Giriş

Röleler elektrik kontrol sistemlerinde önemli bir rol oynamaktadır. Elektromanyetik röleler, zaman röleleri ve termik röleler gibi birçok röle türü vardır. Katı hal röleleri (SSR'ler) bunlardan biridir. Düşük voltaj kontrol sinyali kullanarak elektrikli cihazlara güç sağlayabilir/kesebilir. Bu yazıda, SSR'leri, nasıl çalıştıklarını ve uygulamalarını tartışacağız.

Röle Türlerine Giriş

Küçük bir sinyal kullanarak yüksek voltajlı/yüksek akımlı bir elektrikli ekipmanı kontrol etmemiz gereken zamanlar vardır. Örneğin, küçük bir anahtar/düğme kullanarak veya bir PLC kullanarak 220V tek fazlı 1HP motoru kontrol etmemiz gereken bir senaryo hayal edin. Böyle bir uygulamada motor doğrudan PLC'ye veya anahtara bağlanamaz. Bu, yalnızca anahtarın derecesini aşmakla kalmaz, aynı zamanda yüksek voltaj ve akım işlenmesinden dolayı elektrik tehlikesi oluşturur.

Röleler bu gibi durumlarda kullanışlıdır. Bir röle, küçük bir voltaj sinyali (220V, 20mA) kullanarak daha yüksek akım çeken (24V 100A yük gibi) büyük bir cihazı kontrol etmemizi sağlar. Bir röle ayrıca yüksek gerilim tarafı ile alçak gerilim tarafı arasında elektriksel izolasyon sağlar. Röleler, yalnızca bu iki farklı çalışma moduna sahip olan açma/kapama tipi cihazlardır.

Katı hal rölelerine geçmeden önce, normal bir rölenin nasıl çalıştığını anlamak için piyasada bulunan en popüler röle türlerinden bazılarını inceleyelim.

Piyasada birçok röle çeşidi mevcuttur. Genel olarak elektrik kontrollü, tek/çok kutuplu ve atış düzenine sahip açma/kapama anahtarlarıdır. 

Aşağıda, popüler röle türlerinden bazıları ve bunların işlevleri kısaca verilmiştir:

• Elektromanyetik/Elektromekanik röleler
  • Bunlar en popüler ve genel röle türleridir. Rölenin kontak iletken uçları ile teması kuran/kesen mekanik bir koldan oluşur ve dahili bobine voltaj uygulanarak çalıştırılır. Elektromanyetik röleler hem AC hem de DC cihazları kontrol edebilir. Elektromanyetik röleler, çeşitli bobin voltajlarında ve temas derecelerinde mevcuttur.
• Küçük sinyal röleleri
  • Küçük sinyal röleleri çoğunlukla otomotiv ve endüstriyel otomasyon uygulamalarında bulunur. Bunlar, PLC dijital çıkış sinyalleri gibi düşük voltaj, düşük akım sinyallerini anahtarlayan elektromekanik rölelerin minyatür versiyonlarıdır.
• zaman geciktirme röleleri
  • Zaman geciktirme röleleri, bir açma sinyali uyguladıktan sonra açmayı geciktirmek için yerleşik bir zamanlayıcı ve bir elektromekanik röleden oluşur. Bunlar, yüksek güçlü motorları çalıştırmak için motor kontrol devrelerinde bulunur.
• polarize röleler
  • Polarize röleler, uygulanan akımın yönüne duyarlı özel bir röle türüdür. Bobine belirli bir polaritede bir DC akımı uygulandığında, röle belirli bir kontak setini etkinleştirerek belirli bir konuma geçer. Polarite değiştirildiğinde, başka bir kontak setini etkinleştirir. Güç kesildiğinde, bazı polarize röleler tüm kontakları kesmek için 'nötr konuma' döner.

Diğer en popüler röle türü, Katı Hal Rölesidir. Şimdiye kadar sahip olduğumuz röleler hakkındaki anlayışla, katı hal rölelerini tartışalım.

Katı Hal Rölesi nedir?

Katı Hal Röle (SSR olarak da bilinir), küçük bir AC/DC giriş sinyalinden çalışan başka bir röle türüdür. SSR'ler, EMR'lere (Elektro-Meahknik Röleler) çok benzer şekilde çalışır. Ancak, hareketli bileşenlere sahip değillerdir. SSR'ler bunun yerine anahtarlama görevini gerçekleştirmek ve giriş sinyalini anahtarlama tarafından izole tutmak için elektrikli ve optik bileşenleri (katı hal adını verir) kullanır.

Bir elektromekanik röleye benzer şekilde, katı hal röleleri de açıkken neredeyse sonsuz temas direnci/empedans ve çalışma sırasında sıfıra yakın direnç/empedans sağlar. Kontrol devresinin dahili yapısına bağlı olarak, SSR'ler AC, DC veya her iki tipi de kontrol edebilir. Bu, güç elektroniği olarak mevcut olan çeşitli yarı iletken seçenekleri nedeniyle mümkündür. Katı hal röleleri, SCR'ler, TRIAC'lar ve hatta transistörler/MOSFET'ler kullanılarak tasarlanabilir.

Bir SSR'yi elektromekanik muadilinden ayıran en önemli şeylerden biri çalışma ömrüdür. Elektromekanik röleler, kontakları fiziksel olarak devreye aldıkları/çıkardıkları için çok sınırlı bir kontak ömrüne sahiptir. Bu, temas yüzeyini bozan açılış kontakları arasında elektrik arklarının oluşmasına neden olur. Ağır hizmet tipi röleler buna karşı koymak için tasarlanırken, aşınma ve yıpranmaya karşı kalıcı olarak bağışık değildirler.

SSR'ler ise tamamen katı haldedir ve sıfır hareketli parçaya sahiptir. Bu, operasyonel kararlılık konusunda endişelenmelerine gerek kalmadan nominal yük altında binlerce anahtarlama döngüsüne dayanmalarını sağlar. Bu aynı zamanda SSR'nin anahtarlama hızını da artırır. 

Katı Hal Röle Devresi

Katı hal röleleri, kullanılabilirlik açısından basit cihazlardır. Kontrol sinyali girişine ve yüksek güçlü elektrik yüklerini kontrol eden anahtarlamalı bir çıkışa sahiptirler. İç yapıları göründüğünden çok daha karmaşıktır. SSR devresini ve nasıl çalıştığını tartışalım.

Daha önce bahsedildiği gibi katı hal röleleri, kontrol sinyali tarafı ile yük tarafı arasında elektriksel izolasyon sağlar. İzolasyonun fiziksel olarak ayrılmış kontaklar aracılığıyla gerçekleştiği elektromekanik rölelere benzer şekilde, SSR'ler bunu giriş sinyalini optik olarak yalıtarak başarır.

Bu, "optocoupler" ("optoizolatör" olarak da bilinir) adı verilen özel bir yarı iletken cihaz kullanılarak yapılır. Optokuplörler, optik sinyal izolasyonu sağlamak için ışığa duyarlı bir cihazla birlikte bir veya daha fazla kızılötesi yayan diyot veya LED içerir. 

Kontrol sinyali sağlandığında (2-3V aralığında çok düşük DC voltajı), SSR'ye yerleşik IR LED'i yakar. Yayılan ışın, çıkışı etkinleştirmek için ışığa duyarlı cihaz tarafından alınır. Işığa duyarlı cihaz yayıcıdan uzağa yerleştirilir ve elektriksel izolasyonu sağlar. Bu uygulama ile bir SSR, 220V DC kadar düşük bir kontrol sinyali ile 5V AC yükü kolaylıkla anahtarlayabilir.

Kontrol sinyali birden çok yoldan kaynaklanabilir. Ya olabilir,

• Katı hal DC sinyali
  • Katı hal DC sinyalleri, basit anahtarlardan veya pil hücreleri gibi doğrudan güç kaynaklarından gelebilir.
• Dijital çıkış sinyali
  • Mikrodenetleyiciler veya mikroişlemciler, PLC'ler gibi denetleyiciler, yükleri kontrol etmek için SSR'lere beslenebilen sinyaller de üretebilir.
• Mantık kapısı sinyalleri
  • Bir mikrodenetleyicinin işlem gücünü gerektirmeyen uygulamalar için, bir dizi koşullu girişe göre bir yükü açıp kapatmak için bir kombinasyonel mantık kapısı devresinin çıkışı bir SSR'ye bağlanabilir.

SSR türleri

Pek çok katı hal rölesi türü vardır. İşlevsellik açısından birbirlerinden farklıdırlar. Farklı uygulamalarda kullanılsalar da çalışma prensibi çok benzerdir.

Anında Anahtarlamalı SSR

Anında geçiş yapan katı hal röleleri, bir kontrol voltajı uygulandığında çıkışı hemen açar. Bu SSR'lerin 1 milisaniyeden daha az atipik yanıt süresi vardır, bu da onları hızlı yanıt ve/veya faz açısı kontrolü gerektiren uygulamalar için ideal bir bileşen haline getirir. Bunlar aynı zamanda endüktif yük anahtarlamasında da uygulama alanı bulur.

Anlık anahtarlamalı SSR'ler, anahtarlama anında faz açısına bakılmaksızın AC sinyallerinin kontrolüne izin vermek için genellikle triyaklardan yapılır. Bu, açma noktasının rastgele olduğu normal bir anahtarla aynı şekilde çalışır.

Sıfır Anahtarlamalı SSR

Sıfır geçişli SSR'ler olarak da bilinen sıfır anahtarlama, uygulanan zaman kontrol sinyalinden bağımsız olarak hat voltajının ilk sıfır geçiş noktasında açılır. 50Hz sinüzoidal hat voltajı için yanıt süresi sıfıra yakın ile 10ms arasında olabilir (yarı periyodun altında).

Bu SSR'ler, 'sıfır geçiş detektörü' adı verilen özel bir yerleşik devreye sahiptir. Kontrol sinyali uygulandığında, AC sinüzoidal dalga formu 0V noktasına ulaşır ulaşmaz bu devre bir darbe üretir. Bu, yükü kontrol eden triyak'ı açar ve triyak, hat voltajı tekrar sıfıra ulaşana kadar iletken kalır. Kontrol voltajı uygulandığı sürece döngü tekrar eder.

Sıfır geçişli SSR'ler, uygulamalarını dirençli, kapasitif ve endüktif yük kontrol sistemlerinde bulur. Sıfır geçiş noktasındaki aktivasyon, başlatma sırasında yüke akan minimum bir dalgalanma akımı sağlar. 

Tepe Anahtarlamalı SSR

Sıfır geçiş tipini tamamlayan tepe anahtarlamalı SSR'ler, kontrol voltajı uygulandıktan sonra hat voltajının ilk zirvesinde çıkışı etkinleştirir. Bu yarım döngüden sonra SSR, sıfır geçişli bir SSR gibi çalışmaya devam eder. 

Pik anahtarlamalı SSR'lerde, sıfırdan geçiş detektörü, ilk açma darbesini oluşturmak için ilk pik detektör aşamasıyla birleştirilir. Hat voltajı tepe voltajına ulaşana kadar SSR açılmaz. Pik algılanır algılanmaz, yük triyaktan güç alır. Besleme voltajının zirvesinde anahtarlandığında, endüktif yükler en az miktarda ani akımı çeker. Tepe anahtarlamalı SSR'lerin kullanılması, yükün ani akımlardan korunmasını sağlamak için bu tür uygulamalarda faydalıdır.

Pik anahtarlamalı SSR'ler, transformatörler ve yüksek güçlü motorlar gibi ağır endüktif yüklerde kullanılır. 

Analog Anahtarlama SSR

Analog anahtarlamalı SSR, özel bir SSR türüdür. 4-20mA DC akım sinyali ile çalışırlar. Çıkışın fazı, giriş sinyalinden orantılı olarak etkilenir. Kontrol voltajı/akım sinyali kaldırıldığında, SSR kapanır. Analog katı hal röleleri, giriş voltajının bir fonksiyonu olarak çıkış voltajını kontrol etmek için kapalı döngü geri besleme sistemi olarak işlev gören dahili devreye sahiptir.

DC Anahtarlama SSR'si

Dirençli ve endüktif yükler için DC anahtarlamalı SSR'ler yaygın olarak kullanılmaktadır. DC SSR'ler yükü BJT'lerin MOSFET'lerini kullanarak kontrol eder, bu nedenle DC ısıtma elemanları, solenoid valfler ve DC fırçalı motorlar gibi DC yüklerle en iyi şekilde kullanılırlar. Bunlar dahili endüktif geri tepme korumasına sahip olmadığından, ters polarma konfigürasyonunda çıkış terminallerine bağlanması için harici bir serbest diyot gereklidir.

Kontrol Yöntemleri

Farklı SSR türlerinin farklı sürüş yöntemleri vardır. Yukarıda bahsedildiği gibi, SSR'ler daha yüksek voltaj, daha yüksek akım yükünü değiştirmek için yalnızca küçük bir kontrol sinyali gerektirir. Bir SSR'nin girişini sürmek için kullanılan yöntemlerden bazıları şunlardır.

Doğrudan DC Anahtarlama

Bir SSR'yi sürmenin en basit yöntemi, kontrol voltajını doğrudan SSR'ye uygulamaktır. Örneğin, bir SSR'nin kontrol gerilimi 12V DC ise, gerilim sinyalinin doğrudan kontrol girişlerine beslenmesi SSR'yi açar. Bu tür basit uygulama, doğrudan çevrimiçi motor kontrol devrelerinde bulunabilir.

transistör kontrolü

Bazı durumlarda kontrol sinyali voltajı, SSR'nin girişlerini doğrudan sürmek için yeterince yüksek olmayabilir. Örneğin, 5V veya 3.3V'da çalışan bir mikrodenetleyici, SSR'nin dahili devresini çalıştırmak için yeterli voltaj ve akımı sağlayamayabilir. Bu gibi durumlarda, mantık gerilimlerinin SSR'nin girişine bir kontrol sinyaline çevrilmesi gerekir. Yukarıdaki görüntüye benzer bir devre uygulayarak, küçük bir giriş sinyali SSR'yi kolayca kontrol edebilir. Yukarıda gösterilen NPN transistör devresi, taban terminaline pozitif bir voltaj uygulandığında SSR'yi açabilir.

Kombinasyonel mantık kontrolü

Koşullu mantığa ihtiyaç duyulan ancak sistemin PLC gibi mikrodenetleyici tabanlı bir kontrol sistemi ile kontrol edilemeyecek kadar basit olduğu uygulamalarda, mantık kapıları kullanılabilir. Aşağıda gösterilene benzer bir devre ile, bir pozitif kombinasyonel mantık devresinin ters çevrilmiş çıkışı, bir elektrik yükünü kontrol etmek için bir SSR'yi doğrudan çalıştırabilir.

AC kontrol sinyali

Bazı sistemler hem kontrol hem de güç elektroniğinde yalnızca AC gücü kullanır. Bir SSR'yi böyle bir sisteme dahil etmek zor olabilir çünkü SSR'ler çoğunlukla DC sinyalleri kullanılarak çalıştırılır. Bununla birlikte, tam köprü doğrultma ilkesiyle, uyumlu bir voltaj seviyesindeki bir AC sinyali, SSR'nin girişlerini sürmek için doğrultulmuş bir DC voltaj sinyaline dönüştürülebilir. Aşağıdaki şekil böyle bir uygulamayı göstermektedir.

Bununla birlikte, SSR üreticilerinin çoğu, bu ek yükün üstesinden gelmek için SSR serilerinde AC giriş katı hal röleleri sunmaktadır.

Katı Hal Röle Avantajları

SSR'lerin aşağıdakiler dahil birçok avantajı vardır:

• Uzun ömür ve yüksek güvenilirlik
• Hızlı yanıt süreleri
• Düşük EMI
• Mekanik bileşenlerin olmaması nedeniyle kontak arkı oluşmaz
• Titreşim, şok ve toza karşı yüksek direnç
• Sessiz operasyon
• Mantık uyumluluğu

Bununla birlikte, SSR'lerin de birkaç dezavantajı vardır:

• Kontak voltajı düşüşü
  • SSR'ler yarı iletken cihazlar kullanılarak yapıldığından, tamamen açıldıklarında bile doğal bir seri direnç oluştururlar. Örneğin, tristörler terminaller arasında 1-1.6 V'luk bir voltaj düşüşüne sahip olabilir. Bu, pasif veya aktif soğutma gerektiren ısı üretir.
• Geçici gerilim sorunları ve dV/dt sınırlamaları
  • Düzgün uygulanmazsa, SSR'ler, yarı iletken aşamalarda mevcut olan doğal kapasitans nedeniyle rejeneratif eylemin neden olduğu rastgele açılma riski oluşturur.

Doğru Katı Hal Rölesi Nasıl Seçilir

Belirli bir uygulama için bir SSR seçerken aşağıdaki kilit noktaları göz önünde bulundurun:

Genel bilgi

Nominal yük akımını, voltajı ve çalışma sıcaklığını kaldırabilecek bir SSR seçin. SSR genellikle amaçlanan uygulamadan daha yüksek bir derecelendirmeye sahip olmalıdır.

Koruma özellikleri

SSR, termal aşırı yük, aşırı akım ve geçici gerilim korumasına karşı yeterli korumaya sahip olmalıdır. Çoğu durumda, bu tür devreler harici olarak bağlanmalıdır.

Ayrıca, SSR'nin uygulama için yalıtım standartlarına uygun olduğundan emin olun. Örneğin, daha yüksek uç SSR'ler >=4000Vrms AC giriş-çıkış yalıtım direncine ve >= 2500Vrms AC çıkış-kasa yalıtım direncine sahiptir

Endüstri standartlarına uyumluluk

IEC, UL ve benzeri endüstri standartlarına uygun olarak üretilmiş bir SSR'nin seçilmesi sistem bütünlüğünü ve güvenilirliğini sağlayacaktır.

Sonuç

Katı hal röleleri, birçok durumda geleneksel elektromekanik rölelerin yerini alabilen mükemmel anahtarlama cihazlarıdır. SSR tabanlı bir sistemi uygulamanın ilk maliyeti nispeten yüksektir, avantajları kolayca dezavantajlara ağır basar ve maliyeti haklı çıkarır.