از دیرباز مسئله کلید زنی یا قطع و وصل ولتاژ برق برای یک مصرف کننده حائز اهمیت بوده و بر همین مبنا بر اساس نوع جریان و محدوده ولتاژ، تجهیزات مختلفی با قابلیت‌ها و ابعاد متفاوت ساخته شده‌اند. رله‌ها جزو اولین دسته از کلیدها بودند که حالتی نیمه اتوماتیک و با تلفیق دو علم برق و مکانیک ساخته شدند. با گذشت زمان و پیشرفت تکنولوژی برق در حوزه الکترونیک، امروزه تجهیزی به عنوان رله در بازار موجود شده است که به آن رله حالت جامد یا رله SSR می گوییم. در این مقاله به معرفی رله SSR می‌پردازیم. با فرنام الکتریک همراه باشید.
رله SSR چیست؟
رله حالت جامد یا Solid State Relay (SSR) نوعی تجهیز کلید زنی از نوع سوئیچینگ الکترونیکی است که از ادوات نیمه هادی‌های الکترونیک قدرت ساخته شده است. این تجهیز این توانایی را دارد تا یک مدار ولتاژ بالا را با استفاده از ولتاژ پایین و با داشتن تنوع جریانی در ورودی و خروجی کنترل نماید و مدار را خاموش -روشن کند. تفاوت بارز رلههای حالت جامد با رلههای الکترومکانیکال که اصطلاحاً EMR نامیده می‌شوند در عدم وجود سیم پیچ در رله SSR است. در عوض رله حالت جامد از اپتوکوپلر برای جداسازی مدار کنترل از مدار تغذیه استفاده می‌کند.
همچنین در رله EMR شما با مؤلفه های کنتاکت باز و کنتاکت بسته سر و کار دارید و این در حالی است که رله SSR فاقد این امکان می‌باشد. به طور کلی یک رله حالت جامد دارای 2 جفت ترمینال می‌باشد که به ترمینال ورودی و ترمینال خروجی معروف‌اند. ترمینال ورودی وظیفه کنترل سوئیچینگ را بر عهده داشته و ترمینال خروجی برای اتصال به مصرف کننده، استفاده می‌شود.
هر زمان که ترمینال ورودی شما برق دار شود، ترمینال خروجی فعال می‌شود. در حقیقت ترمینال خروجی شما حالتی نظیر کنتاکت های NO دارند و وظیفه آنها تکمیل و ایجاد یک مسیر بسته در مدار است. پس فراموش نکنید که ترمینالهای خروجی رله SSR بر خلاف رله EMR نمی‌توانند سیگنال AC و DC را با استفاده از ترمینالهای یکسان سوئیچ کنند؛ بلکه باید مداری بسته شکل بگیرد. البته در مدل‌هایی خاص از رلههای SSR که در ادامه معرفی خواهیم کرد؛ ترمینالهای خروجی به حالت NC نیز داریم. اما استفاده از حالت NO متداول‌تر است.
بررسی ساختار رله SSR
همانطور که در شکل زیر مشاهده می‌کنید، این رله دو دسته ترمینال دارد، ترمینالهای ورودی و ترمینالهای خروجی که درباره آنها به اختصار توضیح می‌دهیم.
ترمینالهای ورودی
رله برای فعال شدن به ولتاژ ورودی نیاز دارد. این ولتاژ را به ترمینالهای ورودی رله می‌دهیم. اگر در ورودی، ولتاژ اعمال نکنیم خروجی رله عمل نکرده و تغییر وضعیت نمی‌دهد. ورودی رله می‌تواند AC (شکل ۹) یا DC (شکل ۱۰) باشد.
ترمینالهای خروجی NO
در حالت عادی (حالت استراحت) ترمینال‌ها، اتصال باز هستند یعنی از آنها جریانی عبور نمی‌کند. هنگامی که رله فعال می‌شود، ترمینال‌ها اتصال کوتاه می‌شوند و فاز را از منبع به مصرف‌کننده می‌رسانند. خروجی رله می‌تواند AC (شکل ۹)، DC (شکل ۱۰) یا AC و DC (شکل ۱۱) باشد.
ترمینالهای خروجی NC
در حالت استراحت رله، ترمینالهای خروجی متصل‌اند و جریان عبور می‌کند. با فعال شدن رله ترمینالهای آن اتصال باز می‌شوند و خروجی رله (برق مصرف‌کننده) قطع می‌شود. (توجه داشته باشید، رله‌هایی که معمولا به کار می‌بریم، کنتاکت NC ندارند اما در فرم B و C از کنتاکت NC استفاده می‌شود)
مزایای رلههای حالت جامد
- طراحی متنوع برای مدارهای AC و DC
- بدون قطعات مکانیکی و با طول عمر بالا
- تحمل جریان‌های هجومی بالا در لحظه استارت
- عملکرد بدون صدا
- قابلیت اتصال به طور مستقیم به خروجی PLC
- مناسب جهت مدارهایی با سرعت سویچ بالا
- عدم وجود جرقه در خروجی در فرمان قطع و وصل
- قطع و وصل در لحظه صفر (در مدل‌هایAC)
معایب رلههای حالت جامد
- ایجاد حرارت حین کار و نیاز به هیت سینک یا فن (یا هر دو) جهت تهویه
- وجود جریان نشستی هنگام خاموش بودن (این جریان در رنج میکرو آمپر بوده و می‌تواند باعث عملکرد لحظه‌ای تجهیزات شود)
- ساخت در مدل‌های AC و DC به‌صورت جداگانه و عدم امکان استفاده در هر دو نوع مدار
- عدم توانایی سوییچ تجهیزات با جریان راه‌اندازی پایین
- ایجاد نویز و هارمونیک
- احتمال روشن شدن اتفاقی در تغییرات شدید ولتاژ و وجود نویز
- قیمت بالاتر نسبت به رلههای الکترومکانیکی
- نسبت به اتصال کوتاه در خروجی بسیار حساس بوده و به‌سرعت می‌سوزند
نکات مهم در سیم بندی رله SSR
برای سیم بندی رلههای حالت جامد این نکات را در نظر داشته باشید:
- در هنگم سیم بندی دقت نمایید که حداکثر از ۵۰% توان نامی SSR برای راه‌اندازی بارهای سلفی و ۷۰% توان نامی برای راه‌اندازی بارهای غیر سلفی استفاده نمایید.
- به خاطر داشته باشید که رله SSR در لحظه خاموش بودن نیز مقداری جریان از خود عبور می‌دهند،مطمئن شوید که این جریان نشتی باعث عملکرد لحظه‌ای دیگر تجهیزات نشود.
- در صورت DC بودن مدار فرمان یا قدرت ممکن است قطب‌بندی مهم باشد. قطب‌بندی اشتباه می‌تواند باعث عدم عملکرد صحیح و یا آسیب به SSR شود.
- برای تعمیرات و یا تعویض تجهیزات باید مدار قدرت رله‌ها کاملاً بی‌برق شود. هرگز به قطع مدار فرمان بسنده نکنید و از بریکر یا کلید با تعداد پل‌های کافی و قبل از SSR استفاده نمایید.
- رله SSR با خروجی ۵ آمپر به بالا، نیاز به هیت سینک دارند. رله را بدون هیت سینک با سایز مناسب، روی سطوح پلاستیکی، چوبی و … نصب نکنید.
- از تجهیزات مناسب مانند سر سیم، سیم قلع اندود، وایرشو و … در سیم بندی SSR استفاده کنید.
- از سیستم زمین مناسب و بدون نویز در تابلوهای برق استفاده کنید. این کار باعث افزایش ایمنی، کاهش عملکردهای اتفاقی، کاهش برق‌گرفتگی و … می‌شود.
- رلههای حالت جامد باید با نصب سیستم‌های مناسب در برابر اضافه جریان و اتصال کوتاه محافظت شوند. حتماً از فیوز یا بریکر مناسب استفاده نمایید.
تفاوت رله SSR و رله EMR
رله SSR و EMR ذاتِ عملکردی یکسانی دارند، بزرگ‌ترین تفاوت، در شکلِ ظاهری و قطعات به‌کار رفته در آنها است. همانطور که در شکل زیر مشاهده می‌کنید، در رله SSR از قطعات الکترونیکی مثل ترانزیستور و LED استفاده شده است و در رله EMR، بوبین و قطعات مکانیکی مثل فنر، آرمیچر، کنتاکت ثابت و متحرک به‌کار رفته است. سایر تفاوت‌های آنها را در ادامه بیان می‌کنیم.
ویژگی‌های رله SSR
- کنتاکت مکانیکی ندارد.
- دچار فرسایش مکانیکی نمی‌شود.
- ایجاد جرقه، لرزش و ضربه نمی‌کند.
- عملکرد بی‌صدا دارد.
- با سرعت بالا سوئیچ می‌کند.
- می‌تواند جریان بالاتری را تحمل کند.
- نیاز به خنک‌کاری دارد.
- عمر طولانی دارد.
- سیگنال کم توان را سوئیچ نمی‌کند.
- در خروجی یا AC یا DC را سوئیچ می‌کند.
ویژگی‌های رله EMR
- جریان نشتی ندارد.
- عمر مکانیکی آن محدود است.
- ارزان قیمت است.
- نیاز به هیت‌سینک ندارد.
- گرما تولید نمی‌کند.
- کم حجم است.
- ایجاد نویز می‌کند.
- با هر دو ولتاژ AC و DC سازگار است.
رله SSR کجا استفاده می‌شود؟
بسته به نوع بار
المنت
از المنت در ماشین‌آلاتِ فرآوریِ مواد غذایی، قالب‌گیری، تزریق پلاستیک و اکستروژن، کوره‌ها، تهویه مطبوع، گرمایشِ مسکونی، خشک‌کن‌ها و … استفاده می‌شود. رله SSR برای سوئیچینگ المنت به منظور کنترل دما به کار می‌رود.
روشنایی
روشنایی در معابر و خیابان‌ها، سینما و تئاتر، باند فرودگاه‌ها، مراکز اداری و … استفاده می‌شود. برای on و off لامپ‌های رشته‌ای، لامپ‌های هالوژن و دستگاه‌های مشابه کاربرد دارد.
بارهای دیگر
رلههای حالت جامد همچنین برای کنترل بارهای دیگر مانند: سوئیچینگ منابع تغذیه، اینورترها، مبدل‌های قدرت، منابع تغذیه، خازن‌های تصحیح ضریب توان، شیر برقی و… کاربرد دارند.
بسته به کاربرد در صنعت
صنایع غذا و نوشیدنی
تعداد چرخه‌های سوئیچینگ در صنایع مواد غذایی و نوشیدنی زیاد است. بنابراین راه حل سوئیچینگ قابل اعتماد با طول عمر بالا و بدون تعمیر و نگهداری، استفاده از رله SSR است. SSR در قهوه ساز‌ها، ماشینهای فروش خودکار، تجهیزات گرمایشی و پخت و پز، سیستم‌های خنک‌کننده و تبرید، تجهیزات آماده سازی آشپزی و … استفاده می‌شود.
صنعت راه‌آهن
SSR قابلیت اطمینان طولانی مدت و انتقال ایمن سیگنال حتی در سخت‌ترین شرایط صنعتی، مانند کاربرد در راه‌آهن، HVAC (گرمایش و تهویه مطبوع)، گرمایش از کف، کمپرسور برای ترمز هیدرولیک یا پنوماتیک، کمپرسور روغن کاریِ چرخ و … را فراهم می‌کند.
صنعت پلاستیک
در فرآیند تولید پلاستیک، کنترل دقیق دما برای اطمینان از کیفیتِ محصول نهایی ضروری است. رلههای SSR در اکسترودر‌ها، ماشینهای تزریق، ماشینهای بازیافت، دستگاه‌های چاپ سه بعدی، خشک‌کن‌ها و … برای کنترل دما نصب می‌شوند.
صنایع بسته‌بندی
بسیاری از بخش‌ها مانند صنایع پزشکی و غذایی وابسته به صنعت بسته‌بندی هستند. از SSRها در دستگاه‌های بسته‌بندی استفاده می‌شود.
صنایع پزشکی و بهداشت
SSRها برای کنترلِ موتور‌ِ تخت‌های بیمارستانی، تجهیزات توانبخشی، کنترل گرمایش در تجهیزات استریلیزاسیون، واحدهای گرم کننده خون و … استفاده می‌شوند.
صنعت الکترونیک
صنعت الکترونیک یکی از بزرگ‌ترین صنایع جهان است. در این صنعت برای تولید نیمه‌رسانا‌ها و ساخت قطعات، به رلههای SSR برای کنترل نیاز دارند.
تهویه مطبوع در ساختمان‌ها
HVAC به معنای گرمایش، تهویه و تهویه مطبوع است. واحدهای HVAC سیستم‌هایی برای تنظیم جریان هوا، گرما و تهویه در یک ساختمان هستند و بهره‌وری انرژی را تضمین می‌کنند.
اتوماسیون
در کاربرد‌های فرکانس بالا در کنار PLCها و ریزپردازنده‌ها از رله SSR استفاده می‌شود.
جمع‌بندی
در این مقاله به‌صورت کامل SSR را به‌عنوان یکی از پر‌کاربرد‌ترین تجهیزات پایه توضیح دادیم و با عملکرد، مزایا و نحوه سیم‌کشی آن آشنا شدیم. شما می‌توانید سؤالات و نظرات خود را در قسمت نظرات این مقاله و یا از طریق تماس با همکاران ما در میان بگذارید.