CC BY
99Компоненты и технологии, № 5'2002
Твердотельные реле
компании International Rectifier
Эргардт Алексей
Компания International Rectifier серийно производит твердотельные реле, заменяющие электромеханические реле в измерительной и научной аппаратуре, программируемых логических контроллерах и промышленной автоматике, аппаратуре телефонных станций. Благодаря достижениям в полупроводниковой технологии появилось целое поколение твердотельных реле, имеющих неоспоримые преимущества по сравнению с электромеханическими. Перечислим основные преимущества твердотельных реле перед электромагнитными:
• большая износостойкость, составляющая не менее 10 млрд переключений, что в 1000 раз больше, чем лучшие образцы электромеханических реле;
• высокая надежность;
• совместимость с логическими микросхемами;
• безиндуктивный вход;
• отсутствие «дребезга» контактов;
• отсутствие искр и дуговых разрядов;
• отсутствие акустического шума;
• отсутствие электромагнитных помех в момент переключения;
• высокая стойкость к ударам и вибрации;
• хорошая изоляция между входом и выходом;
• высокое быстродействие;
• маломощный управляющий сигнал;
• малый вес.
Новые твердотельные реле на 40 % меньше по размерам и потребляют на 95 % меньше электроэнергии, чем электромеханические реле.
На рис. 1 представлены варианты условных электрических схем твердотельных реле компании International Rectifier.
Принцип работы твердотельного реле состоит в следующем: входной сигнал (управляющий ток) подается на светодиод. Излучение, пройдя некоторое расстояние в корпусе реле, попадает на фотодиодную матрицу (фотоэлектрический генератор). Падающее излучение создает в фотодиодной матрице фото-ЭДС. Наведенное напряжение подается на схему управления, которая в свою очередь формирует необходимый сигнал для управления выходным ключевым каскадом, обеспечивает защиту затвора выходного МОП-ключа, обеспечивает быстрое выключение ключа.
Благодаря оптической развязке между входной управляющей цепью и выходным каскадом достигается полная гальваническая развязка по напряжению между входом и выходом до 4000 В в зависимости от типа прибора.
Выходные каскады практически всех твердотельных реле компании International Rectifier построены по МОП-технологии, в результате чего характеристики этих реле для коммутации аналоговых сигналов лучше, чем у твердотельных реле с тиристорными или биполярными ключами. По сравнению с тиристорным выходом МОП-ключ обладает линейной зависимостью тока от напряжения во включенном состоянии, причем падение напряжения на ключе составляет менее 0,6 В. Выходной ключ на основе сдвоенного МОП-транзистора (рис. 1в) обеспечива-
Компоненты и технологии, № 5'2002
ет двунаправленное переключение нагрузки и допускает работу с переменным током.
Помимо реле с МОП-ключами, существуют твердотельные реле с ЮБТ-ключами (рис. 1г), например реле РУХ6012. Такое реле позволяет коммутировать нагрузку с мощностью до 400 Вт на постоянном токе до 400 В и нагрузку до 280 Вт на переменном токе до 280 В. Выходной каскад данного реле выполнен на двух встречно включенных ЮБТ-транзисторах, а для обеспечения проводимости полуволны обратной полярности параллельно каждому транзистору включен диод. Это реле предназначено для замены электромеханических реле в промышленном управлении, автомобилестроении, а также для замены небезопасных ртутных реле.
Твердотельные реле идеально подходят для применения в области телекоммуникаций, так как их можно подключить через токоограничивающее сопротивление непосредственно к логической микросхеме без транзисторного ключа и защитного диода, при этом для срабатывания реле необходим протекающий ток всего 2-3 мА. Изоляция между входом и выходом выдерживает напряжение до 4000 В, что соответствует всем требованиям электробезопасности. Применение твердотельных реле в телекоммуникационной технике позволяет уменьшить массогабаритные показатели, что особенно важно в носимой аппаратуре. Так, например, реле типа РУ0402АР (рис. 1д) с высотой корпуса 2 мм могут использоваться в РСМС1А-совместимых плоских корпусах, носимых телефонах, ноутбуках и других миниатюрных устройствах. Малый вес и размеры наряду с повышенной стойкостью к ударам, вибрации, температуре окружающей среды и влажности делают твердотельное реле идеальным устройством для использования в бортовой аппаратуре, эксплуатируемой в достаточно жестких условиях.
В последнее время твердотельные реле стали широко применяться в телефонии — как на самих АТС в качестве прямой замены электромагнитных реле, так и в устройствах абонентской связи, таких как телефонный аппарат, факс, модем и другое оборудование. Например, реле типа РУ0402Р может заменить язычковый контактор или транзисторный ключ, предназначенный для подключения стандартных телефонных аппаратов к телефонной линии. На рис. 2 показан входной узел модема или телефонного аппарата с реле типа РУ0402Р.
По сравнению с обычной схемой с применением механических контактов такая схема упрощает конструкцию по следующим причинам:
• Отпадает потребность в сглаживающей
ИС-цепочке, шунтирующей механические
контакты, так как в твердотельном реле нет дребезга контактов по причине отсутствия механических частей и нарушения контакта в результате его подгорания.
• Отпадает потребность в двух защитных сопротивлениях, последовательно включенных в линию, которые необходимы для устойчивости к грозовому разряду в виде коротких импульсов.
• Отпадает потребность в отдельном корпусе оптрона, гальванически развязывающего линию при передаче сигнала звонка.
В системе контроля поднятия трубки (рис. 2) секция на МОП-транзисторах подключает абонента к телефонной линии, в отключенном состоянии сопротивление МОП-ключа составляет не менее 400 МОм. Во второй половине реле параллельно включенные диоды во время звонка обеспечивают включение биполярного ключа на обеих полуволнах переменного напряжения, в результате на выходе этого ключа образуется выпрямленное напряжение, которое подается на схему телефонного аппарата или модема для последующей обработки.
Существует несколько вариантов подключения твердотельных реле во внешние схемы, некоторые из них показаны на рис. 3.
Реле серий PVN, PVG, PVT и PVU позволяют подключение нагрузки к источнику постоянного или переменного тока по схеме рис. 3а; точно так же могут подключаться и реле серий PVA, PVU, PVX, PVO, за исключением того, что они имеют другую внутреннюю структуру и цоколевку выводов корпуса, а также у некоторых из них отсутствует средний выходной вывод, который в этой схеме включения не используется. На рис. 3б показано, как при наличии среднего выходного вывода можно подключать только нагрузку по постоянному то-
ку. Такая схема включения по сравнению с предыдущей позволяет коммутировать больший ток за счет снижения примерно на 40 % сопротивления сквозного канала коммутации, однако это позволяет увеличить ток коммутации всего на 15 %. На рис. 3в показано, как можно параллельно включить выходные ключи для коммутации нагрузки на постоянном токе. Эта схема включения позволяет увеличить ток коммутации приблизительно на 60 % по сравнению со схемой, изображенной на рис. 3а. Например, реле типа PVN012 с рабочим напряжением до 20 В имеет нагрузочную способность по схеме а) 2,5 А, б) 3,0 А, в) 4,5 А. Такое реле прекрасно подходит для коммутации питания в портативной электронике, компьютерах и периферийном оборудовании, в аудиотехнике и источниках питания.
Компания International Rectifier, помимо реле для коммутации силовых нагрузок, выпускает быстродействующие твердотельные реле для коммутации аналоговых сигналов, серия PVA таких реле позволяет коммутировать сигналы с частотой от 2 до 25 кГц при гарантии не менее 10 млрд переключений. Эти реле (рис. 1а) выполнены по МОП-технологии с двухсторонней проводимостью канала (BOSFET). Реле этой серии имеют малую проходную (1 пФ) и выходную (3 пФ) емкость, малый температурный дрейф напряжения (0,2 мкВ) и обладают линейной выходной характеристикой. Применение этих реле позволяет значительно повысить технические характеристики в таких устройствах, как сканеры, мультиплексоры, многоканальные устройства выборки и хранения (УВХ), коммутаторы уровня сигналов, измерительное оборудование.
Для построения разработчиками нестандартных устройств компания International Rectifier
Компоненты и технологии, № 5'2002
специально разработала новый прибор — так называемый фотоэлектрический изолятор РУІ (рис. 1з, и). Структурно такой изолятор представляет собой светоизлучающий диод на входе и фотодиодную матрицу с номинальным напряжением 5 В на выходе. Оптический канал обеспечивает развязку между входом и выходом до 3750 В. Конструктивно такие приборы выполнены в нескольких вариантах:
• один светодиод на входе, одна матрица на выходе (реле типа РУ15050, РУ15080);
• один светодиод на входе, две матрицы на выходе (реле типа РУ11050);
• два светодиода на входе, две матрицы на выходе (реле типа РУ15013К). Последовательным соединением матриц
можно получить увеличение генерируемого напряжения, а параллельным — увеличение на-
грузочной способности. Так, например, при входном токе 10 мА через изолятор РУ15050 на его выходе вырабатывается напряжение около 6 В, при подключении нагрузки с сопротивлением 700 кОм напряжение изолятора снижается до 5 В. Комбинируя такие параметры, как входной ток, параллельное и последовательное включение фотодиодных матриц, количество используемых матриц, можно добиться получения в некоторых пределах требуемого напряжения и тока в нагрузке. Фотоэлектрические изоляторы используются в следующих приборах:
• миниатюрный источник 5 В;
• источник питания для плавающего смещения;
• оптопары;
• изоляторы сигнала;
• линейный трансформатор тока;
• DC/DC-трансформатор;
• твердотельные реле;
• интерфейсы ввода—вывода.
На рис. 4 показаны некоторые возможные варианты применения фотоэлектрических изоляторов.
На рис. 4а показано, как можно построить фотоэлектрическое реле с использованием фо-
Таблица 1. Характеристики твердотельных реле общего применения
-Є
Твердотельные реле
Топология Диапазон рабочих напряжений, В Напря- жение изоляции (Вх./ Вых.), В Сопротивление во включенном состоянии при 25 °С (AC/DC), Ом Максимальный ток нагрузки при 40 °С (AC/DC), мА Номинальный ток управления, мА Ф Ф
6 выв. DIP Планарный 6 выв. Планарный 4 выв. 4 выв. DIP 10 выв. DIP 4 выв. DIP
Одно- канальные +20 4000 0.1/0.04 2500/4500 3 PVN012 PVN012S
+60 4000 0.5/- 1000 10 PVAZ172NS PVAZ172N
- /0.25 1500 10 PVDZ172NS PVDZ172N
0.5/0.15 1000/2000 5 PVG612 PVG612S
+ 100 2500 - /1.5 500 5 PVD1352 PVD1354
+100 2500 5 /- 315 5 PVA1352 PVA1354
Двух- канальные +100 1500 5 /1.5 700 10 PVR1300 PVR1301
Одно- канальные + 200 2500 - /6 220 5 PVD2352
+200 2500 24/- 130 5 PVA2352
1500 24/6 260 10 PVR2300
+ 300 2500 - /6 220 5 PVD3354
+300 2500 160/- 40 5 PVA3054 PVA3055
24/- 130 2 PVA3324
24/- 130 5 PVA3354
Двух- канальные +300 1500 24/6 260 10 PVR3300 PVR3301
Одно- канальные +400 4000 27/7 140/210 3 PVU414 PVU414S
3750 - 1.0 5 PVX6012
Фотоэлектрические изоляторы
Кол-во выходов Напряжение изоляции (Вх./Вых.), В Выходное напряжение постоянного тока, В Ток короткого замыкания, мкА Номинальный ток управления, h\A
4 выв. DIP 4 выв. DIP Планарный 8 выв. 8 выв. DIP
Фото- электрические изоляторы 1 2500 5.0 5.0 10 PVI5050
8.0 10 PVI5080
2 2500 5 .0/10 10/5 10 PVI1050
3750 3.0/6.0 2 /1 5 PVI5013RS PVI5013R
5.0/10 10/5 5 PVI5033RS PVI5033R
е-
36
- www.finestreet.ru -
Компоненты и технологии, № 5'2002
Таблица 2. Характеристики твердотельных реле, применяемых в телекоммуникации
Топология Диапазон рабочих напряжений, В Напряжение изоляции (Вх./Вых.), В Сопротивление во включенном состоянии при 25°С (AC/DC), Ом Максимальный ток нагрузки при 40°C (AC/DC), h\A Номинальный ток управления, h\A
6 выв. DIP Планарные 6 выв. 8 выв. DIP Планарные 8 выв. 8 выв. тонкий планарный
Одноканальные +250 4000 10/3 190/320 2 PVT312 PVT312S
15/4.25 170/300 2 PVT312L PVT312LS
+400 4000 27/7 140/210 3 PVT412 PVT412S
35/9 120/200 3 PVT412L PVT412LS
16/7 170/300 3 PVT442 PVT442S
Двухканальные +250 4000 10/10 170/170 2 PVT322 PVT322S
8 /8 170/170 2 PVT322A PVT322AS
+400 4000 35/35 120/120 2 PVT422 PVT422S
3750 35/35 120/120 2 PVT422P
Одноканальные с детектором вызова +400 3750 35/35 120/120 3 PV0402P
22/22 150/150 5 PV0402AP
тоизолятора. В этом случае разработчик может построить реле с напряжениями и токами коммутации, значительно превосходящими стандартные твердотельные реле. Например, применив в качестве УТ2 транзистор 1КХ-ВА1304Р, можно коммутировать ток до 180 А, а применив транзистор 1КРРС50, можно подключить нагрузку к напряжению до 1000 В. Следует обратить внимание, что при коммутации мощной нагрузки встает вопрос о времени включения и выключения такого коммутатора, и понятно, что быстродействие такого реле, интенсивность его работы, и мощность теплоотвода ограничивают коммутируемую мощность. Получить наименьшее время включения и выключения можно путем подбора выходного ключевого транзистора по параметру наименьшей емкости затвора, а также путем применения схемы (рис. 4а), в которой при помощи дополнительного транзистора и
диода осуществляется ускорение рассасывания заряда затвора транзистора VT2.
Для подключения нагрузки к источнику переменного напряжения можно воспользоваться другой схемой (рис. 4б). На рис. 4г показана схема, которая позволяет коммутировать напряжение с положительной шины питания на нагрузку — такое решение позволяет удерживать напряжение на затворе ключевого транзистора выше напряжения самой шины питания, то есть обеспечивается режим источника плавающего смещения.
Применив пару фотоэлектрических изоляторов, как показано на рис. 4д, легко изготовить устройство, подключающее разные нагрузки в зависимости от направления протекающего тока. По этому же принципу в мостовой схеме реализуется смена полярности в нагрузке. Для питания от сети устройств, таких как аккумуляторы малой емкости, дисплеи LCD, детекторы
дыма или микроконтроллеры, может быть применена схема, показанная на рис. 4в, — такой источник питания получается очень компактным и надежным. Путем наращивания количества изоляторов можно добиться увеличения мощности такого источника. Характеристики PVI-изолятора обеспечивают изменение выходного напряжения этого источника на 10 % при изменении входного напряжения с 240 В до 24 В. Такой широкий диапазон будет полезен для применения в простых встраиваемых блоках систем ввода—вывода.
В табл. 1 представлена номенклатура твердотельных реле общего применения, а в табл. 2 указана номенклатура реле, рекомендованная для применения в области телекоммуникаций.
Дополнительную информацию можно получить на сайте www.irf.com или в техникоконсультационном центре по e-mail [email protected].
www.finestreet.ru
37
