Wykorzystanie przekaźników półprzewodnikowych w zautomatyzowanych urządzeń pomiarowych

Minimalizacja zniekształceń sygnału

Przekaźniki półprzewodnikowe, które reprezentują tylko prosty przełącznik włącz-wyłącz (1 Form A), są przykładami fototriaków w przypadku sygnałów prądu zmiennego lub sprzęgaczy optycznych z tranzystorami bipolarnymi w przypadku impulsowych sygnałów prądu stałego. Urządzenia te skutkują zniekształceniami sygnału obciążenia spowodowane wartościami progowymi, napięciami zapłonu i opóźnieniami przełączania. Ponadto wsteczne prądy regeneracji mogą generować przeregulowania harmoniczne (oscylacje komutacyjne) oraz prądy upływu o wartości od kilkudziesięciu do kilkuset miliamperów (mA).

Półmostek FET z obwodem sterownika w przekaźnikach PhotoMOS firmy Panasonic minimalizuje wspomniane zniekształcenia sygnału, dlatego mogą one być używane do niskostratnego przełączania małych sygnałów prądu zmiennego i stałego, takich jak szybkie impulsy testowe, sygnały pomiarowe i napięcia zasilania. W stanie wyłączenia prądy upływu między dwoma połączeniami wyjściowymi OUT są niższe od 1µA.

Przekaźniki PhotoMOS są dostępne w wariancie jednobiegunowym ze stykiem zwiernym (SPST-NO, Form A) lub w wariancie jednobiegunowym ze stykiem rozwiernym (SPST-NC, Form B), a także jako ich wielokrotność. Łącząc warianty (NO, Form A) i rozwierne (NC, Form B), projektanci mogą budować inne przełączniki, na przykład jednobiegunowe ze stykiem przełączanym (SPDT) czy dwubiegunowe ze stykami przełączanymi (DPDT).

Na przykład poczwórny przekaźnik PhotoMOS (4SPST-NO) AQS225R2S w obudowie SOP16 może obsługiwać maksymalny prąd 70mA przy napięciach przełączania do 80V. Natomiast urządzenie AQW214SX jest podwójnym przekaźnikiem PhotoMOS (2SPST-NO) w obudowie SOP8, który może obsługiwać prądy obciążeniowe do 80mA przy napięciach przełączania do 400V.

Ilustracja 4 przedstawia wewnętrzną strukturę przekaźnika półprzewodnikowego (SSR), przekaźnika PhotoMOS i fotosprzęgacza wraz z typowymi zniekształceniami sygnału. Przekaźniki PhotoMOS nie powodują obcinania sygnału ani podobnych zniekształceń w obciążeniach rezystancyjnych.

Ilustracja 4: przekaźniki półprzewodnikowe (SSR) i fotosprzęgacze skutkują zniekształceniami sygnału wyjściowego spowodowanymi przez napięcia progowe i napięcia zapłonu; przekaźniki PhotoMOS przełączają sygnały prądu zmiennego i stałego bez zniekształceń. (Źródło ilustracji: Panasonic, zmodyfikowane przez autora)

Aby osłabić efekt sprzężenia zwrotnego obciążeń indukcyjnych i pojemnościowych, chroniąc w ten sposób stopień wyjściowy urządzeń PhotoMOS, projektanci muszą dodać po stronie wyjściowej diody ograniczające i gaszące, filtry RC i LC lub warystory. W serii CC diody ograniczające chronią oscylator wejściowy przed nadmiernymi napięciami szczytowymi i ograniczają sygnał sterujący do wartości pomiędzy 3V i 5,5V, podczas gdy filtry RC zapewniają tętnienia resztkowe poniżej ±0,5V.

Obniżanie prądów upływu

Pojemność Cout w przekaźnikach PhotoMOS służy jako droga obejściowa dla prądów zmiennych i sekwencji impulsów o wyższej częstotliwości, gdy przekaźnik nie jest zasilany. Aby znacznie zmniejszyć takie prądy upływu i zmaksymalizować izolację przy wysokich częstotliwościach, firma Panasonic zaleca stosowanie trzech oddzielnych przekaźników PhotoMOS w układzie T (ilustracja 5, po lewej). W głównej ścieżce sygnałowej dwa przekaźniki 1 Form A PhotoMOS, S1 i S2, charakteryzują się niską rezystancję Ron, natomiast przełącznik zwarciowy, S3 posiada niską pojemność Cout.

Ilustracja 5: gdy S1 i S2 nie są zasilane, włączony przekaźnik S3 zwiera wszystkie prądy upływu (stan wyłączenia obwodu T, po prawej). (Źródło ilustracji: Panasonic, zmodyfikowane przez autora)

Stan włączenia obwodu T (ilustracja 5, na środku): w przypadku włączenia S1 i S2, ich rezystancja Ron minimalnie tłumi poziom sygnału, podczas gdy niska pojemność Cout wyłączonego przekaźnika S3 lekko tłumi wysokie częstotliwości (działanie dolnoprzepustowe).

Stan wyłączenia obwodu T (ilustracja 5, po prawej): Jeżeli S1 i S2 nie są zasilane, ich Cout stanowi obejście dla wysokich częstotliwości (górnoprzepustowe), ale włączony przekaźnik S3 zwiera sygnały pojemnościowo przepuszczone przez S1 (obwód ssący).

Synchronizacja włączania-wyłączania obwodu T musi być realizowana w postaci przełącznika z zestykiem przełączanym przerwowym (BBM). W związku z tym S1 i S2 powinny zostać dezaktywowane przed włączeniem S3. W odniesieniu do przekaźników, zestyk przełączany przerwowy (BBM) oznacza, że styki przełączają się oddzielnie, podczas gdy zestyk przełączany bezprzerwowy (MBB) oznacza, że przełączają się one w sposób mostkowy.

Szybsze przełączanie przekaźników PhotoMOS

Wewnętrzny fotoczujnik przekaźnika PhotoMOS działa jak ogniwo słoneczne i dostarcza prąd ładowania bramki. W związku z tym jaśniejsze impulsy świetlne z diody LED zwiększają szybkość przełączania. Na przykład element typu bootstrap R1/R2/C1 na ilustracji 6 generuje wyższe impulsy prądowe.

Ilustracja 6: element typu bootstrap R1/R2/C1 zwiększa szybkość włączania przekaźnika PhotoMOS. (Źródło ilustracji: Panasonic)

Pojemność C1 działa jak zwarcie dla rezystancji R2 w momencie włączenia, więc niska rezystancja R1 umożliwia przepływ wysokiego prądu. Jeśli pojemność C1 jest naładowana i ma wysoką rezystancję, dodaje się rezystancja R2, zmniejszając przepływ do poziomu prądu podtrzymania, tak jak w przypadku przekaźników magnetycznych. W ten sposób skraca się czas włączania przekaźnika PhotoMOS AQV204 ze 180µs do 30µs.

Podsumowanie

Stosując niewielkie, odporne na zużycie przekaźniki PhotoMOS, projektanci mogą poprawić gęstość sygnałów w zastosowaniach ze zautomatyzowanymi urządzeniami pomiarowymi (ATE) oraz szybkość pomiarów, zmniejszając jednocześnie potrzeby w zakresie konserwacji. Ponadto przestrzeganie zalecanych technik projektowania może pomóc w zminimalizowaniu prądów upływu i czasów przełączania.

Źródło: Wykorzystanie przekaźników półprzewodnikowych w celu uzyskania niezawodnych, szybko przełączających i niskostratnych półprzewodnikowych zautomatyzowanych urządzeń pomiarowych

Kontakt w Polsce: poland.support@digikey.pl

Autor: Rolf Horn

Rolf Horn, Applications Engineer at DigiKey, has been in the European Technical Support group since 2014 with primary responsibility for answering any Development and Engineering related questions from final customers in EMEA, as well as writing and proof-reading German articles and blogs on DK’s TechForum and maker.io platforms. Prior to DigiKey, he worked at several manufacturers in the semiconductor area with focus on embedded FPGA, Microcontroller and Processor systems for Industrial and Automotive Applications. Rolf holds a degree in electrical and electronics engineering from the university of applied sciences in Munich, Bavaria and started his professional career at a local Electronics Products Distributor as System-Solutions Architect to share his steadily growing knowledge and expertise as Trusted Advisor.

Hobbies: spending time with family + friends, travelling in our VW-California transporter and motorbiking on a 1988 BMW GS 100.

Zapraszamy na TEK.day Wrocław, 14 marca 2024. Zapisz się już dziś!