Твердотельные реле

компании International Rectifier

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) обеспечивает двунаправленное переключение нагрузки и допускает работу с переменным током.

Помимо реле с МОП-ключами, существуют твердотельные реле с IGBT-ключами (рис. 1г), например реле PVX6012. 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 IGBT-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 PVO402AP (рис. 1д) с высотой корпуса 2 мм могут использоваться в PCMCIA-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 PVO402P 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 PVO402P.

По сравнению с обычной схемой с применением механических контактов такая схема упрощает конструкцию по следующим причинам:

• Отпадает потребность в сглаживающей RC-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 току. 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 специально разработала новый прибор — так называемый фотоэлектрический изолятор PVI (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 PVI5050, PVI5080);
• один светодиод на входе, две матрицы на выходе (реле типа PVI1050);
• два светодиода на входе, две матрицы на выходе (реле типа PVI5013R).

Последовательным соединением матриц можно получить увеличение генерируемого напряжения, а параллельным — увеличение нагрузочной способности. Так, например, при входном токе 10 мА через изолятор PVI5050 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 фотоизолятора. В этом случае разработчик может построить реле с напряжениями и токами коммутации, значительно превосходящими стандартные твердотельные реле. Например, применив в качестве VT2 транзистор IRLBA1304P, можно коммутировать ток до 180 А, а применив транзистор IRFPG50, 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.

Таблица 1. Характеристики твердотельных реле общего применения

Твердотельные реле
Топо-логия	Диапазон рабочих напряже ний, В	Напря жение изоляции (Вх./ Вых.), В	Сопротив ление во включенном состоянии при 25 °C (AC/DC), Ом	Максималь ный ток нагрузки при 40 °C (AC/DC), мA	Номи нальный ток управле ния, мA
						6 выв. DIP	Планарный 6 выв.	Планарный 4 выв.	4 выв. DIP	10 выв. DIP	4 выв. DIP
Одно-каналь-ные	+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 каналь-ные	+100	1500	5 /1.5	700	10					PVR1300 PVR1301
Одно-каналь-ные	+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 каналь-ные	+300	1500	24/6	260	10					PVR3300 PVR3301
Одно-каналь-ные	+400	4000	27/7	140/210	3	PVU414S	PVU414
		3750	–	1.0	5						PVX6012

Фотоэлектрические изоляторы
	Кол.во выходов	Ток короткого замыкания, мкA	Номинальный ток управления, мA	Напря-жение изоляции (Вх./Вых.), В	Выходное напряжение постоянного тока, В
						4 выв. DIP	4 выв. DIP	Планарный 8 выв.	8 выв. DIP
Фото-электри-ческие изоля-торы	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

Таблица 2. Характеристики твердотельных реле, применяемых в телекоммуникации

Топо-логия	Диапазон рабочих напряже ний, В	Напря жение изоляции (Вх./ Вых.), В	Сопротив ление во включенном состоянии при 25 °C (AC/DC), Ом	Максималь ный ток нагрузки при 40 °C (AC/DC), мA	Номи нальный ток управле ния, мA
						6 выв. DIP	Планарные 6 выв.	8 выв. DIP	Планарные 8 выв.	8 выв. тонкий планарный
Одно-каналь-ные	+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
Двух-каналь-ные	+250	4000	10/10	170/170	2			PVT322	PVT322S
			8 /8	170/170	2				PVT322AS
	+400	4000	35/35	120/120	2			PVT422	PVT422S
		3750	35/35	120/120	2					PVT422P
Одно-каналь-ные с детек-тором вызова	+400	3750	35/35	120/120	3					PVO402P

Дополнительную информацию можно получить на сайте www.irf.com или в техникоконсультационном центре по e-mail: irf@pit.spb.ru.

Алексей Эргардт

Статьи по: ARM PIC AVR MSP430, DSP, RF компоненты, Преобразование и коммутация речевых сигналов, Аналоговая техника, ADC, DAC, PLD, FPGA, MOSFET, IGBT, Дискретные полупрoводниковые приборы. Sensor, Проектирование и технология, LCD, LCM, LED. Оптоэлектроника и ВОЛС, Дистрибуция электронных компонентов, Оборудование и измерительная техника, Пассивные элементы и коммутационные устройства, Системы идентификации и защиты информации, Корпуса, Печатные платы