دو رویکرد اساسی برای سوئیچینگ برق
هر سیستم خودکاری که بار را روشن یا خاموش می کند در نهایت به یک دستگاه سوئیچینگ که بین سیگنال کنترل و مسیر برق واقعی قرار دارد متکی است. برای چندین دهه، این دستگاه یکی از دو شکل را به خود گرفته است: الکترومکانیکی رله که به طور فیزیکی مجموعه ای از کنتاکت های فلزی یا یک کلید نیمه هادی را می بندد که بدون هیچ قطعه متحرکی تغییر حالت می دهد. هر دو رویکرد یک وظیفه اساسی را انجام می دهند، اما راه رسیدن به آن، و مبادلاتی که با هر روش می آید، بسیار متفاوت است.
یک سنتی رله contact مونتاژ بر اساس یک اصل ساده کار می کند: به یک سیم پیچ انرژی دهید، یک میدان مغناطیسی ایجاد کنید، یک آرمیچر را به سمت سیم پیچ بکشید، و اجازه دهید این حرکت به طور فیزیکی دو سطح رسانا را به هم فشار دهد. مکانیکی است، قابل مشاهده است و با مولتی متر و پیچ گوشتی قابل درک است. جایگزین از جداسازی نوری و اتصالات نیمه هادی برای دستیابی به همان رفتار روشن/خاموش استفاده می کند و حرکت فیزیکی را با سیگنال های الکتریکی مبادله می کند.
درک اینکه کدام رویکرد برای یک برنامه خاص مناسب است با درک آنچه در داخل هر دستگاه در طول یک رویداد سوئیچینگ اتفاق می افتد شروع می شود، زیرا مکانیسم داخلی تقریباً هر تفاوت عملی در طول عمر، سرعت، نویز و هزینه را هدایت می کند.
چگونه رله های حالت جامد در داخل کار می کنند
A رله حالت جامد مجموعه سیم پیچ و آرمیچر را با سه مرحله عملکردی جایگزین می کند: یک مدار ورودی، یک مانع جداسازی، و یک دستگاه سوئیچینگ خروجی. مرحله ورودی یک سیگنال کنترل سطح پایین، معمولا یک ولتاژ DC کوچک از یک کنترل کننده یا مدار منطقی را می پذیرد. این سیگنال یک منبع نور داخلی را در یک شکاف ایزوله هدایت می کند که توسط یک گیرنده حساس به نور در سمت خروجی دریافت می شود. هیچ اتصال الکتریکی بین ورودی و خروجی وجود ندارد، فقط نور وجود دارد، به همین دلیل است که این دستگاه ها چنین انزوا قوی را بین مدار کنترل و مدار بار ایجاد می کنند.
هنگامی که گیرنده سیگنال ورودی را تشخیص می دهد، عنصر سوئیچینگ خروجی را فعال می کند، معمولاً یک جفت تریستور، یک ترایاک یا یک ترانزیستور قدرت بسته به اینکه بار AC یا DC باشد. سپس آن عنصر جریان را دقیقاً مانند یک تماس مکانیکی بسته، اما بدون هیچ حرکت فیزیکی، از مدار بار عبور می دهد.
رفتار تماس رله مکانیکی و محدودیت های آن
قدرت رله مکانیکی در سادگی و مقاومت کم آن در حالت روشن است. هنگامی که کنتاکت ها بسته می شوند، جریان از طریق یک مسیر فلزی جامد با حداقل افت ولتاژ و تقریباً بدون تولید گرما در خود نقطه کلید جریان می یابد. این امر باعث می شود رله های مکانیکی برای حمل جریان قابل توجه بدون نیاز به هیت سینک کارآمد باشند.
مبادله سایش مکانیکی است. هر چرخه باز و بسته شدن شامل جهش تماس فیزیکی، قوس های جزئی به عنوان قطع مدار و فرسایش تدریجی سطح تماس است. در طی چرخههای کافی، این فرسایش مقاومت تماس را تغییر میدهد و در نهایت کنتاکتها میتوانند حفرهای داشته باشند، تحت بارهای القایی سنگین بسته شوند یا اصلاً اتصال تمیز ایجاد نکنند.
| عامل | رفتار معمولی |
|---|---|
| عمر مکانیکی | حدود 1 میلیون تا 10 میلیون عملیات، وابسته به بار |
| زمان تعویض | 5 تا 15 میلی ثانیه |
| تماس با پرش | موجود، ممکن است به مدار انحرافی نیاز داشته باشد |
| عملکرد شنیداری | بله، یک کلیک قابل شنیدن در هر چرخه |
| افت ولتاژ در حالت | خیلی کم، نزدیک به صفر |
قرار گرفتن در معرض محیطی این اثرات را ترکیب می کند. گرد و غبار، رطوبت و جوهای خورنده تخریب تماس را تسریع می کنند، در حالی که ارتعاش می تواند در سیستم هایی که با حاشیه فشار تماس کافی طراحی نشده اند، منفذهای کاذب لحظه ای ایجاد کند. هیچ یک از اینها رله های مکانیکی را غیرقابل اعتماد نمی کند، اما به این معنی است که طول عمر آنها به جای صرف زمان، به تعداد چرخه و ویژگی های بار بستگی دارد.
رله حالت جامد در مقابل رله مکانیکی: مقایسه کنار هم
هنگامی که تفاوت های عملی مستقیماً در برابر یکدیگر قرار می گیرند، انتخاب بین این دو فناوری آسان تر می شود. جدول زیر عواملی را که بیشترین اهمیت را در تصمیم گیری های برنامه روزانه دارند، خلاصه می کند.
| مشخصه | رله مکانیکی | رله حالت جامد |
|---|---|---|
| قطعات متحرک | بله، آرمیچر فیزیکی و تماس | هیچ کدام |
| سرعت سوئیچینگ | میلی ثانیه | میکروثانیه |
| نویز الکتریکی | قوس تماس امکان پذیر است | حداقل، به خصوص با طرح های ضربدر صفر |
| طول عمر مورد انتظار | محدود به چرخه های مکانیکی | به طور عمده توسط تنش حرارتی محدود شده است |
| نیاز به دفع گرما | پایین، مخاطبین سرد اجرا می شوند | دستگاه خروجی بالاتر گرما تولید می کند |
| تحمل لرزش | متوسط، مخاطبین می توانند گپ بزنند | بالا، بدون قطعات فیزیکی برای مزاحمت |
| جریان نشتی هنگام خاموش بودن | اساسا هیچ کدام | جریان نشتی کوچک معمولا وجود دارد |
| هزینه هر واحد | به طور کلی پایین تر | به طور کلی برای بار معادل بالاتر است |
هیچ یک از ستون ها به طور کلی "بهتر" نیستند. یک رله مکانیکی با نشتی صفر واقعی و مقاومت ناچیز در حالت، اغلب انتخاب کارآمدتری برای سوئیچینگ های نادر و با جریان بالا است. یک دستگاه حالت جامد در جایی که فرکانس سوئیچینگ زیاد است، سکوت اهمیت دارد یا محیط شامل ارتعاش، گرد و غبار یا اتمسفرهای انفجاری است، انتخاب قوی تری است که در آن قوس الکتریکی خطری را به همراه دارد.
ملاحظات ولتاژ سوئیچینگ رله و نوع بار
رتبه های ولتاژ سوئیچینگ رله حداکثر ولتاژی را که دستگاه می تواند به طور ایمن قطع کند، توصیف می کند و این رتبه بندی بسته به اینکه بار جریان متناوب یا جریان مستقیم باشد، رفتار متفاوتی دارد. قطع یک بار DC ذاتاً سختتر از قطع بار AC معادل است، زیرا جریان AC به طور طبیعی دو بار در هر سیکل از صفر عبور میکند و به هر مکانیزم سوئیچینگ، مکانیکی یا حالت جامد، لحظهای با جریان کم برای قطع کردن مدار میدهد. جریان DC چنین تقاطع صفر ندارد، بنابراین رلههای دارای رتبه DC معمولاً به سقف ولتاژ پایینتر یا سرکوب قوس اضافی برای سوئیچ کردن قابل اطمینان نیاز دارند.
برنامه های رله حالت جامد AC به AC
یک رله حالت جامد AC به AC به طور خاص برای تغییر بارهای جریان متناوب با استفاده از سیگنال کنترل AC یا سیگنال کنترل DC طراحی شده است که یک مرحله خروجی AC را هدایت می کند. این دستگاه ها معمولاً شامل منطق سوئیچینگ صفر است که روشن شدن خروجی را تا زمانی که شکل موج AC از صفر ولت عبور کند به تاخیر می اندازد. این به طور چشمگیری تنش جریان هجومی بر بار را کاهش میدهد و تداخل الکترومغناطیسی را به حداقل میرساند، که در کاربردهایی مانند کنترل المنت گرمایشی، مدارهای روشنایی و راهاندازی موتور که در آن سنبلههای هجومی میتوانند عمر قطعه را کوتاه کنند، اهمیت دارد.
کشش جریان قابل پیش بینی، ساده ترین سوئیچ با اطمینان در ولتاژ نامی.
موتورها و سیمپیچها ولتاژ برگشتی ایجاد میکنند که مارجین بیشتری را میطلبد.
جریان هجومی بالا در هنگام روشن شدن، به شدت از سوئیچینگ صفر بهره می برد.
هر نوع باری که باشد، ولتاژ نامی سوئیچینگ باید همیشه شامل فضای بالای ولتاژ نامی تغذیه باشد. سنبلههای گذرا ناشی از نوسانات تجهیزات نزدیک یا تجهیزات نزدیک میتواند برای مدت کوتاهی از سطوح اسمی فراتر رود، و رلهای که بدون حاشیه کار میکند به مراتب بیشتر احتمال دارد که خرابی زودرس را تجربه کند.
نحوه انتخاب رله مناسب برای یک برنامه خاص
یک فرآیند انتخاب عملی به جای بهینه سازی برای یک مشخصات واحد، چندین عامل را با هم وزن می کند. ملاحظات زیر بیشتر تصمیمات دنیای واقعی را پوشش می دهد:
- فرکانس سوئیچینگ را تخمین بزنید. سیستمهایی که بارها در دقیقه دوچرخهسواری میکنند به نفع طرحهای حالت جامد هستند تا از سایش مکانیکی جلوگیری کنند.
- نوع بار را مشخص کنید موتورها، ترانسفورماتورها و عناصر گرمایشی هر کدام به طور متفاوتی با جریان هجومی و رفتار قوس تعامل دارند.
- محیط را بررسی کنید. لرزش، گرد و غبار، رطوبت یا جوهای قابل اشتعال تصمیم را به سمت دستگاه های حالت جامد مهر و موم شده سوق می دهد.
- سطح ایزولاسیون مورد نیاز بین مدارهای کنترل و بار را تأیید کنید، زیرا هر دو فناوری می توانند جداسازی قوی اما از طریق مکانیسم های مختلف ارائه دهند.
- حساب مدیریت حرارتی دستگاه های خروجی حالت جامد به غرق حرارتی کافی، به ویژه در جریان های بالاتر نیاز دارند.
- تحمل جریان نشتی را بررسی کنید. مدارهای پایین دست حساس ممکن است نشت کوچک خارج از حالت ذاتی مراحل خروجی حالت جامد را تحمل نکنند.
در سیستمهای مختلط، مشاهده هر دو فناوری در کنار یکدیگر رایج است: رلههای مکانیکی برای توزیع توان با فرکانس پایین و جریان بالا، و رلههای حالت جامد برای کنترل با فرکانس بالا و زمانبندی دقیق بارهای جداگانه.
حالت های رایج خرابی و شیوه های تعمیر و نگهداری
تشخیص اینکه چگونه هر فناوری تمایل به شکست دارد، به تعمیر و نگهداری پیشگیرانه و عیب یابی زمانی که یک سیستم به درستی پاسخ نمی دهد کمک می کند.
- رله های مکانیکی اغلب از طریق جوشکاری تماسی تحت جریان هجومی بیش از حد، یا از طریق افزایش تدریجی مقاومت در اثر اکسیداسیون و حفره شکست می خورند.
- رلههای حالت جامد اغلب در اثر تنش حرارتی روی نیمهرسانای خروجی، معمولاً در اثر فرورفتن حرارت ناکافی یا شرایط جریان بیش از حد پایدار، از کار میافتند.
- هر دو فناوری ممکن است در اثر گذراهای ولتاژی که از ولتاژ سوئیچینگ نامی فراتر میروند، بهویژه در مدارهایی که فاقد حفاظت از نوسان هستند، از کار بیفتند.
- خطاهای متناوب در رلههای مکانیکی اغلب به صدای تماسی ناشی از ارتعاش برمیگردد تا خرابی کامل قطعه.
- خرابی رله حالت جامد بیشتر بهعنوان یک خطای متناوب بهصورتی ظاهر میشود که دستگاه در یک حالت، بسته یا باز گیر کرده است.
تعمیر و نگهداری معمول برای سیستم های مکانیکی معمولاً شامل بازرسی دوره ای تماس و ردیابی تعداد چرخه است. سیستمهای حالت جامد بیشتر از نظارت حرارتی بهره میبرند، زیرا تجمع گرما معمولاً اولین علامت هشدار از یک شکست نزدیک است.
سوالات متداول
Q1: تفاوت عملکردی اصلی بین رله حالت جامد و رله مکانیکی چیست؟
یک رله مکانیکی یک تماس فیزیکی را برای تکمیل یک مدار می بندد، در حالی که یک رله حالت جامد از یک مرحله خروجی نیمه هادی استفاده می کند که از طریق ورودی ایزوله نوری راه اندازی می شود و هیچ قسمت متحرکی در آن دخالت ندارد.
Q2: رله های حالت جامد چگونه بدون اتصال فیزیکی بین ورودی و خروجی کار می کنند؟
سیگنال ورودی یک منبع نور داخلی را هدایت می کند و یک گیرنده حساس به نور در سمت خروجی آن نور را تشخیص می دهد و عنصر سوئیچینگ خروجی را فعال می کند و دو مدار را بطور الکتریکی از هم جدا نگه می دارد.
Q3: کدام نوع رله در کاربردهای سیکل بالا دوام بیشتری دارد؟
رلههای حالت جامد معمولاً در کاربردهای سوئیچینگ فرکانس بالا از رلههای مکانیکی بهتر عمل میکنند، زیرا از سایش فیزیکی مرتبط با بسته شدن تماس مکرر جلوگیری میکنند.
Q4: ولتاژ سوئیچینگ رله واقعاً چه نرخی دارد؟
حداکثر ولتاژی را که رله می تواند بدون قوس، آسیب تماس یا خرابی نیمه هادی قطع کند، مشخص می کند و معمولاً بین رتبه های بار AC و DC متفاوت است.
Q5: چه زمانی یک رله حالت جامد AC به AC انتخاب ارجح نسبت به رله مکانیکی است؟
معمولاً برای بارهایی که اغلب سوئیچ میشوند، نیاز به عملکرد بیصدا دارند یا از سوئیچینگ صفر برای محدود کردن جریان هجومی و تداخل الکترومغناطیسی بهره میبرند، ترجیح داده میشود.
fa

