مرحل الحالة الصلبة مقابل المرحل الميكانيكي: دليل الاختيار النهائي

التحكم هو كل شيء في مجال الهندسة الكهربائية. المرحل هو الجهاز الرئيسي في مركز عدد لا يحصى من الأنظمة الآلية ودوائر السلامة وتصميمات إدارة الطاقة. وقد كان اختيار نوع المرحل الذي يجب اتخاذه أمرًا مباشرًا على مدى العقود العديدة الماضية. إنها نقطة تحول رئيسية كمهندس تصميم معني اليوم. إنها مسألة تفضيل بين المحرك المادي بنقرته المرضية والدقة الصامتة والفورية لأشباه الموصلات. وهنا يكمن الأساس المنطقي لترحيل الحالة الصلبة (SSR) مقابل الترحيل الكهروميكانيكي (EMR). لن يقتصر هذا الدليل على تعداد الاختلافات فحسب، بل سيضع إطارًا نهائيًا لمساعدتك في تحديد أيهما أفضل اختيار يناسب تطبيقك بهدف ليس فقط جعل تصميمك عمليًا، ولكن أيضًا موثوقًا وفعالًا وفعالاً من حيث التكلفة طوال عمر التصميم الخاص بك.

المبادئ الأساسية: الحركة مقابل أشباه الموصلات

قبل أن يتمكن أي شخص من اتخاذ قرار مستنير، من الضروري معرفة كيفية عمل هذين الجانبين بسبب الاختلاف الجوهري في طرق التشغيل. فكلاهما له نفس النتيجة النهائية: استغلال تحكم كهربائي بإشارة صغيرة لتشغيل (تشغيل/إيقاف) حمل جهد عالٍ أكبر بكثير، ولكن الطريقتين على طرفي نقيض.

كيفية عمل المرحلات الميكانيكية (EMR)

يعتمد الترحيل الكهروميكانيكي (EMR) على مبادئ المغناطيسية والحركة الفيزيائية التي تم الوثوق بها منذ أكثر من مائة عام. ومن السهل القيام بذلك:

1. يتم تشغيل ملف من السلك بواسطة جهد تحكم منخفض الاستهلاك للطاقة مما يجعل المغناطيس الكهربائي.
2. ينجذب المحرك المتحرك إلى هذا المجال المغناطيسي.
3. يؤدي تحريك المحرك فعليًا إلى إكمال سلسلة من الوصلات الميكانيكية التي تجبر زوجًا من التلامسات معًا، مما يكمل الدائرة الرئيسية ويمكّن حمل الطاقة العالية من التشغيل. تتسبب إزالة إشارة التحكم في انهيار المجال المغناطيسي، وسحب أحد الزنبركين المحرك إلى الداخل، وفتح التلامسات، مما يؤدي إلى انقطاع الدائرة.

إنها طريقة بسيطة ومباشرة وقوية للتشغيل/إيقاف التشغيل، ولكنها تعتمد على استخدام المكونات الميكانيكية وقد تتآكل مع مرور الوقت.

كيف تعمل مرحلات الحالة الصلبة (SSR)

على العكس من ذلك، لا يحتوي مرحل الحالة الصلبة على مكونات ميكانيكية. فهو يستفيد من خصائص أجهزة أشباه الموصلات لتحقيق نفس التأثير:

1. تُفرض إشارة تحكم ضعيفة على دائرة الإدخال والدائرة، والتي عادةً ما تكون مؤشر LED.
2. تمر الإشارة الضوئية لمصباح LED هذا عبر مساحة مفتوحة ويتم استشعارها في موصِّل ضوئي حساس للضوء (شبه موصل). يوجد عزل كهربائي كبير بين المدخلات والمخرجات بسبب هذا العزل الضوئي.
3. يقوم الصمام الثنائي الضوئي بتبديل جهاز تبديل إلكتروني على الجانب الحامل للتيار، وعادةً ما يكون داخل الجزء عالي الطاقة من دائرة الحمل، وغالباً ما يكون TRIAC أو MOSFET ولكن في بعض الأحيان جهاز تبديل آخر.

ونظراً لأنها كلها إلكترونية بطبيعتها، فهي تعمل بهدوء شديد وبسرعة فائقة وتخلو من التآكل والتلف الذي يعيق نظيرتها.

الميزة

مقاييس الأداء الرئيسية: مقارنة من رأس إلى رأس

إن فهم الاختلافات العميقة الجذور في الأداء أمر بالغ الأهمية لأي مهندس. نادرًا ما يكون الاختيار حول أي المرحل “أفضل” بشكل عام، ولكن أيهما أفضل لمهمة محددة.

سرعة التحويل

تتقيد سرعة جهاز الموجات الكهرومغناطيسية بفيزياء العناصر الميكانيكية للجهاز - الفترة التي سينشأ فيها المجال المغناطيسي والوقت اللازم لتحريك المحرك. ويكون ذلك عادةً في نطاق 5 مللي ثانية إلى 15 مللي ثانية.

إن SSR بدون قيود فيزيائية أسرع بأضعاف. لديها وقت تبديل يتم التعبير عنه بالميكروثانية (بالمايكروثانية) أو حتى النانوثانية (نانوثانية). إن SSR هو البديل الوحيد عندما يكون التطبيق بحيث يحتاج إلى تعديل عرض النبض عالي التردد (PWM) أو التحكم في الماكينة ذات الدورة المتكررة.

العمر الافتراضي

إنه أحد الاختلافات الرئيسية. يحدد التآكل الميكانيكي مسبقاً عمر الماسح الكهرومغناطيسي. ففي كل مرة يتم تدويرها، تتعرض ملامساتها للإجهاد المعدني والانحناء الكهربائي، وبالتالي فإن عمرها الافتراضي لا يتجاوز عشرات أو مئات الآلاف من الدورات أو بضعة ملايين من الدورات.

على العكس من ذلك، لا يحتوي موزع SSR على أي مكونات متحركة تبلى. فعمرها مرتبط بعمر أشباه الموصلات الذي يمكن أن يكون في حدود عشرات أو حتى مئات الملايين من الدورات، وبالتالي فهي المنتج المفضل عند الحاجة إلى عمر افتراضي يصل إلى عشرات الملايين من الدورات أو أكثر.

ضوضاء مسموعة

الفرق في هذه الحالة قاطع. هناك نقرة مميزة عند كل عملية تشغيل، تنتج عن إجراء أو كسر جهات الاتصال الداخلية في EMR. وهذا لا يهم في معظم الصناعات.

ولكن هذا الضجيج غير مقبول في المعدات الطبية أو أنظمة الصوت عالية الجودة أو في المكاتب الهادئة. لا تحتوي أجهزة SSRs على أي صوت، وهذه الخاصية ضرورية في التطبيقات التي تكون فيها السرية وغياب الضوضاء أمرًا بالغ الأهمية.

مقاومة الصدمات والاهتزازات

إن الطبيعة الفيزيائية للملف والزنبرك والحديد الذي يتكون منه الجهاز، تجعله عرضة لحالة الصدمة الخارجية والاهتزاز. قد تؤدي الصدمة الكبيرة إلى ارتداد الملامسات أو حتى التغيير العرضي للحالة.

نظرًا لأن SSR عبارة عن كتلة من الإلكترونيات المحفوظة في وعاء، فإن مقاومة الصدمات والاهتزازات عالية للغاية مما يؤدي إلى أداء مثبت ومختبر في التطبيقات القاسية مثل السيارات والمعدات الصناعية والفضاء.

استهلاك الطاقة

يتكوَّن الجهاز الكهرومغناطيسي من ملف؛ للحفاظ على الجهاز في حالة “تشغيل”، يحتاج الملف إلى تنشيطه بالقدر اللازم N أمبير مستمر × القدرة P لنفترض أن الجهاز الكهرومغناطيسي يستهلك 10 أمبير عند 240 فولت؛ إذن، للحفاظ على الجهاز في حالة تشغيل القدرة P = (10 أمبير) (240 فولت) = 2400 واط عندئذٍ، 10 أمبير هي كمية التيار الكهربائي التي تمر عبر الملف.

على الرغم من أن هذا الحمل منخفض، إلا أنه عند ضربه بمئات المرحلات في الأنظمة الكبيرة، قد يتبين أنه استهلاك طاقة مرتفع للغاية. ويلزم قدر ضئيل جداً من الطاقة لتشغيل SSR وتشغيل مصباح LED الداخلي الخاص به، وبالتالي فإن استخدام الطاقة لدائرة التحكم في SSRs يكون معدوماً بشكل أساسي، وبالتالي فإن SSR أكثر كفاءة في استخدام الطاقة.

تبديد الحرارة

تتغير الميزة هنا. توفر التلامسات المعدنية للمرحل الكهرومغناطيسي مقاومة منخفضة للغاية في حالة التشغيل؛ أي عندما يتم تنشيط المرحل، تحدث طاقة تسخين قليلة للغاية.

يتم توفير مقاومة أقل قليلاً على الحالة بواسطة SSR كجهاز شبه موصل. وهذا يجعلها تنتج الكثير من الحرارة التي تعتمد على تيار الحمل من خلالها. عند استخدامه مع الأحمال الكبيرة التي تزيد عن بضعة أمبير، يتطلب موزع SSR توصيل مشتت حراري لإزالة هذه الطاقة الحرارية وتجنب ارتفاع درجة الحرارة مما قد يزيد من حجم وتعقيد الحل.

المقاومة داخل الدولة

كما أوضحنا سابقًا، تكون مقاومة الموجة الكهرومغناطيسية صفرًا تقريبًا (حيث تقاس بالمللي أوم) ومع ذلك تسمى دائرة مغلقة. وهذا يجعل الطاقة تتدفق إلى الحمل قدر الإمكان ويسبب أقل قدر ممكن من انخفاض الجهد.

تكون المقاومة عندما تكون في حالة التشغيل قيمة قابلة للقياس مما يؤدي إلى انخفاض جهد التشغيل عبر المرحل (أي ~ 1 فولت). وهذا الانخفاض لا يُذكر في معظم التطبيقات، ولكن في أنظمة الجهد المنخفض حيث يتدفق التيار العالي قد يتعين أخذ هذا الانخفاض في الاعتبار.

تيار التسرب

إن تلامس الماسورة الكهرومغناطيسية التي تقدم نهاية مسدودة عندما تكون الماسورة الكهرومغناطيسية مغلقة ستترك فجوة تلامس تشكل دائرة مفتوحة مثالية تقريبًا، حيث يكون تسرب التيار فيها صفرًا تقريبًا.

قد يكون لدى SSR دارة أشباه موصلات الخرج الخاصة به مصممة لتسريب كمية ضئيلة فقط من التيار عند إيقاف تشغيل SSR. مع معظم الأحمال هذا غير ذي صلة. ولكن في حالة أجهزة الإدخال الحساسة للغاية أو، في بعض الحالات، المعدات الطبية، قد يمثل هذا التسرب مشكلة، وفي هذه الحالة يفضل استخدام موزع التيار الكهرومغناطيسي.

التداخل الكهرومغناطيسي (EMI)

قد ينتج كلا النوعين من المرحلات ضجيجاً كهربائياً كهرومغناطيسياً، وإن كان بطريقة مختلفة. ونظراً للتغير بين الحالتين المفتوحة والمغلقة، يمكن لملامسات المرحلات الكهرومغناطيسية أن تولد ضوضاء كهربائية واسعة النطاق جداً على مستوى التقوس.

لا تقوم SSR بتوصيل أي شكل من أشكال القوس الكهربائي ولكن التبديل السريع لأشباه الموصلات داخل SSR قادر على إنتاج التردد العالي EMI. لكن مفاعلات SSR التي تستخدم ما يسمى بتقنية التقاطع الصفري لا يتم تشغيلها أو إيقاف تشغيلها إلا عندما يكون جهد التيار المتردد قريبًا من الصفر، مما يقلل بشكل جذري من التداخل الكهرومغناطيسي المتولد.

التكلفة

ودائمًا ما تكون تكلفة الوحدة في المشتريات الأولية أقل لكل وحدة تقريبًا من تكلفة وحدة مماثلة من موزع المواد المماثلة. تجتذب EMR التطبيقات البسيطة وذات الدورة المنخفضة التي تكون فيها التكلفة الأولية لفاتورة المواد هي الدافع الرئيسي. ومع ذلك، يجب مراعاة التكلفة الفعلية طوال فترة حياة المنتج. فالعمر الأطول بكثير، والموثوقية الأكبر لمخزن الطاقة المدمج يعني عدم تكبد تكاليف الاستبدال والصيانة، وأن التكلفة الإجمالية للملكية (TCO) يمكن أن تكون أقل، خاصةً مع التطبيقات التي تتطلب الكثير من المتطلبات.

المقاييس الرئيسية: المقارنة بين الرؤوس

اختيار المرحل الخاص بك: سيناريوهات خاصة بالتطبيق

النظرية مفيدة، لكن القرارات تُتخذ في الممارسة العملية. إليك كيفية تطبيق هذه المعرفة على تحديات التصميم في العالم الحقيقي.

للأتمتة الصناعية والروبوتات

قد يتعين تغيير جزء ما آلاف المرات في اليوم الواحد في نظام التحكم المنطقي القابل للبرمجة PLC أو ذراع روبوت. الأنسب هو SSR. طول عمرها العالي غير قابل للتفاوض للسماح بإيقاف التشغيل المكلف في الصيانة. إن قدرته السريعة على التبديل عالية بما يكفي للحفاظ على دقة العمليات وقدرته على مقاومة الاهتزاز المستمر للماكينات تجعله مثاليًا أثناء عملية العمل. لا يوفر المغناطيس الكهربائي حلاً مناسبًا عند مقارنته بجهاز التبديل الإلكتروني الذي سيستخدم في مثل هذه البيئات.

للمعدات الطبية والصوتية

ضع في اعتبارك نظام تشخيص المريض في غرفة مستشفى عازلة للصوت أو مضخم صوت من الدرجة الممتازة. إن الطقطقة المسموعة لجهاز التسجيل الصوتي الصوتي الكهربائي ستكون دائماً مزعجة ومشتتة للانتباه. هناك حاجة إلى جهاز SSR لا يتداخل. وهو أيضاً اعتبار مهم جداً للسلامة نظراً لحقيقة أن التعطل غير وارد في المعدات الطبية.

لأنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء وتكييف الهواء وتكييف الهواء

يتطلب نظام التدفئة والتهوية وتكييف الهواء الصناعي الرئيسي تبديل محركات وضواغط الطاقة ذات الجهد العالي طوال الوقت. ستتعامل الموزع الكهرومغناطيسي مع التيار ولكن الملامسات الميكانيكية ستفشل قريبًا مع دورة العمل الشديدة هذه. الحل البديل الأفضل هو حل بديل أفضل هو SSR الغارق بالحرارة بشكل جيد. فهي توفر المتانة بحيث يمكنها أن تخدم السنوات دون استبدالها. هذا مهم بشكل خاص عندما يتعين على المرء تحديد نوع الحمل د قيد النظر وهو إما استقرائي أو مقاوم لاختيار دائرة الإخراج المناسبة.

للمشاريع البسيطة والحساسة من حيث التكلفة

فكر في مشروع لوحة تحكم صغيرة كهاوٍ أو جهاز قد يحتوي على مفتاح يستخدم بضع مرات فقط في اليوم. في هذه الحالة، يكون العمر الأطول والسرعة العالية لمحلول SSR واسع النطاق دون داعٍ. يعد EMR حلاً مناسبًا وفعالاً من حيث التكلفة. فهي منخفضة التكلفة في البداية وكونها قابلة للاستخدام مع دائرة محرك سهلة، فهي مناسبة ومفيدة في المهمة على حد سواء، ويأتي فرق التكلفة بين EMR و SSR في احتمالات أكثر في الاستخدامات منخفضة التردد.

مزالق التصميم الحرجة وكيفية تجنبها

إن اختيار النوع الصحيح من المرحل هو الخطوة الأولى فقط. فالتنفيذ السليم أمر بالغ الأهمية لإطلاق إمكاناته الكاملة وتجنب الفشل المبكر.

مزالق إصلاحات SSR

• سوء الإدارة الحرارية: السبب الأكثر شيوعًا لفشل SSR هو السخونة الزائدة.
  الحل: احسب دائمًا التدفئة تأثير (P = V_drop × I_load) واختيار المشتت الحراري المناسب بناءً على ورقة بيانات الشركة المصنعة لأي حمل يزيد عن بضعة أمبير.
• مفاجآت التسرب الحالي: في الدائرة ذات المدخلات ذات المقاومة العالية، يمكن أن يكون تيار التسرب في SSR كافيًا في بعض الأحيان لإساءة تفسيره على أنه إشارة “تشغيل”.
  الحل: يمكن وضع المقاوم النازف بالتوازي مع الحمل لتحويل تيار التسرب.
• نوع الحمل غير المطابق: قد يكون استخدام موزع SSR القياسي ذي التقاطع الصفري للأحمال الحثية العالية مشكلة.
  الحل: استخدم “تشغيل عشوائي” SSR للأحمال الحثية للسماح بالتبديل الدقيق.

مزالق السجلات الطبية الإلكترونية

• تقوس التلامس والتآكل: يؤدي تبديل الأحمال الحثية إلى حدوث تقوس، مما يؤدي إلى تدهور التلامسات.
  الحل: أضف شبكة كوابح RC عبر التلامسات لامتصاص طاقة القوس الكهربائي.
• ارتداد التردد الكهرومغناطيسي للملف: عند قطع التيار عن الملف، قد يؤدي ارتفاع الجهد إلى تلف نظام التحكم.
  الحل: ضع الصمام الثنائي المرتد الطيَّار على التوازي مع الملف.

ضمان الموثوقية: توريد مكونات عالية الجودة

لقد فكرت في وضع المبادئ موضع الاستخدام، وقارنت بين التدابير وأدركت مخاطر التصميم. ربما تكون قد توصلت إلى الاستنتاج المنطقي بأن مرحل الحالة الصلبة هو الطريق المناسب، لأنك - أنت تحتاج إلى سرعة عالية وعمر طويل وتشغيل صامت وموثوق به لتطبيقك.

ينطوي الأمر هنا على القرار الحاسم الثاني. أجهزة SSRs كما لاحظنا هي أجهزة إلكترونية متقدمة. لا تعتمد موثوقيتها على تصميم المنتج للجهاز فحسب، بل تعتمد أيضًا على جودة أشباه الموصلات الموجودة فيها، وسلامتها الحرارية، وعملية تصنيعها. وتصبح جميع الخصائص النظرية لمقياس SSR عديمة الفائدة عندما يفشل الجهاز في وقت مبكر من عمره الافتراضي بسبب ارتفاع درجة حرارته أو عدم قدرته على استقبال الحمل المقدر له.

ولهذا السبب فإن اختيار المورد المتخصص له أهمية قصوى. في أومتش نقوم بهندسة وتصنيع مرحلات الحالة الصلبة من الدرجة الصناعية التي يمكنك أن تبني عليها سمعتك وستفعل ذلك. نحن ندرك أن مكوّناتنا ليست مجرد سلع في قائمة المواد، ولكنها القواسم المشتركة في ضمان تشغيل نظامك وأدائه. نحن ملتزمون بجودة الإنتاج، وإجراءات الاختبار الصارمة التي تمنحك SSR الذي يعمل وفقًا للمواصفات، دورة بعد دورة، وعامًا بعد عام. وبمجرد أن تقرر أن موزع SSR هو الحل الخاص بك، فإن العمل مع خبير في هذا المجال مثل OMCH يمكن أن يساعدك في جعل الموثوقية التي قمت بها على الورق حقيقة واقعة في الميدان.

المستقبل: المرحلات الهجينة وتكنولوجيا الجيل التالي

لا يزال عالم المرحلات يتطور. وفي محاولة لتوحيد مزايا كلا العالمين، تأتي المرحلات الهجينة. في كثير من الأحيان يتم التحكم في الأحمال عالية الإجهاد لإيقاف التشغيل وإيقاف التشغيل (التخلص من الانحناء) عبر SSR، والتيار السائب عبر مرحلات كهربائية متوازية بمقاومتها المنخفضة للغاية، مما يقلل من التسخين. بالإضافة إلى ذلك، من المحتمل أن تتحول مفاعلات SSRs من خلال تطوير أشباه الموصلات ذات الفجوة الواسعة مثل نيتريد الغاليوم (GaN) وكربيد السيليكون (SiC) التي من شأنها أن تجعل هذه الأجهزة أكثر تصغيرًا، مع كفاءة أكبر وقدرات تشغيلية أعلى للضغط والتردد.