شما یک کنترلر خانه هوشمند مدرن و پیشرفته را باز میکنید. این دستگاه مملو از قطعات نصب سطحی میکروسکوپی، ریزپردازندههای قدرتمند و تراشههای Wi-Fi است.
و سپس، درست در وسط تمام آن سیلیکون، یک مکعب پلاستیکی بزرگ و حجیم قرار دارد. وقتی فعال میشود، صدای بلندی ایجاد میکند. کلیک.
این یک رله مکانیکی است. فناوری مربوط به دهه 1830.
این سوال “جستجوی روح” را برای هر مهندسی مطرح میکند: در دنیایی که MOSFETها و IGBTها ارزان، میکروسکوپی و بیصدا هستند، چرا رله را از بین نبردهایم؟
چرا وقتی فیزیک حالت جامد را در اختیار داریم، به یک بازوی فلزی متحرک که توسط یک فنر نگه داشته شده است، تکیه کنیم؟
پاسخ نوستالژی نیست - این واقعیت سخت و سرد مهندسی است. معلوم میشود که رله “دست و پا چلفتی” یک ابرقدرت دارد که سیلیکون به سادگی نمیتواند آن را تکرار کند.
بیایید نبرد بین سوئیچ سخت (رله) و سوئیچ نرم (ترانزیستور).
1. امنیت “شکاف هوا”: چرا رلهها فایروال نهایی هستند
دلیل #1 اینکه رلهها هنوز پادشاه هستند، مفهومی به نام جداسازی گالوانیکی.
به یک MOSFET (ترانزیستور) فکر کنید. حتی زمانی که “خاموش” است، هنوز یک اتصال فیزیکی و شیمیایی بین بار ولتاژ بالا و میکروکنترلر حساس شما وجود دارد. آنها در حال به اشتراک گذاشتن یک قطعه سیلیکون هستند. اغلب، آنها باید یک مرجع “زمین” را به اشتراک بگذارند.
اگر آن MOSFET به طور فاجعهباری از کار بیفتد (مثلاً یک اسپایک ولتاژ از طریق اکسید گیت عبور کند)، آن برق 240 ولت فقط در سمت بار باقی نمیماند. بلکه حرکت میکند به صورت معکوس, ، مستقیماً به آردوینو یا رزبری پای 5 ولتی شما.
نتیجه؟ ریزپردازنده شما فوراً سرخ میشود.
مزیت رله
رله هیچ اتصال الکتریکی بین سیم پیچ (سمت کنترل) و کنتاکتها (سمت بار) ندارد. آنها فقط توسط یک میدان مغناطیسی. به هم متصل میشوند. داخل جعبه، یک شکاف هوا.
- The Scenario: فیزیکی وجود دارد. موتور 240 ولتی شما اتصال کوتاه میکند و یک موج عظیم را به خط برمیگرداند.
- رله: ممکن است کنتاکتها به هم جوش بخورند. ممکن است بدنه پلاستیکی ذوب شود. اما میکروکنترلر شما؟ در امان است. این موج نمیتواند از شکاف هوا به سیم پیچ بپرد.
专业提示： ما این را “خندق” مینامیم. اگر مداری را طراحی میکنید که در آن منطق کنترل باید حتی در صورت منفجر شدن سمت بار زنده بماند، به یک رله نیاز دارید. این لایه قربانی نهایی است.
یک اصل مهندسی کلاسیک وجود دارد: “شما میتوانید از یک سیم پیچ 12 ولتی برای سوئیچ کردن یک خط اصلی 240 ولتی استفاده کنید و هرگز نگران اختلاف ولتاژ نباشید.” این قدرت کنتاکت خشک.
است. 2. سوئیچ “بیمغز”: AC، DC، اهمیتی نمیدهد
ترانزیستورها نازک نارنجی هستند. آنها دستگاههای نیمه هادی هستند، به این معنی که قوانینی دارند.
- BJTs/MOSFETs ذاتاً جریان مستقیم (DC) هستند. آنها اجازه میدهند جریان در یک جهت (درین به سورس) جریان یابد.
- مشکل: اگر میخواهید 120 ولت AC (جریان متناوب) را با یک MOSFET سوئیچ کنید، سردرد خواهید داشت. جریان 60 بار در ثانیه تغییر جهت میدهد. یک MOSFET منفرد نیمی از موج را مسدود میکند و مانند یک دیود در نیمه دیگر عمل میکند. شما به دو MOSFET پشت به پشت یا یک Triac، به همراه مدار درایو پیچیده نیاز دارید.
مزیت رله
رله فقط دو قطعه فلز است که به یکدیگر برخورد میکنند.
- قطبیت: اهمیتی نمیدهد.
- جهت: اهمیتی نمیدهد.
- نوع ولتاژ: AC؟ DC؟ سیگنالهای صوتی؟ دادهها؟ اهمیتی نمیدهد.
وقتی یک خروجی رله به مشتری میدهید، یک کلید جهانی به او میدهید. آنها میتوانند یک سلونوئید 24 ولت DC، یک فن 120 ولت AC یا یک سیگنال صوتی در سطح میلی ولت را وصل کنند. رله همه آنها را با افت ولتاژ صفر و جریان “نشتی” صفر مدیریت میکند.
专业提示： اگر نمیدانید چه کاربر قرار است به خروجی شما چه چیزی وصل کند، از یک رله استفاده کنید. خروجی ترانزیستور مستلزم این است که کاربر ولتاژ و قطبیت را کاملاً مطابقت دهد. یک رله فقط میگوید، “من A را به B وصل میکنم.”
3. جایی که ترانزیستور “ضد کشتن” رله است
بنابراین، اگر رلهها اینقدر عالی هستند، چرا از آنها در تلفنها یا رایانههای خود استفاده نمیکنیم؟
زیرا رلهها دو نقص مرگبار دارند: سرعت و سایش.
محدودیت سرعت
رله یک بازوی مکانیکی است که در فضا حرکت میکند.
- سرعت رله: ~50 تا 100 میلی ثانیه. حداکثر فرکانس سوئیچینگ: شاید 10 بار در ثانیه (10 هرتز).
- سرعت ترانزیستور: نانوثانیه. حداکثر فرکانس سوئیچینگ: میلیونها بار در ثانیه (مگاهرتز).
اگر نیاز دارید یک LED را با استفاده از PWM (مدولاسیون پهنای پالس) کم نور کنید، جایی که برق را 1000 بار در ثانیه روشن و خاموش میکنید، یک رله بیفایده است. حدود 10 دقیقه مانند یک مسلسل صدا میدهد قبل از اینکه متلاشی شود.
شمارش مرگ
رله عمر محدودی دارد.
- عمر مکانیکی: هر بار که کلیک میکند، فنر خسته میشود و محور میساید. یک رله خوب ممکن است 1 میلیون چرخه دوام بیاورد.
- عمر الکتریکی: هر بار که زیر بار باز میشود، یک قوس کوچک کنتاکتها را سوراخ میکند. در بار کامل، ممکن است فقط 100000 چرخه دوام بیاورد.
یک MOSFET، اگر خنک نگه داشته شود و در محدوده مشخصات باشد، دارای عمر نظریاً بینهایت است.. فرسوده نمیشود.
4. حد واسط: رله حالت جامد (SSR)
“شاید بپرسید: ”پس رلههای حالت جامد چطور؟“
SSR یک “هیبرید” است. از یک LED داخلی برای تحریک یک نیمهرسانای حساس به نور استفاده میکند.
- دارای ایزولاسیون است: بله (ایزولاسیون نوری).
- دارای سرعت است: بله (سریعتر از مکانیکی، کندتر از MOSFET لخت).
- دارای سکوت است: بله.
نکته منفی: گرما.
یک رله مکانیکی مقاومت تقریباً صفر (میلیاهم) دارد. یک SSR افت ولتاژ (معمولاً 0.7 ولت تا 1.5 ولت) در خروجی خود دارد.
10 آمپر از یک رله مکانیکی عبور دهید؟ خنک میماند.
10 آمپر از یک SSR عبور دهید؟ تولید میکند 15 وات گرما. به یک هیتسینک بزرگ نیاز دارید تا از ذوب شدن آن جلوگیری کنید.
خلاصه: ماتریس تصمیمگیری مهندس
بنابراین، صدای “دست و پا گیر” کلیک از بین نمیرود. این یک انتخاب مهندسی سنجیده است. در اینجا یک برگه تقلب برای زمانی که باید به فناوری قدیمی پایبند باشید آورده شده است:
| Scenario | از رله استفاده کنید | از ترانزیستور/MOSFET استفاده کنید |
|---|---|---|
| اولویت ایمنی | بالا (نیاز به ایزولاسیون گالوانیکی) | کم (زمین مشترک مشکلی ندارد) |
| نوع بار | AC یا نامشخص (جهانی) | فقط DC (بار مشخص) |
| سرعت سوئیچینگ | آهسته (گهگاه روشن/خاموش) | سریع (PWM / فرکانس بالا) |
| طول عمر مورد نیاز | محدود (کمتر از 100 هزار سیکل) | نامحدود (میلیونها سیکل) |
| صدا/نویز | کلیک مشکلی ندارد | باید بیصدا باشد |
در مهندسی، “جدیدتر” همیشه “بهتر” نیست. گاهی اوقات، بهترین راه حل هنوز یک سیم پیچ مسی، یک فنر فولادی و یک صدای رضایت بخش است. کلیک.
یادداشت دقت فنی
مقاومت تماسی: رلههای مکانیکی معمولاً مقاومت تماسی در محدوده 50mΩ تا 100mΩ, دارند که برای اتلاف توان ناچیز است اما میتواند برای سیگنالهای ولتاژ بسیار پایین مشکلساز باشد (جریان مرطوبسازی مورد نیاز است).
نشتی: ترانزیستورها/SSRها همیشه جریان نشتی بسیار کمی در حالت خاموش دارند. رلهها صفر نشتی (مقاومت بینهایت) در حالت باز دارند.
بهنگام بودن: اصول سوئیچینگ الکترومکانیکی در مقابل حالت جامد، فیزیک اساسی است و تا نوامبر 2025 جاری است.
