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

درک عملکرد اصلی یک رله خودرویی در سیستم‌های الکتریکی خودرو

رله‌های خودرو در اصل به عنوان سوئیچ‌های الکتریکی عمل می‌کنند که جریان الکتریسیته را از مدارهای کنترل کوچک به سیستم‌های قدرت بزرگ‌تر بدون هیچ مشکلی هدایت می‌کنند. چیزی که باعث کارکرد آن‌ها می‌شود، همان سیم‌پیچ الکترومغناطیسی داخلی است که زمانی که سیگنال جریان مستقیم ۱۲ ولتی از آن عبور می‌کند، فعال می‌شود. پس از فعال شدن، این سیم‌پیچ تماس‌های فلزی واقعی را جابجا می‌کند، بدین ترتیب یا مدارهایی را به هم متصل می‌کند یا جریان آن را قطع می‌کند که می‌توانند جریانی بین ۳۰ تا ۴۰ آمپر را تحمل کنند. این سطح از توان الکتریکی بسیار بالاتر از آنچیزی است که سوئیچ‌های معمولی صفحه‌نما می‌توانند کنترل کنند و این امر باعث می‌شود رله‌ها در مدیریت بارهای الکتریکی سنگین و به صورت ایمن، ضروری باشند.

نحوه عملکرد رله‌های خودرو به عنوان سوئیچ‌های الکترومکانیکی در مدارهای خودرو

وقتی کسی سوئیچی در ماشینش را فشار می‌دهد، مانند روشن شدن چراغ‌های جلو در شب، چیز جالبی در پس‌زمینه اتفاق می‌افتد. این عمل یک سیگنال ۱۲ ولتی را به سیملوله رله ارسال می‌کند که در نتیجه یک میدان مغناطیسی ایجاد می‌شود و آن قطعه تحت فنر داخل رله را به پایین می‌کشد. تمام این مکانیسم به خوبی کار می‌کند چون مدار کنترل کوچک را از بخشی که بار الکتریکی سنگینی را تحمل می‌کند، جدا نگه می‌دارد. به این فکر کنید: سوئیچ واقعی که راننده لمس می‌کند، نیازی نیست جریان زیادی را تحمل کند، شاید فقط نیم آمپر، در حالی که خود رله می‌تواند بیست آمپر را مستقیماً به چراغ‌ها بفرستد. همچنین این رله‌ها معمولاً نزدیک باتری سیم‌کشی می‌شوند، بنابراین از سیم‌های کوتاه‌تر و با ضخامت بیشتری استفاده می‌کنند که می‌توانند تمام آن جریان اضافی را بدون اینکه داغ یا در طول زمان آسیب ببینند، تحمل کنند.

نقش رله‌های خودرو در فعال‌سازی کنترل دستگاه‌های با جریان بالا با مدارهای کم‌جریان

رله‌ها در اصل به عنوان کلیدهای کنترل از راه‌دور عمل می‌کنند که اجازه می‌دهند سیم‌های نازک ۱۸ تا ۲۲ AWG درون کابین خودرو دستگاه‌های بزرگ‌تری را که جریان بیشتری نیاز دارند کنترل کنند. گزارش اخیر الکترونیک خودرو در سال ۲۰۲۴ نشان داد که این نوع آرایش رله‌ها حدود ۱۷ درصد در وزن سیم‌کشی صرفه‌جویی می‌کند، در مقایسه با سیستم‌های قدیمی‌تر که از کلید زدن مستقیم استفاده می‌شد. این صرفه‌جویی برای اجزایی که مصرف برق بالایی دارند، اهمیت زیادی دارد؛ به عنوان مثال پمپ‌های سوخت که حدود ۸ تا ۱۰ آمپر جریان می‌کشند یا فن‌های رادیاتوری که میزان جریان آن‌ها بین ۱۵ تا ۲۵ آمپر متغیر است. این نوع سیستم از دو منظر کاهش وزن و همچنین جلوگیری از بارگذاری بیش از حد مدارها و مدیریت سیستم‌های الکتریکی منطقی است.

چرا رله‌های خودرویی ۱۲ ولت DC برای مدیریت بهینه توان در خودروها ضروری هستند

خودروهایی که با سیستم جریان مستقیم 12 ولت استاندارد کار می‌کنند، به رله‌ها متکی هستند تا از اتلاف ولتاژ جلوگیری شود، زمانی که برق باید از طریق سیم‌های بلند حرکت کند. با قرار دادن کلید اصلی در نزدیکی باتری، این رله‌ها مطمئن می‌شوند که اجزای زیاد مصرف‌کننده برق به اندازه لازم تأمین شوند، بدون اینکه انرژی در خطوط کنترل هدر برود. ایمنی نیز یکی دیگر از مزایای قابل توجه در این زمینه است. زمانی که مشکلی پیش آمده و اتصال کوتاهی در جایی رخ دهد، فیوز وظیفه خود را انجام می‌دهد و از بقیه قطعات محافظت می‌کند، به جای اینکه به آن کلیدهای کوچک اجازه دهد آنقدر گرم شوند که ذوب یا آتش بگیرند. واقعاً مهندسی خیلی هوشمندانه‌ای است.

ساختار داخلی و اصل کارکرد رله‌های خودرویی

اجزای کلیدی: سیم‌پیچ، تماس‌دهنده‌ها، آرمیچر و پوسته رله

رله خودرویی از چهار عنصر ضروری تشکیل شده است:

• سیم‌پیچ الکترومغناطیسی : میدان مغناطیسی تولید می‌کند وقتی که برق دار می‌شود (معمولاً در 12 ولت جریان مستقیم)
• زره : صفحه آهنی قابل حرکتی که توسط میدان مغناطیسی سیم‌پیچ کشیده می‌شود
• اطلاعات تماس : هادی‌هایی که مدار اصلی را باز یا بسته می‌کنند (انواع باز یا بسته نرمال)
• محفظه : جعبه ترموپلاستیکی که مقاومت در برابر گرد و غبار/آب و همچنین کاهش ارتعاشات را فراهم می‌کند

رله‌های استاندارد 12 ولتی به گونه‌ای طراحی شده‌اند که بتوانند جریان‌های تا 30 آمپری را تحمل کنند و در برابر دماهای بالای 85 درجه سانتی‌گراد در موتورخانه مقاومت داشته باشند. با جریان فعال‌سازی سیم‌پیچ در حدود 200 میلی‌آمپر، این رله‌ها امکان کنترل مدارهای سنگین را تنها با سیگنال‌های کنترلی کوچک فراهم می‌کنند و از استرس بیش از حد سوئیچ‌های نصب شده روی داشبورد یا ستون فاصله می‌اندازند.

چگونه الکترومغناطیس در کاربردهای خودرویی باعث کار کردن رله به عنوان یک کلیدزنی می‌شود

اعمال ولتاژ به سیم‌پیچ، یک میدان مغناطیسی را از طریق القای الکترومغناطیسی ایجاد می‌کند، که این میدان آرمیچر را به سمت هسته می‌کشد. حرکت این قطعه در واقع نقاط تماس را می‌بندد، بنابراین جریان می‌تواند از مدار اصلی که مسئول مدیریت بارهای سنگین است، عبور کند. وقتی سیگنال کنترلی قطع می‌شود، میدان مغناطیسی ناپدید می‌شود و یک فنر آرمیچر را به محل اولیه خود برمی‌گرداند و اتصال الکتریکی را قطع می‌کند. این ویژگی ایمنی از بازگشت خطرناک جریان جلوگیری می‌کند و اطمینان حاصل می‌کند که قطعه به مدت بیش از 100 هزار چرخه به خوبی کار می‌کند. این سطح از دوام باعث می‌شود این اجزا برای سیستم‌های مهمی مانند مکانیسم‌های تحویل سوخت و تجهیزات خنک‌کننده صنعتی ضروری باشند که در آن‌ها شکست گزینه‌ای نیست.

فرآیند فعال‌سازی گام به گام: از ورودی سیگنال تا تکمیل مدار

1. یک سیگنال کنترلی 12 ولتی به سیم‌پیچ رله می‌رسد (جریان فعال‌سازی: 30 تا 70 میلی‌آمپر)
2. سیم‌پیچ یک میدان مغناطیسی تولید می‌کند (2.5 میلی‌تسلا در واحدهای استاندارد)
3. آرمیچر به سرعت با ترمینال تماس می‌کند
4. مدار اصلی بسته می‌شود و جریان 10 تا 40 آمپری را به دستگاه فراهم می‌کند
5. حذف سیگنال میدان مغناطیسی را از بین می‌برد و یک فنر تماس‌ها را به حالت اولیه بازمی‌گرداند

این دنباله عملیات در عرض 8 تا 15 میلی‌ثانیه کامل می‌شود - به اندازه کافی سریع برای عملیات‌های سریع مانند پاک‌کننده‌های برفی متوقفه - در حالی که عزل کامل الکتریکی بین مدارهای کنترل و مدارهای بار حفظ می‌شود

کاربردهای اصلی رله‌های خودرو در تأمین انرژی سیستم‌های حیاتی وسیله نقلیه

کنترل اجزای با توان بالا مانند پمپ‌های سوخت، موتورهای استارتی و پنکه‌های خنک‌کننده

رله‌های خودرو مانند کنترل‌کننده‌های ترافیک برای سیستم‌های با جریان بالا عمل می‌کنند و بارهای 20 تا 50 آمپری را برای پمپ‌های سوخت، موتورهای استارتی (که می‌توانند در هنگام استارت 75 تا 150 آمپر جریان بکشند) و پنکه‌های خنک‌کننده رادیاتور مدیریت می‌کنند. با دستگیری این جریان‌ها به صورت از راه دور، رله‌ها اجازه می‌دهند سیم‌های سبک با ضخامت 18 تا 22 اینچ در کابین، دستگاه‌های قدرتمند را بدون ایجاد اضافه گرمایی یا خطر آتش فعال کنند

استفاده از رله‌های خودرو برای حفاظت از کلیدها و کاهش بار الکتریکی روی مدارهای کنترل

سیستم رله، سوئیچ‌های کنترل ظریف را از تقاضاهای جریان بالا محافظت می‌کند. در یک مدار چراغ سریع‌ترین، رله‌ها بار سوئیچ را از ۱۰ تا ۱۵ آمپر به کمتر از ۰/۵ آمپر کاهش می‌دهند و این امر عمر سوئیچ را ۴۰۰ تا ۶۰۰ درصد افزایش می‌دهد. این جداسازی همچنین افت ولتاژ را که می‌تواند با الکترونیک‌های حساس مانند واحدهای کنترل الکترونیکی (ECU) و ماژول‌های سرگرمی تداخل ایجاد کند، جلوگیری می‌کند.

مدارهای درایور رله و نقش آنها در عملکرد قابل اطمینان دستگاه‌های با جریان بالا

امروزه مدارهای راه‌انداز دارای اقدامات مختلفی از جمله دیودهای flyback هستند که به کنترل افزایش‌های ناگهانی ولتاژ کمک می‌کنند وقتی که میدان‌های مغناطیسی به صورت غیرمنتظره‌ای فرو می‌ریزند. این نوع بهبود در سیستم‌هایی که قابلیت اطمینان بیشتری مورد نیاز است، تفاوت بزرگی ایجاد می‌کند. به عنوان مثال، رله‌های پمپ سوخت اغلب دارای مکانیزم‌های احساس برخورد داخلی هستند که در حین تصادفات به صورت خودکار سیستم را خاموش می‌کنند. رله‌های استارت کارکرد متفاوتی دارند اما هدف مشابهی را دنبال می‌کنند، یعنی از راه‌اندازی موتور جلوگیری می‌کنند اگر دنده‌ها به درستی درگیر نشده باشند و از این طریق از آسیب‌دیدن به دلیل صدای سایش جلوگیری می‌کنند. نصب‌های واقعاً پیشرفته حتی یک قدم فراتر می‌روند و از چندین رله موازی به عنوان سیستم‌های پشتیبانی برای اجزای بحرانی مانند عملگرهای ترمز استفاده می‌کنند که در آن شکست یک گزینه محسوب نمی‌شود.

رله‌های خودرو در کنترل موتور و ویژگی‌های راحتی خودرو

تغذیه موتورهای DC دارای جاروبک در پنجره‌های برقی، سقف‌های شیشه‌ای و برف‌پاک‌کن‌های جلوی خودرو

در سیستم‌های راحتی، رله‌ها نقش واسطه‌ای بین موتورهای جریان مستقیم با برس را ایفا می‌کنند. طبق داده‌های منتشر شده از مؤسسه مهندسی خودرویی سال گذشته، کلیدهای داشبورد با ظرفیت ۲ تا ۵ آمپر در واقع قادر به تحمل بارهای بزرگ‌تری از موتورها هستند که می‌تواند بین ۱۵ تا ۳۰ آمپر باشد. این امر به خاطر این است که رله‌ها سیم‌های کنترلی را از سیم‌های حامل جریان سنگین جدا نگه می‌دارند. این جداسازی از ایجاد قوس الکتریکی خطرناک جلوگیری می‌کند و موجب می‌شود قطعات عمر بیشتری داشته باشند، چیزی که در سیستم‌هایی که طی روز چندین بار روشن و خاموش می‌شوند بسیار مهم است.

چگونه رله‌های خودرو در کاربردهای موتوری با چرخه بالا دوام را افزایش می‌دهند

در کاربردهای با چرخه بالا مانند موتورهای سقف باز (بیش از ۵۰ هزار فعال‌سازی)، رله‌ها در مقایسه با کلیدزنی مستقیم، استرس الکتریکی را تا ۸۳ درصد کاهش می‌دهند (سالنامه سیستم‌های خودرویی، ۲۰۲۳). از آنجا که رله مسئول کلیدزنی فیزیکی است، کلیدهای کنترلی از فرسایش و خرابی ناشی از آن در امان می‌مانند. این دوام به ویژه در سیستم‌هایی که نیازمند معکوس شدن فوری قطبیت هستند، مانند کنترل‌های خودکار پنجره، اهمیت بیشتری دارد.

استفاده از رله در چراغ‌های جلو، بوق، چراغ‌های مه‌شکن و مدارهای کنترل نور پرقدرت

سیستم‌های روشنایی و سیگنال‌دهی بدون رله‌هایی که جریان‌های بزرگ را مدیریت کنند، به خوبی کار نخواهند کرد. معمولاً جریان‌هایی در حدود ۳۰ تا ۴۰ آمپر برای اجزایی مانند چراغ‌های جلو، چراغ‌های مه‌شکن و بوق، باعث می‌شود سوئیچ‌های معمولی دچار بار اضافی نشوند. در مورد مدارهای نور پرقدرت، رله‌ها فرآیند تغییر بین تنظیمات مختلف نوری را ایمن‌تر می‌کنند و از ایجاد جرقه‌های ناخواسته‌ای که گاهی در شب توسط رانندگان مشاهده می‌شود، جلوگیری می‌کنند. بیشتر مهندسان به دلیل دوام بیشتر در این شرایط سخت، به راه‌حل‌های مبتنی بر رله پایبند هستند. به عنوان مثال، رله‌های چراغ جلو اغلب بیش از ۱۰ هزار چرخه فعال‌سازی را بدون نشان دادن سایش قابل توجه، تحمل می‌کنند و این امر آن‌ها را به قطعات بسیار قابل اعتمادی در سیستم‌های الکتریکی خودرو تبدیل می‌کند، هرچند که فعالیت روشن-خاموش مداومی دارند.

انواع رله‌های خودرویی: رله‌های الکترومکانیکی، حالت جامد و رله‌های تاخیر زمانی

سه نوع اصلی رله در خودروهای مدرن استفاده می‌شود:

داده‌های صنعت نشان می‌دهند که رله‌های حالت جامد اکنون ۳۲٪ از پیاده‌سازی‌های جدید خودروها را به خود اختصاص داده‌اند (گزارش سیستم‌های الکتریکی خودرو ۲۰۲۴)، به‌ویژه در خودروهای هیبریدی و خودروهای برقی که عملکرد بی‌صدا راحتی را افزایش می‌دهد.

کاربردهای رله‌های تاخیر زمانی و حالت جامد در سیستم‌های روشنایی داخلی و امنیتی

رله‌های تاخیر زمانی ویژگی‌های مفیدی مانند خاموش شدن تدریجی چراغ‌های کابین پس از بسته شدن درها دارند که باعث صرفه‌جویی در برق باتری و افزایش راحتی مسافران می‌شود. در مورد سیستم‌های امنیتی، این سیستم‌ها از رله‌های حالت جامد استفاده می‌کنند که تقریباً بلافاصله در صورت نشانه‌های نفوذ، معمولاً در عرض ۰٫۱ میلی‌ثانیه، واکنش نشان می‌دهند. این اجزا همچنین به‌همراه شبکه‌های CAN bus کار می‌کنند و مصرف توان آن‌ها در حالت غیرفعال کمتر از نیم وات نگه داشته می‌شود. این موضوع به بهبود بهره‌وری مصرف انرژی در سیستم‌های امنیتی مدرن در انواع کاربردهای خودرویی کمک می‌کند.

‫سوالات متداول‬

عملکرد اصلی یک رله خودرو در یک خودرو چیست؟

رله اتوماتیک عمدتاً به عنوان یک کلید الکتریکی عمل می‌کند که انتقال برق را از مدارهای کنترل کوچک به سیستم‌های قدرت بزرگ‌تر مدیریت می‌کند و امکان کنترل دستگاه‌های با جریان بالا با استفاده از جریان پایین را فراهم می‌کند.

رله‌های اتوماتیک 12 ولت DC چرا برای مدیریت قدرت خودرو ضروری هستند؟

رله‌های اتوماتیک 12 ولت DC ضروری هستند زیرا اتلاف ولتاژ در سیم‌های بلند را کاهش می‌دهند، تحویل بهینه قدرت به اجزای با تقاضای بالا را تضمین می‌کنند و از داغ شدن و خطر آتش‌سوزی کلیدهای کنترلی محافظت می‌کنند.

رله‌های خودرویی چگونه باعث افزایش دوام سیستم‌های خودرو می‌شوند؟

رله‌های خودرویی عمر کلیدهای کنترلی را با کاهش بار الکتریکی آن‌ها، جلوگیری از سایش ناشی از تماس الکتریکی مستقیم و جدا کردن مدار کنترل از مدارهای جریان بالا افزایش می‌دهند و این امر باعث بهره‌وری بیشتر سیستم‌ها می‌شود.

انواع مختلف رله‌های خودرویی و کاربردهای آن‌ها چیست؟

سه نوع اصلی رله خودرو وجود دارد: رله‌های الکترومکانیکی که از تماس‌های فیزیکی و سیم‌پیچ‌ها استفاده می‌کنند و معمولاً در کاربردهایی مانند چراغ‌های جلو به کار می‌روند؛ رله‌های حالت جامد که از قطعات نیمه‌هادی تشکیل شده‌اند و در سیستم‌هایی که نیاز به عملکرد بی‌صدا دارند مانند خودروهای برقی (EV) استفاده می‌شوند؛ و رله‌های تأخیر زمانی که برای فعال‌سازی ترتیبی در سیستم‌های روشنایی داخلی و هشدارها به کار می‌روند.