مخطط مرحلات الحالة الصلبة: الدليل الكامل لفهم واستخدام الموزعات ذات الحالة الصلبة

رمز مرحل الحالة الصلبة وتمثيل الدائرة الصلبة

إن الرموز في لغة مخططات الدوائر الكهربائية ليست بعض الخربشات على الورق - فهي مصنوعة من الوظيفة. فرمز مرحل الحالة الصلبة (SSR)، حتى عندما يظهر كشكل بسيط، ينقل قدراً من التجريد الكهربائي في منظر واحد. وتقليديًا، كان يتم تمثيل مرحل الحالة الصلبة على شكل صندوق مستطيل مقسم منطقيًا إلى جزأين: المدخلات والمخرجات. هذا التقسيم لا يمكن اعتباره مجرد تناظر فني فقط ولكن باعتباره السمة الرئيسية للعزل الكهربائي لمخارج ومدخلات SSRs.

يستخدم الصمام الثنائي، الذي غالبًا ما يكون موسومًا بأسهم لإظهار الصمام الثنائي الباعث للضوء (LED) لإظهار جانب الدخل. وهو يشير إلى جهاز العزل الضوئي في SSR: عندما يستقبل جانب الدخل إشارة تيار مستمر منخفضة (ولكن ليس صفراً) الجهد، يضيء الصمام الثنائي الباعث للضوء، مما يعطي جانب الخرج إشارة، ولكن لا يوجد اتصال كهربائي مادي بين الاثنين.

يُظهر جانب الخرج أيضًا مكونات مختلفة حيث أن قدرة التبديل في المرحل هي AC أو DC. خرج SSR X هو خرج SSR لـ SSR لتيار متردد يحتوي على TRIAC أو اثنين من SCRs متوازيين عكسيًا (مقومات متحكم بها من السيليكون)، وكلاهما نوع من الثايرستور، وهو جهاز شبه موصل. في متغيرات التيار المستمر، يتم توضيح ترانزستور طاقة (MOSFET أو IGBT). تشير الرموز إلى عمل التحويل لدائرة الترحيل ذات الحالة الصلبة وقدرتها على التحكم في تيار الخرج وجهد الخرج.

لتصوير تخطيطي أطول يمكن الرمز لحاجز العزل برمز متعرج، أو رمز موصِّل ضوئي: صمام ثنائي مقابل ترانزستور ضوئي في دائرة. هذا التقسيم بين دائرة التحكم وجانب الحمل ليس زخرفيًا بل يؤكد على العزل العازل، وغالبًا ما يكون متدرجًا بالكيلو فولت.

الحالة الصلبة الترحيل مخطط الأسلاك و المحطة الطرفية تحديد الهوية

تُعد رموز SSR مفيدة في الحصول على معنى الوظائف في الدائرة، لكن مخطط الأسلاك يجلب الوظائف إلى الواقع. من المهم أن تتعلم كيفية توصيل مرحل الحالة الصلبة من أجل استخدامه بأمان وفعالية في الدوائر العملية.

تعريف المحطة الطرفية

تتبع معظم مرحلات الحالة الصلبة تكوينًا قياسيًا للسنون:

• المحطتان 3 و4 (المدخلات الجانب): مدخل إشارة التحكم في التيار المستمر. وهي حساسة للقطبية في مفاعلات SSRs التي يتم التحكم فيها بالتيار المستمر، وعادة ما يكون الطرف 3 عند إمكانات عالية. هذا هو جزء دائرة الإدخال ويجعل توصيل الخرج.
• الطرفان 1 و2 (المخرجات الجانب): عندما يتم تبديل SSR، يتم تبديل تدفق التيار بين هذين الاثنين أيضًا، وهذا هو السبب في أنه ينظم تدفق التيار في الحمل.

أمثلة على الأسلاك

1. تبديل أحمال التيار المتردد (AC-AC) SSR)

[مخرج التيار المستمر PLC] ─ (3 SSR 4) ─ [جانب الإدخال]
                           │
                       [طبقة العزل]
                           │
[مزود طاقة التيار المتردد] ───(1 SSR 2)─── [حمل التيار المتردد]

• الإدخال: إشارة تيار مستمر (على سبيل المثال إشارة تيار مستمر 5 فولت/ 24 فولت من PLC)
• الإخراج: جهد تيار متردد لتبديل السخان أو المصباح أو المحرك

وهذه خاصية مميزة لمرحل الحالة الصلبة أحادي الطور للتيار المتردد.

2. تبديل حمولة التيار المستمر (DC-DC SSR)

[متحكم دقيق] ─ (3 SSR 4)─ [جانب الإدخال]
                           │
                       [المعزل البصري]
                           │
[مزود طاقة التيار المستمر] ───(1 SSR 2)─── [حمل التيار المستمر]

• المدخلات: TTL أو منطق 5 فولت
• الإخراج: تبديل دوائر التيار المستمر بجهد 12 فولت أو 24 فولت أو أعلى

هذه الأسلاك قياسية لتطبيقات مرحل التيار المستمر أحادي الطور.

اعتبارات الأسلاك

• أهمية القطبية: قد تتلف مرددات التيار المستمر SSRs على وجه الخصوص عن طريق توصيل أطراف المدخلات أو المخرجات بقطبية معكوسة.
• نوع الحمولة:: عندما تكون الأحمال حثيّة بطبيعتها، يجب توصيل الأحمال بدوائر أو متغيرات تمتص الجهد العالي.
• التركيب: قد يكون دمج مبدد الحرارة ضروريًا وفقًا للتيار ودورة التشغيل.

دائرة جانب الإدخال - عزل الصمام الثنائي الباعث للضوء والترانزستور الضوئي

العزل البصري هو حجر الزاوية في SSR. فبمجرد تطبيق إشارة الدخل عبر أطراف التحكم، وعادةً ما تكون إشارة PLC أو متحكم دقيق، فإنها تشغّل مصباح LED داخلي. لا تجتاز الطاقة الضوئية المنبعثة سلكًا بل طبقة عازلة شفافة، حيث تقوم بتنشيط مكون حساس للضوء، والذي قد يكون ترانزستور ضوئي أو ترانزستور ضوئي أو صفيف صمام ثنائي ضوئي.

يضمن هذا التصميم:

• عزل كهربائي للتحكم والحمل بالكامل
• المناعة ضد الضوضاء: لن يتم تمرير أي قوة دافعة كهربية خلفية أو عابرات إلى منطق التحكم
• المزيد من الأمان، خاصة في البيئات الصناعية ذات الجهد العالي

وهذا إجراء يتم تشغيله بواسطة الضوء الذي ينشّط بوابة ترانزستور الخرج أو الثايرستور، مما يؤدي بشكل أساسي إلى تبديل الحمل دون تشابك ميكانيكي أو حركة مرحل كهروميكانيكي (EMR).

هياكل الأجهزة الجانبية لمخرج التيار المتردد: SCR مقابل TRIAC

1. هيكل TRIAC

TRIAC عبارة عن مفتاح ثنائي الاتجاه قادر على توصيل الاتجاهين الداخلي والخارجي عند التشغيل. من وجهة نظر وظيفية، فهو يجمع بين اثنين من SCRs في توازي عكسي في حزمة واحدة. وهو مناسب جدًا في التيار المتردد متوسط الطاقة، مثل الإضاءة أو التدفئة، حيث يمكن تبديل موجة جيبية عند نقطة متوسطة لتقليل التداخل الكهرومغناطيسي EMI.

ومع ذلك، فإن TRIACs عرضة للتشغيل الخاطئ في البيئات الاستقرائية لأن مناعة التبديل منخفضة. في هذه التطبيقات، قد يختار المصممون أكثر متانة.

2. بنية SCR المتوازية العكسية العكسية

هذا هو التكوين ثنائي الاتجاه ثنائي الاتجاه ثنائي الاتجاه SCR ثنائي الاتجاه متوازي عكسي. يقوم أحدهما، كل SCR، بتوصيل نصف دورة التيار المتردد. تسمح الموصلية الحرارية الأكبر وقدرتها المحسنة dv/dt باستخدامها على الأحمال ذات القصور الذاتي والتحريض العالي، مثل المحركات والمحولات والملفات اللولبية الصناعية.

تعد مفاعلات SCRs العكسية المتوازية العكسية الأكبر حجمًا إلى حد ما، مع دارة قيادة، هي النظام السائد عندما يتعلق الأمر بتصميم مرحلات الحالة الصلبة ذات التيار المتردد من الدرجة الصناعية بسبب متانتها وإمكانية التحكم فيها.

طرق التشغيل: التقاطع الصفري مقابل التشغيل العشوائي لمرددات SSRs العشوائية

1. مفاعلات SSRs ذات الزناد الصفري المتقاطع

تنتظر مقاومات التيار المتردد SSRs هذه وصول شكل موجة التيار المتردد إلى منتصف الموجة الجيبية حتى نقطة ذروة الموجة الجيبية صفر فولت قبل التبديل. هذا يقلل من الضوضاء الكهرومغناطيسية (EMI) والطفرات الحالية وهي مثالية مع الأحمال المقاومة البحتة مثل السخانات أو المصابيح المتوهجة. كما أنها أقل إجهاداً للحمل وكذلك لجهاز التحويل.

2. مرددات SSRs عشوائية التشغيل

هذه الموزعات SSRs مخصصة للاستخدام في تطبيقات الاستجابة السريعة وستقوم بالتبديل بمجرد تلقي إشارة الدخل، بغض النظر عن طور التيار المتردد. يمكن توقيتها بدقة أكبر وتجد استخدامًا متكررًا في التحكم في زاوية الطور أو التحكم في المحرك أو الأجهزة التي تحتاج إلى تشغيل متزامن.

مرحلات الحالة الصلبة للتيار المستمر: هياكل MOSFET و IGBT

1. هيكل MOSFET

تستخدم على نطاق واسع مفاعلات SSR ذات الجهد المنخفض إلى المتوسط للتيار المستمر/ التيار المنخفض مع MOSFETs. وهي تعمل بهدوء وسرعة كما أنها فعالة للغاية. خيار جيد عندما تكون المساحة وزمن الاستجابة أمرًا بالغ الأهمية.

2. هيكل IGBT

تدمج الترانزستورات ثنائية القطب المعزولة البوابة (IGBTs) سرعة التحويل المناسبة لترانزستورات MOSFETs وقدرة التيار العالي لترانزستورات الوصلة ثنائية القطب. وهي الأكثر ملاءمة في الآلات الصناعية التي تتطلب قدرات مضنية في المعالجة، خاصةً الجهد العالي للتيار المستمر والإنجازات على مستوى الأمبير من التيار.

الإدارة الحرارية: تصميم منحنى التشتت الحراري وتبديد الحرارة

تولد جميع أجهزة أشباه الموصلات حرارة، ولا تُستثنى من ذلك أجهزة أشباه الموصلات SSRs. تؤدي درجة الحرارة الزائدة إلى انخفاض السعة الحالية والفشل في نهاية المطاف. يوضح منحنى الاستنقاص الموجود في معظم أوراق بيانات SSR العلاقة بين درجة الحرارة المحيطة وتيار الخرج المسموح به.

على سبيل المثال، المرحل المقدر ب 25 أمبير عند 25 درجة مئوية قد يدعم 15 أمبير فقط عند 60 درجة مئوية. ولمواجهة ذلك:

• استخدم الحجم المناسب المشتتات الحرارية
• قدم طلبك شحم حراري لضمان ملامسة السطح بالكامل
• قم بتركيب مفاعلات SSRs ذات الخلوص الرأسي من أجل تدفق الهواء

كيف يمكن للحالة الصلبة الترحيل العمل نظرة عامة على مبدأ العمل الكامل

دعونا نحلل الأمر ببساطة:

1. المدخلات الإشارة: يتم تطبيق جهد تحكم صغير (على سبيل المثال، 5 فولت تيار مستمر) عبر دائرة دخل SSR.
2. الصمام الثنائي الباعث للضوء التفعيل: يعمل التيار على تنشيط مصباح LED داخلي، والذي ينبعث منه ضوء الأشعة تحت الحمراء.
3. العزل البصري: يعبر هذا الضوء فجوة عزل وينشط ترانزستور ضوئي أو جهاز مشابه.
4. التشغيل: يخرج الجهاز الحساس للضوء إشارة تقوم بتشغيل بوابة جهاز التحويل - إما TRIAC أو SCR أو MOSFET أو IGBT.
5. تبديل الأحمال: يتم توصيل جهاز التبديل، مما يسمح بتدفق تيار الحمل عبر أطراف الخرج إلى الحمل.
6. إيقاف التشغيل: عند إزالة جهد التحكم، ينطفئ مصباح LED، ويتعطل جهاز الاستشعار الضوئي، وتفتح دائرة الخرج.

تحدث هذه العملية بأكملها في أجزاء من الثانية، بصمت وبدون تلامس جسدي، على عكس السجلات الإلكترونية التقليدية. يكمن جمالها في سرعتها وأمانها وبساطتها.

التطبيق: المزايا المحددة وأنماط التركيب

هناك عدد من الفوائد الهامة لاستخدام مرحلات الحالة الصلبة (SSRs) مقارنة بالمرحلات الميكانيكية. فهي لا تحتوي على أجزاء متحركة، وبالتالي فهي خالية من الضوضاء ولا تعاني من تآكل التلامس أو التآكل بفعل القوس، مما يعطي عمر خدمة أطول بكثير. وهي مناسبة للتشغيل/إيقاف التشغيل بتردد عالٍ مع قدرات تبديل سريعة للغاية، كما أن العزل الكهربائي المدمج يضيف سلامة النظام ويمنع مشاكل الحلقة الأرضية. كما أنها ليست حساسة للصدمات أو الاهتزازات بسهولة، وبالتالي تجد تطبيقات في البيئات الصناعية أو السيارات غير المواتية.

أنماط التركيب

يمكن تركيب أجهزة SSR المختلفة في أنماط مختلفة لتناسب متطلبات التصميم. يتم استخدام تركيب سكة DIN في الغالب في خزانات التحكم ليتم تركيبها بسهولة. يسهِّل تركيب اللوحة المزيد من الطاقة ويتميز بتثبيت ثابت. إن أجهزة كمبيوتر تركيب ثنائي الفينيل متعدد الكلور من نوعي DIP أو SIP (أي DIP المستخدم أو SIP) مناسبة بشكل رائع لكل من الأنظمة المدمجة الصغيرة والأنظمة الأكبر حجمًا.

التطبيقات الواقعية

تُستخدم مرددات SSR في المعدات الطبية (مثل أجهزة التصوير بالرنين المغناطيسي وأتمتة المختبرات) في التطبيقات الواقعية حيث يكون التداخل الكهرومغناطيسي المنخفض والتشغيل الهادئ أمرًا بالغ الأهمية. وهي تنظم أنظمة النقل والسخانات والمحركات في التطبيقات الصناعية. يتم استخدامها في شواحن البطاريات وأنظمة الإضاءة والمقابس الذكية في مجال الإلكترونيات الاستهلاكية.

يتم استخدام مرحلات SSRs أكثر فأكثر لتحل محل المرحلات الميكانيكية بجميع أنواعها وفي جميع أنواع الصناعة نظرًا لفعاليتها من حيث التكلفة وسلامتها وذكائها وموثوقيتها في الاستخدام، وذلك من خلال توفير أنظمة كهربائية أكثر أمانًا وذكاءً وموثوقية بسبب تشغيلها الصامت والمعزول كهربائيًا وعالي السرعة.