Với sự tiến bộ không ngừng của công nghệ tự động hóa công nghiệp, các yêu cầu về hiệu suất đối với các bộ phận điều khiển ngày càng nghiêm ngặt. Rơle trạng thái rắn (SSR) đang đóng vai trò ngày càng quan trọng trong lĩnh vực này nhờ những ưu điểm độc đáo của chúng. Nó được sử dụng rộng rãi trong điện tử hiện đại và các hệ thống công nghiệp như một sự thay thế đáng tin cậy cho các rơ le cơ khí truyền thống.

Định nghĩa

Rơ le bán dẫn là thiết bị chuyển mạch sử dụng các thành phần bán dẫn bên trong để điều khiển dòng điện trong mạch chính. Rơ le này còn được gọi là rơ le trạng thái rắn SSR (solid state relay), có thể được coi là phiên bản hiện đại hơn của rơ le cơ điện truyền thống EMR.

Về cơ bản, rơ le nhận tín hiệu điều khiển hoặc đầu vào điện áp để kích hoạt cơ chế đóng hoặc ngắt mạch. Trong đa số trường hợp, khi relay không nhận được tín hiệu, các tiếp điểm sẽ giữ nguyên trạng thái. Đây chính là quá trình vận hành của rơ le cơ học EMR. Do vậy, rơ le cơ học bao gồm các bộ phận chuyển động chính, thay đổi trạng thái vật lý để đóng mở tiếp điểm, từ đó đóng hoặc ngắt mạch theo yêu cầu.

Tuy nhiên, rơ le bán dẫn SSR không có bộ phận chuyển động hay bộ phận cơ khí. Loại rơ le này dùng linh kiện bán dẫn thay cho cơ cấu chuyển động vật lý để bật/tắt mạch. Điều này giúp tăng tuổi thọ, giảm tiếng ồn và rút ngắn thời gian phản hồi của rơ le. Một số linh kiện bán dẫn dùng trong SSR là Diode, Triac, MOSFET hoặc Transistor.

Xây dựng SSR

➥ Thiết bị đầu cuối của SSR Relay

Rơ le SSR có hai bộ thiết bị đầu cuối, tức là thiết bị đầu cuối đầu vào và thiết bị đầu cuối đầu ra. Các thiết bị đầu cuối này được đưa ra dưới đây:

➥ Thiết bị đầu cuối đầu vào hoặc điều khiển

Hai thiết bị đầu cuối này là các thiết bị đầu cuối điều khiển đầu vào. Nó được kết nối với một mạch công suất thấp để điều khiển quá trình chuyển mạch.

Đầu vào điều khiển của rơ le SSR được thiết kế cho mạch DC hoặc AC riêng biệt

➥ Đầu ra thường mở (NO)

Các cực ra của rơ le SSR bật và tắt tùy thuộc vào đầu vào điều khiển.

Thông thường, kết nối điện giữa các thiết bị đầu cuối này vẫn được giữ mở. Khi rơ le kích hoạt, các thiết bị đầu cuối này kết nối với nhau, tạo thành một mạch kín.

Các thiết bị đầu cuối đầu ra được thiết kế đặc biệt cho  mạch AC hoặc DC  . Không giống như rơ le EMR, rơ le SSR không thể chuyển đổi cả tín hiệu AC và DC bằng cùng một đầu vào.

➥ Đầu ra thường đóng (NC)

Cực này của rơ le vẫn đóng cho đến khi kích hoạt rơle. Không có dòng điện khi rơ le kích hoạt. Nó sẽ mở khi rơ le được kích hoạt.

Nguyên lý hoạt động

Cái nguyên tắc hoạt động của một SSR rất đơn giản khi bạn phân tích từng bước:

1. Nhận và xử lý tín hiệu điều khiển: Quá trình bắt đầu khi một tín hiệu điều khiển điện áp thấp, thường chỉ khoảng 3 V DC, được áp dụng vào các đầu vào của SSR. Tín hiệu này đến từ một nguồn điều khiển. Thay vì chuyển tải trực tiếp, tín hiệu điều khiển kích hoạt mạch điều khiển nội bộ của rơ le. Ở giai đoạn này, một đèn LED bên trong optocoupler sẽ sáng lên. Đèn LED này hoạt động như một "sứ giả" khởi động quá trình chuyển đổi trong khi giữ cho phía đầu vào cách điện với phía đầu ra.

2. Cách ly và kích hoạt mạch đầu ra: Đèn LED bên trong bộ cách ly quang phát sáng qua một khoảng không khí nhỏ về phía một thành phần nhạy sáng ở đầu ra. Cấu hình này cung cấp sự cách ly điện hoàn toàn giữa đầu vào điện áp thấp và đầu ra công suất cao, đảm bảo an toàn. Khi cảm biến quang phát hiện ánh sáng, nó sẽ kích hoạt các thiết bị chuyển mạch bán dẫn. Những thiết bị này hoạt động như "công tắc điện tử" có thể xử lý dòng điện và điện áp lớn hơn nhiều so với tín hiệu đầu vào ban đầu.

3. Bật và tắt tải: Khi các thiết bị bán dẫn được kích hoạt, chúng đóng mạch đầu ra, cho phép dòng điện từ nguồn điện chạy đến tải. Điều này ngay lập tức cung cấp năng lượng cho thiết bị được kết nối. Khi tín hiệu điều khiển đầu vào được tắt, đèn LED bên trong optocoupler cũng tắt, khiến các thiết bị bán dẫn quay trở lại trạng thái không dẫn điện. Điều này mở mạch đầu ra và ngắt kết nối nguồn điện khỏi tải.

Rơ le rắn và cơ

Rơle là công tắc điện dùng để điều khiển dòng điện. Rơle cơ sử dụng các tiếp điểm cơ học và nam châm điện để chuyển đổi dòng điện, trong khi rơle trạng thái rắn (SSR) sử dụng các thiết bị bán dẫn để thực hiện việc này.

Rơ le trạng thái rắn đáng tin cậy hơn và bền hơn rơ le cơ. Chúng cũng có khả năng chống rung và sốc tốt hơn, khiến chúng trở nên lý tưởng cho các ứng dụng công nghiệp. Tuy nhiên, rơ le trạng thái rắn đắt hơn và cần nhiều năng lượng hơn để hoạt động so với rơ le cơ.

Rơ le trạng thái rắn (SSR) sử dụng các công tắc bán dẫn như thyristor, triac hoặc MOSFET để điều khiển dòng điện mà không có bất kỳ tiếp xúc cơ học nào.

Tín hiệu đầu vào của SSR thường là điện áp DC thấp, kích hoạt công tắc bán dẫn và cho phép dòng điện chạy qua SSR. Điện áp đầu ra của SSR thường là nguồn điện AC hoặc DC, được bật hoặc tắt tùy theo tín hiệu đầu vào.

Tín hiệu đầu vào của rơ le cơ thường là tín hiệu DC điện áp thấp cung cấp năng lượng cho nam châm điện và đóng các tiếp điểm cơ học, cho phép dòng điện chạy qua rơ le. Điện áp đầu ra của rơ le cơ thường là AC hoặc DC, được bật hoặc tắt thông qua các tiếp điểm cơ học.

Không giống như rơ le cơ, rơ le trạng thái rắn không thay đổi vị trí của bất kỳ bộ phận nào khi chuyển đổi giữa các trạng thái bật/tắt. Thay vào đó, rơ le trạng thái rắn hoạt động bằng cách chuyển đổi tín hiệu điều khiển điện thành tín hiệu ánh sáng, thường xuất ra thông qua đèn LED hồng ngoại hoặc các thiết bị tương tự.

Việc lựa chọn giữa rơ le trạng thái rắn và rơ le cơ sẽ phụ thuộc vào yêu cầu cụ thể của ứng dụng. Rơ le trạng thái rắn thường được sử dụng trong các ứng dụng yêu cầu thời gian chuyển mạch nhanh, độ tin cậy cao và độ ồn thấp, trong khi rơ le cơ thường được sử dụng trong các ứng dụng yêu cầu chi phí thấp và công suất dòng điện lớn.

Các SSR thông dụng

Rơ le bán dẫn SSR có các loại thông dụng là Zero-Switching Relays (rơ le không chuyển mạch), Instant ON Relays (rơ le bật tức thì), Peak Switching Relays (rơ le chuyển mạch tại đỉnh) và Analog Switching Relays (rơ le chuyển mạch analog).

➥ Rơ le không chuyển mạch

Rơ le không chuyển mạch hoạt động khi điện áp điều khiển được áp dụng và điện áp tải gần như bằng 0. Khi điện áp điều khiển được loại bỏ, rơ le sẽ tắt tải và dòng điện trong tải gần như bằng 0. Đây là loại rơ le bán dẫn được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay.

➥ Rơ le bật tức thì

Rơ le bật tức thì là thiết bị chuyển mạch ngay khi nhận được tín hiệu điều khiển, cho phép tải bật hoặc tắt tại bất kỳ điểm nào trong dải tín hiệu ON. Thời gian trễ của rơ le này thường nằm trong khoảng mili giây (ms).

➥ Rơ le chuyển mạch tại đỉnh

Rơ le chuyển mạch tại đỉnh đóng tải khi điện áp điều khiển đạt giá trị cao nhất. Rơ le này sẽ chuyển sang trạng thái tắt khi điện áp điều khiển bị loại bỏ và dòng điện tải gần như bằng 0.

➥ Rơ le chuyển mạch analog

Rơ le chuyển mạch analog cho phép tạo ra một số lượng vô hạn điện áp đầu ra trong phạm vi đánh giá của rơ le. Rơ le này được tích hợp mạch điều khiển đồng bộ để quản lý điện áp đầu ra. Điều này cho phép chức năng Ramp-Up của thời gian đưa tải vào hoạt động. Khi điện áp điều khiển được loại bỏ, rơ le sẽ chuyển sang trạng thái tắt và đảm bảo dòng điện tải gần như bằng 0.