SSR چیست

SSR چیست؟

SSR چیست ؟ این سوالی است که برای بسیاری از دانشجویان و پرسنل فنی پیش می‌آید. در بسیاری فرآیندها نیاز است که بار ولتاژی یا جریانی زیادی، توسط جریان یا ولتاژ پایینی کنترل گردد. برای مثال، ولتاژ خروجی یک کنترلر 5 ولت مستقیم با جریان 100 میلی آمپر است. در حالیکه باید فرآیندی با بار مقاومتی با ولتاژ 240 ولت متناوب و جریان 30 آمپر کنترل شود. در این مواقع، ایزوله کردن مدار قدرت (High Power) با مدار فرمان (Low Power) سیستم، امری حیاتی است.

عموما این کار با استفاده از المان‌های زیر انجام می‌گیرد:

• رله‌های الکترومکانیکی (Electromechanical Relays – EMR)
• رله‌های Reed (Reed Relays)
• رله حالت جامد یا SSR (Solid State Relays)

با وجودیکه هنوز رله‌های الکترومکانیکی به صورت گسترده مورد استفاده قرار می‌گیرند، اما در قیاس با SSR معایبی دارند. در ادامه معایب رله‌های الکترومکانیکی بررسی شده و به تشریح اصول کاری SSR با تاکید بر خروجی‌های آن پرداخته می‌شود.

رله الکترومکانیکی، معایب آن و مقایسه با SSR

رله‌های الکترومکانیکی، شامل رله و کنتاکتور، بسیار تطبیق‌پذیر و مقاوم هستند، اما از SSR جای بیشتری اشغال می‌کنند. در این رله‌ها، با وصل جریان به سیم‌پیچ، هسته مرکزی آهنی دارای خاصیت آهنربایی می‌شود و آرمیچر را جذب می‌کند. سپس اهرم آرمیچر، کنتاکت متحرک را جابجا کرده و باعث قطع و وصل تیغه‌های خروجی رله می‌شود. در شکل زیر ساختار عمومی یک رله الکترومکانیکی نمایش داده شده است.

فعال‌شدن و تثبیت خروجی رله‌های الکترومکانیکی، در بازه 5 الی 15 میلی‌ثانیه پس از وصل ولتاژ تغذیه صورت می‌گیرد. این زمان در مقایسه با SSR زیاد بوده و یکی از معایب رله‌ها محسوب می‌شود. از سوی دیگر به دلیل وجود قطعات مکانیکی، عمر مفید رله‌ها بسیار پایین‌تر از عمر مفید SSR می‌باشد.

ادامه مطلب SSR چیست …

مزایای SSR نسبت به رله‌های الکترومکانیکی 

• سرعت سویچینگ بالا
• مقاومت بالا در مقابل تداخلات الکترومغناطیس (Electromagnetic Interference – EMI)
• مقاومت بالا در مقابل ارتعاشات

معایب SSR نسبت به رله‌های الکترومکانیکی

• افت ولتاژ بالاتر در خروجی و تولید حرارت و الزام در استفاده از Heat Sink
• نشتی خروجی (Leakage) در حالت خاموش بودن
• قیمت بالاتر

برخلاف رله که از میدان مغناطیسی برای ایزوله کردن استفاده می‌کند، SSR از یک کوپل نوری (Opto-Coupler) بهره می‌برد. کوپل نوری عموما از منبع نور (LED) و یک المان سویچینگ تشکیل می‌شود. در SSR، ولتاژ اندکی در حدود 4~32 VDC باعث روشن شدن منبع نور می‌گردد. با روشن شدن منبع نور، نور ارسالی توسط المان سویچینگ دریافت شده و بدین ترتیب خروجی SSR فعال می‌شود. SSR‌ها به گونه‌ای طراحی می‌شوند که بتوانند بارهای خروجی AC یا DC، و در برخی مدلها، هر دو را فعال نمایند.

نوع خروجی SSR (AC, DC or AC/DC) بسته به المان سویچینگ است که میتواند یکی از موارد زیر باشد:

• ترانزیستور
  • دو قطبی (Bipolar)
  • ماسفت (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor – Mosfet)
• SCR
• TRIAC

در شکل زیر ساختار شماتیک یک SSR نمایش داده شده است.

ساختار SSR مبتنی بر ترانزیستور Bipolar Joint Transistor یا BJT

ساختار ساده‌شده (بدون نمایش منبع نور و تغذیه ورودی) خروجی این نوع SSR در تصویر3، نمایش‌داده شده است. در این تصویر نوع ترانزیستور NPN است. در صورت استفاده از نوع PNP، تنها جهت فلش جریان بیس عوض می‌شود.

ادامه مطلب SSR چیست …

 

اصول کاری بدین صورت است که با متصل شدن تغذیه SSR، منبع نور (LED) روشن شده و با دریافت نور توسط ترانزیستور، هدایت جریان آغاز می‌شود. با توجه به تصاویر 3 و 5، مشخص می‌شود که این SSR در نحوه اتصال بار خروجی بسیار منعطف می‌باشند. یعنی R_L، که معرف بار خروجی است را میتوان به خروجی کلکتور یا به خروجی امیتر “R_L (ALT)” متصل نمود. ( واژه ALT مخفف Alternative بوده و نشانگر قابلیت اتصال بار R_L به خروجی امیتر است.) در تصویر 4، نمودار ویژگیهای ولتاژ-جریان (I-V) ترانزیستورهای BJT نمایش داده شده است.

بهترین نقطه عملکرد SSR کجاست؟

مشخص است که بهترین ناحیه عملکردی برای ترانزیستور، نقطه A یا نقطه B می‌باشد. در نقطه A، ترانزیستور در ناحیه اشباع (Saturation) و کاملا روشن و در نقطه B ترانزیستور تقریبا خاموش است. با حرکت از این نقاط به سمت مرکز خطوط بار (جریان بیس I_B)، ترانزیستور وارد ناحیه خطر می‌شود.

در این ناحیه ولتاژ کلکتور_امیتر (V_CE) و نیز جریان کلکتور (I_C) بالا است. این امر باعث اتلاف توان بسیار بالا به شکل حرارت شده که خرابی SSR را در پی خواهد داشت. لازم به ذکر است که در نقاط A و B ولتاژ کلکتور_امیتر (V_CE) و نیز جریان کلکتور (I_C) کم می‌باشد. بنابراین حرارت تولید‌شده در محدوده قابل انتقال به محیط از طریق رادیاتور (Heat Sink) خواهد بود. برخی از SSR ها برای تسریع انتقال از وضعیت نقطه  A به نقطه B، از فیدبک مثبت استفاده می‌کنند.

ادامه مطلب SSR چیست …

هنگامی که المان سویچینگ SSR روشن است (نقطه A)، افت ولتاژی در ترمینالهای خروجی SSR وجود دارد.  که به آن افت ولتاژ حالت روشن (On-State Voltage Drop) گفته می‌شود. این پارامتر در مشخصات SSR ارائه می‌شود. با فرض 1 ولت افت ولتاژ در خروجی SSR، توان تلف‌شده یک SSR از نوع BJT در حدود 1 وات به‌ازاء هرآمپر خواهد بود.

برای برطرف شدن این نقص، مقدار Gain بین اپتو‌کوپلر با قسمت سویچینگ باید افزایش یابد. بسیاری از سازندگان از ساختار ترکیب مکمل دارلینگتون (Darlington) برای رفع این نقیصه استفاده می‌کنند.

شماتیک خروجی این نوع SSR در تصویر 5 نمایش داده شده است.

ساختار SSR مبتنی بر ترانزیستور MOSFET

بسیاری از SSR ها از ترانزیستورهای MOSFET به عنوان المان سویچینگ استفاده می‌کنند. در تصویر 6، مثالی از SSR هایی که میتوان برای بارهای AC و DC مورد استفاده قرار گیرد، نمایش داده‌شده است.

ادامه مطلب SSR چیست …

 

اما چرا در داخل این SSR از دو عدد ترانزیستور استفاده شده است؟ چنانچه تنها از یک عدد ترانزیستور استفاده شود، SSR قادر به مسدود کردن مناسب ولتاژ AC نخواهد بود. دلیل این امر این است که در هر ترانزیستور MOSFET، بین Drain و Source یک دیود پارازیتی وجود دارد. دیود پارازیتی (Parasitic Diod) با نام دیود “بدنه” (Body Diod) نیز شناخته می‌شود.

با وجود تنها یک ترانزیستور بین خروجی 3 و 4، دیود بدنه جریان را برای نیم‌سیکل ولتاژ AC هدایت می‌کند. بنابراین هنگامی که جریان نمی‌تواند از درون FET عبور کند، دیود برای نیم‌سیکل روشن خواهد بود. و در همین زمان،  دیود اجازه می‌دهد تا جریان از خروجی SSR عبور کند.

برای جلوگیری از بروز این پدیده، از دو عدد ترانزیستور که به صورت سری قرار می‌گیرند، استفاده می‌شود. با این چیدمان، در هر نیم‌سیکل، دیود بایاس معکوس (Reverse_biased) وجود نداشته و جریان کاملا مسدود می‌شود.

ادامه مطلب SSR چیست …

منشاء وجود دیود از کجاست؟

هر ترانزیستور MOSFET دارای چهار ترمینال می‌باشد که عبارتند از:

• Drain (درین)
• Gate (گیت)
• Source (سورس)
• Body (بدنه)

برای یک ترانزیستور نوع منفی (N-MOSFET)، Source و Drain از نوع N و بدنه (Body) از نوع P است. از اینرور، یک دیود بین سورس و بدنه و دیود دیگر بین Drain و بدنه وجود دارد. لازم به ذکر است که ترمینال سورس، به خصوص در MOSFET های قدرت، عموما به بدنه متصل است.

بنابراین تنها یک دیود بین بدنه (که خود آن به سورس متصل است) و Drain باقی می‌ماند. در حین عملکرد نرمال ترانزیستور نوع N، زمانی که ولتاژ Drain بالاتر از Source است، دیود در حالت بایاس_معکوس است. با این وجود، اگر Source به ولتاژ بالاتر از Drain متصل شود، دیود هدایت جریان را آغاز می‌کند. در دیتاشیت SSR پایه BJT، مقدار افت ولتاژ درحالت روشن (ON_State Voltage Drop) خروجی قید می‌شود.

ادامه مطلب SSR چیست …

مقدار افت ولتاژ برای این نوع SSR عموما در بازه 0.7 تا 1.3 ولت است. اما برای SSR پایه MOSFET، مقدار مقاومت حالت روشن (ON_State Resistance) در دیتاشیت قید می‌شود. این مقاومت در SSR های متفاوت مختلف بوده و میتواند در کمترین حالت در حد چند میلی‌اهم باشد. در برخی SSR نوع MOSFET، یک پایه اضافه به ترمینال Source متصل است. این امر باعث می‌شود این نوع SSR را در دو حالت AC/DC یا DC استفاده کرد.

نوع سیم‌بندی این نوع SSR در تصویر 7 آمده است.

ادامه مطلب SSR چیست …

 

المان سویچینگ؟

SSR های ولتاژ_جریان بالا، عموما از SCR یا TRIAC به عنوان المان سویچینگ استفاده می‌کنند. این SSR ها، قادرند بارهایی تا 90 آمپر با ولتاژ 480 V_rms را تنها با جریان 50 میلی‌آمپر در Gate، راه‌اندازی می‌کنند. برخلاف ترانزیستورها، SCR یا TRAIC را نمی‌توان برای راه‌اندازی بارهای DC استفاده نمود. زیرا در SCR یا TRIAC مکانیزم فیدبک مثبت (Positive Feedback) همواره وجود دارد.

این مکانیزم، تا زمانی که جریان عبوری از SSR تا حد معینی پایین نیاید، از خاموش‌شدن SSR جلوگیری می‌کند. امری که عموما در خصوص بارهای DC رخ نمی‌دهد. در ادامه به بررسی ویژگی‌های این نوع از SSR ها پرداخته می‌شود.

ادامه مطلب SSR چیست …

ساختار SSR مبتنی بر SCR و TRIAC

یکسو‌کننده کنترلی سیلیکونی (Silicon Controlled Rectifier – SCR) ساختاری چهار لایه بصورت PNPN است.

المان SCR دارای سه ترمینال به شرح زیر است:

• آند (Anode)
• گیت (Gate)
• کاتد (Cathode)

المان SCR  از یک فیدبک احیا‌کننده (regenerative feedback) استفاده می‌کند که دارای دو حالت زیر است:

• روشن (ON)
• خاموش (OFF)

زمانی که SCR در حالت خاموش قرار دارد، از عبور جریان در هر دو جهت جلوگیری می‌کند. اما در حالت روشن در قالب یکسو‌کننده عمل کرده و جریان اجازه عبور از آند به سمت کاتد را دارد.

عملکرد SCR نوع PNPN با عملکرد ترانزیستور به صورت شماتیک، در تصویر 8 مقایسه شده است.

در تصویر 8-B از دو المان سه لایه (PNP و NPN) با آرایش خاص بین لایه‌ها استفاده شده است. با ترکیب و اتصال برخی از لایه‌های دو ترانزیستور، ساختار 4 لایه PNPN را می‌توان بدست آورد. (تصویر 8-A)

ادامه مطلب SSR چیست …

نحوه عملکرد و ادامه مبحث SSR چیست

با افزایش ولتاژ گیت، جریان I_C2 افزایش یافته که خود باعث افزایش جریان I_B2 خواهد شد. (تصویر 8-B) افزایش جریان I_C2 نیز باعث افزایش ولتاژ گیت المان Q2 خواهد شد. در نتیجه، مکانیزم فیدبک مثبتی، سعی در افزایش جریان آند به کاتد در SCR را خواهد داشت.

به همین دلیل هنگامی که میتوانیم با اعمال سیگنال به گیت، SCR را روشن کنیم، نخواهیم توانست با کنترل گیت انرا خاموش کنیم. تنها راه خاموش کردن SCR، پایین آوردن جریان ورودی به آن تا زیر حد مشخصی خواهد بود. با این‌کار، بهره (Gain) حلقه فیدبک مثبت به زیر 1 کاهش یافته و هدایت جریان متوقف خواهد شد.

مشخص است که با این مکانیزم فیدبک، نمیتوان از SCR برای روشن و خاموش کردن بارهای DC استفاده نمود.

از آنجا که SCR جریان را تنها در نیم‌سیکل هدایت می‌کند، برای تغذیه توان AC باید یکی از دو روش زیر را بکار برد:

• قرار دادن یک SCR به صورت پل (Bridge Configuration) – تصویر 9-A
• استفاده از دو عدد SCR به صورت موازی و عکس یکدیگر – تصویر 9-B

در شکل 9-A، هنگامی که SCR در حالت روشن است، ساختار پل، بدون در نظر گرفتن قطب‌ها، مسیر عبور جریان را فراهم می‌کند.

اصلی‌ترین ایراداین طرح، افت ولتاژ ناشی از دیودهای اضافی است که باید به افت SCR افزوده شود. این افت ولتاژ باعث تلفات توان در قالب حرارت خواهد شد. ساختار شکل 9-B، تلفات توان اضافی به همراه ندارد، اما به دو سیگنال برای فعال‌سازی SCR نیاز خواهد داشت.

یک راه برای تولید دو سیگنال فوق، استفاده از ساختار شکل 9-A به عنوان مدار راه‌انداز مدار 9-B است. لازم به ذکر است که ساختار شکل 9-A، مداری مناسب برای راه‌اندازی سایر المانهای سویچینگ نیز می‌باشد. زیرا به عنوان مدار راه‌انداز، جریان مصرفی بسیار پایین بوده و بنابراین توان مصرفی قابل مدیریت کردن است.

در شکل زیر، مدار ترکیبی 9-A به عنوان مدار راه‌انداز مدار 9-B ارائه شده است.

ادامه مطلب SSR چیست …

 

TRIAC چیست؟

با ترکیب دو SCR در ساختار موازی و معکوس یکدیگر، سویچ واقعی جریان AC با نام TRIAC بوجود می‌آید.

TRIAC دارای سه ترمینال به شرح زیر است:

• گیت (Gate)
• ترمینال اصلی 2 (Main Terminal 2)
• ترمینال اصلی 1 (Main Terminal 1)

نکته جالب توجه در این است که یک TRIAC، تنها به یک سیگنال برای راه‌اندازی نیاز دارد. با ورود سیگنال به ترمینال گیت TRIAC و فعال شدن آن، جریان می‌تواند در هر دو جهت عبور نماید. ویژگیهای سویچینگ کلی TRIAC بسیار شبیه به ساختار دو SCR با نصب موازی و معکوس است. با توجه به شکل 11، مشخص می‌شود که TRIAC میتواند به عنوان المان سویچینگ SSR استفاده نمود.

با این وجود، استفاده از TRIAC به عنوان راه‌انداز سایر المانهای سویچینگ امکان‌پذیر است. (تصویر 10) با این طرح، یک SSR توان پایین میتواند بارهای جریان بالا را با استفاده از SCR توان بالا خارجی کنترل کند. شکل 10 نشان میدهد، چگونه میتوان از یک TRIAC و سه مقاومت برای تولید دو سیگنال کنترلی شکل 9-B استفاده نمود. مشخص است که بدون در‌نظر گرفتن قطب ولتاژ خروجی AC، گیت SCR ها دارای ولتاژ مثبت است. این ولتاژ مثبت به دلیل عبور جریان از درون TRIAC بوجود می‌آید.

امید است نوشته SSR چیست مفید بوده باشد. در صورت تمایل میتوانید مطالب فنی دیگری نظیر SSR چیست را از اینجا ملاحظه فرمایید.
متن تهیه شده با عنوان SSR چیست با استفاده از هندبوک شرکت Crydom تهیه شده است. باعث امتنان خواهد بود که نظرات خود را در خصوص مطلب SSR چیست با شرکت آلتون سگال در میان بگذارید.

در صورت تمایل به مطالعه مطالب مشابه ” SSR چیست ” به بخش مطالب آموزشی وب سایت یا کانال اینستاگرام شرکت به آدرس Instagram.com/AltonSegal مراجعه فرمایید