Przekaźniki półprzewodnikowe i elektromechaniczne - porównanie

Rys. 1. Struktura przekaźnika PhotoMOS

Rozwiązanie elektromechaniczne ma wiele zalet, takich jak prostota konstrukcji, niskie koszty i wysoka wytrzymałość na stany nieustalone. Jeśli jednak wybór zależy od względów energetycznych, miniaturyzacji, wymagań dotyczących bezawaryjności, zoptymalizowanego przetwarzania lub szczególnych funkcji dodatkowych, jak zabezpieczenie przed zwarciem, wówczas zalety nowoczesnej technologii półprzewodnikowej w postaci przekaźników PhotoMOS w pełni zasługują na uwagę.

Ogólnym celem przekaźników jest zapewnienie izolacji galwanicznej pomiędzy obwodem logicznym lub sterującym a obciążeniem. Często są one również stosowane do łączenia różnych poziomów sygnałów dla różnych potencjałów bez wzajemnych zakłóceń (przekaźniki interfejsowe).

Decydujące kryteria to pozyskanie tak małej energii, jak to możliwe z obwodu logicznego i obecność niezawodnego, wolnego od wpływu zakłóceń przełącznika z długą żywotnością niezależną od liczby cykli przełączania w obwodzie obciążenia. Najważniejsze parametry to dostępna zdolność łączeniowa oraz zużycie energii na jednostkę objętości komponentu, przetwarzalność, odporność na błędy i liczbę możliwych cykli przełączania ze stałą charakterystyką elektryczną.

Jedyną istotną różnicą pomiędzy przekaźnikami elektromechanicznymi a półprzewodnikowymi PhotoMOS jest sposób, w jaki obciążenie jest przełączane na wyjściu. W przekaźnikach elektromechanicznych ruchome styki metalowe pełnią funkcję przełącznika, co zapewnia dodatkową izolację galwaniczną na wyjściu. Pole magnetyczne z cewki, która jest także elektrycznie izolowana, zapewnia transmisję sygnału pomiędzy wejściem i wyjściem.

Z kolei przekaźniki PhotoMOS to specjalny rodzaj przekaźnika półprzewodnikowego, który jako element wykonawczy wykorzystuje tranzystory MOSFET. Prąd roboczy wynoszący tylko kilka mA (min. 0,3 mA) w obwodzie wejściowym PhotoMOS uruchamia diodę LED z arsenku galu (GaAs) pracującą w zakresie podczerwieni.

Po przejściu przez półprzezroczystą żywicę izolującą światło jest wykrywane przez układ ogniw fotowoltaicznych zasilających obwód bramki MOSFET-a. Taki rodzaj nieprzewodzącego połączenia elektrycznego zapewnia izolację galwaniczną pomiędzy obwodami wejściowymi i wyjściowymi.

Fotonapięcie podawane jest na driver (trigger) z wbudowaną histerezą, który z kolei steruje połączonymi bramkami dwóch sprzężonych tranzystorów DMOSFET (podwójny dyfuzyjny MOSFET) po stronie wyjściowej. Te tranzystory mocy znajdują się bezpośrednio w obwodzie wyjściowym przekaźnika PhotoMOS. Zintegrowany obwód wyzwalania włącza i wyłącza wyjście dzięki histerezie w sposób dwustanowy, wywołując zachowanie analogiczne do przekaźnika elektromechanicznego.

Nominalna moc przełączająca

Przekaźniki PhotoMOS do zadziałania wymagają pobudzenia diody LED. Dzięki jej wysokiej czułości wystarczy 0,3 mA, co przy spadku napięcia na złączu LED 1,25 V zapewnia minimalny pobór mocy 0,4 mW (dla przykładowego modelu AQY232S). Dla porównania pobór mocy cewki przekaźników elektromechanicznych wysokiej czułości w najlepszym przypadku wynosi 50 mW (przekaźniki Panasonic z rodziny TXS). Dostępne są również typy bistabilne, które nie wymagają sygnału podtrzymującego w stanie przełączonym.

Transmisja sygnału

Rys. 2. Przykład zależności zdolności tłumienia przesłuchu od częstotliwości pracy dla przekaźnika PhotoMOS AQY221N2S

W przypadku słabych sygnałów napięciowych pochodzących z czujników, takich jak termopary, mikrofony lub podobnych sensorów, komutacja za pomocą przekaźników elektromechanicznych jest kłopotliwa, bo siła termoelektromotoryczna zniekształca sygnał. Powstaje ona, gdy na drodze sygnału istnieją różne materiały przewodzące w punktach łączących różne poziomy temperatury.

Siła termoelektromotoryczna zazwyczaj występuje w przekaźnikach monostabilnych, ponieważ prąd przepływa przez różne materiały, z których wykonane są sprężyny i kontakty w punktach stykowych. Dzieje się tak, gdyż po zasileniu cewki wytwarzane jest ciepło, a różnice temperatur powstają wzdłuż ścieżki prądu zespołu sprężyny stykowej.

Dla przekaźników ze złotymi stykami jej wielkość można oszacować na 0,1 µV na stopień. Niektóre typy przekaźników, jak przekaźnik SX firmy Panasonic, są zoptymalizowane dla tego konkretnego przypadku. Wykazują one całkowitą siłę termoelektromotoryczną nie większą niż 3 µV przy pracy nominalnej, a tym samym przy maksymalnym podgrzaniu.

Analogicznym zjawiskiem w przekaźnikach PhotoMOS jest napięcie offsetu, które jest wytwarzane przez naładowane wolne elektrony w półprzewodniku. Jest to miara przesunięcia charakterystyki krzywej prądu/napięcia w stosunku do charakterystyki idealnej. Napięcie offsetu jest w dużej mierze niezależne od temperatury i może być uważane za stałe w obwodzie. Typowe wartości napięcia offsetu w przekaźnikach PhotoMOS nie przekraczają 1 µV.

Charakterystyki w zakresie w.cz.

W celu osiągnięcia wysokiego tłumienia przesłuchów przy wysokich częstotliwościach przekaźniki muszą mieć niskie pojemności własne przy otwartym styku. Wartości dla elektromechanicznych przekaźników sygnałowych wynoszą zwykle około 1 pF. Rezultatem są doskonałe charakterystyki w zakresie w.cz. Nawet przy częstotliwości 100 MHz tłumienie przesłuchów nadal wynosi 40 dB.

Specjalne przekaźniki dla wysokiej częstotliwości, takie jak przekaźniki Panasonic RJ, dzięki niskim pojemnościom własnym mogą efektywnie przełączać sygnały w.cz. nawet do 8 GHz. Przekaźniki PhotoMOS w zakresie w.cz. są prawie tak dobre jak elektromechaniczne. W zależności od typu ich pojemności własne również wynoszą 1 pF. Do komutacji sygnałów w zakresie gigahercowym nadal muszą być używane diody PIN lub specjalne przekaźniki HF.

Charakterystyki przejścia i odbijanie styków

Rys. 3. Rezystancja styku dla AQY212G_S

W zakresie charakterystyki przejściowej przekaźniki PhotoMOS są o wiele lepsze od elektromechanicznych. Ich typowy czas włączania wynosi 0,2 ms i jest zależny od prądu diody LED oraz temperatury otoczenia. Czas wyłączania stanowi około jednej dziesiątej czasu włączania i jest w dużej mierze niezależny od warunków sterowania. W przekaźnikach elektromechanicznych charakterystyki przejścia mieszczą się w zakresie milisekund, a ich styki odbijają podczas włączania, tworząc oscylacje sygnału.

Czas życia

Czas życia przekaźników PhotoMOS zależy przede wszystkim od trwałości diody LED i dlatego jest praktycznie nieograniczony. Można spodziewać się czasu życia wynoszącego ponad 12 lat nieprzerwanej pracy.

Natomiast trwałość konwencjonalnych przekaźnikach zależy od konstrukcji mechanicznej (trwałość mechaniczna), jak również od obciążenia elektrycznego (trwałość elektryczna) i jest określona liczbą cykli przełączania. Mechaniczna żywotność nowoczesnych przekaźników elektromechanicznych może sięgać kilku milionów cykli przełączania, ale żywotność elektryczna zależy w dużej mierze od stopnia obciążenia.

Rezystancja styków w stanie włączenia

Tabela 1. Porównanie przekaźników PhotoMOS i przekaźników elektromechanicznych

Jedną z zalet przekaźników PhotoMOS jest fakt, że rezystancja styku półprzewodnikowego jest niezależna od obciążenia i pozostaje stała przez cały okres użytkowania przekaźnika. Jednakże rezystancja w stanie włączenia ma większą wartość niż w przypadku przekaźników elektromechanicznych i w zależności od napięcia obciążenia może wynosić nawet kilka omów. W znacznym stopniu zależy ona również od temperatury otoczenia (rys. 3 - rezystancja styku AQY212G_S). W zależności od typu w najlepszym przypadku dla napięcia obciążenia do 30 V wartość rezystancji wynosi ok. 30 mΩ.

Rezystancja styków przekaźników elektromechanicznych jest rzędu miliomów i może znacząco zmieniać się w trakcie okresu użytkowania komponentu. Cienkie warstwy tlenków mogą się tworzyć zwłaszcza na stykach otwartego przekaźnika, zwiększając rezystancję. Generalnie kilka cykli przełączania pod obciążeniem zniweluje te warstwy i oporność wraca do wartości z karty katalogowej.

Izolacja galwaniczna

Izolacja galwaniczna oznacza separację sygnałów elektrycznych i w przypadku przekaźnika dotyczy ona obwodu wyjściowego (styków) oraz wejścia i wyjścia. Wyjściowy tranzystor w przekaźniku półprzewodnikowym nie zapewnia izolacji galwanicznej od strony obciążenia, natomiast połączenie optyczne zapewnia izolację pomiędzy stroną sterującą a obciążeniem.

Przekaźniki elektromechaniczne są zatem lepsze w tym zakresie, ponieważ zapewniają izolację galwaniczną zarówno w stosunku do strony sterującej, jak i po stronie obciążenia. To może być głównym kryterium w szczególności w aplikacjach związanych z bezpieczeństwem.

Sebastian Holzinger
Panasonic Electric Works Polska
www.panasonic-electric-works.com/pl