รีเลย์โซลิดสเตต (SSR) เป็นอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ที่ใช้แทนรีเลย์ไฟฟ้ากลในการสลับไฟฟ้าไปยังโหลดในแอปพลิเคชันต่างๆ มากมาย

รีเลย์โซลิดสเตตมีหน้าที่คล้ายกับรีเลย์ไฟฟ้ากล อย่างไรก็ตาม รีเลย์โซลิดสเตตก็มีข้อดี (และข้อเสีย) บางประการ

ข้อดีและข้อเสียของ SSR

ต่อไปนี้เป็นข้อดีและข้อเสียของรีเลย์โซลิดสเตต:

เอื้ออำนวย

SSR เหนือกว่ารีเลย์แบบเครื่องกลไฟฟ้า (EMR) ในหลาย ๆ ด้าน:

1. การเปลี่ยนแปลงชีวิตแทบจะไม่มีที่สิ้นสุด
2. ภูมิคุ้มกันต่อ EMI
3. การดำเนินการไม่คล่องตัว
4. ความเร็วในการทำงานที่สูงขึ้น
5. สัญญาณควบคุมระดับต่ำ
6. ขนาดบรรจุภัณฑ์เล็กจึงใช้พื้นที่บนบอร์ดเพียงเล็กน้อย
7. การออกแบบวงจรอย่างเรียบง่าย จึงมีส่วนประกอบจำนวนน้อยลง
8. เชื่อถือได้เพราะไม่มีชิ้นส่วนเคลื่อนไหว จึงทนทานต่อแรงสั่นสะเทือนและแรงกระแทก
9. ไม่ได้รับผลกระทบจากฝุ่น แก๊ส หรือสิ่งปนเปื้อนอื่นๆ เนื่องจากสามารถปิดผนึกได้อย่างสมบูรณ์

ข้อเสีย

ยังมีข้อเสียบางประการที่เกี่ยวข้องกับ SSR:

1. เอาท์พุตและอินพุตไม่ทนต่อการเปลี่ยนแปลงแรงดันไฟ/กระแสไฟฟ้าขนาดใหญ่
2. ค่าความต้านทานเอาต์พุตสูงกว่า EMR
3. แพง.
4. ต้องระวังกระแสไฟรั่วในสถานะปิด

การสร้างรีเลย์โซลิดสเตต

รูปที่ 1: รีเลย์โซลิดสเตตที่ใช้ไทรแอคพร้อมอินพุตควบคุม DC และโหลด AC มีเอาต์พุตควบคุมครอสเป็นศูนย์

วงจรอินพุตและเอาต์พุตภายในของรีเลย์โซลิดสเตตอาจรวมถึงไทริสเตอร์ (SCR) ไตรแอก BJT และ MOSFET ที่ออกแบบมาเพื่อทำหน้าที่เป็นสวิตช์อิเล็กทรอนิกส์ที่เกือบจะสมบูรณ์แบบ มักใช้ลิงก์ออปติกเพื่อส่งสัญญาณควบคุม ลิงก์ออปติกนี้เรียกกันทั่วไปว่าออปโตคัปเปลอร์และทำหน้าที่แยกกระแสไฟฟ้า นอกจากนี้ยังมีวงจรป้องกันหลายวงจร เช่น การป้องกันกระแสเกิน ไดโอด TVS เป็นต้น ซึ่งช่วยเพิ่มอายุการใช้งานของอุปกรณ์

วงจร RC-snubber: วงจรที่ประกอบด้วยตัวต้านทานและตัวเก็บประจุที่ใช้เพื่อป้องกันการยิงผิดพลาดของไตรแอค SSR โดยการระงับแรงดันไฟกระชากที่เกิดขึ้นอย่างกะทันหันที่จ่ายให้กับไตรแอค

อินพุตรีเลย์โซลิดสเตต

โดยทั่วไปแล้วอินพุตของรีเลย์จะเป็นสัญญาณ DC กำลังต่ำ โครงสร้างวงจรอินพุตทั่วไปแสดงอยู่ในรูปที่ 1

การแยกกระแสไฟฟ้า: การแยกกระแสไฟฟ้าระหว่างสัญญาณควบคุมอินพุตและสัญญาณเอาต์พุตในรีเลย์นั้นถือเป็นสิ่งสำคัญ เนื่องจากเอาต์พุตมักจะสลับโหลดที่มีกำลังไฟสูง (= แรงดันไฟ X กระแสไฟ) ในทางกลับกัน อินพุตจะเป็นสัญญาณแรงดันไฟต่ำ/กำลังไฟต่ำ การเชื่อมต่อกระแสไฟฟ้าแบบกัลวานิกสามารถทำลายวงจรควบคุมอินพุตได้

เอาท์พุตรีเลย์โซลิดสเตต

เอาท์พุตแบบ MOSFET (โหลด AC หรือ DC)

MOSFET ที่สามารถจ่ายแรงดันไฟฟ้าสูงได้นั้นใช้ในวงจรเอาต์พุตเพื่อควบคุมโหลด โดยจะอยู่ภายใน SSR เท่านั้น MOSFET มีค่าความต้านทานต่ำมากและสามารถเปิด/ปิดได้อย่างรวดเร็ว วิธีการเชื่อมต่อจะกล่าวถึงในแผนภาพนี้ เกตของ MOSFET ทั้งสองเชื่อมต่อกันเพื่อให้สามารถเปิดได้พร้อมกัน

รูปที่ 2: วงจรเอาต์พุต SSR ที่ใช้ MOSFET มีฟังก์ชั่นควบคุมเอาต์พุตแบบจุดตัดศูนย์

เหตุใดรีเลย์ MOSFET จึงใช้ได้กับโหลดทั้ง AC และ DC

เนื่องจาก MOSFET 2 ตัวเชื่อมต่อแบบอนุกรม ที่ขั้วบวก ช่อง MOSFET แรกเปิดอยู่และไดโอดตัว MOSFET ตัวที่สองเปิดอยู่ ที่ขั้วลบ ช่อง MOSFET ตัวที่สองเปิดอยู่และไดโอดตัว MOSFET ตัวแรกเปิดอยู่ ดังนั้นในทั้งสองกรณี เอาต์พุตสามารถเปิดได้

รูปที่ 3: เส้นทางกระแสเอาต์พุตของ SSR เมื่อกระแสโหลดเป็นแบบทิศทางสองทาง

เอาท์พุตที่อิงตาม SCR/Triac แบบขนานย้อนกลับ (โหลด AC)

สำหรับโหลดต้านทาน ไม่มีความแตกต่างด้านประสิทธิภาพระหว่าง SCR ขนานย้อนกลับและไทรแอค สำหรับโหลดเหนี่ยวนำ เช่น มอเตอร์ SCR ขนานย้อนกลับพิสูจน์แล้วว่าดีกว่า เนื่องจากสามารถรองรับ “dV/dt” ที่สูงขึ้นได้

รูปที่ 4: SSR พร้อมโมดูลไทริสเตอร์ขนานย้อนกลับ มีการควบคุมเอาต์พุตแบบครอสศูนย์

SSR ที่ใช้ไตรแอคแสดงอยู่ในรูปที่ 1

ข้อมูลจำเพาะทั่วไปของรีเลย์โซลิดสเตต

ข้อมูลจำเพาะทั่วไปบางประการของ SSR ทั่วไป อย่างไรก็ตาม ข้อมูลจำเพาะเหล่านี้อาจแตกต่างกันไป ขึ้นอยู่กับ SSR ที่แตกต่างกัน:

1. กระแสโหลดที่กำหนด: 10A (สำหรับ SSR บางตัว กระแสนี้อาจสูงถึง 40A ก็ได้)
2. แรงดันไฟฟ้าขาเข้า: 3-32 VDC
3. แรงดันไฟอินพุตเปิด/ปิด: ปิด < 1V, เปิด > 2.4V
4. ตัวเก็บประจุแบบมีคัปปลิ้ง: โดยทั่วไปคือ 8pF แต่สามารถเปลี่ยนแปลงได้ขึ้นอยู่กับ SSR
5. คลื่นความถี่ในการทำงาน
6. DV/DT: สำคัญสำหรับโหลดเหนี่ยวนำ
7. กระแสไฟรั่วขณะปิดเครื่อง: 6mA (สูงสุด)
8. แรงดันไฟแยก: 4000V
9. อุณหภูมิในการทำงาน: -20C ถึง 85C.

SSR พร้อมการควบคุมเอาท์พุตแบบจุดตัดศูนย์

ฟังก์ชันนี้จะช่วยให้แน่ใจว่าสวิตช์เอาต์พุตจะปิดเฉพาะเมื่อแรงดันไฟฟ้าเอาต์พุตใกล้เคียงกับ 0 เท่านั้น

หากสวิตช์เอาต์พุตปิดอยู่เมื่อแรงดันไฟฟ้าสูง กระแสไฟที่พุ่งกระฉูดอย่างกะทันหัน (กระแสไฟกระชาก) จะทำให้เกิดสัญญาณรบกวนในสายและสัญญาณรบกวนที่แผ่ออกมา ดังนั้น จึงควรปล่อยให้กระแสไฟเพิ่มขึ้นอย่างช้าๆ จาก 0 แทนที่จะเปลี่ยนทีละขั้น

การประยุกต์ใช้งานของรีเลย์โซลิดสเตต

รีเลย์โซลิดสเตตใช้ใน:

1. ระบบ HVAC: การสตาร์ทแบบนุ่มนวลของคอมเพรสเซอร์ พัดลม โบลเวอร์ เครื่องทำความร้อน และการควบคุมวาล์ว
2. การใช้งานแสงสว่างเพื่อการหรี่แสง (เนื่องจาก SSR สามารถทำงานแบบเงียบได้)
3. การใช้งานการควบคุมการเคลื่อนไหว เช่น ลิฟต์ ระบบรอก ระบบสายพานลำเลียง หุ่นยนต์อุตสาหกรรม และลิฟต์ (เนื่องจาก SSR ไม่ได้รับผลกระทบจากการสั่นสะเทือนและแรงกระแทก)