رله ها: ساختار، عملکرد و انواع
در این آموزش شما را با رله آشنا می کنیم و مواردی مانند رله چیست؟ نحوه‌ی عملکرد آن چگونه است؟ چه انواعی دارد؟ را باهم بررسی میکنیم.
یکی از اصلی‌ترین و قدیمی‌ترین کاربردهایی که از رله‌ها در طول تاریخ وجود داشته است، استفاده از آن‌ها در ارسال و دریافت اطلاعات است. احتمالا نام روش کد گذاری مورس را شنیده‌اید. در این روش پیام‌ها در قالب سیگنال‌های 0 و 1 مدل شده و ارسال می‌شدند. در سوی دیگر، این 0 و 1های ارسالی را چگونه دریافت می‌کردند؟ تغییر سطح سیگنال را به صورت مکانیکی مدل کرده و تفاوت آن‌ها را متوجه می‌شدند. این روش مکانیکی مثلا می‌توانست روشن و خاموش شدن یک لامپ حبابی، متناظر با سطح بالا یا پایین سیگنال دریافتی باشد و یا یک بوق هشدار کوچک در صورت دریافت سیگنال سطح بالا. این تبدیل و برقراری تناظر میان سیگنال‌های الکتریکی و یک عمل مکانیکی ملموس، از طریق الکترومگنتها رخ می‌داد. بعدها از همین ایده‌ی اولیه استفاده شده و در بسیاری کاربردهای دیگر نیز توسعه پیدا کرد. در این مقاله، قصد داریم در این باره صحبت کنیم که این الکترومگنتها چگونه می‌توانند مانند یک سوییچ رفتار کنند و چه شد که به مرور آن‌ها را رله نامیدند. با ما همراه باشید.
رله چیست؟
رله‌ها را میتوان در انواع مختلفی گروه‌بندی کرد اما اگر بخواهیم یک رله‌ی عمومی و استاندارد را در نظر بگیریم، میتوان گفت رله مجموعه‌ای از الکترومگنت‌هایی است که به طور کلی به عنوان سوییچ استفاده می‌شوند. اگر به لغت‌نامه‌ها و دیکشنری‌های تخصصی هم مراجعه کنیم، تعریفی که برای رله ارائه داده‌اند چیزی از این قرار است که رله به هر وسیله‌ای گفته می‌شود که کار آن رساندن یک محموله از چیزی به چیز دیگر است. اگر دقت کنیم، تعریف چندان بی‌ربطی هم نیست. رله در اصطلاح الکترونیکی آن نیز وسیله‌ای است که بواسطه‌ی آن، سیگنالی از یک قسمت مدار، عملکرد بخش دیگری از مدار را به صورت سوییچی کنترل می‌کند. به طور ضمنی انگار آن سیگنال از یک قسمت مدار به قسمت دیگری تحویل داده شده و در آن‌جا تاثیرگذار بوده است.
بنابراین از این لحظه به بعد این تعریف را به صورت یک تعریف مشترک و روشن، برای رله با هم توافق میکنیم: «رله، سوییچی (کلیدی) است که میتوان به کمک آن عملکرد یک مدار را به صورت الکترومکانیکی (قطع و وصل شدن کلید) کنترل کرد و مهم‌ترین ویژگی آن این است که می‌تواند یک اتصال را بدون دخالت دست انسان و تنها با تحریک یک سیگنال قطع یا وصل کند.»
یکی از مهم‌ترین کاربردهای چنین ابزاری می‌تواند در کنترل مدارهای توان بالا (high-poewer) باشد. کافی است یک سیگنال توان پایین DC داشته باشیم تا بتوانیم عملکرد چنین مدارهایی را به خوبی کنترل کنیم. مثلا کنترل جریان برق AC بوسیله‌ی سیگنال‌های DC میکروکنترلر.
طرح ساختاری یک رله
یک رله‌ی الکترومکانیکی را میتوان به راحتی و با کنار هم گذاشتن چند قطعه‌ی معمولی و در دسترس ساخت. قطعاتی مانند آرمیچر، تعدادی کنتاکت، یوک، الکترومگنت و یک استند یا قاب یا چیزی شبیه این. در تصاویری که در ادامه قرار داده‌ایم، ساختار داخلی یک رله‌ی الکترومکانیکی که از همین قطعات ساخته شده است را می‌توانید ببینید. همان‌طور که می‌بینید قطعات با یک نظم و آرایش منطقی و مشخص در کنار هم قرار داده شده‌اند تا چیزی را بسازند که ما به آن رله می‌گوییم.
حالا بیایید با هرکدام از این قطعات سازنده به طور جداگانه هم آشنا شویم.
الکترومگنت (آهنربای الکتریکی)
این قطعه در ساختار یک رله نقشی کلیدی را برعهده دارد. به طور صریح و مختصر اگر بخواهیم آن را معرفی کنیم؛ یک قطعه‌ی فلزی که در حالت عادی خاصیت آهنربایی ندارد، اما در صورتی که در معرض یک سیگنال الکتریکی قرار بگیرد، قابلیت این را دارد که خاصیت آهنربایی از خود نشان دهد. احتمالا همه‌ی ما از مفاهیم پایه‌ی الکترونیک و مغناطیس این نکته را به خاطر داریم که اگر از یک قطعه‌ی رسانا جریان الکتریکی عبور دهیم، آن قطعه دارای خاصیت مغناطیسی و آهنربایی خواهد شد. بنابراین اگر ما یک هسته‌ی فلزی را با مقادیر کافی سیم‌پیچ مسی سیم‌پیچی کنیم و یک جریان مشخص و به اندازه‌ی کافی بزرگ از آن عبور دهیم، در عمل یک آهنربای الکتریکی خواهیم داشت که می‌تواند فلزاتی را که در محدوده‌ی تاثیرگذاری‌اش قرار دارند را به سمت خود جذب کند.
آرمیچر متحرک
یک قطعه‌ی فلزی که بر روی یک پایه یا محور قرار داده شده است و قابلیت دوران یا جا‌به‌جایی حول آن محور را دارد. وظیفه‌ای که در ساختمان رله بر عهده دارد این است که به کمک زبانه‌ی کوچکی که به آن متصل می‌شود، می‌تواند یک اتصال را ببندد یا باز کند.
کنتاکت
همان کنتاکت‌های معروف الکتریکی که در داخل ابزارها قرار گرفته و ترمینال‌ها را متصل می‌کنند.
یوک
یک قطعه‌ی کوچک فلزی است که روی یک مرکز ثابت شده است و کار آن نگه‌داشتن آرمیچر در زمان ارسال سیگنال جریان به سیم‌پیچ است.
اسپرینگ فنری
استفاده یا عدم استفاده از این قطعه در ساختار رله اختیاری است. هرچند که رله‌های کمی هستند که از آن استفاده نمی‌کنند. اگر قرار باشد از آن استفاده کنیم، آن را به یکی از سرهای آرمیچر متصل میکنیم تا از آزادی و راحتی حرکت آن اطمینان داشته باشیم. در واقع وظیفه‌ی آن تسهیل حرکت آرمیچر است. در مواردی میتوان به جای آن از قطعات دیگری نیز استفاده نمود.
ساختمان رله و نحوه عملکرد آن
در این تصویر شماتیکی از ساختمان داخلی رله و چگونگی قرار گرفتن اجزای سازنده‌ی آن را می‌بینید.
همان‌طور که در تصویر مشخص است، بر روی یک سطح، یک هسته داریم که به دور آن سیم‌هایی از جنس مس پیچیده‌ایم. به عبارت دقیق‌تر یک سیم‌پیچ تشکیل داده‌ایم. هم‌چنین یک آرمیچر متحرک داریم که به کمک یک ستون که می‌تواند اسپرینگ ساپورت یا یک پایه‌ی نگه‌دارنده‌ی دیگر باشد، در جای خود قرار گرفته است. به سر دیگر آرمیچر یک کنتاکت متصل است. مجموعه‌ی آرمیچر و نگه‌دارنده و کنتاکت، به گونه‌ای بر سیم‌پیچ محاط شده‌اند که در صورت جاری شدن جریان در سیم‌پیچ و برقرار شدن خاصیت الکترومغناطیسی در آن، آرمیچر را به سمت خود جذب کند. سر متحرک آرمیچر را معمولا به عنوان یک ترمینال مشترک در نظر می‌گیرند چرا که به مدار خارجی هم متصل می‌شود. رله دارای دو عدد پین نیز هست که نرمال باز (NO) و نرمال بسته (NC) نام دارند. پین نرمال بسته به آرمیچر یا همان ترمینال مشترک متصل است اما پین نرمال باز، به جایی متصل نیست (در زمان عدم برقراری جریان در سیم‌پیچ). برای درک درست توضیحات مجددا به تصویر فوق نگاه کنید.
با برقرار شدن جریان و خاصیت آهنربایی در سیم‌پیچ، آرمیچر توسط هسته‌ی آهنربایی جذب شده و به سمت آن شروع به حرکت می‌کند. در نتیجه به پین نرمال باز متصل شده و تا هر زمان که جریان برقرار باشد، این اتصال برقرار خواهد ماند. با قطع جریان و از بین رفتن خاصیت آهنربایی سیم‌پیچ، آرمیچر رها شده و مجددا به محل اولیه‌ی خود برمی‌گردد. در نتیجه اتصال باز می‌شود. در تصویر زیر هم یک نمای مداری از رله را می‌توانید ببینید.
رله‌ها چگونه کار می‌کنند؟
زمانی که رله در موقعیت نرمال بسته قرار داشته باشد
گفتیم که اگر هیچ ولتاژی به سیم‌پیچ اعمال نشود، هسته‌ی آهنی آن در حالت طبیعی از خود خاصیت مغناطیسی نشان نخواهد داد. بنابراین نمی‌تواند آرمیچر متحرک را به سمت خود جذب کند. بنابراین حالت اولیه‌ی این رله این است که آرمیچر در موقعیت پین نرمال بسته قرار دارد.
زمانی که رله در موقعیت نرمال باز قرار داشته باشد
همین که ولتاژ با بزرگی کافی به سیم‌پیچ اعمال شود، سیم‌پیچ یک میدان مغناطیسی در اطراف خود تولید می‌کند و هسته از خود خاصیت آهنربایی بروز می‌دهد. از آن‌جا که آرمیچر در محدوده‌ی تاثیر این میدان است، به سمت هسته‌ی آهنربایی جذب شده و در نتیجه با به حرکت در آمدن آن، موقعیتش از موقعیت اولیه تغیر خواهد کرد. در این شرایط سر متحرک رله به پین نرمال باز متصل شده و اتصالی را در مدار خارجی متصل به رله رقم می‌زند که به موجب آن وضعیت عملکرد مدار نیز دستخوش تغییر خواهد شد. مثلا در تصویر زیر می‌بینیم که موجب روشن شدنLED مدار شده است.
نکته‌ای که احتمالا متوجه آن شدید این است که عملکرد مدار خارجی وابسته به وضعیت اتصالی است که رله کنترل آن را به عهده دارد. این دقیقا همان نقش رله است که از آن صحبت می‌کردیم و احتمالا حالا دیگر با ذکر این مثال کاملا ملموس شده باشد.
پس اگر بخواهیم یک بار دیگر جمع‌بندی و مرور کنیم، زمانی که سیم‌پیچ را با یک تغذیه‌ی مناسب شارژ کنیم، دارای خاصیت مغناطیسی شده و آرمیچر را به سمت خود می‌کشد. به این ترتیب اتصال نرمال باز رله بسته می‌شود. با قطع کردن سیگنال شارژ کننده‌ی سیم‌پیچ، خاصیت مغناطیسی آن هم از بین می‌رود و آرمیچر را رها می‌کند. در نتیجه اتصال مذکور باز می‌شود.
در تصویر بعدی خلاصه‌ای از عملکرد و نقش رله در یک مدار را به صورت انیمیشن می‌بینید.
انواع مختلف رله‌ها
به غیر از رله‌های الکترومغناطیسی، انواع مختلف دیگری از رله‌ها نیز وجود دارند که بر مبنای اصولی به جز اصول الکترومغناطیسی کار می‌کنند. بنابراین رله‌ها را میتوان با در نظر گرفتن فاکتورهای مختلفی دسته‌بندی کرد. چند نمونه از این دسته‌بندی‌ها را به عنوان نمونه با هم ببینیم.
انواع رله‌ها براساس اصل عملکردی آن‌ها
رله‌های الکتروترمال (الکتروگرمایی)
اگر دو ماده از دو جنس مختلف را به هم متصل کنیم، تشکیل یک نوار Bi-metal یا دوفلزی می‌دهند. زمانی که به چنین قطعه‌ای انرژی گرمایی داده شود، تمایل به خم شدن پیدا می‌کند چرا که ضریب انبساط گرمایی آن دو با هم متفاوت است. به خاطر وجود چنین خاصیتی از این رله برای قطع و وصل کردن یک اتصال بهره می‌برند.
رله‌های الکترومکانیکی
رله‌هایی که تا این لحظه در موردشان صحبت کردیم در این گروه جای دارند. رله‌هایی که با استفاده از چند قطعه‌ی مکانیکی ساخته شده و مبتنی بر خواص الکترومغناطیسی عمل می‌کنند.
رله‌های حالت جامد (solid-state)
به جای استفاده از قطعات مکانیکی که در رله‌های دو گروه قبل از آن‌ها استفاده می‌شود، این رله‌ها از قطعات نیمه-رسانا استفاده می‌کنند. بنابراین قابلیت سوییچ کردن آن‌ها بهتر و سریع‌تر است. همین قابلیت و نیز طول عمر نسبتا طولانی‌تر نسبت به رله‌های دو گروه قبلی، از مزیت‌های رله‌های حالت جامد محسوب می‌شوند.
رله‌های هیبرید یا ترکیبی
رله‌هایی که در ساختمان آن‌ها از ترکیبی از قطعات الکترومکانیکی و نیمه رسانا استفاده شده است.
انواع رله‌ها براساس پلاریتی ( قطبیت)
رله‌های قطبی (ploarized)
تقریبا مشابه رله‌های الکترومکانیکی هستند با این تفاوت که در ساختمان آن‌ها هم از آهنرباهای دائمی و هم از الکترومگنتها استفاده شده است. حرکت آرمیچر در این حالت وابسته به قطبیت سیگنالی است که به سیم‌پیچ وارد می‌شود. در کاربردهای تلگرافی از این نوع رله‌ها استفاده می‌شود.
رله‌های غیرقطبی (non-polarized)
در این گونه رله‌ها سیم‌پیچ الکترومگنت دارای قطب‌های متمایزی نیست و حتی اگر قطبیت سیگنال اعمال شده به آن معکوس شود در عملکرد آن تغییری ایجاد نمی‌شود.
ترکیب قطب‌ها و حالت‌ها در رله
یکی دیگر از مبناهای تقسیم‌بندی رله‌ها و سوییچ‌ها، تقسیم بندی آن‌ها براساس قطب ترکیبات مختلف قطب (pole) و حالت (throw) است. هر قطب را میتوان مانند یک ترمینال ورودی در نظر گرفت و در مقابل هر حالت را میتوان مانند یک ترمینال خروجی. خب حالا ببینیم ترکیب این دو چه رله‌هایی را می‌تواند تولید کند.
رله‌های تک قطبی – تک حالته (SPST )
همان‌طور که از نام آن مشخص است دارای یک قطب و یک حالت می‌باشد. عملکرد این سوییچ‌ها به طور کلی به این صورت است که مسیر عبور سیگنال در آن‌ها در هر حالت یا باز و یا بسته است. ساده ترین مثال از این دسته کلیدهای فشاری معمولی هستند. زمانی که دکمه را فشار می‌دهیم اتصال در وضعیت بسته است و با رها کردن کلید اتصال نیز در موقعیت باز قرار می‌گیرد. این عملکرد را در تصویر زیر می‌توانید ببینید.
رله‌های تک قطبی – دو حالته (SPDT)
در اینجا از نام گروه مشخص است که سوییچ‌هایی داریم که دارای یک قطب و دو حالت هستند. بنابراین اتصال بالاخره به یکی از ترمینال‌های خروجی متصل است و همواره یک مسیر برای عبور سیگنال وجود دارد. به عنوان یک مثال از این گروه می‌توانیم از سوییچ‌های لغزشی نام ببریم. زبانه متحرک سوییچ را به هر کدام از دو سمت که ببریم، یکی از دو مسیر اتصال موجود بسته و دیگری باز می‌شود. در واقع مدار همواره برقرار است منتها بسته به سمتی که کلید را قرار می‌دهیم مسیر آن قسمت از مدار می‌تواند متفاوت شود.
رله‌های دوقطبی – تک حالته (DPST)
در اینجا دو قطب و یک حالت داریم. در توضیح آن می‌توانیم این طور بگوییم که دو مسیر وجود دارد اما هر دو همزمان یک وضعیت دارند. یعنی یا هر دو دارای اتصال باز هستند یا هر دو دارای اتصال بسته. سوییچ‌های اهرمی ( تاگل سوییچ‌ها) از رله‌هایی هستند که در این دسته قرار می‌گیرند.
رله‌های دوقطبی – دو حالته (DPDT)
دو قطب داریم که هر کدام از آن‌ها دارای دو حالت یا اصطلاحا دو مسیر هستند و عمل سوییچینگ برای هر دوی این قطب‌ها به صورت مشابه اتفاق می‌افتد. رله ای که بر روی یک تریمر استاندارد وجود دارد از نوع DPDT است. زمانی که سوییچ‌های در وضعیت ON قرار دارند، با شارژ شدن مدار و باز شدن سوییچ‌های داخلی، فرآیند ارسال سیگنال نیز متوقف می‌شود.
کاربردهای رله
میتوان گفت که دامنه‌ی کاربردهای رله‌ها نامحدود و بی نهایت است اما یکی از مهم‌ترین آن‌ها کنترل ولتاژهای بالا (مثلا ولتاژ AC V230 است) از طریق ولتاژهای سطح پایین (مثلا ولتاژهای معمولی DC) است.
- یکی دیگر از کاربردهای جالب رله‌های در مدارهای کامپیوتری و در انجام عملیات‌های محاسباتی و ریاضی است. بنابراین این نکته که فکر کنیم رله‌ها تنها در مدارهای الکتریکی و صنعتی بزرگ کاربرد دارند اشتباه است.
- کاربرد در کنترل سوییچ موتورهای الکتریکی از دیگر موارد کاربرد رله‌هاست. اغلب این موتور‌ها برای راه‌اندازی به ولتاژهای بالای AC مثلا در حدود 230 V احتیاج دارند، با این حال موتورهایی هم هستند که راه‌اندازی‌شان با ولتاژهای سطح پایین DC اتفاق می‌افتد. برای این گونه موتور‌ها میتوان از رله استفاده نمود.
- استفاده در استابیلایزر (stabilizer) هم از کاربردهای مهم رله‌هاست. زمانی که ولتاژ تغذیه با ولتاژ اسمی متفاوت است، مجموعه ای از رله‌ها در کنار هم نوسانات و تغییرات ولتاژ را کنترل کرده و به کمک مدارشکن‌ها از مدار بار ابزار مورد نظر محفاظت می‌کنند.
- اگر سیستمی داشته باشیم که در آن دو یا چند مدار با عملکرد‌های مختلف وجود داشته باشند، با استفاده از رله‌ها میتوان در موقعیت‌های مختلف مدار مناسب سیستم را انتخاب نمود.
- از رله‌ها حتی در تلویزیون‌ها هم استفاده می‌شود. در برخی از تلویزیون‌ها (مخصوصا مدل‌های قدیمی‌تر) قسمت‌های مختلف مدار داخلی و خارجی به ولتاژهای AC یا DC نیاز دارند که برای هماهنگ کردن این قسمت‌های مختلف و روشن شدن تلویزیون از رله استفاده می‌شود.
- در کنترلرهای دما، کنترلرهای سیگنال‌های ترافیکی و بسیاری موارد دیگر نیز از رله‌ها استفاده می‌شود.
ترجمه از سایت circuitdigest.com