رله‌های خودرو چگونه کار می‌کنند و کاربردهای اصلی آن‌ها در خودروها چیست؟

اصل کارکرد رله‌های خودرو: آهنرباهای الکتریکی، مدارها و کلیدزنی

چگونه رله‌های خودرو از آهنرباهای الکتریکی برای کنترل مدارهای الکتریکی استفاده می‌کنند

رله‌های خودرو در اصل مانند کلیدهای الکترومغناطیسی عمل می‌کنند که اجازه می‌دهند سیگنال‌های برقی کوچک، کارهای بزرگ الکتریکی را به‌صورت ایمن انجام دهند. تصور کنید وقتی کسی چراغ‌های جلوی خودرو را روشن می‌کند یا پمپ سوخت را شروع به کار می‌کند - معمولاً یک سیگنال 5 تا 12 ولتی به سیم‌پیچ مسی درون رله ارسال می‌شود. این امر یک میدان مغناطیسی ایجاد می‌کند که قطعات درون رله را به حرکت درمی‌آورد. قطعه متحرک (که آرمیچر نامیده می‌شود) سپس یا تماس‌های درونی را متصل می‌کند یا قطع می‌کند و این امر موجب تکمیل یا قطع شدن مداری می‌شود که نیاز به توجه دارد. هوشمندی این سیستم در این است که اجازه می‌دهد دکمه‌های کوچک روی صفحه‌نماها بتوانند قطعات بزرگ را کنترل کنند، بدون اینکه مستقیماً با آن برق خطرناک درگیر شوند. بیشتر مکانیک‌ها می‌گویند این سیستم در طول دهه‌ها از ایجاد حریق‌های الکتریکی در خودروها جلوگیری کرده است.

اجزای داخلی یک رله خودرو: سیم‌پیچ، آرمیچر، تماس‌ها و ترمینال‌ها

چهار جزء اصلی با هم کار می‌کنند تا امکان تغییر مدار را به‌صورت مطمئن فراهم کنند:

سیم‌پیچ (ترمینال‌های 85/86) و مجموعه کنتاکت (ترمینال‌های 30/87) از نظر الکتریکی ایزوله شده‌اند، به گونه‌ای که بارهای با جریان بالا نمی‌توانند با سیستم‌های کنترل حساس تداخل ایجاد کنند.

عملکرد مرحله به مرحله: از ورودی سیگنال تا فعال‌سازی مدار

1. دریافت سیگنال : یک کلید داشبورد ولتاژ 12 ولتی را به ترمینال 86 ارسال می‌کند و مدار کنترل را از طریق ترمینال 85 کامل می‌کند
2. فعال‌سازی مغناطیسی : سیم‌پیچ در مدار قرار گرفته یک میدان مغناطیسی تولید می‌کند (معمولاً 20 تا 50 گوس)
3. حرکت آرمیچر : نیروی مغناطیسی مقاومت فنر را غلبه می‌کند و آرمیچر را به سمت هسته می‌کشد
4. تماس بسته : آرمیچر ترمینال‌های 30 (منبع تغذیه) و 87 (بار) را به هم متصل می‌کند و امکان جریان یابی را فراهم می‌کند
5. فعال‌سازی بار : جریان بالا به دستگاه — چراغ‌های جلو، فن‌ها و غیره — منتقل می‌شود
   هنگامی که سیگنال کنترل متوقف شود، سیم‌پیچ از مدار خارج شده و یک فنر بازگشتی آرمیچر را در مدت 15 تا 25 میلی‌ثانیه در رله‌های استاندارد ریست می‌کند.

مکانیسم سوئیچینگ الکترومغناطیسی و نقش آن در الکترونیک خودرو

ویژگی ایزولاسیون در واقع اجزای الکترونیکی مهمی مانند واحدهای کنترل موتور (ECU) و ماژول‌های کنترل ترانسمیسیون (PCM) را از افزایش‌های خطرناک ولتاژ و بازگشت‌های القایی مخرب که می‌دانیم می‌توانند آسیب جدی ایجاد کنند، محافظت می‌کند. وقتی صحبت از مدیریت بارهای حدود ۴۰ آمپر با کنترل تنها کمتر از یک آمپر می‌شود، این رله‌ها چندین کار را همزمان و بسیار خوب انجام می‌دهند. آنها از جرقه‌زدن سوئیچ‌ها هنگام خ apf apf apf کردن ناگهانی جلوگیری می‌کنند که این امر در طول زمان باعث صرفه‌جویی در هزینه تعویض می‌شود. علاوه بر این، سیم‌کشی را بسیار ساده‌تر می‌کنند چرا که اتصالات کمتری در کل سیستم مورد نیاز است. این موضوع به معنای قابلیت اطمینان بهتر در کل سیستم نیز هست. به عنوان مثال، خودروهای مدرن با سیستم‌های کنترل کامپیوتری مانند انژکتورهای سوخت یا چراغ‌های جلو هوشمند را در نظر بگیرید. رله‌ها به عنوان پل ارتباطی حیاتی عمل می‌کنند که مدارهای ولتاژ پایین درون کامپیوترها را به قطعات سنگین‌کاری که برای کارکرد مناسب به توان بیشتری نیاز دارند، متصل می‌کنند. بدون این رله‌ها، خودروهای ما به همان راحتی و ایمنی کنونی کار نمی‌کردند.

چرا رله‌های خودرو کنترل کم‌قدرت سیستم‌های خودرو با جریان بالا را فراهم می‌کنند

استفاده از سیگنال‌های کم‌قدرت برای کلیدزنی بارهای توان بالا به‌صورت ایمن و کارآمد

رله‌ها اساساً به مدارهای جریان کم، از نوعی که در داشبوردها با کلیدها یافت می‌شود، اجازه می‌دهند چیزهای توان بالا مانند چراغ‌های جلو یا موتورهای استارت را کنترل کنند. به این فکر کنید: تنها 0.5 آمپر جریان ورودی می‌تواند در واقع کلیدزنی چیزی را که بیش از 30 آمپر جریان می‌کشد، مدیریت کند. این به چه معناست؟ خوب، تولیدکنندگان نیازی ندارند تا این سیم‌های سنگین را از داخل ماشین تا جایی که در موتور نیاز هستند، بکشند. نتیجه چیست؟ خودرو سبک‌تر می‌شود. برخی تخمین‌ها می‌گویند وزن در برخی از قطعات خودرو که این رله‌ها در آن استفاده می‌شوند، حدود 15 درصد کاهش می‌یابد. و حدس بزنید چه؟ با وجود تمام این صرفه‌جویی در وزن، عملکرد هیچگونه آسیبی نمی‌بیند.

مزایای ایزوله‌سازی مدار و مدیریت بار جریان در رله‌های خودرو

با جدا کردن فیزیکی مدارهای کنترل و قدرت، رله‌ها الکترونیک‌های حساس را از نویز و ضربه‌های الکتریکی محافظت می‌کنند. بر اساس یک مطالعه صنعتی انجام‌شده در سال 2023، این ایزولاسیون خرابی‌های الکتریکی پمپ سوخت را نسبت به سوئیچ مستقیم 62٪ کاهش می‌دهد. علاوه‌براین، جعبه‌های متمرکز رله توزیع برق را بهینه می‌کنند و مسیرهای سیم‌کشی موازی متعدد را با مسیریابی منظم و کارآمد جایگزین می‌کنند.

حفاظت سوئیچ‌ها و سیم‌کشی در برابر گرمای بیش از حد و فرسایش زودرس

سعی در راه‌اندازی تجهیزات پرقدرت مانند فن‌های خنک‌کننده به‌صورت مستقیم از طریق کلیدهای تگل، منجر به کار با اجزای سنگین و بزرگی می‌شود که برای جریان‌های بالا طراحی شده‌اند و قبل از اینکه دچار فرسودگی شوند، عمر زیادی ندارند. در اینجا است که رله‌ها کاربرد پیدا می‌کنند. رله‌ها باعث می‌شوند که کل جریان از طریق تماس‌های مقاوم خود جریان یابد. بر اساس تحقیقی که در سال 2023 توسط Ponemon انجام شد، این امر دمای کلیدها را حدود 40 درجه سانتی‌گراد کاهش می‌دهد. مزیت دیگر این است که ما می‌توانیم از سیم‌های نازک‌تری با استاندارد 18 تا 22 گیج برای سیگنال‌های کنترلی خود استفاده کنیم. این موضوع به حفظ خود کلیدها کمک می‌کند و ضمن افزایش طول عمر کلیدها، عمر کلی سیستم و سیم‌های موجود در آن را نیز افزایش می‌دهد.

کاربردهای کلیدی رله‌های خودرو در سیستم‌های الکتریکی خودروهای مدرن

رله‌ها در سیستم‌های روشنایی: چراغ‌های جلو، چراغ‌های ترمز، چراغ‌های راهنما و چراغ‌های داخلی

رله‌ها این امکان را فراهم می‌کنند که سیستم‌های روشنایی را تنها با مقدار کمی ورودی برق به‌صورت ایمن مدیریت کرد. این دستگاه‌های کوچک تمام کارهای سنگین را برای چیزهایی مانند چراغ‌های جلو که می‌توانند تا حدود 15 آمپر جریان بکشند و همچنین چراغ‌های ترمز را بر عهده بگیرند، به‌طوری‌که سیم‌های نازک در ستون فرمان دچار بار اضافی نشوند. اکثر خودروهای مدرن از یک رله برای کنترل چندین چراغ خارجی به‌صورت همزمان استفاده می‌کنند، که این موضوع به‌طور قابل‌توجهی باعث کاهش مقدار سیم‌کشی مورد نیاز در بدنه خودرو می‌شود، جایی که در غیر این‌صورت بین 30 درصد تا حتی نصف اتصالات مورد نیاز را تشکیل می‌داد. مزیت دیگری که وجود دارد، جلوگیری از جرقه‌های آزاردهنده‌ای است که هنگام روشن و خاموش شدن مکرر چراغ‌های راهنما ایجاد می‌شوند. متخصصان تعمیرات به هر کسی که سوال کند، می‌گویند که این انتخاب طراحی ساده، تفاوت بزرگی در مدت زمانی که این قطعات قبل از نیاز به تعویض دوام می‌آورند، ایجاد می‌کند.

کنترل سیستم‌های حیاتی: پمپ‌های سوخت، فن‌های خنک‌کننده و موتورهای استارت

سیستم‌هایی که به توان زیادی نیاز دارند، به رله‌ها متکی هستند تا آن جریان‌های بزرگ را کنترل کنند که معمولاً بین ۲۰ تا ۴۰ آمپر می‌باشند. به عنوان مثال می‌توان به رله‌های پمپ سوخت اشاره کرد که تنها زمانی فعال می‌شوند که خودرو در حال استارت زدن یا چرخاندن موتور است. این امر از چیزی که مکانیک‌ها آن را کار کردن خشک (dry running) می‌نامند جلوگیری می‌کند، طبق برخی مطالعات حدود ۷۴ درصد از تمام شکست‌های زودرس پمپ‌ها به همین دلیل رخ می‌دهد (طبق گزارش مؤسسه پونمون در سال ۲۰۲۲). در مورد رله‌های فن خنک‌کننده نیز این قطعات کوچک بسیار سریع به سیگنال‌های PCM در مورد تغییرات دما واکنش نشان می‌دهند. آن‌ها می‌توانند فن‌ها را ظرف ۲ تا ۳ ثانیه به گردش درآورند و از داغ کردن موتور جلوگیری کنند. همچنین نباید رله‌های استارت را فراموش کرد. این قطعات قدرتمند باید با نوسان‌های عظیم جریان در هنگام استارت زدن که می‌تواند به بین ۱۵۰ تا ۲۰۰ آمپر برسد، کنار بیایند. بدون این رله‌ها، کلیدهای ایگنیشن در معرض خطر آسیب جدی قرار دارند، به دلیل پدیده‌ای به نام جوش‌کاری تماسی (contact welding) که در آن قطعات فلزی به دلیل گرمای بیش از حد به هم می‌چسبند.

یکپارچه‌سازی با توزیع انرژی و اتوماسیون کنترل‌شده توسط کامپیوتر (PCM/ECU)

رله‌های امروزی مانند اسب‌های کارکشته‌ای عمل می‌کنند که دستورات را از سیستم‌های PCM و ECU دریافت کرده و امکان اجرای انواع توابع هوشمند مانند خاموش‌شدن خودکار چراغ‌های جلو پس از پارک کردن و کنترل دما با تطبیق با شرایط محیطی را فراهم می‌کنند. این دستگاه‌ها سیگنال‌های دیجیتال کوچک 5 ولتی را دریافت کرده و آن‌ها را به ولتاژهایی بین 12 تا 48 ولت افزایش می‌دهند تا بتوانند قطعات مختلفی را در سراسر خودرو تغذیه کنند. صنعت خودرو همچنین از این فناوری بهره‌های واقعی دیده است. سازندگان گزارش می‌دهند که به طور خاص در خودروهای هیبریدی و الکتریکی، وزن کابل‌کشی برقی تا حدود 12 تا 18 درصد کاهش یافته است. علاوه بر این، فایده دیگری نیز وجود دارد که خیلی کم مورد صحبت قرار می‌گیرد اما اهمیت زیادی دارد - این رله‌های مدرن به توزیع بارهای الکتریکی به شکل قابل پیش‌بینی‌تری در سیستم‌های مختلف خودرو کمک می‌کنند و از بروز اضافه‌بار جلوگیری کرده و اطمینان حاصل می‌کنند که همه چیز به خوبی با هم کار کند.

مطالعه موردی: شکست رله و تأثیر آن بر عملکرد سیستم خنک‌کننده موتور

یک تحلیل از ناوگان خودرو در سال 2023 آشکار کرد که 61٪ از موارد داغ‌کردگی موتور در سدان‌ها ناشی از شکست رله‌های مخنک‌کننده بوده است. تماس‌های گیرکرده مانع از فعال شدن مخنک‌کننده در آستانه 90 درجه سانتی‌گراد شدند و باعث شدند دمای مایع خنک‌کننده ظرف چهار دقیقه 8 تا 12 درجه سانتی‌گراد افزایش یابد. این استرس حرارتی مداوم منجر به افزایش 300٪‌ای در نرخ شکست شیار سر سیلندر نسبت به موتورهایی که به‌خوبی خنک می‌شدند، شد.

انواع رله‌های خودرو: از SPST تا رله‌های حالت جامد و تفاوت‌های کاربردی آن‌ها

رله‌های متداول: SPST، SPDT، دوگانه تماسی و رله‌های تأخیر زمانی

رله‌های خودرو با توجه به کاربردشان دارای تنظیمات متفاوتی هستند. نوع SPST (تک‌قطبی-تک‌تیغی) کنترل ساده روشن و خاموش را فراهم می‌کند، بنابراین این نوع اغلب در کنترل اشیاء مانند چراغ‌های جلو و پمپ‌های سوخت در بیشتر خودروها یافت می‌شود. سپس مدل SPDT (تک‌قطبی-دوتیغی) وجود دارد که دارای ترمینال اضافی با برچسب 87a است. این امکان را فراهم می‌کند که بین دو مدار مختلف به‌صورت همزمان تغییر کند و در نتیجه برای تغییر بین چراغ‌های کوتاه و بلند در هنگام رانندگی در شب بسیار مناسب است. برای سیستم‌هایی که نیاز به انجام چندین عملکرد همزمان دارند، رله‌های دوبل (Dual-Make) کارآیی بسیار خوبی دارند چرا که می‌توانند دو مدار را به‌صورت همزمان فعال کنند. و در نهایت، رله‌های تاخیر زمانی می‌توانند مدت‌های برنامه‌ریزی‌شده‌ای را به عملیات اضافه کنند. این رله‌ها امکان ویژگی‌های مفیدی مانند خاموش شدن تدریجی چراغ‌ها پس از خروج از خودرو یا حرکت متناوب برف‌پاک‌کن‌ها در هنگام بارش خفیف باران به‌جای پاک کردن مداوم را فراهم می‌کنند.

رله‌های حالت جامد در مقابل رله‌های الکترومکانیکی: مقاومت، سرعت و مسائل مربوط به هزینه

رله‌های الکترومکانیکی با قطعات متحرک واقعی و تماس‌های فلزی کار می‌کنند. قیمت آن‌ها نیز مناسب است و معمولاً بین پنج تا پانزده دلار متغیر است، اما عمر بی‌نهایتی ندارند، چرا که بیشتر آن‌ها تنها می‌توانند قبل از فرسودگی، حدود پنجاه هزار تا صد هزار عملیات را تحمل کنند. رله‌های حالت جامد با استفاده از نیمه‌هادی‌ها به جای اجزای مکانیکی، رویکردی متفاوت دارند. این رله‌ها پاسخ‌گویی بسیار سریع‌تری دارند (کمتر از یک میلی‌ثانیه)، عمر بسیار طولانی‌تری نسبت به همتایان الکترومکانیکی خود دارند (معمولاً بیش از نیم میلیون چرخه کاری) و به طور کاملاً بی‌صدا عمل می‌کنند و هیچ صدای کلیکی تولید نمی‌کنند. عیب این رله‌ها چیست؟ هزینه اولیه آن‌ها سه تا پنج برابر بیشتر است و اغلب در مواقعی که با بارهای الکتریکی سنگین کار می‌کنند، نیازمند راه‌حل‌های اضافی برای خنک‌کاری هستند. هرچند که مدل‌های سنتی الکترومکانیکی هنوز در طراحی‌های بسیاری از تولیدکنندگان اصلی (OEM) غالب هستند، شاهد رشد سریع رله‌های حالت جامد به عنوان گزینه‌های جایگزین هستیم، بویژه در کاربردهای پیشرفته مانند مدیریت باتری خودروهای برقی (EV) که در آن‌ها قابلیت اطمینان و عملکرد بی‌صدا اهمیت بیشتری دارند.

درک کدهای ترمینال رله (30، 85، 86، 87) و پیکربندی سیم‌کشی

شماره‌گذاری استاندارد ترمینال‌ها اطمینان از نصب یکسان را فراهم می‌کند:

• 30: ورودی تغذیه با باتری (متصل از طریق یک فیوز)
• 85/86 : ترمینال‌های سیم‌پیچ که مدار کنترلی را تشکیل می‌دهند
• 87: خروجی اصلی به سمت بار (ترمینال 87a مسیر جایگزینی در رله‌های SPDT فراهم می‌کند)

سیم‌کشی مناسب برای ایمنی و عملکرد صحیح ضروری است. به عنوان مثال، اتصال ترمینال 30 به طور مستقیم به خط باتری با فیوز، تحویل پایدار انرژی را تضمین می‌کند، در حالی که ترمینال 85 معمولاً به یک کلید متصل است که از طریق داشبورد زمین شده است. اتصالات اشتباه می‌تواند منجر به اتصال کوتاه، ذوب شدن قطعات یا خرابی رله شود.

‫سوالات متداول‬

رله‌های خودرو چگونه از آهنرباهای الکتریکی استفاده می‌کنند؟
رله‌های خودرو با استفاده از آهنرباهای الکتریکی، مدارهای الکتریکی را کنترل می‌کنند، به گونه‌ای که سیگنال‌های کوچک انرژی می‌توانند به‌صورت ایمن قطعات الکتریکی بزرگتر را از طریق یک میدان مغناطیسی ایجاد شده توسط سیم‌پیچ مسی رله کنترل کنند.

اصلی‌ترین قطعات یک رله خودرو چیست؟
مولفه‌های اصلی شامل سیم‌پیچ، آرمیچر، کنتاکت‌ها و ترمینال‌ها هستند که هر کدام نقشی اساسی در کلیدزنی الکتریکی مطمئن درون سیستم‌های خودرو دارند.

رله‌های خودرو چرا در خودروهای مدرن حیاتی هستند؟
رله‌های خودرو کنترل سیستم‌های با جریان بالا را با استفاده از توان پایین فراهم می‌کنند، ایزوله‌سازی مدار را تضمین می‌کنند، کلیدها و سیم‌کشی را در برابر آسیب محافظت می‌کنند و با توزیع توان و اتوماسیون کنترل شده توسط کامپیوتر ادغام می‌شوند تا عملکردی کارآمد و ایمن در خودرو فراهم کنند.