغذیه AC 120VRMS روشن شود، حداقل ولتاژ مورد نیاز برای تامین جریان مورد نیاز راه‌اندازی گیت 50 میلی آمپری که تریاک سوئیچینگ را مجبور به هدایت میکند، مقدار 9 ولت خواهد بود: 180Ω × 50mA = 9.0. بنابراین، هنگامی که ولتاژ سینوسی گیت به MT1 از 9 ولت بیشتر باشد، تریاک به حالت هدایت می‌رود.
بنابراین، حداقل ولتاژ مورد نیاز پس از نقطه تقاطع صفر شکل موج AC، 9 ولت پیک خواهد بود و اتلاف توان در این مقاومت گیت سری بسیار کم است، بنابراین میتوان با خیال راحت از یک مقاومت 180 اهم و 0.5 وات استفاده کرد. مدار زیر را در نظر بگیرید.
مدار رله حالت جامد AC
این نوع پیکربندی کوپلر نوری اساس یک برنامه رله حالت جامد بسیار ساده را تشکیل میدهد که می‌تواند برای کنترل هر بار برق AC مانند لامپ‌ها و موتورها استفاده شود. در اینجا ما از MOC 3020 استفاده کرده‌ایم که یک جداساز سوئیچینگ تصادفی است. جداساز اپتوتریاک MOC 3041 دارای ویژگی‌های یکسانی است، اما با تشخیص عبور از صفر داخلی که به بار اجازه میدهد تا هنگام تعویض بارهای القایی، بدون جریان‌های هجومی سنگین، توان کامل را دریافت کند.
دیود D1 از آسیب ناشی از اتصال معکوس ولتاژ ورودی جلوگیری میکند، در حالی که مقاومت 56 اهم (R3) جریان‌های di/dt را هنگامی که تریاک خاموش است حذف میکند و باعث حذف تحریک کاذب می‌شود. همچنین ترمینال گیت را به MT1 متصل کرده و از خاموش شدن کامل تریاک اطمینان حاصل میکند.
اگر از سیگنال ورودی مدوله شده با عرض پالس PWM استفاده شود، فرکانس سوئیچینگ روشن/خاموش باید برای بار AC روی حداکثر کمتر از 10 هرتز تنظیم شود، در غیر این صورت سوئیچینگ خروجی این مدار رله حالت جامد ممکن است نتواند ادامه یابد.
