رله ها المان هایی الکترومکانیکی هستند که از یک آهنربای الکتریکی برای عملکرد یک جفت کنتاکت متحرک از حالت باز به حالت بسته، استفاده می‌کنند.
مزیت رله‌ها این است که برای به کار انداختن سیم پیچ رله، انرژی نسبتاً کمی مصرف میشود اما خود رله می‌تواند برای کنترل موتورها، بخاری‌ها، لامپ‌ها یا مدارهای AC استفاده شود که می‌توانند توان الکتریکی بسیار بیشتری را جذب کنند.
رله الکترومکانیکی یک دستگاه خروجی (راه انداز) است که در شکل‌ها، اندازه‌ها و طرح‌های زیادی وجود دارد و استفاده‌ها و کاربردهای زیادی در مدارهای الکترونیکی دارد. اما در حالی که رله‌های الکتریکی می‌توانند به مدارهای الکترونیکی یا کامپیوتری با توان کم اجازه دهند تا جریان‌ها یا ولتاژهای نسبتاً بالا را بر روی «روشن» یا «خاموش» سوئیچ کنند، نوعی مدار سوئیچ رله برای کنترل آن لازم است.
طراحی و انواع مدارهای سوئیچینگ رله، بسیار زیاد هستند اما بسیاری از پروژه‌های الکترونیکی کوچک از ترانزیستورها و ماسفت‌ها به عنوان المان سوئیچینگ اصلی خود استفاده می‌کنند، زیرا ترانزیستور می‌تواند کنترل سریع سوئیچینگ DC (روشن-خاموش) سیم پیچ رله را از منابع ورودی مختلف فراهم کند. در اینجا، مجموعه‌ای کوچک از برخی روش‌های رایج‌تر سوئیچینگ رله ها آورده شده است.
مدار سوئیچ رله NPN
یک مدار سوئیچ رله معمولی، دارای سیم‌پیچی است که توسط یک کلید ترانزیستور NPN، TR1 راهاندازی میشود که همانطور که نشان داده شده است به سطح ولتاژ ورودی بستگی دارد. هنگامی که ولتاژ بیس ترانزیستور صفر (یا منفی) باشد، ترانزیستور قطع میشود و به عنوان یک کلید باز عمل میکند. در این شرایط، هیچ جریان کلکتوری عبور نمی‌کند و سیمپیچ رله بدون انرژی است زیرا به عنوان ادوات جریان، اگر جریانی به بیس نرود جریانی از سیمپیچ رله عبور نخواهد کرد.
اگر اکنون یک جریان مثبت به اندازه کافی به بیس وارد شود تا ترانزیستور NPN اشباع شود، جریانی که از بیس به امیتر (B به E) می‌گذرد، جریان سیمپیچ رله بزرگتر را که در ترانزیستور از کلکتور به امیتر می‌گذرد، کنترل میکند.
برای اکثر ترانزیستورهای سوئیچینگ دوقطبی، مقدار جریان سیم پیچ رله‌ای که به کلکتور می‌رسد، چیزی بین 50 تا 800 برابر جریان بیس مورد نیاز برای هدایت ترانزیستور به سمت اشباع است. بهره جریان یا مقدار بتا (β) ترانزیستور BC109 نشان داده شده، معمولاً حدود 290 در 2 میلی آمپر است ( طبق دیتاشیت ترانزیستور).
توجه داشته باشید که سیم پیچ رله نه تنها یک آهنربای الکتریکی بلکه یک سلف نیز می‌باشد. هنگامی که به دلیل عملکرد سوئیچینگ ترانزیستور، توان به سیم پیچ اعمال میشود، به دلیل مقاومت DC سیم پیچ، یک جریان بیشینه همانطور که توسط قانون اهم (I = V/R) تعریف شده است، جریان می‌یابد. بخشی از این انرژی الکتریکی در میدان مغناطیسی سیمپیچ رله ذخیره میشود.
هنگامی که ترانزیستور خاموش میشود، جریان عبوری از سیم پیچ رله کاهش یافته و میدان مغناطیسی فروکش میکند. با این حال، انرژی ذخیره شده در میدان مغناطیسی باید به جایی برود و یک ولتاژ معکوس در سراسر سیمپیچ ایجاد میشود، زیرا تلاش میکند جریان را در سیم پیچ رله حفظ کند. این عمل باعث ایجاد یک ولتاژ بالا در سیمپیچ رله میشود که در صورتی که اجازه تولید یابد، به ترانزیستور سوئیچینگ NPN آسیب می‌رساند.
بنابراین برای جلوگیری از آسیب به ترانزیستور نیمه هادی، یک “دیود فلایویل” (flywheel diode) که به عنوان دیود فلایویل یا هرزگرد (freewheeling) نیز شناخته میشود، در راستای سیم پیچ رله متصل میشود. این دیود فلایویل، ولتاژ معکوس در سیم پیچ را به حدود 0.7 ولت نگه داشته، انرژی ذخیره شده را هدر داده و از ترانزیستور سوئیچینگ محافظت میکند. دیودهای فلایویل فقط زمانی قابل اجرا هستند که منبع تغذیه، ولتاژ DC قطبی شده باشد. سیمپیچ AC به روش حفاظتی متفاوتی نیاز دارد و برای این کار از مدار RC اسنابر (RC snubber) استفاده میشود.
مدار سوئیچ رله دارلینگتون NPN
مدار سوئیچ رله ترانزیستور NPN قبلی، برای سوئیچینگ بارهای کوچک مانند LED و رله‌های مینیاتوری ایدهآل است. اما گاهی اوقات لازم است که سیم‌پیچ‌های رله بزرگتر یا جریان‌های فراتر از محدوده ترانزیستورهای عمومی BC109 سوئیچ شوند و این امر می‌تواند با استفاده از ترانزیستورهای دارلینگتون به دست آید.
حساسیت و بهره جریان مدار سوئیچ رله را می‌توان با استفاده از یک جفت ترانزیستور دارلینگتون به جای یک ترانزیستور سوئیچینگ، به میزان زیادی افزایش داد. جفت ترانزیستوری دارلینگتون را می‌توان از دو ترانزیستور دوقطبی که به صورت جداگانه به هم متصل شده‌اند، همانطور که نشان داده شده است، ساخت یا به عنوان یک دستگاه منفرد با سیم‌های اتصال بیس، امیتر و کلکتور در دسترس هستند.
دو ترانزیستور NPN همانطور که نشان داده شده است به هم متصل می‌شوند تا جریان کلکتور ترانزیستور اول، TR1 به جریان بیس ترانزیستور دوم، TR2 تبدیل شود. اعمال جریان بیس مثبت به TR1 به طور خودکار ترانزیستور سوئیچینگ TR2 را روشن میکند.
اگر دو ترانزیستور مجزا به عنوان یک جفت سوئیچینگ دارلینگتون پیکربندی شوند، معمولاً یک مقاومت با مقدار کوچک (100 تا 1000 اهم) بین بیس و امیتر ترانزیستور سوئیچینگ اصلی، TR2 قرار میگیرد تا از خاموش شدن کامل آن اطمینان حاصل شود. مجدداً از یک دیود فلایویل برای محافظت از TR2 در برابر EMF برگشتی که هنگام قطع برق سیم پیچ رله ایجاد میشود، استفاده میشود.
مدار سوئیچ رله امیتر پیرو (Emitter Follower)
علاوه بر پیکربندی استاندارد امیتر مشترک برای مدار سوئیچ رله، سیمپیچ رله همچنین می‌تواند به ترمینال امیتر ترانزیستور متصل شود تا یک مدار امیتر پیرو ایجاد کند. سیگنال ورودی مستقیماً به بیس متصل میشود در حالی که خروجی از بار امیتر مطابق شکل، گرفته میشود.
پیکربندی کلکتور مشترک یا امیتر پیرو، برای کاربردهای تطبیق امپدانس به دلیل امپدانس ورودی بسیار بالا، در ناحیه صدها هزار اهم، بسیار مفید است، در حالی که امپدانس خروجی نسبتاً کم برای سوئیچ سیم پیچ رله دارد. همانند مدار قبلی سوئیچ رله NPN، سوئیچینگ با اعمال جریان مثبت به بیس ترانزیستور انجام میشود.
مدار سوئیچ رله دارلینگتون امیتر
این مدار، نسخه ترانزیستور دارلینگتون مدار امیتر پیرو قبلی است. یک جریان بیس مثبت بسیار کوچک اعمال شده به TR1، به دلیل ضرب دو مقدار بتا باعث میشود جریان کلکتور بسیار بیشتری از TR2 عبور کند.
مدار سوئیچ رله دارلینگتون امیتر مشترک برای تامین بهره جریان و بهره توان با بهره ولتاژ تقریبا برابر با واحد، مفید است. یکی دیگر از ویژگی‌های مهم این نوع مدار امیتر پیرو این است که دارای امپدانس ورودی بالا و امپدانس خروجی کم است که آن را برای تطبیق امپدانس با سیم‌پیچ‌های رله بزرگ ایدهآل میکند.
مدار سوئیچ رله PNP
علاوه بر سوئیچینگ سیم پیچ های رله و بارهای دیگر با ترانزیستورهای دوقطبی NPN، می‌توانیم آنها را با استفاده از ترانزیستورهای دوقطبی PNP سوئیچ کنیم. مدار سوئیچ رله PNP از نظر توانایی کنترل سیمپیچ رله، هیچ تفاوتی با مدار سوئیچینگ رله NPN ندارد. با این حال، به قطبیت‌های متفاوتی از ولتاژهای عملیاتی نیاز دارد. به عنوان مثال، ولتاژ کلکتور-امیتر، Vce، برای نوع PNP باید منفی باشد تا باعث ایجاد جریان از امیتر به کلکتور شود.
مدار ترانزیستور PNP برخلاف مدار سوئیچینگ رله NPN عمل میکند. زمانی که بیس بایاس مستقیم با ولتاژی منفی‌تر از امیتر باشد، جریان بار از امیتر به کلکتور عبور میکند. برای اینکه جریان بار رله از طریق امیتر به کلکتور جریان یابد، هم بیس و هم کلکتور باید نسبت به امیتر منفی باشند.
به عبارت دیگر، هنگامی که Vin زیاد است ترانزیستور PNP خاموش میشود و سیمپیچ رله نیز به همین ترتیب است. وقتی که Vin کم است، ولتاژ بیس کمتر از ولتاژ امیتر (منفی تر) است و ترانزیستور PNP “روشن” میشود. مقدار مقاومت بیس، جریان بیس را تنظیم میکند که به نوبه خود جریان کلکتور را تنظیم کرده و سیمپیچ رله را به حرکت در می‌آورد.
سوئیچ‌های ترانزیستوری PNP را می‌توان زمانی استفاده کرد که سیگنال سوئیچینگ برای یک ترانزیستور NPN معکوس باشد، به عنوان مثال خروجی یک گیت CMOS NAND یا سایر المان های منطقی دیگر. خروجی منطقی CMOS دارای قدرت راهاندازی در منطق 0 است تا جریان کافی برای روشن کردن ترانزیستور PNP را جذب کند. بنابراین، جاذب‌های جریان را می‌توان با استفاده از ترانزیستورهای PNP و منبع تغذیه با قطبیت مخالف به منابع جریان تبدیل کرد.
مدار سوئیچ رله کلکتور PNP
عملکرد این مدار همانند مدار قبلی سوئیچینگ رله می‌باشد. در این مدار سوئیچ رله، بار رله به کلکتور ترانزیستور PNP متصل شده است. عمل سوئیچینگ روشن-خاموش ترانزیستور و سیمپیچ زمانی اتفاق می‌افتد که Vin کم، ترانزیستور “روشن” و Vin بالا، ترانزیستور خاموش باشد.
دیدیم که یک ترانزیستور دوقطبی NPN یا یک ترانزیستور دوقطبی PNP می‌تواند به عنوان سوئیچ برای سوئیچینگ رله یا هر بار دیگری عمل کند. اما دو شرط مختلف وجود دارد که باید درک شود زیرا جریان در دو جهت متفاوت جریان دارد.
بنابراین در یک ترانزیستور NPN، یک ولتاژ بالا نسبت به امیتر، به بیس اعمال شده، جریان از کلکتور به امیتر عبور میکند و ترانزیستور NPN روشن میشود. برای یک ترانزیستور PNP، یک ولتاژ کم نسبت به امیتر، به بیس اعمال شده، جریان از امیتر به کلکتور جریان می‌یابد و ترانزیستور PNP روشن میشود.
مدار سوئیچ رله ماسفت کانال N
عملکرد سوئیچینگ رله ماسفت بسیار شبیه عملکرد سوئیچ ترانزیستوری اتصال دوقطبی (BJT) است که در بالا مشاهده شد و هر یک از مدارهای قبلی را می‌توان با استفاده از ماسفت‌ها، پیاده‌سازی کرد. با این حال، تفاوت‌های عمده‌ای در عملکرد مدارهای ماسفت وجود دارد که عمده‌ترین آنها این است که ماسفت‌ها المان‌هایی هستند که با ولتاژ کار می‌کنند و از آنجایی که گیت به صورت الکتریکی از کانال درین-سورس (Drain-Source) جدا شده است، امپدانس ورودی بسیار بالایی داشته و جریان گیت برای ماسفت صفر است، بنابراین مقاومت بیس غیر ضروری است.
ماسفت ها از طریق یک کانال رسانا که در ابتدا بسته است، ترانزیستور خاموش، هدایت می‌کنند. این کانال به تدریج در عرض رسانا افزایش می‌یابد زیرا ولتاژ اعمال شده به ترمینال گیت به آرامی زیاد میشود. به عبارت دیگر، ترانزیستور با افزایش کانال همانطور که ولتاژ گیت افزایش می‌یابد، عمل میکند و به همین دلیل به این نوع ماسفت، ماسفت افزایشی یا E-MOSFET می‌گویند.
ماسفت‌های افزایشی کانال N (NMOS)، متداول‌ترین نوع ماسفت هستند که ولتاژ مثبت در ترمینال گیت، ماسفت را روشن میکند و ولتاژ صفر یا منفی روی گیت، آن را خاموش میکند و آن را به عنوان سوئیچ رله ماسفت، ایدهآل میکند. ماسفت های مکمل افزایشی کانال P (Complementary P-channel Enhancement MOSFETs) نیز موجود هستند که مانند PNP BJT با ولتاژهای مخالف کار می‌کنند.
مدار سوئیچ رله ماسفت فوق در پیکربندی سورس مشترک وصل شده است. با ورودی ولتاژ صفر، شرایط کم، مقدار VGS برای باز کردن کانال ناکافی است و ترانزیستور “خاموش” است. اما هنگامی که VGS به بالاتر از ولتاژ آستانه پایین‌تر ماسفت VT، افزایش می‌یابد، کانال باز شده، جریان عبور کرده و سیمپیچ رله کار میکند.
بنابراین ماسفت افزایشی به عنوان یک سوئیچ معمولا باز عمل میکند و آن را برای سوئیچینگ بارهای کوچک مانند رله‌ها، ایدهآل میکند. ماسفت‌های نوع E، مقاومت حالت خاموش بالا اما مقاومت حالت روشن متوسط (مناسب برای اکثر کاربردها) دارند، بنابراین هنگام انتخاب برای یک برنامه سوئیچینگ خاص، مقدار RDS آن باید در نظر گرفته شود.
مدار سوئیچ رله ماسفت کانال P
ماسفت افزایشی کانال P (PMOS)، مانند ماسفت افزایشی کانال N ساخته میشود با این تفاوت که تنها با ولتاژهای گیت منفی کار میکند. به عبارت دیگر، یک MOSFET کانال P به همان شکل اما با قطبیت‌های مخالف عمل میکند زیرا گیت باید منفی‌تر از سورس باشد تا ترانزیستور را با بایاس مستقیم، روشن کند.
در این پیکربندی، ترمینال سورس کانال P به +Vdd و ترمینال درین از طریق سیم پیچ رله به زمین متصل میشود. هنگامی که یک سطح ولتاژ بالا به گیت اعمال میشود، ماسفت کانال P خاموش میشود. E-MOSFET خاموش، مقاومت کانال بسیار بالایی داشته و تقریباً مانند یک مدار باز عمل میکند.
هنگامی که یک سطح ولتاژ پایین به گیت اعمال میشود، ماسفت کانال P “روشن” میشود. این امر باعث میشود تا جریان از طریق مسیر مقاومت کم کانال e-MOSFET عبور کرده و سیم پیچ رله کار میکند. هر دوی e-MOSFET های کانال N و P، مدارهای سوئیچینگ رله ولتاژ پایین بسیار خوبی را ایجاد می‌کنند و به راحتی می‌توانند به طیف گسترده‌ای از گیت‌های منطقی دیجیتال و ریزپردازنده‌های کاربردی متصل شوند.
مدار سوئیچ رله کنترل شده منطقی
ماسفت افزایشی کانال N، به عنوان یک سوئیچ ترانزیستوری بسیار مفید است زیرا در حالت “خاموش” (با بایاس گیت صفر)، کانال آن دارای مقاومت بسیار بالایی است و جریان را مسدود میکند. با این حال، یک ولتاژ مثبت نسبتا کوچک بیشتر از ولتاژ آستانه VT در گیت امپدانس بالا، باعث میشود که جریان را از ترمینال درین به ترمینال سورس خود هدایت کند.
برخلاف ترانزیستور پیوندی دوقطبی که برای روشن کردن آن به جریان بیس نیاز است، e-MOSFET فقط به ولتاژ روی گیت نیاز دارد زیرا به دلیل ساختار گیت عایقی آن، جریان صفر به گیت می‌رسد. بنابراین این باعث میشود که e-MOSFET، کانال N یا P، به طور مستقیم توسط گیت‌های منطقی معمولی TTL یا CMOS هدایت کند که در زیر نشان داده شده است.
در اینجا، E-MOSFET کانال N توسط یک گیت منطقی دیجیتال هدایت میشود. پین‌های خروجی اکثر گیت‌های منطقی فقط می‌توانند مقدار محدودی جریان را تأمین کنند که معمولاً بیش از 20 میلی آمپر نیست. از آنجایی که ماسفت‌های افزایشی دستگاه‌هایی هستند که دارای ولتاژ هستند و جریان گیت مصرف نمی‌کنند، می‌توانیم از مدار سوئیچ رله ماسفت برای کنترل بارهای توان بالا استفاده کنیم.
مدار سوئیچ رله میکروکنترلر
علاوه بر گیت‌های منطقی دیجیتال، می‌توانیم از پین‌های خروجی و کانال‌های میکروکنترلر، PIC ها و پردازنده‌ها برای کنترل دنیای بیرون استفاده کنیم. مدار زیر نحوه اتصال رله با استفاده از سوئیچ ماسفت را نشان می‌دهد.
خلاصه مدار سوئیچینگ رله
در این مقاله دیدیم که چگونه می‌توانیم از ترانزیستورهای پیوندی دوقطبی، NPN یا PNP و ماسفت‌های افزایشی، چه کانال N یا کانال P به عنوان مدار سوئیچینگ ترانزیستوری استفاده کنیم.
گاهی اوقات هنگام ساخت مدارهای الکترونیکی یا میکروکنترلر، میخواهیم از یک سوئیچ ترانزیستوری برای کنترل یک دستگاه توان بالا مانند موتورها، لامپ ها، عناصر گرمایش یا مدارهای AC، استفاده کنیم. به طور کلی، این دستگاه‌ها به جریان‌های بزرگتر یا ولتاژهای بالاتری نسبت به یک ترانزیستور توان نیاز دارند، بنابراین می‌توانیم از مدار سوئیچینگ رله برای انجام این کار استفاده کنیم.
ترانزیستورهای دوقطبی (BJT) مدارهای سوئیچینگ رله بسیار خوب و ارزانی را می‌سازند، اما BJT ها ادواتی هستند که با جریان کار می‌کنند همانطور که یک جریان بیس کوچک را به جریان بار بزرگتر تبدیل می‌کنند تا سیم پیچ رله را فعال کنند.
با این حال، سوئیچ ماسفت به عنوان یک کلید الکتریکی ایدهآل است، زیرا عملاً جریان گیت برای روشن شدن نیاز ندارد و ولتاژ گیت را به جریان بار تبدیل میکند. بنابراین، ماسفت می‌تواند به عنوان یک کلید کنترل شده با ولتاژ کار کند.
در بسیاری از کاربردها، ترانزیستورهای دوقطبی را می‌توان با ماسفت‌های افزایشی جایگزین کرد که عملکرد سوئیچینگ سریع‌تر، امپدانس ورودی بسیار بالاتر و احتمالاً اتلاف توان کمتری را ارائه می‌دهند. ترکیبی از امپدانس گیت بسیار بالا، مصرف انرژی بسیار کم در حالت خاموش و قابلیت سوئیچینگ بسیار سریع، ماسفت را برای بسیاری از کاربردهای سوئیچینگ دیجیتال مناسب میکند. همچنین با جریان صفر گیت، عمل سوئیچینگ آن نمی‌تواند مدار خروجی یک گیت دیجیتال یا میکروکنترلر را دچار اضافه بار کند.
با این حال، از آنجایی که گیت یک E-MOSFET از بقیه اجزا عایق شده است، به الکتریسیته ساکن حساس است که می‌تواند لایه نازک اکسید روی گیت را از بین ببرد. بنابراین هنگام حمل قطعه یا زمانی که از آن استفاده میشود باید مراقبت ویژهای صورت گیرد و هر مداری که از ماسفت های افزایشی استفاده میکند باید دارای محافظت مناسب در برابر جهش‌های استاتیکی و ولتاژ باشد.
همچنین برای محافظت بیشتر از BJT یا ماسفت، همیشه از یک دیود فلایویل و سیمپیچ رله استفاده کنید تا به طور ایمن EMF برگشتی ایجاد شده توسط عمل سوئیچینگ ترانزیستور را از بین ببرید.
2 دیدگاه در “مدار سوئیچ رله”
سلام. سرجمع و خلاصه کردن اطلاعات بسیار مفید و کاربردی که طی سالها کار جمع آوری شده ولی هرکز حفظ نمیشود باعث اتلاف وقت همیشگی طراحان است.از گردآوری یکجای این اطلاعات هم لذت بردم و هم اعتماد بنفس ویژه ای پیدا کردم.دست مریزاد
بیشک طبقه بندی این چنین جزئیاتی باعث پیشبرد سازندگان است.
سلام لطفا در مورد اون مقاومت بالاکش بیس ترانزیستور PNP بیشتر توضیح بدین :
https://wiki.redronic.com/wp-content/uploads/2022/10/articles-switch6.gif
چه استفاده مفیدی داره در هر صورت مگر با دادن ولتاژ کمتر از امیتر روشن نمیشود و در حالت عادی ولتاژ بیس باید کم بشه و این مقاومت هم کاهنده است با ورود نویز به ورودی مدار یه نوع تقسیم ولتاژ صورت میگیرد و ولتاژ بیس کمتر میشود این مقاومت چطور از این اتفاق جلوگیری میکند! در وضعیت استیبل خاموش قراردادن ترانزیستور وقتی بیس به منبع خاموشی (وضعیت مابین 0-1) متصل است ، با این مقاومت شدنی هست؟ لطفا در مورد عملکردش بهتر توضیح بدین.