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ENZYKLOPÄDIE DER FUNKELEKTRONIK UND ELEKTROTECHNIK Halbleiterrelais der Serie KR293. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik
Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Referenzmaterialien Integrierte Hybrid-Mikroschaltungen der KR293-Serie sind Schalter für Gleich- und Wechselstromsignale mit optoelektronischer Trennung zwischen Eingang und Ausgang. Hinsichtlich ihrer elektrischen Parameter und Funktionalität können diese Mikroschaltungen in vielen Bereichen der Technik elektromechanische Relais ersetzen. Dieser Umstand führte dazu, dass in der Literatur der Begriff „Festkörperrelais“ weit verbreitet verwendet wurde, um integrierte Schaltkreise einer neuen Serie von Schaltgeräten zu bezeichnen, deren Funktionsprinzip 2 in der Zeitschrift „Radio“ N1995 ausführlich genug besprochen wurde. ZUSAMMENSETZUNG DER SERIE Derzeit umfasst die KR293-Serie fünf Arten von Halbleiterrelais KR293KP1 und KR293KP5, die jeweils aus Geräten mit zwei Standardwerten bestehen, beispielsweise KR293KP1 und KR293KP11. Jeder Mikroschaltungstyp enthält wiederum drei Gruppen (Gruppe A, B und C). Herkömmliche grafische Darstellungen integrierter Schaltkreise einer Reihe von Halbleiterrelais sind in Abb. 1 dargestellt. Die einkanaligen Relais KR293KP1AV, KR293KP11AV, KR293KP3AV und KR293KP31AV sind in einem rechteckigen sechspoligen Kunststoffgehäuse 2101-6 und zweikanaligen Mikroschaltungen KR293KP2AV, KR293KP21AV, KR293KP4AV, KR293KP41AV, KR 293KP5 untergebracht AV und KR293KP51AV – in einem achtpoligen Gehäusetyp 2101-8. Die Mikroschaltungen KR293KP1 KR293KP5 sind zum Schalten von Gleich- und Wechselstromsignalen ausgelegt, und KR293KP11 KR293KP51 - nur Gleichstrom. Die Halbleiterrelais KR293KP1AV, KR293KP11AV, KR293KP2AV und KR293KP21AV verfügen über sogenannte Schließerkontakte, d. h. entsprechen Typ-A-Relais, und KR293KP3AV, KR293KP31AV, KR293KP4AV und KR293KP41AV sind Typ-B-Relais mit normalerweise geschlossenen Kontakten. Die Mikroschaltungen KR293KP5AV und KR293KP51AV können die Funktionen von Typ-C-Relais übernehmen und zum Schalten dienen.
Fig. 1 Die Einteilung der Mikroschaltungen in Gruppen innerhalb jeder Standardbewertung erfolgt nach den Werten der maximal zulässigen Schaltspannung Ucom und dem physikalisch damit verbundenen Wert des Ausgangswiderstands des Halbleiterrelais im offenen Zustand Rout (Tabelle 1). Tabelle 1
Es ist offensichtlich, dass die Verwendung der Standardwerte KR293KP2AV, KR293KP4AV und KR293KP5AV anstelle von KR293KP21AV, KR293KP41AV und KR293KP51AV für die Gleichstromschaltung aufgrund des hohen Ausgangswiderstands nicht ratsam ist und die Standardwerte KR293KP1AV und KR293KP3AV einen gewissen Vorteil gegenüber dem günstigeren KR 293KP11 haben AV und KR293KP31AV, da sie es bei Bedarf ermöglichen, ist es möglich, den Ausgangswiderstand des Geräts um die Hälfte zu reduzieren, indem man in einem speziellen Schaltmodus arbeitet, wenn die Pins 4 und 6 der Mikroschaltung kombiniert und mit dem positiven Potenzial verbunden werden und Pin 5 mit dem negatives Potential des Stromkreises. Die in Tabelle 1 angegebenen Parameterwerte entsprechen den folgenden Messmodi (Tabelle 2): Tabelle 2
ELEKTRISCHE EIGENSCHAFTEN DES RELAIS Halbleiterrelais aller Standardgrößen der KR293-Serie sind hinsichtlich der Eingangseigenschaften vereinheitlicht, die durch die Parameter der im Gerät verwendeten Infrarot-Leuchtdiode bestimmt werden. Die Abhängigkeit der direkten Eingangsspannung Vin und des Ausgangswiderstands Rout vom Eingangsstrompegel im Temperaturbereich ist in Abb. dargestellt. 2 bzw. 3.
Es ist zu beachten, dass eine Verringerung des Eingangsstroms gegenüber dem Nennwert neben einer direkten Erhöhung des Ausgangswiderstands auch zu einer großen Streuung der Werte dieses Parameters und gleichzeitig zu einer Überschätzung der Eingangsströme führt führt praktisch zu keiner spürbaren Verbesserung der statischen Eigenschaften des Gerätes. Bei der Verwendung eines Relais zum Schalten eines analogen Signals in linearen Schaltkreisen ist zu berücksichtigen, dass die Ausgangsstrom-Spannungs-Kennlinie des Geräts außerhalb des Ausgangsspannungsbereichs -0.7 ... 0.7 V nichtlinear ist, wie in Abb. 4 dargestellt . aufgrund der Nebenschlusswirkung der eingebauten Drain-Source-Diode der MOS-Transistoren.
Die Größe des Eingangsstroms hat einen spürbaren Einfluss auf die dynamischen Parameter des Halbleiterrelais. Aus Abb. 5 wird deutlich, dass Sie nicht mit einem Eingangsstrom arbeiten sollten, der unter dem Nennstrom liegt. Gleichzeitig muss berücksichtigt werden, dass die Mikroschaltungen der KR293-Serie hohe Zuverlässigkeitsindikatoren beibehalten, wenn der durchschnittliche Eingangsstrom 20 mA nicht überschreitet.
Eine einfache Schaltung, mit der Sie den erforderlichen Eingangsstrom und die erforderliche Eingangsspannung für eine zuverlässige Steuerung eines Halbleiterrelais erhalten, ist in Abb. 6 dargestellt.
Fig. 6 Der Widerstand R1 legt den Eingangsstrompegel fest, und der Widerstand R2 wird verwendet, wenn in der Steuerschaltung ein hoher Leckstrom auftritt, der so groß ist, dass die Spannung am Eingang der Mikroschaltung nicht unter 0.8 V gehalten werden kann. In dem Fall, in dem dies der Fall ist Um die Einschaltzeit des Geräts zu verkürzen, empfiehlt es sich, die Schaltung durch eine RC-Impulssteuerkette für die LED zu ergänzen. Im Moment des Schaltens fließt ein Impulsstrom durch die LED, bestimmt durch eine RC-Kette bestehend aus Widerstand R3 und Kondensator C. Die Größe des Impulsstroms sollte den für ein Relais maximal zulässigen Wert von 150 mA nicht überschreiten, sondern auch Beachten Sie, dass die maximal zulässige Sperrspannung an der LED 3 V nicht überschreiten darf. THERMISCHE EIGENSCHAFTEN VON RELAIS Ein Halbleiterrelais ist ein Halbleiterbauelement, das seine Funktionalität und hohe Zuverlässigkeit behält, wenn die Betriebstemperatur des pn-Übergangs, Tp, 125 °C nicht überschreitet. Der Mikroschaltung kann Wärme sowohl aus der Umgebung mit der Temperatur Tc als auch durch Wärmeerzeugung im Gerät selbst durch Widerstandserwärmung zugeführt werden, hauptsächlich in den Ausgangskreisen des Geräts, wenn Strom fließt. Der Grad der Überhitzung des pn-Übergangs wird durch den Wert des sogenannten thermischen Widerstands des Kristalls - Umgebung, Rк-с, bestimmt, der für alle Arten von Mikroschaltungen der KR293-Serie 60 ° C / W beträgt. Die zulässige Leistung Po(T), die ein Gerät bei einer bestimmten Temperatur abgeben kann, wird durch die folgende Beziehung bestimmt: Po(Tc) = ( Tp - Tc ) / Rp-s (1) Somit ist es möglich, anhand der Abhängigkeit des Ausgangswiderstands des Geräts im geöffneten Zustand von der Temperatur den zulässigen durchschnittlichen Betriebslaststrom bei einer gegebenen Umgebungstemperatur zu bestimmen. Als, P(Tc) = (Iout)2 * Route(Tp) (2), dann erhalten wir aus (1) und (2): Iout = (Tp - Ts) / Rp-s Rout(Tp) 1/2 (3) Lassen Sie uns beispielsweise den Wert des zulässigen Laststroms der Mikroschaltung KR293KP1B bei Tc = 85 °C bestimmen. Der Ausgangswiderstand des Geräts beträgt bei einer Temperatur von 25 °C 25 Ohm (siehe Tabelle 2) und das Verhältnis Rout(125C)/Rout(25C) gemäß der Grafik in der Abbildung beträgt 1.6, dann ist Rout(125C) = 25 * 1.6 = 40 Ohm. Mit (3) ermitteln wir nun Iout = ( 125 - 85 ) / (60 * 40) 1/2= 0.12 (A) Beachten Sie, dass Ausdruck (1) auch zur Bestimmung des maximalen Ausgangsstroms im ausgeschalteten Zustand verwendet werden sollte, der für gegebene Werte der Umgebungstemperatur Tc und der maximal zulässigen Ausgangsspannung im ausgeschalteten Zustand Ucom gilt: sollte die nach folgender Formel berechneten Werte nicht überschreiten: Iout P(Tc)/Ucom = ( Tp - Tc ) / ( Rp-s * Ucom) (4) Für den Mikroschaltkreis KR293KP1B mit Tc gleich 85C ermitteln wir also Iout (125 - 85) / (60 * 250) = 280 (μA). Auch wenn der Ausfallzustand des Geräts kein akzeptabler Betriebszustand ist, muss vorab eine Einschätzung der ungünstigen Bedingungen vorgenommen werden, was insbesondere beim Betrieb mit einer induktiven Last wichtig ist. AUSGANGSKAPAZITÄT IM AUSGESCHALTETEN ZUSTAND Diese Kapazität ist im Wesentlichen die Kapazität der in Sperrichtung vorgespannten Drain-zu-Substrat-Diode des MOSFET in dem Zustand, in dem kein Treiberstrom durch die LED fließt. Offensichtlich sorgt diese Kapazität für einen unerwünschten Durchgang des Wechselsignals zur Last, wenn das Relais ausgeschaltet ist. Eine vereinfachte Ersatzrelaisschaltung für Wechselstrom ist in Abb. 7 dargestellt
Fig. 7 Um die Ausgangskapazität des Geräts zu verringern, wird die Eigenschaft genutzt, die Sperrkapazität der Diode mit zunehmender Sperrvorspannung am pn-Übergang zu verringern. Die Vorspannung muss an einem der Ausgangskontakte des Relais angelegt werden, wobei die Vorspannung und die maximale Amplitude des Wechselsignals insgesamt die maximal zulässige Spannung am Ausgang des Geräts im ausgeschalteten Zustand nicht überschreiten dürfen. Diese Methode zum Anlegen einer Vorspannung ist in Abb. 8 dargestellt.
Fig. 8 Bei dieser Methode liegt eine der Dioden der MOS-Transistoren unter Sperrvorspannung, die andere Diode hat in diesem Fall eine Nullvorspannung. Es gibt eine andere Möglichkeit, eine Vorspannung anzulegen. Dabei wird eine negative Spannungsquelle verwendet, die beispielsweise in Telefonzentralen verfügbar ist. Der Minuspol der Quelle ist über einen hochohmigen Widerstand mit dem 5. Pin der Mikroschaltung verbunden, wie in Abb. 9 gezeigt, während beide Dioden in Sperrrichtung vorgespannt sind. Die Gesamtausgangskapazität ist in diesem Fall doppelt so groß wie bei der ersten Methode zum Anlegen einer Vorspannung.
Widerstand im Vorspannungskreis Rcm. verhindert im eingeschalteten Zustand des Relais eine Überbrückung der Last und der Signalquelle und muss deutlich größer sein als der Lastwiderstand. Im ausgeschalteten Zustand muss der Vorspannungswiderstand viel kleiner sein als die kapazitive Reaktanz, um eine Modulation der Vorspannung durch kapazitive Ströme zu verhindern. Beispielsweise sollte für Schaltkreise von Telefonzentralen mit Rload.=600 Ohm, Fsign.=1000 kHz und Out.=20pF der Wert von Rcm im Bereich von 0.5...5 MOhm liegen. Abbildung 10 zeigt ein Diagramm der Relaisausgangskapazität gegenüber der Vorspannung.
ISOLATIONSSPANNUNG Der Relaisparameter „Isolationsspannung“ charakterisiert die Fähigkeit des Relais, einer zwischen Eingang und Ausgang angelegten Prüfspannung von 1500 V für eine Minute standzuhalten. Der gesteuerte Parameter ist der Leckstrom, der 10 μA nicht überschreiten sollte. Während des Produktionsprozesses erfolgt eine 100-prozentige Kontrolle der Geräte auf Relaisstabilität, wenn für 1800 Sekunden eine Isolationsspannung von 5 V angelegt wird. Für die meisten industriellen Relaisanwendungen, bei denen die Versorgungsspannung 1500 V nicht überschreitet, ist eine Isolationsspannung von 220 V ausreichend. Für Anwendungen, die mit erhöhten Anforderungen an die Zuverlässigkeit und elektrische Sicherheit von Geräten (medizinische Geräte, Energie) verbunden sind, ist eine Gruppe mit einer Isolierung erforderlich Es entsteht eine Spannung von 4000 V. Es ist besonders zu beachten, dass es sich bei der Isolationsspannung um eine kurzzeitig an das Gerät angelegte Prüfspannung handelt und der Hersteller nicht garantiert, dass das Gerät über einen längeren Zeitraum unter dieser Spannung bleibt. Autor: Zeshkov Yu., Pervouralsk, Gebiet Swerdlowsk. ; Veröffentlichung: N. Bolshakov, rf.atnn.ru
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