Katı Hal Rölesi / Solid State Relay

Bir kaynağı çalıştırmak ve anahtarlamak için bobinler, manyetik alanlar, yaylar ve mekanik kontaklar kullanan elektro-mekanik rölelerin (EMR) aksine, katı hal rölesi veya SSR, hareketli parçalara sahip değildir, bunun yerine katı hal yarı iletkenlerinin elektriksel ve optik özelliklerini kullanır.

Normal bir elektro-mekanik röle gibi SSR’ler, iletken olmadığında (açık) çok yüksek, neredeyse sonsuz dirence ve çok düşük bir dirence sahip olduğu için geleneksel bir elektrik anahtarı gibi davranan çıkışı ile giriş ve çıkış kontakları arasında tam elektriksel izolasyon sağlar.

Katı hal rölesi ve elektro-mekanik röle, düşük voltaj girişlerinin bir yükü anahtarlayan ve kontrol eden çıkıştan elektriksel olarak izole edilmiş olması bakımından temelde benzer olsa da, elektro-mekanik rölelerin sınırlı bir kontak ömrü vardır, çok fazla yer kaplayabilir ve özellikle büyük güç röleleri ve kontaktörler olmak üzere daha yavaş anahtar hızlarına sahiptir. Katı hal rölelerinin böyle bir sınırlaması yoktur.

Bu nedenle, katı hal rölelerinin geleneksel elektro-mekanik rölelere göre ana avantajları, aşınacak hareketli parçalarının olmaması ve bu nedenle temas sıçrama sorunlarının olmaması, mekanik rölelerden çok daha hızlı hem “AÇIK” hem de “KAPALI” konuma getirilebilmesidir. Armatür hareket edebilir, ayrıca elektriksel gürültü ve geçişleri ortadan kaldıran sıfır voltaj açma ve sıfır akım kapatma sağlar.

Katı hal röleleri, yalnızca birkaç volt veya amperden yüzlerce volt ve amper çıkış anahtarlama kapasitesine kadar değişen standart hazır paketlerde satın alınabilir. Bununla birlikte, çok yüksek akım dereceli (150A artı) katı hal röleleri, güç yarı iletkenleri ve ısı emici gereksinimleri nedeniyle hala satın alınamayacak kadar pahalıdır ve bu nedenle, daha ucuz elektro-mekanik kontaktörler hala kullanılmaktadır.

Bir elektro-mekanik röleye benzer şekilde, küçük bir giriş voltajı, tipik olarak 3 ila 32 volt DC, çok büyük bir çıkış voltajını veya akımını kontrol etmek için kullanılabilir. Örneğin 240V, 10Amps. Bu, onları mikrodenetleyici, PIC ve Arduino arabirimi için ideal hale getirir, çünkü belirli bir devre yükünü kontrol etmek için bir mikro denetleyici veya mantık geçidinin düşük akımlı, 5 voltluk bir sinyal olarak kullanılabilir ve bu, opto kullanımı ile elde edilir.

Katı Hal Röle Girişi

Katı hal rölesinin (SSR) ana bileşenlerinden biri, bir (veya daha fazla) kızıl ötesi ışık yayan diyot veya LED ışık kaynağı ve içinde ışığa duyarlı bir cihaz içeren bir opto-izolatördür (optocoupler olarak da adlandırılır). tek bir vaka. Opto-izolatör, girişi çıkıştan yalıtır.

LED ışık kaynağı, SSR’nin giriş sürücü bölümüne bağlanır ve bir boşluk aracılığıyla bitişik bir ışığa duyarlı transistör, darlington çifti veya triyak ile optik bağlantı sağlar. LED’den bir akım geçtiğinde, yanar ve ışığı boşluk boyunca bir foto-transistör/foto-triyak’a odaklanır.

Böylece opto-bağlı bir SSR’nin çıkışı, genellikle düşük voltaj sinyali ile bu LED’e enerji verilerek “AÇIK” duruma getirilir. Giriş ve çıkış arasındaki tek bağlantı bir ışık demeti olduğundan, bu dahili opto-izolasyon aracılığıyla yüksek voltaj yalıtımı (genellikle birkaç bin volt) sağlanır.

Opto-izolatör sadece daha yüksek derecede giriş/çıkış izolasyonu sağlamakla kalmaz, aynı zamanda dc ve düşük frekanslı sinyalleri de iletebilir. Ayrıca, LED ve ışığa duyarlı cihaz birbirinden tamamen ayrı olabilir ve bir optik fiber vasıtasıyla optik olarak birleştirilebilir.

Bir SSR’nin giriş devresi, opto-izolatörün LED’i ile seri olarak sadece tek bir akım sınırlama direncinden veya doğrultma, akım düzenleme, ters polarite koruması, filtreleme, vb. ile daha karmaşık bir devreden oluşabilir.

Satılmış durumdaki bir röleyi iletime geçirmek veya “AÇIK” duruma getirmek için, giriş terminallerine (elektro-mekanik röle bobinine eşdeğer) minimum değerinden (genellikle 3 volt DC) daha yüksek bir voltaj uygulanmalıdır. Bu DC sinyali, gösterildiği gibi mekanik bir anahtardan, bir mantık kapısından veya mikro denetleyiciden türetilebilir.

Katı Hal Röle DC Giriş Devresi

Aktivasyon sinyali olarak mekanik kontaklar, anahtarlar, basmalı düğmeler, diğer röle kontakları vb. kullanıldığında, kullanılan besleme voltajı SSR’nin minimum giriş voltajı değerine eşit olabilirken, transistörler, kapılar ve mikro gibi katı hal cihazları kullanılırken -kontrolörler, anahtarlama cihazlarının dahili voltaj düşüşünü hesaba katmak için minimum besleme voltajının SSR’nin açma voltajının bir veya iki volt üzerinde olması gerekir.

Ancak katı hal rölesini iletime geçirmek için batan veya kaynak sağlayan bir DC voltajı kullanmanın yanı sıra, tam dalga doğrultma için bir köprü doğrultucu ve DC girişine bir filtre devresi ekleyerek sinüzoidal bir dalga biçimi de kullanabiliriz. gosterildigi gibi.

Katı Hal Röle AC Giriş Devresi

Köprü doğrultucular, sinüzoidal bir voltajı, giriş frekansının iki katı olan tam dalga doğrultulmuş darbelere dönüştürür. Buradaki sorun, bu voltaj darbelerinin sıfır volttan başlayıp bitmesidir; bu, SSR’nin giriş eşiğinin minimum açma voltajı gereksinimlerinin altına düşecekleri ve çıkışın her yarım döngüde “açılmasına” ve “kapatılmasına” neden olacakları anlamına gelir.

Çıkışın bu düzensiz ateşlemesinin üstesinden gelmek için, köprü doğrultucu çıkışında bir yumuşatma kapasitörü (C1) kullanarak doğrultulmuş dalgalanmaları düzeltebiliriz. Kondansatörün şarj ve deşarj etkisi, doğrultulmuş sinyalin DC bileşenini katı hal röleleri girişinin maksimum açma voltajı değerinin üzerine çıkaracaktır. Daha sonra sürekli değişen sinüzoidal voltaj dalga formu kullanılsa bile, SSR’nin girişi sabit bir DC voltajıdır.

Voltaj düşürme direnci, R1 ve yumuşatma kapasitörü C1’in değerleri, besleme voltajına, 120 volt AC veya 240 volt AC’ye ve katı hal rölesinin giriş empedansına uyacak şekilde seçilir. Ancak 40kΩ ve 10uF civarında bir şey yapardı.

Daha sonra bu köprü doğrultucu ve yumuşatma kapasitör devresi eklendiğinde, bir AC veya polarize olmayan DC kaynağı kullanılarak standart bir DC katı hal rölesi kontrol edilebilir. Tabii ki, üreticiler zaten AC giriş katı hal röleleri (genellikle 90 ila 280 volt AC) üretiyor ve satıyorlar.

Katı Hal Röle Çıkışı

Katı hal rölesinin çıkış anahtarlama yetenekleri, giriş voltajı gereksinimlerine benzer şekilde AC veya DC olabilir. Çoğu standart katı hal rölesinin çıkış devresi, bir elektro-mekanik rölenin normalde açık, tek kutuplu, tek atışlı (SPST-NO) çalışmasına eşdeğer olan yalnızca bir tür anahtarlama eylemi gerçekleştirmek üzere yapılandırılır.

DC SSR’lerin çoğu için yaygın olarak kullanılan katı hal anahtarlama cihazı güç transistörleri, Darlington’lar ve MOSFET’lerdir, oysa bir AC SSR için anahtarlama cihazı ya bir triyak ya da arka arkaya tristörlerdir. Tristörler yüksek gerilim ve akım yeteneklerinden dolayı tercih edilmektedir. Bir köprü doğrultucu devresinde gösterildiği gibi tek bir tristör de kullanılabilir.

Katı Hal Röle Çıkış Devresi

Katı hal rölelerinin en yaygın uygulaması, ister AÇMA/KAPAMA anahtarlama, ışık kısma, motor hız kontrolü veya güç kontrolünün gerekli olduğu diğer uygulamalar için AC gücünü kontrol etmek olsun, bir AC yükünün anahtarlanmasıdır, bu AC yükleri uzun ömür ve yüksek anahtarlama hızları sağlayan katı hal rölesi kullanılarak düşük akım DC voltajı ile kolayca kontrol edilebilir.

Katı hal rölelerinin bir elektromekanik röleye göre en büyük avantajlarından biri, AC yüklerini sıfır yük akımı noktasında “KAPATMA” ve böylece geleneksel mekanik röleler ve endüktif yüklerle ilişkili ark, elektrik gürültüsü ve temas sıçramasını tamamen ortadan kaldırma yeteneğidir.

Bunun nedeni, AC anahtarlamalı katı hal rölelerinin, giriş sinyali kaldırıldıktan sonra, cihazdan akan AC akımı eşiğinin altına düşene veya tutma akım değerinin altına düşene kadar iletmeye devam eden çıkış anahtarlama cihazı olarak SCR’leri ve TRIAC’ları kullanmasıdır. O zaman bir SSR’nin çıkışı bir sinüs dalgası zirvesinin ortasında asla KAPALI duruma geçemez.

Sıfır akım kapatması, elektrik gürültüsünü ve bir elektro-mekanik rölenin kontakları tarafından ark olarak görülen endüktif yüklerin anahtarlanmasıyla ilişkili geri emk’yi azalttığı için katı hal rölesi kullanmak için büyük bir avantajdır. Tipik bir AC katı hal rölesinin aşağıdaki çıkış dalga şekli diyagramını düşünün.

Katı Hal Röle Çıkış Dalga Formu

Uygulanan hiçbir giriş sinyali olmadan, etkin bir şekilde KAPALI (açık devre) olduğundan ve çıkış terminalleri tam AC besleme voltajını gördüğünden SSR üzerinden yük akımı geçmez. Bir DC giriş sinyalinin uygulanmasıyla, SSR’nin sıfır voltajlı anahtarlama özelliklerinden dolayı, döngünün pozitif veya negatif, sinüzoidal dalga formunun hangi kısmından geçtiğine bakılmaksızın, çıkış sadece dalga formu geçtiğinde açılır. sıfır noktası.

Besleme voltajı pozitif veya negatif yönde arttıkça, çıkış tristörlerini veya triyakı tamamen AÇIK konuma getirmek için gereken minimum değere ulaşır (genellikle yaklaşık 15 volttan daha az). SSR’nin çıkış terminallerindeki voltaj düşüşü, anahtarlama cihazlarının durum voltajı düşüşü, VT (genellikle 2 volttan daha az). Böylece, reaktif veya lamba yükleriyle ilişkili yüksek ani akımlar büyük ölçüde azaltılır.

DC giriş voltajı sinyali kaldırıldığında, çıkış bir kez iletime tetiklendiği gibi aniden kapanmaz, anahtarlama cihazı olarak kullanılan tristör veya triyak, yük akımları tutan cihazların altına düşene kadar yarım döngünün geri kalanında AÇIK kalır. akım, bu noktada KAPALI duruma gelir. Böylece, bir sinüs dalgasının ortasındaki endüktif yüklerin değiştirilmesiyle ilişkili yüksek dv/dt geri emf’leri büyük ölçüde azaltılır.

O halde AC katı hal rölesinin elektro-mekanik röleye göre başlıca avantajları, AC yük voltajı sıfır volta yakın olduğunda SSR’yi AÇAN, böylece yük akımı her zaman başlayacağı için herhangi bir yüksek ani akımları bastıran sıfır geçiş fonksiyonudur. 0V’a yakın bir noktadan ve tristör veya triyakın doğal sıfır akım kapatma özelliği. Bu nedenle, bir yarım çevrimlik maksimum olası kapatma gecikmesi (giriş sinyalinin kaldırılması ile yük akımının kaldırılması arasında) vardır.

Faz Karartma Katı Hal Rölesi

Katı hal röleleri, bir yükün doğrudan sıfırdan geçişli anahtarlanmasını gerçekleştirebilirken, dijital mantık devreleri, mikroişlemciler ve bellekler aracılığıyla çok daha karmaşık işlevleri de gerçekleştirebilirler. Katı hal rölesinin bir başka mükemmel uygulaması, ister evde, ister bir gösteri veya konser için olsun, lamba karartma uygulamalarıdır.

Sıfır olmayan (anında açılan) anahtarlamalı katı hal röleleri, AC sinüs dalgasının bir sonraki sıfır geçiş noktasına kadar bekleyen sıfır geçişli SSR’nin aksine, giriş kontrol sinyalinin uygulanmasından hemen sonra açılır. Bu rastgele ateşlemeli anahtarlama, lamba karartma gibi dirençli uygulamalarda ve AC çevriminin yalnızca küçük bir kısmı için yüke enerji verilmesini gerektiren uygulamalarda kullanılır.

Rastgele Anahtarlama Çıkış Dalga Formu

Bu, yük dalga formunun faz kontrolüne izin verirken, rastgele açılan SSR’lerin asıl sorunu, rölenin açıldığı andaki ilk yük dalgalanma akımının, besleme voltajı olduğunda SSR anahtarlama gücü nedeniyle yüksek olabilmesidir. tepe değerine yakın (90o). Giriş sinyali kaldırıldığında, yük akımı gösterildiği gibi tristör veya triyak tutan akımın altına düştüğünde iletmeyi durdurur. Açıkça bir DC SSR için AÇMA-KAPAMA değiştirme eylemi anında gerçekleşir.

Katı hal rölesi, bir elektro-mekanik rölenin (EMR) aksine hareketli parçaları veya kontakları olmadığı için çok çeşitli AÇMA/KAPAMA anahtarlama uygulamaları için idealdir. Tristörler, triyaklar ve transistörler gibi yarı iletken anahtarlama elemanları kullandıklarından AC ve DC çıkış anahtarlamasının yanı sıra AC ve DC giriş kontrol sinyalleri için seçilebilecek birçok farklı ticari tip vardır.

Ancak iyi bir opto-izolatör ve bir triyak kombinasyonu kullanarak, ısıtıcı, lamba veya solenoid gibi bir AC yükünü kontrol etmek için kendi ucuz ve basit katı hal rölemizi yapabiliriz. Bir opto-izolatörün çalışması için sadece az miktarda giriş/kontrol gücüne ihtiyacı olduğundan, kontrol sinyali bir PIC, Arduino, Raspberry PI veya benzeri herhangi bir mikro denetleyiciden olabilir.

Katı Hal Röle Örneği

120V AC, 600 watt’lık bir ısıtma elemanını kontrol etmek için yalnızca +5 voltluk dijital çıkış bağlantı noktası sinyaline sahip bir mikro denetleyici istediğimizi varsayalım. Bunun için MOC 3020 opto-triyak izolatörünü kullanabiliriz, ancak dahili triyak 120V AC beslemenin zirvesinde yalnızca maksimum 1 Amperlik bir akımı (ITSM) geçebilir, bu nedenle ek bir anahtarlama triyakının da kullanılması gerekir.

Önce MOC 3020 opto-izolatörünün giriş özelliklerini ele alalım (diğer opto-triyaklar mevcuttur). Opto-izolatörler veri sayfası bize, giriş ışığı yayan diyotun ileri voltajının (VF) düşüşünün 1,2 volt ve maksimum ileri akımın (IF) 50mA olduğunu söyler.

LED’in maksimum değeri olan 50mA’ya kadar oldukça parlak bir şekilde parlaması için yaklaşık 10mA’ya ihtiyacı vardır. Ancak mikro denetleyicinin dijital çıkış portu sadece maksimum 30mA sağlayabilir. O zaman gereken akımın değeri 10 ile 30 mili amper arasında bir yerdedir. Öyleyse:

Böylece 126 ile 380Ω arasında bir değere sahip bir seri akım sınırlama direnci kullanılabilir. Dijital çıkış portu her zaman +5 volta geçtiğinden ve opto-kuplör LED’i aracılığıyla güç kaybını azaltmak için, 240Ω’luk bir tercih edilen direnç değeri seçeceğiz. Bu, 16mA’dan daha düşük bir LED ileri akımı verir. Bu örnekte, 150Ω ile 330Ω arasında tercih edilen herhangi bir direnç değeri yapacaktır.

Isıtma elemanı yükü 600 watt dirençlidir. 120V AC kaynağı kullanmak bize 5 amperlik bir yük akımı verir (I = P/V). Bu yük akımını AC dalga formunun her iki yarım döngüsünde (4 çeyreğin tamamı) kontrol etmek istediğimizden, bir şebeke anahtarlama triyağına ihtiyaç duyacağız.

BTA06, AC yüklerin genel amaçlı AÇMA/KAPAMA anahtarlaması için uygun 6 amperlik (IT(RMS)) 600 voltluk bir triyaktır, ancak benzer herhangi bir 6 ila 8 amperlik dereceli triyak işinizi görür. Ayrıca bu anahtarlama triyak, iletimi başlatmak için yalnızca 50mA geçit sürücüsü gerektirir; bu, MOC 3020 opto-izolatörünün 1 amperlik maksimum değerinden çok daha düşüktür.

Opto-izolatörün çıkış triyakının 120VRMS AC besleme geriliminin tepe değerinde (90o) AÇIK konuma geldiğini düşünün. Bu tepe voltajının değeri: 120 x 1.414 = 170Vpk. Opto-triyak maksimum akımı (ITSM) 1 amper tepe ise, gereken minimum seri direnç değeri 170/1 = 170Ω veya en yakın tercih edilen değere 180Ω’dir. Bu 180Ω değeri, opto-kuplör çıkış triyağını ve ayrıca 120VAC besleme üzerindeki BTA06 triyak kapısını koruyacaktır.

Opto-izolatörün triyakı 120VRMS AC besleme voltajının sıfır geçiş değerinde (0o) AÇIK konuma geçerse, anahtarlama triyağını iletime zorlayan gerekli 50mA geçit sürücü akımını sağlamak için gereken minimum voltaj: 180Ω x 50mA olacaktır. = 9,0 volt. Ardından, sinüzoidal Gate-to-MT1 voltajı 9 volttan büyük olduğunda triyak iletime geçer.

Bu nedenle, AC dalga formunun sıfır geçiş noktasından sonra gereken minimum voltaj, bu seri kapı direncindeki güç kaybı çok küçük olduğu için 9 volt tepe olacaktır, bu nedenle 180Ω, 0,5 watt nominal direnç güvenle kullanılabilir. Aşağıdaki devreyi düşünün.

AC Katı Hal Röle Devresi

Bu tip optokuplör konfigürasyonu, lambalar ve motorlar gibi herhangi bir AC şebekeden beslenen yükü kontrol etmek için kullanılabilen çok basit bir katı hal röle uygulamasının temelini oluşturur. Burada rastgele bir anahtarlama izolatörü olan MOC 3020’yi kullandık. MOC 3041 opto-triyak izolatörü aynı özelliklere sahiptir, ancak yerleşik sıfır geçiş algılaması ile, endüktif yükleri değiştirirken ağır ani akımlar olmadan yükün tam güç almasını sağlar.

Diyot D1, giriş voltajının ters bağlanması nedeniyle hasarı önlerken, 56 ohm’luk direnç (R3), triyak KAPALI olduğunda herhangi bir di/dt akımını şönt ederek yanlış tetiklemeyi ortadan kaldırır. Ayrıca kapı terminalini MT1’e bağlar ve triyakın tamamen kapanmasını sağlar.

Darbe genişliği modülasyonlu, PWM giriş sinyali ile kullanılırsa, AC yükü için AÇMA/KAPAMA anahtarlama frekansı maksimum 10Hz’den az olarak ayarlanmalıdır, aksi takdirde bu katı hal röle devresinin çıkış anahtarlaması yetişemeyebilir.