Rơ le trạng thái rắn (SSR) là một thiết bị bán dẫn thay thế cho rơ le cơ điện để chuyển đổi điện đến tải trong nhiều ứng dụng.

Về mặt chức năng, rơle trạng thái rắn giống như rơle cơ điện. Tuy nhiên, với rơle trạng thái rắn, có một số ưu điểm đáng chú ý (và nhược điểm).

Ưu điểm và nhược điểm của SSR

Sau đây là ưu điểm và nhược điểm của rơle trạng thái rắn:

Thuận lợi

SSR vượt trội hơn rơ le điện cơ (EMR) ở nhiều khía cạnh:

1. Sự chuyển đổi cuộc sống gần như vô hạn.
2. Khả năng miễn nhiễm với EMI.
3. Hoạt động không bị nảy.
4. Tốc độ hoạt động cao hơn.
5. Tín hiệu điều khiển mức thấp.
6. Kích thước gói nhỏ nên chiếm ít không gian trên bo mạch.
7. Thiết kế mạch đơn giản. Do đó, số lượng linh kiện ít hơn.
8. Đáng tin cậy vì không có bộ phận chuyển động. Do đó, chống rung và va đập.
9. Không bị ảnh hưởng bởi bụi, khí hoặc các chất gây ô nhiễm khác vì có thể được bịt kín hoàn toàn.

Nhược điểm

Vẫn còn một số nhược điểm liên quan đến SSR:

1. Đầu ra và đầu vào không có khả năng chống chịu với sự thay đổi lớn về điện áp/dòng điện.
2. Điện trở đầu ra cao hơn so với EMR.
3. Đắt.
4. Cần phải cẩn thận với dòng rò ở trạng thái tắt.

Xây dựng rơle trạng thái rắn

Hình: Rơ le bán dẫn dựa trên Triac có đầu vào điều khiển DC và tải AC. Nó có đầu ra điều khiển chéo bằng không.

Mạch bên trong đầu vào và đầu ra của rơle trạng thái rắn có thể bao gồm thyristor (SCR), triac, BJT và MOSFET được thiết kế để hoạt động như các công tắc điện tử gần lý tưởng. Để cung cấp tín hiệu điều khiển, thường sử dụng liên kết quang. Liên kết quang này thường được gọi là optocoupler và nó cung cấp cách ly điện hóa. Ngoài ra, còn có một số mạch bảo vệ như bảo vệ quá dòng, điốt TVS, v.v. giúp tăng tuổi thọ của thiết bị.

Mạch RC-snubber : Mạch bao gồm điện trở và tụ điện dùng để ngăn ngừa đánh lửa sai của triac SSR bằng cách ngăn chặn sự tăng đột ngột điện áp được áp dụng cho triac.

Đầu vào của rơle trạng thái rắn

Đầu vào của rơle thường là tín hiệu DC công suất thấp. Một cấu trúc mạch đầu vào phổ biến được đề cập trong Hình 1.

Cách ly điện hóa: Điều cần thiết là phải cung cấp cách ly điện hóa giữa tín hiệu điều khiển đầu vào và tín hiệu đầu ra trong rơle vì đầu ra thường chuyển mạch tải công suất cao (= Điện áp X Dòng điện). Ngược lại, đầu vào là tín hiệu điện áp thấp/công suất thấp. Bất kỳ sự ghép nối điện hóa nào cũng có thể phá hủy mạch điều khiển đầu vào.

Đầu ra của rơle trạng thái rắn

Đầu ra dựa trên MOSFET (tải AC hoặc DC)

MOSFET có khả năng chịu điện áp cao được sử dụng ở mạch đầu ra để điều khiển tải. Chúng chỉ nằm bên trong SSR. Chúng có điện trở rất thấp và có thể bật/tắt rất nhanh. Cách chúng được kết nối được đề cập trong sơ đồ này.  Cổng của cả hai MOSFET được kết nối với nhau sao cho cả hai có thể được bật cùng lúc.

Hình: SSR với mạch đầu ra dựa trên MOSFET. Nó có chức năng điều khiển đầu ra giao nhau bằng không.

Tại sao rơ le MOSFET có thể được sử dụng cho cả tải AC và DC?

Bởi vì 2 MOSFET được kết nối nối tiếp. Ở cực dương, kênh MOSFET đầu tiên bật và diode thân MOSFET thứ hai bật. Ở cực âm, kênh MOSFET thứ hai bật và diode thân MOSFET thứ nhất bật. Vì vậy, trong cả hai trường hợp, đầu ra đều có thể bật.

Hình: Đường dẫn dòng điện đầu ra của SSR khi dòng điện tải là hai chiều.

Đầu ra dựa trên SCR/Triacs song song ngược (tải AC)

Đối với tải điện trở, không có sự khác biệt về hiệu suất giữa SCR song song ngược và Triac . Đối với tải cảm ứng như động cơ, SCR song song ngược  tỏ ra tốt hơn vì nó có thể hỗ trợ “dV/dt” cao hơn.

Hình: SSR với mô-đun thyristor song song ngược. Nó có điều khiển đầu ra chéo bằng không.

SSR dựa trên triac được thể hiện ở Hình 1.

Thông số kỹ thuật tiêu biểu của rơle trạng thái rắn.

Một số thông số kỹ thuật tiêu biểu của SSR thông thường. Tuy nhiên, thông số này có thể thay đổi tùy theo SSR khác nhau:

1. Dòng điện tải định mức: 10A. (Đối với một số SSR, dòng điện này cũng có thể lên tới 40A.)
2. Điện áp hoạt động đầu vào: 3-32 VDC
3. Điện áp BẬT/TẮT đầu vào: TẮT < 1V, BẬT > 2,4V.
4. Tụ ghép: thông thường là 8pF, có thể thay đổi tùy theo SSR.
5. Tần số hoạt động
6. DV/DT: Quan trọng đối với tải cảm ứng.
7. Dòng rò rỉ trạng thái tắt: 6mA (tối đa)
8. Điện áp cách ly: 4000V
9. Nhiệt độ hoạt động: -20C đến 85C.

SSR với điều khiển đầu ra vượt qua điểm không

Chức năng này đảm bảo công tắc đầu ra chỉ đóng khi điện áp đầu ra gần bằng 0.

Nếu công tắc đầu ra đóng khi điện áp cao, thì bước dòng điện đột ngột (dòng điện khởi động) sẽ tạo ra nhiễu đường dây và nhiễu bức xạ. Vì vậy, tốt hơn hết là để dòng điện tăng chậm từ 0 thay vì thay đổi bước lớn.

Ứng dụng của rơle trạng thái rắn

Rơ le trạng thái rắn được sử dụng trong:

1. Hệ thống HVAC: Khởi động mềm máy nén, quạt, quạt gió, máy sưởi và điều khiển van.
2. Ứng dụng chiếu sáng để làm mờ (vì SSR có thể hoạt động không gây tiếng ồn).
3. Các ứng dụng điều khiển chuyển động như thang máy, tời, hệ thống băng tải, rô bốt công nghiệp và thang máy (vì SSR không bị ảnh hưởng bởi rung động và va đập).

‍