رله حالت جامد کنترل فاز

رله حالت جامد کنترل فاز:
رله های حالت جامد، علاوه بر اینکه قابلیت سوئیچینگ عبور از صفر مستقیمِ یک بار را دارند، می توانند عملکردهای پیچیده تری در مدارهای منطقی دیجیتال، میکروپروسسورها و حافظه ها انجام دهند. یک کاربرد دیگر رله حالت جامد در کاهش نور لامپ است.

رله های حالت جامد سوئیچینگ غیرصفر، سریعاً بعد از به کار بردن سیگنال کنترل ورودی روشن می شوند و عمل می کنند؛ برخلاف رله های عبور صفری که در بالا توضیح داده شد و تا زمانی که نقطه عبور از صفر بعدی شکل موج سینوسی رخ ندهد عمل نمی کنند.

از این سوئیچینگ تصادفی در کاربردهای بارهای مقاومتی مانند کاهش نور لامپ یا مواردی که نیاز است به بار فقط برای یک سهم کوچک از تناوب AC انرژی داده شود استفاده می شود. شکل زیر، شکل موج خروجی سوئیچینگ تصادفی را نشان می دهد.

هرچند با توجه به مطالبی که گفته شد می توان از رله های حالت جامد برای کنترل فاز شکل موج بار استفاده کرد، اما مشکل اصلی این رله ها که به صورت تصادفی روشن می شوند، جریان ضربه ای اولیه بار در لحظه روشن شدن رله است که ممکن است به دلیل توان سوئیچینگ رله در هنگام نزدیک بودن شکل منبع ولتاژ به مقدار پیک (90 درجه) بالا باشد.

همان طور که در شکل بالا نشان داده شده است، وقتی سیگنال ورودی حذف شود، در صورتی که جریان بار به کمتر از جریان نگهدارنده تریستور یا ترایاک برسد، رله از هدایت باز می ایستد. واضح است که در یک رله حالت جامد DC، عمل سوئیچینگ ON/OFF به صورت لحظه ای است.

رله حالت جامد گزینه ایده آلی برای طیف گسترده ای از کاربردهای سوئیچینگ ON/OFF است، زیرا برخلاف رله های الکترومکانیکی بخش یا کنتاکت متحرک ندارد.

رله های حالت جامد، انواع مختلفی برای سیگنال های کنترل ورودی AC و DC و نیز سوئیچینگ خروجی AC و DC دارند، زیرا در این رله ها از عناصر سوئیچینگ حالت جامد از قبیل تریستور، ترایاک و ترانزیستور استفاده می شود.

با استفاده از ترکیبی از یک اپتوایزولاتر و ترایاک مناسب، می توان یک رله حالت جامد ساده برای کنترل یک بار AC مانند هیتر، لامپ یا سلونوئید ساخت.

از آن جایی که اپتوایزولاتور به مقدار کمی توان کنترل یا ورودی برای عمل کردن نیاز دارد، سیگنال کنترل می تواند از یک PIC، آردوینو یا هر میکروکنترلر دیگر گرفته شود.

مثال:
فرض کنید می خواهیم با سیگنال پورت خروجی 5+ ولتی یک میکروکنترلر، یک المنت هیتر 120 ولت AC و 600 وات را کنترل کنیم. برای این کار می توانیم از ایزولاتور اپتوترایاک MOC3020 استفاده کنیم، اما از ترایاک داخلی فقط یک مقدار جریان ماکزیمم ITSM برابر با 1 آمپر در پیک 120 ولت AC می گذرد. بنابراین باید از یک ترایاک سوئیچینگ اضافه نیز استفاده کنیم.

ابتدا، مشخصه ورودی اپتوایزولاتور MOC3020 را در نظر می گیریم. طبق دیتاشیت اپتوایزولاتورها، افت ولتاژ مستقیم (VF) دیود نورانی ورودی، 1.2 ولت و جریان مستقیم ماکزیمم (IF) آن 50 میلی آمپر است.

برای آنکه ال ای دی روشن شود به حدود 10 میلی آمپر جریان نیاز دارد. البته پورت خروجی دیجیتال میکروکنترلر فقط قادر به تأمین 30 میلی آمپر است. در نتیجه، مقدار جریان باید در محدوده 10 تا 30 میلی آمپر باشد. بنابراین، داریم:

در نتیجه می توانیم از یک مقاومت سری محدود کننده با مقداری بین 126 تا 380 اهم استفاده کنیم. از آن جایی که پورت خروجی دیجیتال همیشه 5+ را سوئیچ می کند و برای آنکه اتلاف توان در LED اپتوکوپلر کاهش یابد، ترجیحاً مقدار مقاومت 240 اهم را انتخاب می کنیم.

با انتخاب این مقدار، جریان مستقیم LED به کمتر از 16 میلی آمپر خواهد رسید. در این مثال، می توانیم هر مقداری را بین 150 تا 330 اهم برای مقاومت سری انتخاب کنیم.

بار مقاومتی 600 وات است. با اعمال منبع 120 ولتی AC، جریان 5 آمپری از بار خواهد گذشت (I=P/V). از آن جایی که می خواهیم این مقدار جریان بار را در دو نیم سیکل (هر چهار ربع) شکل موج AC کنترل کنیم، به یک ترایاک سوئیچینگ اصلی نیاز داریم.

قطعه BTA06 یک ترایاک 6 آمپری 600 ولتی مناسب برای سوئیچینگ ON/OFF بارهای AC است، اما از هر ترایاک دیگری با جریان 6 تا 8 آمپر نیز می توان استفاده کرد.

همچنین، این ترایاک سوئیچینگ به فقط 50 میلی آمپر برای درایو گیت و روشن شدن نیاز دارد که به مراتب کمتر از 1 آمپر ماکزیمم اپتوایزولاتور MOC3020 است.

توجه کنید که ترایاک خروجی اپتوایزولاتور در مقدار پیک (90 درجه) ولتاژ منبع AC روشن می شود. مقدار این ولتاژ پیک برابر است با120×1.414=170Vpk.

اگر حداکثر جریان اپتوترایاک (ITSM) برابر با 1 آمپر پیک باشد، آن گاه حداقل مقدار مقاومت سری مورد نیاز برابر با170/1=170Ω یا نزدیکترین مقدار به آن، یعنی180Ω خواهد بود. این مقدار180Ω از ترایاک خروجی اپتوکوپلر و همچنین، گیت ترایاک BTA06 محافظت خواهد کرد.

اگر ترایاک اپتوکوپلر در مقدار گذر از صفر (صفر درجه) ولتاژ AC منبع روشن شود، آن گاه حداقل ولتاژ مورد نیاز برای تغذیه جریان 50 میلی آمپری گیت که منجر به سوئیچینگ ترایاک به حالت هدایت پیوسته شود، برابر با
180Ω×50mA=9V خواهد بود.

در نتیجه، وقتی ولتاژ سینوسی گیت به MT1 بزرگ تر از 9 ولت باشد، ترایاک به حالت هدایت آتش می شود.

حداقل ولتاژ مورد نیاز پس از نقطه عبور از صفر شکل موج AC، برابر با 9 ولت خواهد بود و اتلاف توان در این مقاومت گیت سری بسیار کم است. بنابراین می توان از یک مقاومت 180 اهمی با توان 0.5 وات به صورت ایمن استفاده کرد. شکل زیر مدار رله حالت جامد AC را نشان می دهد.

این نوع پیکربندی اپتوکوپلر اساس یک رله حالت جامد بسیار ساده را تشکیل می دهد که می توان از آن برای کنترل هر بار AC مانند لامپ و موتور استفاده کرد. در این مدار از MOC3020 که یک ایزولاتور سوئیچینگ تصادفی است استفاده شده است.

ایزولاتور اپتوترایاک MOC3041 مشخصه های مشابهی با MOC3020 دارد، اما آشکارساز گذر از صفری درون آن تعبیه شده است که به بار اجازه می دهد کل توان را بدون جریان های هجومی سنگین در هنگام سوئیچینگ بارهای القایی دریافت کند.

دیودD1به دلیل اتصال معکوس ولتاژ ورودی از آسیب دیدگی اپتوکوپلر جلوگیری می کند، در حالی که مقاومت موازی R3=56Ω هر گونه جریان را هنگامی که ترایاک خاموش می شود از خود عبور می دهد و از تریگر اشتباه جلوگیری می کند.

همچنین این مقاومت، ترمینال گیت را به MT1 وصل می کند تا از خاموش بودن ترایاک اطمینان حاصل شود.

اگر از یک سیگنال مدوله شده پهنای پالس یا PWM استفاده کنیم، فرکانس سوئیچینگ ON/OFF باید کمتر از 10 هرتز برای بارهای AC باشد. در غیر این صورت سوئیچینگ خروجی مدار رله حالت جامد قادر به ادامه کار نخواهد بود.