مرحل الحالة الصلبة

المرحل ذو الحالة الصلبة ( SSR ) هو جهاز تحويل إلكتروني يعمل على تشغيل أو إيقاف التيار عند تطبيق جهد خارجي (متردد أو مستمر) على أطراف التحكم الخاصة به. يؤدي نفس وظيفة المرحل الكهروميكانيكي ، ولكن إلكترونيات الحالة الصلبة لا تحتوي على أجزاء متحركة ولها عمر تشغيلي أطول. تم اختراع المرحلات ذات الحالة الصلبة عام 1971 من قبل قسم Crydom Controls التابع لشركة International Rectifier . ^{[ 1 ]}

تتكون المرحلات الحالة الصلبة (SSRs) من مستشعر يستجيب لإشارة تحكم مناسبة ، وجهاز تحويل إلكتروني يقوم بتوصيل الطاقة إلى دائرة الحمل، وآلية ربط تُمكّن إشارة التحكم من تفعيل هذا المفتاح دون الحاجة إلى أجزاء ميكانيكية. يمكن تصميمها لتحويل أحمال التيار المتردد أو المستمر . تستخدم المرحلات الحالة الصلبة المُغلّفة أجهزة أشباه موصلات الطاقة ، مثل الثايرستورات والترانزستورات ، لتحويل تيارات تصل إلى حوالي 100 أمبير . تتميز المرحلات الحالة الصلبة بسرعات تحويل عالية مقارنةً بالمرحلات الكهروميكانيكية، ولا تحتوي على نقاط تلامس مادية قابلة للتلف. مع ذلك، لا تستطيع المرحلات الحالة الصلبة تحمّل زيادة الحمل اللحظية الكبيرة كما تفعل المرحلات الكهروميكانيكية، ولها مقاومة تشغيل أعلى.

تتضمن المرحلات الإلكترونية الحديثة بشكل متزايد ميزات تشخيص وحماية مدمجة ، مثل إيقاف التشغيل عند ارتفاع درجة الحرارة ، ومراقبة الأحمال ، واكتشاف قصر الدائرة . تساعد هذه الحمايات المدمجة على إطالة عمر المرحل ومنع تلف الأحمال المتصلة أو الدوائر الكهربائية، خاصة في بيئات الأتمتة الصناعية. ^{[ 2 ]}

في دوائر التيار المتردد، تنقطع مقومات السيليكون المتحكم بها (SCR) ومرحلات الترياك تلقائيًا عند نقطة عبور الصفر للتيار المتردد عندما يكون تيار الحمل صفرًا. لن تنقطع الدائرة أبدًا في منتصف ذروة الموجة الجيبية، مما يمنع حدوث الفولتيات العابرة الكبيرة التي قد تحدث لولا ذلك نتيجة الانهيار المفاجئ للمجال المغناطيسي حول المحاثة. بإضافة كاشف نقطة الصفر (مع عدم وجود محاثة معاكسة في الدائرة وما ينتج عنها من قوة دافعة كهربائية عكسية )، يمكن إعادة تشغيل مقومات السيليكون المتحكم بها (SCR) بشكل فردي عند بداية موجة جديدة. تُسمى هذه الخاصية بتبديل عبور الصفر.

يمكن أن يعمل مرحل الحالة الصلبة (SSR) المبني على ترانزستور MOSFET واحد ، أو عدة ترانزستورات MOSFET موصولة على التوازي، بكفاءة مع أحمال التيار المستمر (DC). تحتوي ترانزستورات MOSFET على ثنائي ركيزة داخلي يسمح بمرور التيار في الاتجاه المعاكس، لذا لا يستطيع ترانزستور MOSFET واحد منع التيار في كلا الاتجاهين. للتشغيل ثنائي الاتجاه (AC)، يتم ترتيب ترانزستورين MOSFET متقابلين مع توصيل طرفي المصدر معًا. يتم توصيل طرفي التصريف بجانبي الخرج. يتم تحيز ثنائيات الركيزة عكسيًا بالتناوب لمنع التيار عندما يكون المرحل مطفأً. عندما يكون المرحل موصولًا، يكون المصدر المشترك دائمًا عند مستوى الإشارة اللحظي، ويتم تحيز كلا البوابتين بشكل موجب بالنسبة للمصدر بواسطة الثنائي الضوئي.

من الشائع توفير منفذ إلى المصدر المشترك لتوصيل عدة ترانزستورات MOSFET بالتوازي عند تشغيل حمل تيار مستمر. وعادةً ما تُستخدم شبكة لتسريع إيقاف تشغيل الترانزستور MOSFET عند فصل إشارة التحكم.

قد تستخدم المرحلات الحالة الصلبة (SSRs) لتطبيقات تبديل التيار المستمر MOSFETs أو IGBTs .

يُعد اختيار النوع المناسب من SSR ^{[ 3 ]} أمرًا مهمًا، خاصة عندما يتطلب التطبيق حالة تشغيل/إيقاف حساسة للوقت بدون أي تغيير.

التطبيقات التي تتطلب تبديل التشغيل/الإيقاف الحساس للوقت، يجب أن تستخدم أنواع تصميم الترانزستور أو MOSFET لأنها لا تخضع لتغيرات عبور الصفر المتأصلة التي ستظهرها أجهزة SCR أو TRIAC.

يجب ربط إشارة التحكم بالدائرة المتحكم بها بطريقة توفر عزلاً كهربائياً بين الدائرتين.

تستخدم العديد من المرحلات الحالة الصلبة (SSRs) اقترانًا ضوئيًا . يُشغّل جهد التحكم مصباح LED داخليًا ، فيضيء ويُشغّل بدوره ثنائيًا حساسًا للضوء (كهروضوئيًا)؛ ويُشغّل تيار الثنائي ثايرستورًا ( TRIAC ) أو مُقوّمًا سيليكاتيًا ( SCR ) أو ترانزستورًا ذا تأثير مجال (MOSFET) لتشغيل الحمل. يسمح الاقتران الضوئي بعزل دائرة التحكم كهربائيًا عن الحمل.

معظم المزايا النسبية للمرحلات ذات الحالة الصلبة مقارنة بالمرحلات الكهروميكانيكية مشتركة بين جميع الأجهزة ذات الحالة الصلبة عند مقارنتها بالأجهزة الكهروميكانيكية.

• تشغيل صامت تمامًا. ^{[ 4 ]}
• تتميز المرحلات الحالة الصلبة (SSRs) بسرعة تبديل أعلى من المرحلات الكهروميكانيكية؛ ويعتمد زمن التبديل لمرحل الحالة الصلبة النموذجي ذي الاقتران البصري على الوقت اللازم لتشغيل وإيقاف تشغيل الصمام الثنائي الباعث للضوء (LED) - وهو ما يتراوح بين الميكروثانية والمللي ثانية. ^{[ 4 ]}
• زيادة في العمر الافتراضي، حتى لو تم تشغيله عدة مرات، حيث لا توجد أجزاء متحركة قابلة للتآكل ولا نقاط تلامس قابلة للتآكل أو تراكم الكربون. ^{[ 4 ]}
• عملية نظيفة وخالية من الارتداد . ^{[ 4 ]}

تتميز المرحلات الحالة الصلبة (SSRs) بعدد من المعايير، بما في ذلك جهد وتيار الدخل اللازمين للتشغيل، وجهد وتيار الخرج، وما إذا كان تيارًا مترددًا أو مستمرًا، وانخفاض الجهد أو المقاومة التي تؤثر على تيار الخرج، والمقاومة الحرارية ، والمعايير الحرارية والكهربائية لمنطقة التشغيل الآمنة (مثل خفض القدرة وفقًا للمقاومة الحرارية عند التبديل المتكرر لتيارات عالية). ويمكن أن تتضمن المرحلات الحالة الصلبة أيضًا دوائر عبور الصفر لتشغيل أو إيقاف الجهد فقط عندما يكون جهد التيار المتردد عند الصفر. ويمكن للمرحلات الحالة الصلبة التناسبية تأخير بدء الجهد بعد عبور الصفر لخفض تيار الخرج (التحكم في زاوية الطور).

• دائرة حماية من أعطال التيار المستمر لمكبرات الصوت
• مسرد مصطلحات مرحلات الحالة الصلبة
• مرحلات الحالة الصلبة من شركة ناشونال إنسترومنتس