Chuyển tiếp trạng thái rắn

Niu phong thủy
28 tháng 4, 2023
Uncategorized

Giới thiệu

Rơle đóng một vai trò quan trọng trong các hệ thống điều khiển điện. Có nhiều loại rơle như rơle điện từ, rơle thời gian và rơle nhiệt. Rơle trạng thái rắn (SSR) là một trong số đó. Họ có thể cung cấp/cắt điện cho các thiết bị điện bằng tín hiệu điều khiển điện áp thấp. Trong bài viết này, chúng ta sẽ thảo luận về SSR, cách chúng hoạt động và các ứng dụng của chúng.

Giới thiệu về các loại Rơle

Có những lúc chúng ta cần điều khiển thiết bị điện có điện áp cao/dòng điện cao bằng một tín hiệu nhỏ. Ví dụ, hãy tưởng tượng một tình huống mà chúng ta cần điều khiển động cơ 220 pha 1V bằng một công tắc/nút nhỏ hoặc sử dụng PLC. Trong một ứng dụng như thế này, động cơ không thể được kết nối trực tiếp với PLC hoặc công tắc. Điều này không chỉ vượt quá định mức của công tắc mà còn gây nguy hiểm về điện do điện áp và dòng điện cao đang được xử lý.

Rơle rất hữu ích trong những trường hợp như vậy. Rơle cho phép chúng ta điều khiển một thiết bị lớn sử dụng dòng điện cao hơn (chẳng hạn như tải 220V 20A) bằng tín hiệu điện áp nhỏ (24V, 100mA). Rơle cũng cung cấp khả năng cách ly điện giữa phía điện áp cao và phía điện áp thấp. Rơle là loại thiết bị bật/tắt chỉ có hai chế độ hoạt động riêng biệt đó.

Trước khi chuyển sang rơle trạng thái rắn, chúng ta hãy điểm qua một số loại rơle phổ biến nhất hiện có trên thị trường để hiểu cách thức hoạt động của rơle thông thường.

Có rất nhiều loại rơle có sẵn trên thị trường. Nói chung, chúng là các công tắc bật/tắt điều khiển bằng điện có thiết lập đơn/đa cực và ném.

Dưới đây là một số loại rơle phổ biến và chức năng của chúng một cách ngắn gọn:

Rơ le điện từ/điện cơ
- Đây là những loại rơle phổ biến và chung chung nhất. Chúng bao gồm một cánh tay cơ học tạo/ngắt tiếp xúc với các cực dẫn tiếp xúc của rơle và nó được kích hoạt bằng cách đặt một điện áp vào cuộn dây tích hợp. Rơle điện từ có thể điều khiển cả thiết bị AC và DC. Rơle điện từ có sẵn ở các điện áp cuộn dây và xếp hạng tiếp xúc khác nhau.
Rơle tín hiệu nhỏ
- Rơle tín hiệu nhỏ chủ yếu được tìm thấy trong các ứng dụng tự động hóa ô tô và công nghiệp. Đây là những phiên bản thu nhỏ của rơle điện cơ chuyển đổi tín hiệu điện áp thấp, dòng điện thấp, chẳng hạn như tín hiệu đầu ra kỹ thuật số PLC.
Rơle trễ thời gian
- Rơle trễ thời gian bao gồm một bộ hẹn giờ tích hợp và rơle cơ điện để trì hoãn bật sau khi áp dụng tín hiệu bật. Chúng được tìm thấy trong các mạch điều khiển động cơ để khởi động động cơ công suất cao.
Rơle phân cực
- Rơle phân cực là một loại rơle đặc biệt nhạy cảm với hướng dòng điện được áp dụng. Khi dòng điện một chiều được đặt vào cuộn dây ở một cực nhất định, rơle sẽ chuyển sang một vị trí nhất định, kích hoạt một bộ tiếp điểm nhất định. Khi đổi cực, nó sẽ kích hoạt một bộ tiếp điểm khác. Khi nguồn điện bị ngắt, một số rơle phân cực trở về 'vị trí trung lập' để ngắt tất cả các tiếp điểm.

Loại rơle phổ biến nhất khác là Solid State Relay. Với sự hiểu biết về rơle chúng ta đã có cho đến nay, hãy thảo luận về rơle trạng thái rắn.

Rơle trạng thái rắn là gì?

Rơle trạng thái rắn (còn được gọi là SSR) là một loại rơle khác hoạt động từ tín hiệu đầu vào AC/DC nhỏ. SSR hoạt động rất giống với EMR (Rơ le điện cơ). Tuy nhiên, chúng không có các bộ phận chuyển động. Thay vào đó, SSR sử dụng các thành phần điện và quang (có tên trạng thái rắn) để thực hiện tác vụ chuyển mạch và giữ cho tín hiệu đầu vào được cách ly khỏi phía chuyển mạch.

Tương tự như rơle điện cơ, rơle trạng thái rắn cũng cung cấp điện trở/trở kháng tiếp xúc gần như vô hạn khi mở và điện trở/trở kháng gần như bằng không trong quá trình hoạt động. Tùy thuộc vào cấu trúc bên trong của mạch điều khiển, SSR có thể điều khiển AC, DC hoặc cả hai loại. Điều này có thể thực hiện được là do có nhiều lựa chọn chất bán dẫn như thiết bị điện tử công suất. Rơle trạng thái rắn có thể được thiết kế bằng cách sử dụng SCR, TRIAC hoặc thậm chí là bóng bán dẫn/MOSFET.

Một trong những điều quan trọng giúp phân biệt SSR với đối tác cơ điện của nó là tuổi thọ hoạt động. Rơle điện cơ có vòng đời tiếp điểm rất hạn chế vì chúng gắn/ngắt các tiếp điểm một cách vật lý. Điều này gây ra hồ quang điện tạo ra giữa các tiếp điểm mở làm suy giảm bề mặt tiếp xúc. Mặc dù các rơle hạng nặng được thiết kế để chống lại điều này, nhưng chúng không miễn nhiễm vĩnh viễn với sự hao mòn.

Mặt khác, SSR ở trạng thái rắn hoàn toàn và không có bộ phận chuyển động. Điều này cho phép chúng kéo dài hàng nghìn chu kỳ chuyển mạch dưới tải định mức mà không phải lo lắng về độ ổn định khi vận hành. Điều này cũng cải thiện tốc độ chuyển mạch của SSR.

Mạch chuyển tiếp trạng thái rắn

Rơle trạng thái rắn là thiết bị đơn giản từ quan điểm khả năng sử dụng. Chúng có đầu vào tín hiệu điều khiển và đầu ra chuyển đổi để điều khiển tải điện công suất cao. Cấu trúc bên trong của chúng phức tạp hơn nhiều so với những gì nhìn thấy bằng mắt thường. Hãy thảo luận về mạch SSR và cách thức hoạt động của nó.

Như đã đề cập trước đây, rơle trạng thái rắn cung cấp cách ly điện giữa phía tín hiệu điều khiển và phía tải. Tương tự như rơle điện cơ trong đó quá trình cách ly xảy ra thông qua các tiếp điểm được phân tách về mặt vật lý, SSR đạt được điều này bằng cách cách ly tín hiệu đầu vào về mặt quang học.

Điều này được thực hiện bằng cách sử dụng một thiết bị bán dẫn đặc biệt gọi là 'bộ ghép quang' (còn được gọi là 'bộ cách ly quang'.). Bộ ghép quang chứa một hoặc nhiều điốt phát hồng ngoại hoặc đèn LED cùng với thiết bị cảm quang để cách ly tín hiệu quang.

Khi tín hiệu điều khiển được cung cấp (điện áp DC rất thấp trong khoảng 2-3V), nó sẽ bật đèn LED hồng ngoại tích hợp trong SSR. Chùm phát ra được nhận bởi thiết bị cảm quang để kích hoạt đầu ra. Thiết bị cảm quang được đặt xa bộ phát hơn và để cách điện. Với cách triển khai này, một SSR có thể dễ dàng chuyển đổi tải 220V AC với tín hiệu điều khiển thấp tới 5V DC.

Tín hiệu điều khiển có thể bắt nguồn từ nhiều cách. Nó có thể là một trong hai,

Tín hiệu DC trạng thái rắn
- Tín hiệu DC trạng thái rắn có thể bắt nguồn từ các công tắc đơn giản hoặc nguồn điện trực tiếp như pin.
tín hiệu đầu ra kỹ thuật số
- Các bộ điều khiển như vi điều khiển hoặc vi xử lý, PLC cũng có thể tạo ra các tín hiệu có thể được đưa vào SSR để điều khiển tải.
Tín hiệu cổng logic
- Đối với các ứng dụng không yêu cầu sức mạnh xử lý của vi điều khiển, đầu ra của mạch cổng logic tổ hợp có thể được kết nối với SSR để bật/tắt tải theo một tập hợp các đầu vào có điều kiện.

Các loại SSR

Có nhiều loại rơle trạng thái rắn. Chúng khác nhau bởi chức năng. Nguyên tắc hoạt động rất giống nhau, mặc dù chúng được sử dụng trong các ứng dụng khác nhau.

SSR chuyển mạch tức thì

Rơle trạng thái rắn chuyển mạch tức thì bật đầu ra ngay lập tức khi áp dụng điện áp điều khiển. Các SSR này có thời gian phản hồi không điển hình nhỏ hơn 1 mili giây, khiến chúng trở thành thành phần lý tưởng cho các ứng dụng yêu cầu phản hồi nhanh và/hoặc kiểm soát góc pha. Chúng cũng tìm thấy các ứng dụng trong chuyển đổi tải quy nạp.

SSR chuyển mạch tức thời thường được làm bằng triac để cho phép điều khiển tín hiệu AC bất kể góc pha tại thời điểm chuyển mạch. Điều này hoạt động giống như một công tắc thông thường trong đó điểm bật là ngẫu nhiên.

Không Chuyển SSR

Chuyển mạch về 50, còn được gọi là SSR cắt ngang, bật tại điểm cắt 10 đầu tiên của điện áp đường dây bất kể tín hiệu điều khiển thời gian được áp dụng. Đối với điện áp đường dây hình sin XNUMXHz, thời gian đáp ứng có thể nằm trong khoảng từ gần XNUMX đến XNUMXms (ít hơn một nửa chu kỳ).

Các SSR này có một mạch tích hợp đặc biệt được gọi là 'máy phát hiện điểm không'. Khi tín hiệu điều khiển được đưa vào, mạch này sẽ tạo ra một xung ngay khi dạng sóng hình sin AC đạt đến điểm 0V. Điều này bật triac điều khiển tải và triac vẫn dẫn điện cho đến khi điện áp đường dây trở lại bằng không. Chu kỳ lặp lại miễn là điện áp điều khiển được áp dụng.

Zero Crossing SSR tìm thấy các ứng dụng của chúng trong các hệ thống kiểm soát tải điện trở, điện dung và cảm ứng. Việc kích hoạt tại điểm giao nhau bằng XNUMX đảm bảo dòng điện tăng tối thiểu chạy vào tải trong khi khởi động.

SSR chuyển mạch đỉnh

Bổ sung cho loại không giao nhau, SSR chuyển mạch cực đại kích hoạt đầu ra ở đỉnh đầu tiên của điện áp đường dây khi áp dụng điện áp điều khiển. Sau nửa chu kỳ này, SSR tiếp tục hoạt động như một SSR giao nhau bằng không.

Trong các SSR chuyển mạch cực đại, bộ phát hiện giao nhau bằng XNUMX được kết hợp với giai đoạn phát hiện cực đại ban đầu để tạo ra xung bật đầu tiên. SSR không bật cho đến khi điện áp đường dây đạt đến điện áp cực đại. Ngay khi phát hiện đỉnh, tải sẽ nhận điện qua triac. Khi được chuyển đổi ở mức cao nhất của điện áp cung cấp, các tải cảm ứng sẽ rút ra ít dòng điện khởi động nhất. Việc sử dụng SSR chuyển mạch cực đại có lợi trong các ứng dụng như vậy để đảm bảo tải được bảo vệ khỏi dòng điện khởi động.

SSR chuyển mạch cực đại được sử dụng với các tải cảm nặng như máy biến áp và động cơ công suất cao.

Chuyển mạch tương tự SSR

SSR chuyển mạch tương tự là một loại SSR đặc biệt. Chúng hoạt động với tín hiệu dòng DC 4-20mA. Pha của đầu ra bị ảnh hưởng theo tỷ lệ bởi tín hiệu đầu vào. Khi tín hiệu điện áp/dòng điện điều khiển bị loại bỏ, SSR sẽ tắt. Rơle trạng thái rắn tương tự có mạch tích hợp có chức năng như một hệ thống phản hồi vòng kín để điều khiển điện áp đầu ra như một chức năng của điện áp đầu vào.

SSR chuyển mạch DC

Đối với tải điện trở và cảm ứng, SSR chuyển mạch DC được sử dụng rộng rãi. DC SSR điều khiển tải bằng MOSFET của BJT do đó chúng được sử dụng tốt nhất với tải DC như bộ phận làm nóng DC, van điện từ và động cơ chải DC. Vì những thiết bị này không có chức năng bảo vệ giật ngược quy nạp tích hợp, nên cần phải kết nối một đi-ốt quay tự do bên ngoài với các đầu ra ở cấu hình phân cực ngược.

Phương pháp kiểm soát

Các loại SSR khác nhau có phương pháp lái xe khác nhau. Như đã đề cập ở trên, SSR chỉ yêu cầu một tín hiệu điều khiển nhỏ để chuyển đổi điện áp cao hơn, tải dòng điện cao hơn. Dưới đây là một số phương pháp được sử dụng để điều khiển đầu vào của SSR.

Chuyển đổi DC trực tiếp

Phương pháp đơn giản nhất để điều khiển SSR là đặt điện áp điều khiển trực tiếp vào SSR. Ví dụ: nếu điện áp điều khiển của SSR là 12V DC, việc cung cấp trực tiếp tín hiệu điện áp cho đầu vào điều khiển sẽ bật SSR. Kiểu triển khai đơn giản này có thể được tìm thấy trong các mạch điều khiển động cơ trực tiếp.

điều khiển bóng bán dẫn

Trong một số trường hợp, điện áp tín hiệu điều khiển có thể không đủ cao để điều khiển trực tiếp các đầu vào của SSR. Chẳng hạn, một bộ vi điều khiển chạy ở 5V hoặc 3.3V có thể không cung cấp đủ điện áp và dòng điện để điều khiển mạch bên trong của SSR. Trong những trường hợp như vậy, điện áp logic cần được dịch thành tín hiệu điều khiển tới đầu vào của SSR. Bằng cách thực hiện một mạch tương tự như hình trên, một tín hiệu đầu vào nhỏ có thể dễ dàng điều khiển SSR. Mạch bán dẫn NPN hiển thị ở trên có thể bật SSR khi điện áp dương được đặt vào cực cơ sở.

Điều khiển logic tổ hợp

Trong các ứng dụng cần logic có điều kiện, nhưng hệ thống quá đơn giản để được điều khiển bởi hệ thống điều khiển dựa trên bộ vi điều khiển như PLC, có thể sử dụng các cổng logic. Với một mạch tương tự như mạch được hiển thị bên dưới, đầu ra đảo ngược của mạch logic tổ hợp dương có thể trực tiếp điều khiển SSR để điều khiển tải điện.

Tín hiệu điều khiển xoay chiều

Một số hệ thống chỉ sử dụng nguồn AC trong cả điều khiển và điện tử công suất. Việc kết hợp SSR vào một hệ thống như vậy có thể là một thách thức vì SSR chủ yếu được điều khiển bằng tín hiệu DC. Tuy nhiên, với nguyên tắc chỉnh lưu toàn cầu, tín hiệu AC ở mức điện áp tương thích có thể được chuyển đổi thành tín hiệu điện áp DC được chỉnh lưu để điều khiển đầu vào của SSR. Hình dưới đây cho thấy một thực hiện như vậy.

Tuy nhiên, hầu hết các nhà sản xuất SSR đều cung cấp rơle trạng thái rắn đầu vào AC trong sê-ri SSR của họ để khắc phục chi phí bổ sung này.

Ưu điểm chuyển tiếp trạng thái rắn

SSR có nhiều lợi thế bao gồm,

Tuổi thọ cao và độ tin cậy cao
Thời gian phản hồi nhanh
EMI thấp
Không tiếp xúc hồ quang do thiếu các thành phần cơ khí
Khả năng chống rung, sốc và bụi cao
Hoạt động im lặng
tương thích logic

Tuy nhiên, SSR cũng có một vài nhược điểm:

Tiếp xúc điện áp giảm
- Vì SSR được tạo ra bằng cách sử dụng các thiết bị bán dẫn, nên chúng tạo ra điện trở nối tiếp vốn có ngay cả khi được bật hoàn toàn. Ví dụ, thyristor có thể có điện áp rơi 1-1.6V trên các cực. Điều này tạo ra nhiệt, yêu cầu làm mát thụ động hoặc chủ động.
Các vấn đề về điện áp thoáng qua và giới hạn dV/dt
- Nếu không được triển khai đúng cách, SSR có nguy cơ bật ngẫu nhiên do hoạt động tái tạo do điện dung vốn có trong các giai đoạn bán dẫn.

Cách chọn Rơle trạng thái rắn phù hợp

Khi chọn SSR cho một ứng dụng cụ thể, hãy xem xét các điểm chính sau:

Thông tin chung

Chọn một SSR có thể xử lý dòng tải định mức, điện áp và nhiệt độ vận hành. SSR thường có xếp hạng cao hơn so với ứng dụng dự định.

Các tính năng bảo vệ

SSR phải có đủ khả năng bảo vệ chống quá tải nhiệt, bảo vệ quá dòng và điện áp quá độ. Trong nhiều trường hợp, mạch như vậy nên được kết nối bên ngoài.

Ngoài ra, đảm bảo rằng SSR tuân thủ các tiêu chuẩn cách nhiệt cho ứng dụng. Ví dụ: SSR cao cấp hơn có điện trở cách điện đầu vào-đầu ra >=4000Vrms AC và điện trở cách điện đầu ra của vỏ máy >= 2500Vrms AC

Tuân thủ tiêu chuẩn ngành

Chọn một SSR được sản xuất phù hợp với tiêu chuẩn công nghiệp IEC, UL và tương tự sẽ đảm bảo tính toàn vẹn và độ tin cậy của hệ thống.

Kết luận

Rơle trạng thái rắn là thiết bị chuyển mạch tuyệt vời có thể thay thế rơle điện cơ thông thường trong nhiều trường hợp. Chi phí ban đầu để triển khai một hệ thống dựa trên SSR là tương đối cao, những ưu điểm dễ dàng vượt trội hơn những nhược điểm và biện minh cho chi phí.