شما این محصولات را انتخاب کرده اید0
کاربرد رله و انواع آن در اینترنت اشیا
کاربرد رله و انواع آن در اینترنت اشیا
قبل از معرفی انواع رله، قصد داریم یک تاریخچه و تعریف از عملکرد این قطعه سخت افزاری و الکترومکانیکی و پر کاربرد ارائه دهیم.
تاریخچه
تولید و توسعه رله الکترونیکی(Relay) به سال 1809 در ادامه راه تلگراف الکتروشیمیایی و توسط شخصی به نام ساموئل برد می گردد. محققان دیگری همچون هنری و دیوی در سال 1835 هم بر روی رله در حال تحقیق و توسعه بودند که در نهایت در سال 1840 امتیاز این اختراع به نام ساموئل ثبت شد.
رله چیست؟
رله ها ابزارهای الکترونیکی هستند که از طریق آنها می توان عمل و عکس العمل را در مدارات الکترونیکی کنترل کرد. در بحث IoT به عنوان یک Actuator در کنار سنسورها بکار برده می شوند. این قطعه سخت افزاری را می توان به عنوان یک کلید الکتریکی در مدار در نظر گرفت که توسط سیگنال های ضعیفی در حالت باز و بسته قرار می گیرد.
شما با کمک رله ها می توانید جریان های پر قدرت را با استفاده از سیگنال های کم مصرف از میکروکنترلرها و میکروپروسسورهایی مانند Arduino و یا Raspberry Pi کنترل کنید.
اجزاء مهم در رله
در یک رله با چند جزء مهم سر و کار داریم که درک درست از عملکرد و بکارگیری آن ها میتواند به ما در پیادهسازی سریعتر و آسانتر سناریو وایرینگ کمک کند.
1) سیم پیچ (Coil): این بخش از یک سیم مسی با محوریت قطعه آهنی تشکیل می شود، این سیم مسی به دور آن پیچیده شده است و در جایی که جریان از سیم پیچ عبور کند میدان مغناطیسی تشکیل خواهد شد.
2) آرمیچر(Armature): قطعه و بخشی متحرک همانند کلید است که با دسته ای از کنتاکتهای الکترونیکی در ارتباط است.
3) اتصال دهنده یا کنتاکتهای ثابت(Fixed-Contacts) و (Move-Contact): این اتصال دهندههای ثابت رله در دو حالت قرار میگیرند. (Normaly Open) که با وجود جریان، در حالت معمولی باز قرار دارند و یا (Normaly Close) که عدم جریان(قطع جریان) آن را در حالت بسته قرار میدهد.
از آنجایی که کنتاکت متحرک به آرمیچر متصل است، همزمان با آرمیچر تغییر وضعیت می دهد. هر زمان که آرمیچر توسط سیم پیچ (Coil) برقدار شده جذب شود، این کنتاکت متحرک به کنتاکت های ثابت متصل می شود.
4) فنر بازگشتی (Return Spring): نقش فنر بازگشتی در رله، جهت بازگرداندن آرمیچر به حالت خاص قبل از برقدار شدن تعریف می شود.
عملکرد رله
روش انجام کار رله را بر اساس شکل (2) و (3) توضیح می دهیم. زمانی که رله برق دار می شود، سیم پیچ (Coil) با خاصیت مغناطیسی که پیدا می کند آرمیچر (Armature) را به سمت خود جذب می کند.
نکته 1: اگر قصد خاموش روشن کردن دستگاهی را دارید که در زمان غیر فعال بودن رله، در جریان قرار نگیرد از پین (NO) استفاده کنید. در این حالت با برق دار شدن سیم پیچ رله، آرمیچر بسته و در مدار قرار می گیرد تا اجازه عبور جریال الکتریسیته داده می شود. در این صورت هر وسیله الکتریکی برقدار می شود.
نکته 2: اگر قصد کنترل دستگاهی را دارید که در زمان غیر فعال بودن رله، به برق متصل باشد، از پین (NC) استفاده کنید.
انواع رله
رله ها در علم الکترومغناطیسی می تواند به دو نوع جریان متناوب(AC) و جریان مستقیم(DC) تقسیم شود. همچنین میتوان رله ها را به دسته های زیر تقسیم بندی کرد.
1- رله های DC و AD
2- نوع القائی (Induction type)
3- نوع جازبه (Attraction type)
4- نوع جامد (Solid State Relay)
5- نوع سوزنی (Reed Relay)
در ادامه باید به این نکته اشاره کنیم که دو اصطلاح رایج در هر رله وجود دارد به نام های قطب (Pole) و پرتاب(Throw) که برای بیان تعداد پین ورودی و خروجی رله بکار برده میشوند. این دسته از رله ها میتوانند به چهار حالت وجود داشته باشند. یک ورودی یک خروجی (Single Pole Single Throw)، یک ورودی دو خروجی (Single Pole Double Throw)، دو ورودی یک خروجی (Double Pole Single Throw) و دو ورودی دو خروجی (Double Pole Double Throw).
– در دسته نوع اول رله ها می توانند از نظر عملکرد و استاندارد کاری در جریان القای الکترومغناطیسی با هم برابر باشند اما در ساختار متفاوتند.
– دسته نوع دوم به عنوان رله های محافظ در سیستم های جریان متناوب و جریان مستقیم بکار گرفته می شوند. و بطور کل برای بدست آوردن اختلاف فاز و گشتاور عملیاتی استفاده می شوند که عبارتند از ساختار نوع قطب سایه دار (Shaded Pole Type Structure)، (Watthour-meter) و (Induction Cup type structure).
-این نوع رله با منبع های AC و DC فعال می شود.و هیچ گونه تاخیر زمانی ندارند و از این رو می توانند در فعالیت هایی با عکس العمل های سریع بکار برده شوند. از نمونه های آن می توان به ساختار رله ریم متعادل شده(Balanced Ream) و آرمیچر محوری(Pivoted armature) اشاره داشت.
– این نوع رله ها برای انجام فعالیت انتقال بدون جابجایی هیچ قطعه ای فعال و غیر فعال می شود. در نتیجه انرژی کنترلی مورد نیاز برای بسیار کم است و در مقایسه با رله های الکترومغناطیسی توان افزایشی خواهد بود. که از نمونه های آن می توان به transformer-coupled SSR و photograph coupled SSR اشاره کرد.
– در این نوع رله ها از چندین نوار جاذب که درون لوله ای شیشه ای ثابت شده و به عنوان آرمیچر و هم لبه تماس در نظر گرفته می شود.این رله ها به شکل های میکرو مینیاتوری (separated as microminiature)،subminiature و رلههای کوچکتر نقسیم می شوند. و با توجه به ساختار توسعه در مدلهای airtight، fixed و نوع رله باز تولید می شوند.
کاربرد رله در اینترنت اشیاء
خلاصه بحث معرفی رله که در بخش قبلی به طور کامل توضیح داده شد، به این شناخت رسیدیم که رله ها از قطعات الکتریکی و مکانیکی ساخته می شوند. در کنار آنها سیم پیچ و کنتاکت هایی قرار گرفته اند که با برقدار شدن سیم پیچ کنتاکت های مکانیکی را باز و یا بسته می کنند که نتیجه آن فعال و غیر فعال کردن جریان الکتریسیته در مدار است. هدف از بکارگیری رله در مدار، محافظت از مدار است.
همانطور که گفتیم رله یک کلید الکتریکی است بر اساس تغییرات فیزیکی مانند دما، سرعت، زمان، جریان الکترونیکی و ولتاژ مدار را فعال و غیر فعال می کند. در ادامه انواعی از این رله ها را معرفی می کنیم که می توانند در دو مد ارتباطی آنالوگ (AC) و دیجیتال (DC) در بازار وجو داشته باشند. در بحث اینترنت اشیاء انتخاب رله مناسب میتواند به عنوان یک چالش در نظر گرفته می شود. در ادامه قصد داریم درباره این موضوع بیشتر صحبت کنیم.
شاید یکی از اولین گام ها برای انتخاب یک رله در پروژه های اینترنت اشیاء شناخت چالش های بکارگیری باشد. با این شناخت که رله سیگنالهای با توان کم را از یک میکروکنترلر و یا حسگر دریافت و برای کنترل و مدیریت مدارهای پر قدرت بکار می گیرد. بطوری که رله می تواند با قرارگیری در کنار میکروکنترلر و یا میکروپروسسور اجازه فعالسازی یک ماشین صنعتی بزرگ، سیستم گرمایش، تهویه و تهویه مطبوع (HVAC) یا کنترل سیستم روشنایی در یک خانه هوشمند را انجام دهد و فرآیند هوشمندسازی را بهبود و سرعت بخشد.
رله ها با قرارگیری در بین حسگرهای کم مصرف و دستگاه های پر قدرت نقش مهمی در کنترل دستگاه در اینترنت اشیاء بازی می کنند. به عنوان مثال در یک خانه هوشمند، رله می تواند به محض تشخیص حرکت با کمک سنسور (HC-SR501)، مدار سیستم روشنایی را فعال کند.
چند فاکتور مهم در انتخاب رله اینترنت اشیاء
شناخت این 5 ویژگی مهم برای انتخاب یک رله مناسب در پروژه های کاربردی اینترنت اشیاء حیاتی است.
الزامات بار مصرفی رله
نوع رله
اندازه و شکل
جریان کنترلی
جداسازی
در قدم اول مشخص کردن میزان ولتاژ و جریانی را که رله باید کنترل کند تعیین می کنیم. باعث می شود تا رله بدون گرم شدن بیش از حد و یا خرابی، جریان را مدیریت کند.
اینکه رله شما از نوع رله الکترومکانیکی (EMR) باشد با قدرت، مقرون به صرفه و با کاربرد عمومی، و یا رله های حالت جامد (SSR) با سوئیچینگ سریعتر در فرکانس بالا و طول عمر بیشتر می تواند دومین فاکتور باشد.
در دستگاه های کوچک اینترنت اشیا معمولا ابعاد کمتر یک امتیاز محسوب می شود.
ولتاژ کنترل رله را با ولتاژ خروجی میکروکنترلر تطبیق دهیم. این عمل باعث سازگاری عملکرد قابل اعتماد می شود و خطر ناشی از ناهماهنگی های الکتریکی را تضمین می دهد.
در مقابل ولتاژ بالا می تواند از رله های ایزولاسیون جهت محافظت از دستگاه اینترنت اشیا خود استفاده کرد.
چالش ها و راه حل هایی برای ترکیب رله در سیستم های اینترنت اشیا
با بکارگیری استراتژی های درست و شناخته شده می توان برای 4 مشکل ناشی از بکارگیری رله در پروژه های IoT، راه حل های مناسبی پیدا کرد که باعث افزایش کارایی و عملکرد می شود.
مصرف انرژی
تداخل سیگنال
سایش مکانیکی
تاخیر
از آنجایی که مصرف رله های الکترومکانیکی زیاد است، برای استفاده در دستگاه های IoT که با باطری کار می کنند مشکل ساز می شوند. راه حل پیشنهادی، استفاده از روش های مدیریت مصرف انرژی حالت های خواب و یا استفاده از رله های کم مصرف است.
رله ها با ایجاد تداخل الکترومغناطیسی(EMI) می توانند در عملکرد حسگرها و ماژول هایی که در مجاورت آنهاست اختلال ایجاد کنند. از این رو روش های محافظ و زمین سازی جهت کاهش (EMI) و همچنین اطمینان از عملکرد ثابت و پایدار اجزاء حساس بکار برده می شود.
رله های الکترومکانیکی دارای قطعاتی متحرکی هستند که به مرور دچار فرسایش می شوند. بدین منظور بهتر است برای کاربردهایی که نیاز به سوئیچینگ مداوم دارند از رله های جامد(SSR) بدون قطعات متحرک با دوام و طول عمر بیشتر استفاده کرد.
برخی از رله ها باعث تاخیرهای سوئیچیگ می شوند. که این مشکل می تواند بر برنامه های بلادرنگ و یا زمان واقعی (Realtime) در IoT تاثیرگذار باشد. از این رو با شناخت و نیاز برنامه و در نظر گرفتن موضوع کاربردهای حساس به زمان، از رله های زمان پاسخ سریع استفاده شود.
ملاحضات امنیتی برای رله های IoT
در دستگاه های اینترنت اشیا رله ها دارای اهمیت و نقش بالایی هستند. دستکاری و ربودن این اجزاء می تواند منجر به دسترسی غیر مجاز به بخش های حیاتی شود. از این رو جهت کاهش احتمالی و جلوگیری از بروز چنین خطراتی از تکنیک ها و تدابیر امنیتی مهمی همچون رمزگذاری سیگنال استفاده می کنند. این روش می تواند تامین کننده و ضامن ارتباطات امن بین رله ها و دستگاه های با حساسیت بالا شود.
همچنین روش های احراز هویت امن برای تایید کاربران مجاز، جهت دسترسی به تعاملات آنها و دستگاه هایشان با رله های خاص تعریف می شود. این روش می تواند شامل گواهی دیجیتال و یا احراز هویت چند عاملی باشد که خود یک لایه امنیتی را ایجاد می کند. این تکنیک ها به حفظ یکپارچگی و قابلیت اطمینان بیشتر یک سیستم اینترنت اشیا کمک می کند که میتواند توانایی حفاظت از فناوری ها و کاربران در مقابل حملات سایبری را بالا ببرد.
بدون دیدگاه
اشتراک گذاری
اولین دیدگاه را ثبت کنید