مرحل الحالة الصلبة: الأنواع، التطبيقات العملية، مخططات الاتصال

أصبحت المبتدئين والموصلات الكلاسيكية شيئًا من الماضي تدريجيًا.مكانهم في إلكترونيات السيارات والأجهزة المنزلية والأتمتة الصناعية يشغله مرحلات الحالة الصلبة - وهو جهاز أشباه الموصلات الذي لا يحتوي على أي أجزاء متحركة.

تحتوي الأجهزة على تصميمات ومخططات توصيل مختلفة تحدد نطاق تطبيقها. قبل استخدام الجهاز، تحتاج إلى فهم مبدأ تشغيله، والتعرف على ميزات التشغيل والاتصال بأنواع مختلفة من المرحلات. تم توضيح الإجابات على الأسئلة المذكورة أعلاه بالتفصيل في المقالة المقدمة.

جهاز تتابع الحالة الصلبة

مرحلات الحالة الصلبة الحديثة (SSRs) عبارة عن أجهزة معيارية لأشباه الموصلات تعمل كمفاتيح كهربائية للطاقة.

يتم تمثيل وحدات التشغيل الرئيسية لهذه الأجهزة بواسطة الترياك أو الثايرستور أو الترانزستورات. لا تحتوي أجهزة SSR على أجزاء متحركة، مما يجعلها مختلفة عن المرحلات الكهروميكانيكية.

يعتمد حجم SSR إلى حد كبير على سعة الحمولة القصوى والقدرة على تبديد الحرارة عن طريق نقل الحرارة والحمل الحراري (+)

يمكن أن تختلف الأجزاء الداخلية لهذه الأجهزة بشكل كبير اعتمادًا على نوع الحمل الذي يتم تنظيمه والدائرة الكهربائية.

تتضمن أبسط مرحلات الحالة الصلبة المكونات التالية:

• وحدة الإدخال مع الصمامات.
• دائرة الزناد
• العزلة البصرية (الكلفانية)؛
• وحدة التبديل
• دوائر الحماية
• تحميل عقدة الخروج.

عقدة إدخال SSR عبارة عن دائرة أولية بها مقاوم متصل على التوالي. تم بناء المصهر في هذه الدائرة كخيار. تتمثل مهمة عقدة الإدخال في تلقي إشارة تحكم وإرسال أمر إلى مفاتيح تبديل الحمل.

مع التيار المتردد، يتم استخدام العزل الجلفاني لفصل دوائر التحكم والدوائر الرئيسية. يعتمد مبدأ تشغيل التتابع إلى حد كبير على تصميمه. يمكن تضمين دائرة الزناد المسؤولة عن معالجة إشارة الإدخال في وحدة العزل البصري أو وضعها بشكل منفصل.

تمنع وحدة الحماية حدوث الأحمال الزائدة والأخطاء، لأنه في حالة تعطل الجهاز، قد تفشل المعدات المتصلة أيضًا.

الغرض الرئيسي من مرحلات الحالة الصلبة هو إغلاق/فتح الشبكة الكهربائية باستخدام إشارة تحكم ضعيفة. على عكس نظائرها الكهروميكانيكية، فهي تحتوي على شكل أكثر إحكاما ولا تنتج نقرات مميزة أثناء التشغيل.

مبدأ تشغيل TTP

تشغيل مرحل الحالة الصلبة بسيط للغاية. تم تصميم معظم أجهزة SSR للتحكم في الأتمتة في شبكات 20-480 فولت.

يتيح لك العزل البصري إنشاء إشارات تحكم ذات الحد الأدنى من الطاقة، وهو أمر بالغ الأهمية لأجهزة الاستشعار التي تعمل من مصادر الطاقة المستقلة (+)

في الإصدار الكلاسيكي، يشتمل جسم الجهاز على جهتي اتصال للدائرة المبدلة وسلكين للتحكم. قد يتغير عددهم مع زيادة عدد المراحل المتصلة. اعتمادًا على وجود الجهد في دائرة التحكم، يتم تشغيل أو إيقاف الحمل الرئيسي بواسطة عناصر أشباه الموصلات.

من سمات مرحلات الحالة الصلبة وجود مقاومة غير محدودة.إذا تم فصل جهات الاتصال في الأجهزة الكهروميكانيكية تمامًا، ففي الأجهزة ذات الحالة الصلبة يتم ضمان غياب التيار في الدائرة من خلال خصائص مواد أشباه الموصلات.

لذلك، عند الفولتية المرتفعة، قد تظهر تيارات تسرب صغيرة، مما قد يؤثر سلبًا على تشغيل المعدات المتصلة.

تصنيف مرحلات الحالة الصلبة

تتنوع مجالات تطبيق المرحلات، وبالتالي يمكن أن تختلف ميزات تصميمها بشكل كبير، اعتمادًا على احتياجات دائرة أوتوماتيكية معينة. يتم تصنيف SSRs وفقًا لعدد المراحل المتصلة ونوع تيار التشغيل وميزات التصميم ونوع دائرة التحكم.

حسب عدد المراحل المتصلة

تُستخدم مرحلات الحالة الصلبة في كل من الأجهزة المنزلية والأتمتة الصناعية بجهد تشغيل يبلغ 380 فولت.

ولذلك تنقسم هذه الأجهزة شبه الموصلة حسب عدد الأطوار إلى:

• على مرحلة واحدة؛
• ثلاث مراحل.

SSRs أحادية الطور تسمح لك بالعمل مع تيارات تتراوح بين 10-100 أو 100-500 أ. ويتم التحكم فيها باستخدام إشارة تناظرية.

يوصى بتوصيل أسلاك ذات ألوان مختلفة بالمرحل ثلاثي الطور حتى يمكن توصيلها بشكل صحيح عند تركيب الجهاز

مرحلات الحالة الصلبة ثلاثية الطور قادرون على تمرير تيار في حدود 10-120 أمبير. ويفترض أجهزتهم مبدأ تشغيل قابل للعكس، مما يضمن موثوقية التنظيم المتزامن للعديد من الدوائر الكهربائية.

غالبًا ما يتم استخدام SSRs ثلاثية الطور لضمان تشغيل محرك غير متزامن. يجب تضمين الصمامات السريعة في دائرة التحكم الكهربائية الخاصة بها بسبب تيارات التدفق العالية.

حسب نوع التشغيل الحالي

لا يمكن تكوين مرحلات الحالة الصلبة أو إعادة برمجتها، لذلك يمكنها العمل بشكل طبيعي فقط ضمن نطاق معين من المعلمات الكهربائية للشبكة.

اعتمادا على الاحتياجات، يمكن التحكم في SSRs عن طريق الدوائر الكهربائية مع نوعين من التيار:

• دائم؛
• المتغيرات.

وبالمثل، يمكن تصنيف SSRs وفقًا لنوع جهد الحمل النشط. تعمل معظم المرحلات في الأجهزة المنزلية بمعلمات متغيرة.

لا يستخدم التيار المباشر كمصدر رئيسي للكهرباء في أي دولة في العالم، لذا فإن المرحلات من هذا النوع لها نطاق تطبيقي ضيق

تتميز الأجهزة ذات تيار التحكم المستمر بالموثوقية العالية وتستخدم جهد 3-32 فولت للتنظيم، ويمكنها تحمل نطاق واسع من درجات الحرارة (-30..+70 درجة مئوية) دون تغيرات كبيرة في الخصائص.

تتمتع المرحلات المنظمة للتيار المتردد بجهد تحكم يتراوح بين 3-32 فولت أو 70-280 فولت. وتتميز بتداخل كهرومغناطيسي منخفض وسرعة تشغيل عالية.

حسب ميزات التصميم

غالبًا ما يتم تركيب مرحلات الحالة الصلبة في اللوحة الكهربائية العامة للشقة، لذلك تحتوي العديد من الطرز على كتلة تثبيت للتركيب على سكة DIN.

بالإضافة إلى ذلك، هناك مشعات خاصة تقع بين TSR والسطح الداعم. إنها تسمح لك بتبريد الجهاز تحت الأحمال العالية، مع الحفاظ على خصائص أدائه.

يتم تثبيت المرحل على سكة DIN بشكل أساسي من خلال حامل خاص، والذي له أيضًا وظيفة إضافية - فهو يزيل الحرارة الزائدة أثناء تشغيل الجهاز

يوصى بوضع طبقة من المعجون الحراري بين الريلايتر والرادياتير مما يزيد من مساحة التلامس ويزيد من انتقال الحرارة. هناك أيضًا TTPs مصممة للتثبيت على الحائط بمسامير عادية.

حسب نوع نظام التحكم

لا يتطلب مبدأ تشغيل مرحل المعدات القابل للتعديل دائمًا تشغيله الفوري.

ولذلك، قام المصنعون بتطوير العديد من أنظمة التحكم في SSR والتي يتم استخدامها في مختلف المجالات:

1. التحكم "من خلال الصفر". يتضمن هذا النوع من التحكم في مرحل الحالة الصلبة التشغيل فقط عند قيمة جهد تبلغ 0. ويتم استخدامه في الأجهزة ذات الأحمال السعوية والمقاومة (السخانات) والأحمال الحثية الضعيفة (المحولات).
2. فوري. يستخدم عندما يكون من الضروري تشغيل المرحل بشكل حاد عند تطبيق إشارة التحكم.
3. مرحلة. أنه ينطوي على تنظيم جهد الخرج عن طريق تغيير معلمات تيار التحكم. يستخدم لتغيير درجة التدفئة أو الإضاءة بسلاسة.

تختلف مرحلات الحالة الصلبة أيضًا في العديد من المعلمات الأخرى الأقل أهمية. لذلك، عند شراء TSR، من المهم فهم مخطط تشغيل الجهاز المتصل من أجل شراء جهاز التحكم الأنسب له.

يجب توفير احتياطي طاقة، لأن المرحل له عمر تشغيلي يستهلك بسرعة مع الأحمال الزائدة المتكررة.

مزايا وعيوب TTP

مرحلات الحالة الصلبة ليست عبثًا لتحل محل المبتدئين والموصلات التقليدية من السوق. وتتمتع هذه الأجهزة شبه الموصلة بالعديد من المزايا مقارنة بنظيراتها الكهروميكانيكية، مما يجبر المستهلكين على اختيارها.

مرحلات الدوائر الدقيقة صغيرة الحجم ومحدودة للغاية من حيث الحد الأقصى لتدفق التيار. يتم ربطها بشكل رئيسي عن طريق لحام أرجل خاصة

وتشمل هذه المزايا ما يلي:

1. استهلاك منخفض للطاقة (أقل بنسبة 90%).
2. أبعاد مدمجة تسمح بتثبيت الأجهزة في مساحات محدودة.
3. سرعة بدء وإيقاف عالية
4. انخفاض ضوضاء التشغيل، وعدم وجود نقرات مميزة للمرحل الكهروميكانيكي.
5. لا يتوقع أي صيانة.
6. عمر خدمة طويل بفضل مورد مئات الملايين من العمليات.
7. بفضل الإمكانيات الواسعة لتعديل المكونات الإلكترونية، قامت أجهزة TSR بتوسيع مجالات التطبيق.
8. لا يوجد تداخل كهرومغناطيسي أثناء التشغيل.
9. يتم القضاء على الأضرار التي لحقت جهات الاتصال بسبب الصدمة الميكانيكية.
10. عدم وجود اتصال جسدي مباشر بين دوائر التحكم والتبديل.
11. إمكانية تنظيم الحمل.
12. وجود دوائر أوتوماتيكية في SSRs النبضية التي تحمي من الأحمال الزائدة.
13. إمكانية الاستخدام في البيئات المتفجرة.

المزايا المشار إليها لمرحلات الحالة الصلبة ليست دائمًا كافية للتشغيل العادي للمعدات. ولهذا السبب لم يستبدلوا بعد الموصلات الكهروميكانيكية بالكامل.

من أجل التشغيل المستقر لمرحلات الحالة الصلبة القوية، يعد تبديد الحرارة الفعال أمرًا مهمًا، لأنه في درجات الحرارة المرتفعة يكون جهد الحمل مشوهًا بشكل حاد (+)

تمتلك TTPs أيضًا عيوبًا تمنع استخدامها في كثير من الحالات.

تشمل العيوب ما يلي:

1. عدم القدرة على تشغيل معظم الأجهزة ذات الفولتية الأعلى من 0.5 كيلو فولت.
2. غالي السعر.
3. الحساسية للتيارات العالية وخاصة في دوائر تشغيل المحرك.
4. قيود على الاستخدام في ظروف الرطوبة العالية.
5. انخفاض حاد في خصائص الأداء عند درجات حرارة أقل من 30 درجة مئوية تحت الصفر وما فوق 70 درجة مئوية فوق 70 درجة مئوية.
6. تؤدي الحالة المدمجة إلى تسخين مفرط للجهاز عند الأحمال العالية باستمرار، الأمر الذي يتطلب استخدام أجهزة تبريد سلبية أو نشطة خاصة.
7. إمكانية ذوبان الجهاز بسبب الحرارة أثناء حدوث ماس كهربائي.
8. يمكن أن تكون التيارات الدقيقة في الحالة المغلقة للمرحل أمرًا بالغ الأهمية لتشغيل المعدات. على سبيل المثال، قد تومض مصابيح الفلورسنت المتصلة بالشبكة بشكل دوري.

وبالتالي، فإن مرحلات الحالة الصلبة لها تطبيقات معينة. في دوائر المعدات الصناعية ذات الجهد العالي، يكون استخدامها محدودًا بشكل حاد بسبب الخصائص الفيزيائية غير الكاملة للمواد شبه الموصلة.

ومع ذلك، في الأجهزة المنزلية وصناعة السيارات، تحتل TTPs مكانة قوية بسبب خصائصها الإيجابية.

مخططات الاتصال الممكنة

يمكن أن تكون مخططات التوصيل لمرحلات الحالة الصلبة متنوعة جدًا. تم بناء كل دائرة كهربائية بناءً على خصائص الحمل المتصل. يمكن إضافة صمامات ووحدات تحكم وأجهزة تنظيم إضافية إلى الدائرة.

نظرًا لعدم تداخل دوائر التحكم والحمل في الجهاز، فقد تختلف خصائصها الكهربائية باختلاف أي معلمات (+)

سيعرض ما يلي مخططات اتصال SSR الأكثر بساطة وشائعة:

• عادة مفتوحة؛
• مع كفاف المرتبطة بها.
• عادة مغلقة؛
• ثلاث مراحل؛
• تفريغ.

دائرة مفتوحة (مفتوحة) عادة - مرحل يتم فيه تنشيط الحمل في وجود إشارة تحكم. أي أنه يتم إيقاف تشغيل الجهاز المتصل عند إلغاء تنشيط المدخلين 3 و4.

قبل شراء الريلاي يجب تحديد النوع المطلوب لحالته الأولية (مغلق أو مفتوح) لضمان التشغيل السليم للمعدات المتصلة (+)

دائرة مغلقة عادة — يعني مرحلًا يتم فيه تنشيط الحمل في حالة عدم وجود إشارة تحكم. وهذا يعني أن الجهاز المتصل يكون في حالة صالحة للعمل عند إلغاء تنشيط المدخلين 3 و4.

يوجد مخطط اتصال لمرحل الحالة الصلبة حيث تكون جهود التحكم والحمل متماثلة. يمكن استخدام هذه الطريقة في وقت واحد للعمل في شبكات التيار المستمر والتيار المتردد.

مرحلات ثلاثية الطور ترتبط وفقا لمبادئ مختلفة قليلا. يمكن توصيل جهات الاتصال بتكوينات "نجمة" أو "مثلث" أو "نجمة ومحايدة".

يعتمد اختيار دائرة توصيل التتابع ثلاثية الطور إلى حد كبير على خصائص التشغيل للمعدات المتصلة بها كحمل

عكس مرحلات الحالة الصلبة تستخدم في المحركات الكهربائية في الوضع المناسب. يتم تصنيعها في نسخة ثلاثية الطور وتتضمن دائرتين للتحكم.

إذا كان من المهم أن يحافظ المرحل على قطبية توصيل جهات الاتصال، فستشير العلامة دائمًا إلى مكان توصيل الطور والمحايد

من الضروري تجميع الدوائر الكهربائية باستخدام SSR فقط بعد رسمها مسبقًا على الورق، لأن الأجهزة المتصلة بشكل غير صحيح قد تفشل بسبب ماس كهربائى.

التطبيق العملي للأجهزة

نطاق استخدام مرحلات الحالة الصلبة واسع جدًا. نظرًا لموثوقيتها العالية وعدم الحاجة إلى الصيانة الدورية، غالبًا ما يتم تركيبها في أماكن يصعب الوصول إليها على المعدات.

في العديد من المرحلات، يتطلب توصيل أسلاك دائرة التحكم وجود قطبية، وهو ما يجب مراعاته أثناء تركيب المعدات

المجالات الرئيسية لتطبيق TTP هي:

• نظام التنظيم الحراري باستخدام عناصر التدفئة.
• الحفاظ على درجات حرارة مستقرة في العمليات التكنولوجية؛
• السيطرة على المحولات.
• تعديل الإضاءة
• دوائر حساسات الحركة، الإضاءة، أجهزة استشعار الصور لإضاءة الشوارع وما إلى ذلك وهلم جرا.؛
• التحكم في المحركات الكهربائية
• إمدادات طاقة غير منقطعة.

مع تزايد أتمتة الأجهزة المنزلية، أصبحت مرحلات الحالة الصلبة شائعة بشكل متزايد، كما أن تطوير تقنيات أشباه الموصلات يفتح باستمرار مجالات جديدة لتطبيقاتها.

إذا رغبت في ذلك، يمكنك تجميع مرحل الحالة الصلبة بنفسك. يتم توفير تعليمات مفصلة في هذا المقال.

استنتاجات وفيديو مفيد حول هذا الموضوع

ستساعدك مقاطع الفيديو المقدمة على فهم تشغيل مرحلات الحالة الصلبة بشكل أفضل والتعرف على كيفية توصيلها.

عرض عملي لتشغيل مرحل الحالة الصلبة البسيط:

تحليل أنواع وخصائص مرحلات الحالة الصلبة:

اختبار التشغيل ودرجة تسخين SSR:

يمكن لأي شخص تقريبًا تركيب دائرة كهربائية تتكون من مرحل الحالة الصلبة وجهاز الاستشعار.

ومع ذلك، فإن تخطيط دائرة عمل يتطلب معرفة أساسية بالهندسة الكهربائية لأن التوصيلات غير الصحيحة قد تؤدي إلى صدمة كهربائية أو ماس كهربائي. ولكن نتيجة للإجراءات الصحيحة، يمكنك الحصول على الكثير من الأجهزة المفيدة في الحياة اليومية.

هل لديك أي شيء تريد إضافته، أو هل لديك أي أسئلة حول توصيل واستخدام مرحلات الحالة الصلبة؟ يمكنك ترك تعليقات على المنشور والمشاركة في المناقشات ومشاركة تجربتك الخاصة في استخدام هذه الأجهزة. يقع نموذج الاتصال في الكتلة السفلية.