مرحل الحالة الصلبة هو مرحل يتكون من مكونات الحالة الصلبة (مثل أجهزة أشباه الموصلات) كمكونات رئيسية. بالمقارنة مع المرحلات الميكانيكية التقليدية، فإن مرحلات الحالة الصلبة لها العديد من الاختلافات والمزايا. فيما يلي تفصيل لتعريف مرحلات الحالة الصلبة ومبدأ عملها وبنيتها ومزاياها ومجالات تطبيقها.
1. تعريف مرحل الحالة الصلبة:
مرحل الحالة الصلبة (اختصار كلمة sr)، يتكون التركيب الكامل لمرحل الحالة الصلبة من مكونات إلكترونية ذات حالة صلبة، وهو نوع جديد من أجهزة التبديل بدون لمس فوق الأجهزة الكهربائية الصناعية. ما هو مفتاح الاتصال، في الواقع، هو استخدام مكونات إلكترونية (مثل ثلاثي القطب، والتحكم في السيليكون ثنائي الاتجاه وأجهزة أشباه الموصلات الأخرى) خصائص التبديل، يمكن تحقيق غرض عدم وجود شرارة للمس وإيقاف تشغيل الدائرة، لذلك يُعرف أيضًا باسم "مفتاح الاتصال". مرحل الحالة الصلبة هو جهاز نشط بأربعة أطراف، حيث يكون الطرفان طرفي تحكم في الإدخال والطرفان الآخران طرفي تحكم في الإخراج. لديه كل من تأثير محرك التضخيم وتأثير العزل
2. مبدأ عمل مرحل الحالة الصلبة:
مرحل الحالة الصلبة هو مفتاح بدون لمس. يعتمد مبدأ عمله على الخصائص الموصلة لجهاز أشباه الموصلات. يحتوي على دائرة تحكم وحلقة تحميل. عندما يتم تطبيق إشارة التحكم على دائرة التحكم عندما يعمل المرحل بشكل طبيعي، يمر نموذج التحكم عبر عنصر أشباه الموصلات في دائرة التحكم، ومن ثم يمكن للتيار أن يمر عبر دائرة الحمل لتحقيق تشغيل المفتاح. في الواقع، يمكن التحكم في حالة المفتاح عن طريق تغيير حجم جهد التحكم في الإدخال.
3. هيكل مرحل الحالة الصلبة:
مدخل:
وفقًا للفئات المختلفة لجهد الإدخال، يمكن تقسيم دائرة الإدخال إلى دائرة إدخال تيار مستمر ودائرة إدخال تيار متردد ودائرة إدخال تيار متردد/تيار مستمر. تحتوي بعض دوائر التحكم في الإدخال أيضًا على وظائف التحكم المنطقي المتوافقة والإيجابية والسلبية والعكسية مع TTL/CMOS، ويمكن توصيلها بسهولة بدوائر المنطق TTL وMOS.
بالنسبة لإشارة التحكم ذات جهد التحكم الثابت، يتم اعتماد دائرة إدخال المقاومة. يتم ضمان تيار التحكم عند أكثر من 5 مللي أمبير. بالنسبة لإشارة التحكم ذات نطاق التباين الكبير (مثل 3 ~ 32 فولت)، يتم اعتماد دائرة التيار المستمر لضمان عمل التيار بشكل موثوق عند أكثر من 5 مللي أمبير في نطاق التباين الكامل للجهد.
اقتران العزل
تشمل عملية عزل وربط دائرة الإدخال والإخراج لمرحل الحالة الصلبة الاقتران الكهروضوئي واقتران المحول: يستخدم الاقتران الكهروضوئي عادةً ثنائي ضوئي-ثلاثي ضوئي، ثنائي ضوئي-سيليكون ثنائي ضوئي ثنائي الاتجاه يتم التحكم فيه بالضوء، خلية كهروضوئية، مما يحقق التحكم في العزل بين جانب التحكم وجانب الحمل. يستخدم اقتران المحول عالي التردد إشارة عالية التردد مقترنة بالثانوي، يتم تصحيحها عن طريق فحص الموجة، والدائرة المنطقية لتشكيل إشارة القيادة.
دائرة الإخراج
يتم توصيل مفتاح الطاقة الخاص بـ SSR مباشرة بمصدر الطاقة ونهاية الحمل، مما يحقق تشغيل وإيقاف مصدر طاقة الحمل. يستخدم بشكل أساسي ترانزستورات بلورية عالية الطاقة (ترانزستور أنبوب التبديل)، أحادي الاتجاه (ثايرستور أو SCR)، ثنائي الاتجاه (ترياك)، أنبوب تأثير مجال الطاقة (MOSFET)، ترانزستور ثنائي القطب ذو بوابة معزولة (IGBT). يمكن أيضًا تقسيم دائرة خرج مرحل الحالة الصلبة إلى دائرة خرج تيار مستمر ودائرة خرج تيار متردد ودائرة خرج تيار متردد / مستمر. وفقًا لنوع الحمل، يمكن تقسيمها إلى مرحل الحالة الصلبة DC ومرحل الحالة الصلبة AC. يمكن استخدام الأجهزة ثنائية القطب أو أنابيب تأثيرات مجال الطاقة لإخراج التيار المستمر، وعادةً ما يتم استخدام اثنين من SCR أو واحد ثنائي الاتجاه لإخراج التيار المتردد. يمكن تقسيم مرحل الحالة الصلبة AC إلى مرحل الحالة الصلبة AC أحادي الطور ومرحل الحالة الصلبة AC ثلاثي الطور. يمكن تقسيم مرحل الحالة الصلبة AC إلى مرحل الحالة الصلبة AC عشوائي ومرحل الحالة الصلبة AC فوق الصفر وفقًا لتوقيت التوصيل والإغلاق.
4. الاختلافات والمزايا:
(1) السرعة: سرعة استجابة مرحل الحالة الصلبة أسرع، لأنه يتم التحكم فيه بواسطة أجهزة أشباه الموصلات، وهو مرحل ميكانيكي بدون مكونات ميكانيكية. وبالتالي، يمكن أن تصل سرعة تبديل مرحل الحالة الصلبة إلى مستوى الميكروثانية، وهو أعلى بكثير من مستوى الملي ثانية للمرحل الميكانيكي.
(2) العمر: نظرًا لعدم وجود هيكل ميكانيكي، فإن عمر مرحل الحالة الصلبة أطول. الأجزاء الميكانيكية للمرحلات الميكانيكية معرضة للتآكل وعرضة للفشل بعد الاستخدام الطويل، في حين أن مرحلات الحالة الصلبة لا تعاني من هذه المشكلة، وبالتالي يمكنها توفير عمر أطول.
(3) الصمت: سيصدر مرحل الحالة الصلبة صوت تأثير ميكانيكي أثناء عملية التبديل، ولا يوجد حركة ميكانيكية في مرحل الحالة الصلبة، ولا يوجد مفتاح اتصال في مرحل الحالة الصلبة، ولن يكون هناك صوت تأثير ميكانيكي للمرحل. لن ينتج مرحل الحالة الصلبة هذا ضوضاء، وهو أكثر هدوءًا.
(4) الحجم: الفرق فوق الحجم، مقارنة بحجم مرحل الحالة الصلبة، سيكون حجم مرحل الحالة الصلبة أصغر، ويشغل مساحة أقل. يتمتع بطبيعة محمولة أكبر. كما أن الحجم الصغير لمرحل الحالة الصلبة يمكّنه من تحقيق كثافة دائرة أعلى في مساحة محدودة، ويمكن تطبيقه بشكل أفضل في بعض المناطق ذات المساحة المحدودة أو متطلبات الوزن العالية.
(5) الموثوقية: مرحل الحالة الصلبة لا يوجد به اتصال ميكانيكي، وهو مفتاح بدون اتصال. لا تتدهور مرحلات الحالة الصلبة بسبب التآكل الميكانيكي ولا يمكنها إنتاج ظاهرة القوس، مما يطيل عمر خدمتها بشكل كبير. وسرعة تبديل مرحل الحالة الصلبة سريعة جدًا، ويمكن أن تصل إلى وقت استجابة من عدة مللي ثانية إلى عدة ميكروثانية، وتتمتع بموثوقية عالية وعمر طويل بسبب خصائص مكوناتها الإلكترونية المتأصلة. هيكل مرحل الحالة الصلبة محكم الغلق تمامًا، مع مقاومة جيدة للاهتزاز ومقاومة للتأثير الميكانيكي، ومناسب للعمل في بيئة عالية التأثير والاهتزاز. يتمتع الغلاف أيضًا بخصائص جيدة مقاومة للرطوبة والعفن والتآكل، ومناسب لجميع أنواع البيئات القاسية.
5. مجالات التطبيق:
تُستخدم مرحلات الحالة الصلبة على نطاق واسع في مجالات مختلفة، بما في ذلك:
(1) نظام التحكم في الأتمتة الصناعية: يحتاج نظام التحكم في الأتمتة الصناعية إلى تشغيل مفتاح عالي السرعة وفعال، ويمكن لمرحل الحالة الصلبة تلبية هذه المتطلبات، ويمكنه تحمل ضوضاء البيئة الصناعية والتداخل الكهرومغناطيسي والعوامل السلبية الأخرى.
(2) الأجهزة المنزلية: تُستخدم مرحلات الحالة الصلبة على نطاق واسع في الأجهزة المنزلية، مثل الفرن الكهربائي، وفرن الميكروويف، وسخان المياه الكهربائي، وما إلى ذلك. ونظرًا لموثوقيتها وخصائصها الطويلة العمر، يمكنها تحسين عمر الخدمة وكفاءة عمل الأجهزة المنزلية.
(3) المعدات الطبية: تتمتع المعدات الطبية بمتطلبات عالية من الدقة والموثوقية، ويمكن أن توفر مرحلات الحالة الصلبة تحكمًا أكثر استقرارًا ودقة في التبديل، لذلك يتم استخدامها على نطاق واسع في المعدات الطبية.
(4) إلكترونيات الطاقة: يتزايد أيضًا تطبيق مرحلات الحالة الصلبة في مجال إلكترونيات الطاقة تدريجيًا، مثل محولات التردد، والعاكسات، وأكوام الشحن.
في الختام، فإن مرحلات الحالة الصلبة هي مرحلات تستخدم أجهزة أشباه الموصلات كمكونات رئيسية، مع مزايا السرعة العالية والعمر الطويل والصمت والحجم الصغير والموثوقية العالية. تُستخدم على نطاق واسع في الأتمتة الصناعية والأجهزة المنزلية والمعدات الطبية والإلكترونيات القوية. تجعل هذه الميزات مرحلات الحالة الصلبة بديلاً مثاليًا للمرحلات الميكانيكية.
مرحلات الحالة الصلبة الموصى بها
حجم صغير وأداء ممتاز
عمر افتراضي طويل ووقت تشغيل مستقر وضمان لمدة عام واحد
مقاوم للماء والصدمات. مناسب لمعظم البيئات، مع أداء مستقر