از یک کنترل کننده سیگنال ترافیک کوچک گرفته تا یک سوئیچ یارد برای واگن ها با پیچیدگی زیاد و ولتاژ بالا، رله ها در همه جا یافت می شوند. به طور کلی، رله ها مانند هر سوئیچ دیگری هستند که می توانند اتصال را ایجاد یا قطع کنند، یعنی می توانند دو نقطه را متصل کرده یا آن را قطع کنند، بنابراین رله ها معمولاً برای روشن یا خاموش کردن بار الکترونیکی استفاده می شوند. اما این یک اظهار بسیار کلی است چرا که انواع زیادی از رله ها وجود دارد و هر رله با توجه به نوع کاربرد خود، متفاوت رفتار می کند. یکی از رایج ترین رله ها، رله الکترومکانیکی است و بنابراین ما در این مقاله بیشتر روی آن تمرکز می کنیم. با وجود تفاوت در ساختار، اصل کار یک رله یکسان است؛ بنابراین اجازه دهید در مورد عملکرد اصلی رله بیشتر بحث کنیم و نگاه عمیق تری به ساختار، انواع و کاربردهای آن داشته باشیم.
رله چیست؟
رله (Reley) عموماً به قطعه‌ای اطلاق می گردد که در پاسخ به اعمال یک ولتاژ، اتصال الکتریکی بین دو یا چند نقطه را برقرار می‌کند. متداول‌ترین و پرکاربردترین نوع آن، رله الکترومکانیکی یا EMR است. این قطعه الکترومکانیکی می تواند برای ایجاد یا قطع اتصال الکتریکی استفاده شود. رله شامل یک قسمت مکانیکی متحرک قابل انعطاف است که می تواند به صورت الکترونیکی از طریق یک آهنربای الکترومغناطیسی کنترل شود. اساساً رله، یک سوئیچ مکانیکی است اما می توانید به جای روشن یا خاموش کردن دستی آن را با یک سیگنال الکترونیکی کنترل کنید.
انواع مختلفی از رله ها وجود دارد و هر رله کاربرد خاص خود را دارد؛ یک رله استاندارد و متداول از آهنرباهای الکتریکی ساخته شده است که به طور کلی به عنوان سوئیچ استفاده می شود. فرهنگ لغت می گوید که رله به معنای “عمل انتقال چیزی از یک چیز به چیز دیگر است” و همین معنی را می توان برای این دستگاه به کار برد، زیرا سیگنال دریافتی از یک طرف دستگاه عملیات سوئیچینگ را در طرف دیگر کنترل می کند. بنابراین رله یک سوئیچ است که مدارها (باز و بسته) را به صورت الکترومکانیکی کنترل می کند. عملکرد اصلی این دستگاه برقراری یا قطع تماس با کمک یک سیگنال بدون دخالت انسان به منظور روشن یا خاموش کردن آن است. این دستگاه عمدتا برای کنترل یک مدار پرقدرت با استفاده از یک سیگنال قدرت کم استفاده می شود. به طور کلی، از سیگنال DC برای کنترل مدار استفاده می شود که توسط ولتاژ بالا هدایت می شود مانند کنترل لوازم خانگی AC با سیگنال های DC از میکروکنترلرها.
ساختار رله و عملکرد آن
شکل زیر ساختار داخلی یک رله را نشان می دهد و چگونگی ساخت آن را می توان بررسی نمود:
درون محفظه، هسته ای با سیم پیچ های مسی که روی آن پیچیده شده است، قرار داده شده است. یک آرمیچر متحرک شامل یک تکیه گاه فنری متصل به یک سر و یک اتصال فلزی متصل به یک طرف دیگر است؛ همه این چینش‌ها بر روی هسته قرار می گیرند، به طوری که وقتی سیم پیچ فعال می شود آرمیچر را به سوی خود جذب می کند. آرمیچر متحرک به طور کلی به عنوان یک ترمینال عادی در نظر گرفته می شود که باید به مدار خارجی متصل شود. رله همچنین دارای دو پین با نام های به طور نرمال بسته (NC) و به طور نرمال باز (NO) است؛ پین “به طور نرمال بسته” به آرمیچر یا ترمینال مشترک (common terminal) متصل است در حالی که “پین معمولاً باز” آزاد می ماند (هنگامی که سیم پیچ خاموش است). هنگامی که سیم پیچ فعال می شود، آرمیچر حرکت می کند و به کنتاکت NO متصل می شودو این اتصال تا زمانی که جریان از طریق سیم پیچ ایجاد شود، باقی می ماند. هنگامی که انرژی هسته کاهش می یابد به موقعیت اولیه خود می رود.
نمایش کلی مدار رله در شکل زیر نشان داده شده است:
قطعات داخلی رله
یک رله الکترومکانیکی اساساً با استفاده از چند قسمت مکانیکی مانند الکترومغناطیس، آرمیچر متحرک، اتصالات (کنتاکت ها) ، یوغ، فنر و پایه طراحی شده است؛ این قطعات در تصاویر از بخش داخلی رله در زیر نشان داده شده است. همه این‌ها به طور منطقی مرتب شده و به صورت رله در می آیند.
در اینجا هر یک از قسمت‌های مکانیکی داخلی یک رله را شرح می دهیم:
الکترومغناطیس: الکترومغناطیس نقش عمده ای در عملکرد رله ایفا می کند. این فلز دارای خاصیت مغناطیسی نیست اما می تواند با کمک یک سیگنال الکتریکی به آهنربا تبدیل شود. ما می دانیم که وقتی جریان از رسانا عبور می کند، خواص آهنربا را به دست می آورد. بنابراین هنگامی که فلزی با سیم مسی پیچیده شدهو توسط منبع انرژی به طور کافی تغذیه شود، حرکت می کند و نتیجه آن می شود که فلز می تواند به عنوان آهن ربا عمل کند و می تواند فلزات را در محدوده خود جذب کند.
آرمیچر متحرک: آرمیچر متحرک یک قطعه فلزی ساده است که بر روی یک محور یا یک پایه تعادل دارد. در ایجاد یا قطع ارتباط با کنتاکت های متصل به آن کمک می کند.
کنتاکت ها: اتصالات رسانایی هستند که در داخل دستگاه وجود دارند و به پایانه ها (ترمینال ها) متصل هستند.
یوغ: یک قطعه فلزی کوچک است که بر روی یک هسته ثابت شده و به منظور جذب و نگه داشتن آرمیچر در هنگام وصل شدن سیم پیچ، استفاده می شود.
فنر (اختیاری): تعداد کمی از رله ها نیازی به فنر ندارند اما در صورت استفاده، به یک سر آرمیچر متصل می شود تا حرکت آسان و آزاد آن تضمین شود. به جای فنر، می توان از یک پایه فلزی مانند ساختار (structure) استفاده کرد.
اساس کاری رله
اکنون به این می پردازیم که یک رله در حالت معمولا بسته و در حالت معمولا باز چگونه کار می کند.
رله در حالت معمولا بسته:
هنگامی که هیچ ولتاژی به هسته اعمال نمی شود، نمی تواند میدان مغناطیسی ایجاد کند و به عنوان یک آهنربا عمل نمی کند. بنابراین نمی تواند آرمیچر متحرک را جذب کند. در نتیجه آرمیچر در موقعیت اولیه خود که در حالت معمولا بسته (NC) است، متصل می ماند.
رله در حالت معمولا باز:
هنگامی که ولتاژ کافی به هسته وارد می شود، شروع به ایجاد یک میدان مغناطیسی در اطراف خود می کند و به عنوان یک آهنربا عمل می کند. از آنجا که آرمیچر قابل حرکت در محدوده خود است، جذب میدان مغناطیسی ایجاد شده توسط هسته می شود؛ بنابراین موقعیت آرمیچر تغییر می کند. اکنون به پین معمولاً باز رله متصل است و مدار خارجی متصل به آن به شیوه ای متفاوت عمل می کند.
توجه: عملکرد مدار خارجی بستگی به اتصال ایجاد شده به پایه های رله دارد.
در نهایت، می توانیم بگوییم که هنگامی که یک سیم پیچ فعال می شود، آرمیچر جذب می شود و عملکرد سوئیچینگ دیده می شود. اگر سیم پیچ خاموش شود، خاصیت مغناطیسی خود را از دست می دهد و آرمیچر به موقعیت اولیه خود باز می گردد.
می توانید عملکرد رله را در انیمیشن زیر بررسی کنید:
انواع مختلف رله:
به غیر از رله الکترومغناطیسی ، انواع دیگر رله ها نیز وجود دارد که بر اساس اصول مختلف کار می کنند. طبقه بندی به دو صورت کلی می تواند صورت گیرد:
- بر اساس نحوه عملکرد
- بر ساس قطبیت
- بر اساس ترکیب اتصالات (کنتاکت ها)
انواع رله بر اساس اصل عملکرد
رله الکتروترمال:
هنگامی که دو ماده مختلف به هم متصل می شوند ، به یک نوار دو فلزی تبدیل می شود. هنگامی که این نوار انرژی می گیرد تمایل به خم شدن دارد ، این ویژگی به گونه ای مورد استفاده قرار می گیرد که طبیعت خمش با مخاطبین ارتباط برقرار می کند.
رله الکترومکانیکی:
با کمک چند قطعه مکانیکی و بر اساس خاصیت یک آهنربای الکترومغناطیسی ، ارتباطی با مخاطبین ایجاد می شود.
رله حالت جامد:
به جای استفاده از قطعات مکانیکی مانند رله های الکتروترمال و الکترومکانیکی ، از دستگاه های نیمه هادی استفاده می کند. بنابراین ، سرعت سوئیچینگ دستگاه را می توان آسان تر و سریعتر کرد. مزایای اصلی این رله طول عمر بیشتر و عملکرد سریع تر سوئیچینگ در مقایسه با رله های دیگر است.
رله ترکیبی:
این ترکیبی از رله های الکترومکانیکی و حالت جامد است.
انواع رله بر اساس قطبیت
رله قطبی:
این رله ها مشابه رله های الکترومکانیکی هستند ، اما آهنربای دائمی و الکترومغناطیس در آن وجود دارد ، حرکت آرمیچر بستگی به قطبیت سیگنال ورودی اعمال شده به سیم پیچ دارد. در برنامه های تلگرافی استفاده می شود.
رله غیر قطبی:
سیم پیچ در این رله ها هیچ قطبی ندارد و حتی اگر قطبیت سیگنال ورودی تغییر کند ، عملکرد آن بدون تغییر باقی می ماند.
طبقه بندی اتصالات (کنتاکت ها):
رله ها را نیز می توان بر اساس تعداد ترکیب قطب و پرتاب (مسیر) طبقه بندی کرد. یک قطب را می توان به عنوان پایانه ورودی و یک قسمت متحرک متصل به آن در نظر گرفت، در حالی که مسیر را می توان به عنوان پایانه خروجی در نظر گرفت. طبقه بندی آن به طور کلی به شکل زیر است که هرکدام را جداگانه شرح می دهیم:
- تک قطب تک مسیره (Single Pole Single Throw) یا SPST
- تک قطب دو مسیره (Single Pole Double Throw) یا SPDT
- دو قطب تک مسیره (Double Pole Single Throw) یا DPST
- دو قطب دو مسیره (Double Pole Double Throw) یا DPDT
رله تک قطبی، تک پرتاب (SPST):
این شامل تنها یک قطب و یک پرتاب است. به طور کلی ، مسیر بسته یا باز است (در هیچ پایانه ای دست نخورده باقی می ماند). دکمه فشاری بهترین نمونه از این نوع است. وقتی دکمه را فشار می دهیم ، مخاطب در حالت بسته قرار دارد و وقتی آزاد می شود ، مخاطب در موقعیت باز قرار می گیرد ، که از تصویر زیر قابل درک است.
رله تک قطب با پرتاب دوگانه (SPDT):
این نوع سوئیچ ها تنها شامل یک تیر است اما دارای دو پرتاب است. بنابراین تماس همیشه با هر یک از پایانه ها برقرار می شود. یک کلید کشویی را می توان به عنوان مثال آن در نظر گرفت. لغزنده همیشه به هر یک از مخاطبین متصل است یعنی اگر هر دو پایانه به یک مدار متصل باشند ، یک مسیر بسته همیشه وجود دارد.
رله دو قطب، تک پرتاب (DPST):
دارای دو قطب و پرتاب است. مخاطبین آن یا باز یا بسته می شوند که به طور همزمان انجام می شود. Toggle switch روی این ویژگی کار می کند. هنگامی که سوئیچ از یک موقعیت به موقعیت دیگر تغییر می کند ، هر دو مخاطب به طور همزمان منتقل می شوند.
رله دو قطب، دو پرتاب (DPDT):
این نوع سوئیچ ها دارای دو قطب هستند اما قطب جداگانه دارای دو پرتاب است. بنابراین ، به عنوان پرتاب دوگانه نامیده می شود و عمل تعویض به طور مشابه و همزمان برای هر دو قطب انجام می شود. یک سوئیچ در یک تریمر استاندارد از نوع DPDT است زیرا در حالی که ما تریمر را شارژ می کنیم و هنگامی که کلید تریمر در حالت ON است ، به طور خودکار شارژ متوقف می شود به این معنی که سوئیچ ها در مدار شارژ به صورت داخلی باز شده اند.
کاربردهای رله:
کاربردهای رله نامحدود است و عملکرد اصلی آن کنترل مدار ولتاژ بالا (مدار AC 230ولت) با منبع تغذیه ولتاژ پایین (ولتاژ DC) است.
- رله ها نه تنها در مدارهای الکتریکی بزرگ استفاده می شوند بلکه در مدارهای رایانه ای نیز به منظور انجام عملیات حسابی و ریاضی در آن استفاده می شوند.
- برای کنترل کلیدهای موتور الکتریکی استفاده می شود. برای روشن کردن موتور الکتریکی به منبع تغذیه 230 ولت نیاز داریم اما در موارد محدود، ممکن است وضعیتی برای روشن شدن موتور با ولتاژ منبع تغذیه DC وجود داشته باشد. در این موارد می توان از رله استفاده کرد.
- تثبیت کننده های خودکار یکی از مواردی است که در آن از رله استفاده می شود. هنگامی که ولتاژ منبع تغذیه غیر از ولتاژ نامی است، مجموعه ای از رله ها تغییرات ولتاژ را حس می کنند و مدار بار را با کمک قطع کننده های مدار کنترل می کنند.
- در صورت وجود بیش از یک مدار در سیستم، برای انتخاب مدار استفاده می شود.
- مورد استفاده در تلویزیون
- در کنترل کننده های سیگنال ترافیک
- در کنترل کننده های دما
