Porównanie przekaźników półprzewodnikowych i elektromechanicznych

Rozwiązanie elektromechaniczne szczyci się ewidentnymi zaletami, takimi jak: nieskomplikowana budowa, niewielka cena i podwyższona wytrzymałość. Jeśli jednak wybór zależy od względów energetycznych, miniaturyzacji, wymagań dotyczących bezawaryjności, zoptymalizowanego przetwarzania lub szczególnych funkcji dodatkowych, takich jak zabezpieczenie przed zwarciem, wówczas warto przyjrzeć się zaletom nowoczesnej technologii półprzewodnikowej w postaci przekaźników PhotoMOS.

Głównym celem przekaźników jest zapewnienie izolacji galwanicznej pomiędzy obwodem logicznym lub sterującym a obwodem obciążenia. Często są one również stosowane do łączenia sygnałów o znacznej różnicy napięcia, mających różne poziomy odniesienia. Decydującymi kryteriami przy wyborze przekaźnika półprzewodnikowego może być wykorzystanie tak małej energii z obwodu logicznego, jak to możliwe i zastosowanie niezawodnego, odpornego na zaburzenia przełącznika, mającego dużą żywotność, niezależną od liczby cykli przełączania w obwodzie obciążenia.

Najważniejszymi parametrami przekaźnika są: zdolność łączeniowa, zużycie energii na jednostkę objętości komponentu, odporność na uszkodzenia i maksymalna liczba cykli przełączania przy zachowaniu parametrów elektrycznych.

Podstawy budowy i działania przekaźników PhotoMOS

Istotną różnicą pomiędzy przekaźnikami elektromechanicznych a przekaźnikami półprzewodnikowymi PhotoMOS jest sposób, w jaki jest zasilane obciążenie. W przekaźnikach elektromechanicznych ruchome styki metalowe pełnią funkcję przełącznika, a izolację pomiędzy nimi zapewnia przerwa – mechaniczne oddalenie styków. Pole magnetyczne cewki, która także jest odizolowana elektrycznie, zapewnia zwarcie styków i przez to zamknięcie obwodu elektrycznego – załączenie obciążenia.

Schemat blokowy przekaźnika PhotoMOS pokazano na rysunku 1. Jest to specjalny rodzaj przekaźnika półprzewodnikowego, który wykorzystuje tranzystory MOSFET. Prąd sterujący wynoszący tylko kilka mA (minimalnie 0,3 mA) w obwodzie wejściowym PhotoMOS „zaświeca” diodę LED wykonaną z arsenku galu (GaAs), emitującą światło podczerwone. Po przejściu przez półprzezroczystą żywicę pełniącą rolę izolatora, podczerwień oświetla fotoogniwa zintegrowane w obudowie PhotoMOS, które przetwarzają światło na napięcie. Zapewnia to izolację galwaniczną pomiędzy obwodami wejściowymi a wyjściowymi. Napięcie z fotoogniw jest podawane na obwód sterujący połączonymi bramkami dwóch sprzężonych tranzystorów DMOSFET dołączonymi do styków wyjściowych. Zintegrowany obwód wyzwalania jest aktywny przy określonym napięciu progowym – odpowiadającym danemu natężeniu światła – oraz włącza i wyłącza wyjście, w zasadzie w sposób dwustanowy, powodując zachowanie analogiczne do przekaźnika elektromechanicznego.

Nominalna moc przełączająca

Nowoczesne przekaźniki PhotoMOS mogą być sterowane prądem o natężeniu zaledwie 0,3 mA. Napięcie świecenia (progowe) wejściowych diod LED zwykle wynosi 1,25 V. Znając je można obliczyć minimalny pobór mocy, który np. dla przekaźników AQY232S firmy Panasonic wynosi 0,4 mW. Dla porównania, pobór mocy przez cewkę przekaźników elektromechanicznych o dużej czułości, w najlepszym wypadku wynosi 50 mW (przekaźniki Panasonic TXS). Dostępne są również typy bistabilne, które nie wymagają mocy podtrzymującej w stanie przełączonym.

Transmisja sygnału

W elektronice sygnały, które są łączone za pomocą wyjścia przekaźnika, zwykle mają małe napięcie i niewielkie natężenie. Za przykład mogą posłużyć termopara, mikrofon lub inne, podobne czujniki/przetworniki. W takiej sytuacji kluczowe znaczenie mogą mieć straty sygnału. W przekaźnikach elektromechanicznych, sygnał może być zniekształcany przez siłę termoelektromotoryczną powstającą wtedy, gdy są stosowane różne materiały przewodzące, które na dodatek mogą mieć różną temperaturę.

Zwykle siła termoelektromotoryczna powstaje w przekaźnikach monostabilnych, ponieważ prąd przepływa przez sprężyny i kontakty wykonane z różnych materiałów. Po zasileniu cewki jest także generowane ciepło, które powoduje różnice temperatury wzdłuż ścieżki prądu zespołu sprężyny stykowej. Dryft napięciowy w przekaźnikach ze złotymi stykami to 0,1 mV/K. Niektóre typy przekaźników, jak SX firmy Panasonic Electric Works, są zoptymalizowane dla tego konkretnego zastosowania. Generują one całkowitą siłę termoelektromotoryczną 3 mV przy normalnej pracy, a więc i dopuszczalnym zakresie temperatury otoczenia, w tym również w temperaturze maksymalnej.

W przekaźnikach elektromechanicznych występuje siła termoelektromotoryczna, natomiast podobnym zjawiskiem w przekaźnikach PhotoMOS jest napięcie offsetu wytwarzane przez naładowane, wolne elektrony w półprzewodniku. Jest to miara przesunięcia charakterystyki krzywej prądu/napięcia w stosunku do charakterystyki idealnej. W dużej mierze napięcie offsetu jest niezależne od temperatury i może być uważane za stałe w obwodzie. Typowe wartości napięcia offsetu w przekaźnikach PhotoMOS są poniżej 1 mV.

Charakterystyka częstotliwościowa

W celu osiągnięcia odpowiedniego tłumienia przesłuchu przy wysokich częstotliwościach przełączanego sygnału przekaźniki muszą mieć małą pojemność przy otwartych zestykach. Pojemność ta dla elektromechanicznych przekaźników sygnałowych zwykle wynosi około 1 pF. Rezultatem są doskonałe charakterystyki HF. Nawet przy częstotliwości 100 MHz, tłumienie przesłuchów wynosi co najmniej 40 dB (rysunek 2). Specjalne przekaźniki dla wysokiej częstotliwości, takie jak przekaźniki Panasonic RJ, są przeznaczone do przełączania sygnału o częstotliwości sięgającej nawet 8 GHz.

Charakterystyki dla wysokiej częstotliwości, które można osiągnąć za pomocą przekaźników PhotoMOS są prawie tak dobre, jak dla przekaźników elektromechanicznych. W zależności od typu, pojemność na wyjściu przekaźnika PhotoMOS również wynosi ok. 1 pF i dlatego przekaźniki PhotoMOS mogą także być stosowane do przełączania sygnałów o częstotliwości w zakresie MHz. Do aplikacji w zakresie GHz muszą być używane diody PIN lub specjalne przekaźniki HF.

Charakterystyki przejścia/odbijanie styków

Biorąc pod uwagę drgania styków, przekaźniki PhotoMOS są w naturalny sposób o wiele lepsze od przekaźników elektromechanicznych. Typowy czas załączania przekaźników PhotoMOS wynosi 0,2 ms i jest zależny od prądu diody LED i temperatury otoczenia. Czas wyłączania stanowi około jednej dziesiątej czasu włączania i jest niezależny od warunków sterowania. W przekaźnikach elektromechanicznych charakterystyki przejścia mieszczą się w zakresie milisekund, a styki odbijają podczas włączania.

Czas życia

Czas życia przekaźników PhotoMOS zależy przede wszystkim od czasu pracy diody LED i dlatego jest niemal nieograniczony. Można spodziewać się czasu życia wynoszącego ponad 12 lat nieprzerwanej pracy. Natomiast trwałość konwencjonalnych przekaźników zależy od budowy (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 obciążenia.

Rezystancja w stanie włączenia

Jedną z zalet przekaźników PhotoMOS jest fakt, iż rezystancja „styku” jest niezależna od obciążenia i pozostaje stała przez cały okres użytkowania przekaźnika. Jednakże rezystancja w stanie włączenia ma większą wartość, niż w przekaźnikach elektromechanicznych i w zależności od napięcia obciążenia może wynosić nawet kilka omów. W znacznym stopniu zależy ona również od temperatury otoczenia. Jak przykład, na rysunku 3 pokazano rezystancję styku przekaźnika AQY212G_S. W zależności od typu, w najlepszym wypadku dla napięcia obciążenia do 30 V wartość tej rezystancji wynosi ok. 30 mV.

Rezystancja styków przekaźników elektromechanicznych jest zmienna w zakresie mV 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 powróci do wartości z karty katalogowej.

Izolacja galwaniczna

Ważne, aby dostrzec różnicę pomiędzy izolacją galwaniczną pomiędzy sterowaniem a obciążeniem, a izolacją galwaniczną po stronie obciążenia. Nieprzewodzący półprzewodnik nie zapewnia izolacji galwanicznej od strony obciążenia. Złącze optyczne może zapewnić przynajmniej izolację pomiędzy stroną sterującą a stroną obciążenia. Przekaźniki elektromechaniczne mają wyraźne korzyści w tym względzie, ponieważ zapewniają izolację galwaniczną zarówno od strony sterowania (odseparowane obwody sterowania i obciążenia), jak też od strony obciążenia (rozwarcie obwodu – przerwa pomiędzy stykami). W niektórych aplikacjach może to być głównym kryterium, w szczególności w aplikacjach związanych z bezpieczeństwem. W tabeli 1 zwięźle podsumowano przytoczone rozważania.

Jak przedstawiono, jest wiele zalet i wad poszczególnych technologii. W zależności od wymagań aplikacji, przekaźnik półprzewodnikowy albo przekaźnik elektromechaniczny może być lepiej dostosowany do konkretnego zastosowania.

W perspektywie średnioterminowej udział w rynku przekaźników PhotoMOS z pewnością znacznie wzrośnie, w szczególności w aplikacjach małosygnałowych. Oprócz spadku cen i bardziej kompaktowej budowy, to przede wszystkim zalety techniczne technologii półprzewodnikowej gwarantują jej sukces. Wypróbowane i przetestowane elektromechaniczne przekaźniki sygnałowe nadal utrzymują swe znaczenie, są też idealnym uzupełnieniem przekaźników PhotoMOS.

Sebastian Holzinger
Product Manager - PhotoMOS oraz SSR
Panasonic Electric Works Europe AG, Ottobrunn, Niemcy