Rơ le bán dẫn SSR: Cấu tạo, nguyên lý hoạt động và phân loại

Lê Hồng Phong

Rơle bán dẫn SSR được coi là giải pháp hiện đại để thay thế các công tắc thông thường khi bật tắt mạch điện. Điện áp bên ngoài tác động lên rơle SSR để kích hoạt. Tất cả về định nghĩa, cấu tạo, nguyên lý hoạt động và ứng dụng của rơle bán dẫn sẽ có trong bài viết dưới đây của KTH ELECTRIC.

Rơle bán dẫn SSR là gì?

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

Về cơ bản, rơle nhận tín hiệu điều khiển hoặc điện áp đầu vào để kích hoạt cơ chế đóng hoặc ngắt mạch. Trong hầu hết các trường hợp, khi rơle không nhận được tín hiệu, các tiếp điểm sẽ vẫn ở trạng thái như cũ. Đây là quá trình vận hành trong rơle cơ EMR. Vì vậy, rơle cơ gồm các bộ phận chuyển động chính có chức năng thay đổi trạng thái vật lý để đóng mở các tiếp điểm từ đó đóng hoặc ngắt mạch điện theo yêu cầu.

Tuy nhiên, rơle bán dẫn SSR không có bộ phận chuyển động hoặc cơ khí. Loại rơle này sử dụng các thành phần bán dẫn thay vì chuyển động vật lý để bật và tắt mạch. Điều này làm tăng tuổi thọ của rơle, giảm tiếng ồn và giảm thời gian phản hồi của rơle. Một số linh kiện bán dẫn được sử dụng trong SSR là Diode, Triac, MOSFET hoặc Transistor.

Cấu tạo của rơle bán dẫn

Cấu tạo của rơle bán dẫn gồm 3 mạch: mạch đầu vào, mạch cách ly và mạch đầu ra.

• Mạch đầu vào (cảm biến): Chức năng tương tự như cuộn dây trên rơle điện cơ. Mạch sẽ kích hoạt khi điện áp đầu vào cao hơn điện áp đóng và tắt khi điện áp nhỏ hơn điện áp đầu ra tối thiểu.
• Mạch cách ly (chuyển mạch điện tử): Quyết định thành phần đầu ra nào có điện hoặc không có điện, đóng vai trò là cơ chế ghép nối các mạch đầu vào và đầu ra. Mạch này sử dụng 1 đèn LED và Phototransistor (cảm biến ánh sáng) trong 1 bộ cách ly quang để cách ly mạch đầu vào và mạch nguồn.
• Mạch đầu ra: Đây là các tiếp điểm nhận dòng điện và phân phối đến tải tương ứng. Mạch sử dụng Triac hoặc MOSFET để điều khiển dòng tải.

Đọc thêm: Rơle điện từ là gì? Nguyên lý hoạt động và ứng dụng

Nguyên lý hoạt động của rơle SSR

Rơle bán dẫn hoạt động trên cả dòng điện đầu vào AC và DC, tùy thuộc vào hệ thống. Điện áp phổ biến cho điện áp DC là 5V, 12V và 24V. Trong khi rơle AC SSR có điện áp đầu vào phổ biến là 120V hoặc 240V.

Khi rơle bán dẫn nhận được tín hiệu điều khiển đầu vào, đèn LED đặt trong mạch cách ly sẽ phát sáng, xuyên qua khe hở không khí để kích hoạt cảm biến ánh sáng. Sự dẫn truyền này kích hoạt bóng đèn bán dẫn (linh kiện) trong mạch đầu ra, làm bật dòng điện chạy qua mạch hoặc làm đứt mạch. Quá trình này hoàn toàn không có sự tiếp xúc giữa các bộ phận hay chuyển động cơ học, giúp rơle bán dẫn hoạt động ổn định hơn, không bị hao mòn và giảm hiện tượng hồ quang điện.

Nguyên lý hoạt động của rơle bán dẫn là cách ly tín hiệu giữa mạch nguồn và mạch điều khiển. Điều này giúp mạch điều khiển được bảo vệ khỏi các sự cố trên mạch điện như quá dòng, quá áp.

Thời gian đáp ứng của rơle bán dẫn rất cao, chỉ vài micro giây so với vài mili giây của rơle điện cơ. Tuy nhiên, khi hoạt động, các linh kiện bán dẫn bên trong sẽ sinh ra nhiệt, cần bố trí hệ thống tản nhiệt cho SSR để đảm bảo hoạt động ổn định và tăng tuổi thọ.

Ưu điểm và nhược điểm của rơle bán dẫn SSR so với SCR

Rơle bán dẫn SSR là phiên bản nâng cấp của rơle điện cơ SCR với khả năng hoạt động hiệu quả hơn nhưng tiềm ẩn nhiều rủi ro về độ an toàn cũng như chi phí vận hành.

Ưu điểm nổi bật của rơle bán dẫn:

• Không có hiện tượng hồ quang điện, không bị nhiễu, không gây tiếng ồn khi hoạt động.
• Độ bền cao, kích thước nhỏ.
• Phản hồi rất nhanh với 1µs bật và 0,5µs tắt.
• Yêu cầu dòng điện đầu vào thấp, chỉ 5mA ở 5VDC.
• Các đầu vào và đầu ra riêng biệt, có thể được sử dụng để chuyển đổi điện áp cao.

Nhược điểm của rơle bán dẫn:

• Bị ràng buộc với các đặc tính dòng điện và điện áp cụ thể.
• Dòng điện rò rỉ được tạo ra ngay cả khi rơle tắt.
• Nhiệt sinh ra trong quá trình hoạt động tỷ lệ thuận với sự sụt giảm điện áp.
• Dễ bị tổn thương do dòng điện tăng vọt về phía đầu ra.
• Chi phí đầu tư cao hơn rơle thông thường.

Các loại SSR phổ biến

Các loại rơle bán dẫn SSR phổ biến là Rơle chuyển mạch không, Rơle BẬT tức thì, Rơle chuyển mạch đỉnh và Rơle chuyển mạch tương tự.

• Rơle không chuyển đổi

Rơle không chuyển mạch hoạt động khi có điện áp điều khiển và điện áp của tải gần như bằng 0. Khi ngắt điện áp điều khiển, rơle sẽ tắt tải và dòng điện trong tải cũng gần như bằng 0. Đây là loại rơle bán dẫn được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay.

Rơle bật tức thời là thiết bị chuyển mạch ngay lập tức khi nhận được tín hiệu điều khiển, cho phép bật hoặc tắt tải tại bất kỳ điểm nào trong phạm vi tín hiệu BẬT. Thời gian trễ của rơle này thường nằm trong khoảng mili giây (ms).

• Rơle chuyển mạch ở phía trên

Rơle chuyển mạch ở mức tải cao nhất khi điện áp điều khiển đạt giá trị cao nhất. Rơle này sẽ chuyển sang trạng thái tắt khi mất điện áp điều khiển và dòng tải gần như bằng 0.

• Rơle chuyển mạch analog

Rơle chuyển mạch tương tự cho phép vô số điện áp đầu ra trong phạm vi định mức của rơle. Rơle này có mạch điều khiển đồng bộ tích hợp để quản lý điện áp đầu ra. Điều này cho phép chức năng Load Timing Ramp-Up phát huy tác dụng. Khi ngắt điện áp điều khiển, rơle sẽ chuyển sang trạng thái tắt và đảm bảo dòng tải gần như bằng 0.

Xem thêm: Các loại rơle bảo vệ phổ biến

Ứng dụng của rơle bán dẫn

Rơle bán dẫn được sử dụng rộng rãi trong nhiều hệ thống điện. SSR được dùng để bảo vệ thiết bị, điều khiển dòng điện và chuyển mạch tự động, tăng độ tin cậy của hệ thống.

• Ứng dụng công nghiệp: SSR được sử dụng trong các hệ thống điều khiển tự động PLC cho động cơ, máy móc, điều khiển nhiệt độ tự động. Rơle tự động thích hợp hoạt động trong môi trường công nghiệp khắc nghiệt nhờ khả năng hoạt động nhanh và độ bền cao.
• Ứng dụng trong điện gia dụng: SSR được tích hợp trong nhiều thiết bị điện tử gia dụng như tủ lạnh, điều hòa, lò vi sóng,… với khả năng chuyển mạch êm ái, không gây tiếng ồn khi hoạt động.

Bài viết trên đã cung cấp cho các bạn đầy đủ những thông tin cơ bản về rơle bán dẫn SSR. Nếu bạn muốn biết thêm thông tin về rơle hoặc các thiết bị điện khác, hãy theo dõi các bài viết mới nhất từ Điện BTB.