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ENCICLOPEDIA DELLA RADIOELETTRONICA ED ELETTRICA Relè allo stato solido della serie KR293. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica
Enciclopedia della radioelettronica e dell'elettrotecnica / materiali di riferimento I microcircuiti ibridi integrati della serie KR293 sono interruttori di segnale CC e CA con isolamento optoelettronico tra ingresso e uscita. In termini di parametri elettrici e funzionalità, questi microcircuiti possono sostituire i relè elettromeccanici in molte aree della tecnologia. Questa circostanza ha determinato l'ampio uso in letteratura del termine "relè a stato solido" per indicare circuiti integrati di una nuova serie di dispositivi di commutazione, il cui principio di funzionamento è stato considerato in modo sufficientemente dettagliato nella rivista Radio N2 per il 1995. COMPOSIZIONE DELLA SERIE Attualmente, la serie KR293 comprende cinque tipi di relè a stato solido KR293KP1 KR293KP5, ognuno dei quali è formato da dispositivi di due valori nominali, ad esempio KR293KP1 e KR293KP11. A sua volta, ogni tipo di chip contiene tre gruppi (gruppo A, B e C). Le immagini grafiche condizionali dei circuiti integrati di una serie di relè a stato solido sono mostrate in Fig.1. I relè a canale singolo KR293KP1AV, KR293KP11AV, KR293KP3AV e KR293KP31AV sono realizzati in un contenitore rettangolare in plastica a sei pin 2101-6 e microcircuiti a due canali KR293KP2AV, KR293KP21AV, KR293KP4AV, KR293KP41AV, KR293KP5AV e KR293 51KP2101AV - in un tipo di pacchetto a otto pin 8-XNUMX. I microcircuiti KR293KP1 KR293KP5 sono progettati per la commutazione di segnali di corrente sia continua che alternata e KR293KP11 KR293KP51 - solo diretta. I relè a stato solido KR293KP1AV, KR293KP11AV, KR293KP2AV e KR293KP21AV hanno i cosiddetti contatti normalmente aperti, cioè corrispondono ai relè di tipo A e KR293KP3AV, KR293KP31AV, KR293KP4AV e KR293KP41AV sono relè di tipo B con contatti normalmente chiusi. I microcircuiti KR293KP5AV e KR293KP51AV possono svolgere le funzioni di un relè di tipo C, lavorando per la commutazione.
Fig. 1 La classificazione dei microcircuiti in gruppi all'interno di ciascuna valutazione viene effettuata in base ai valori della tensione di commutazione massima consentita Ucom e al valore della resistenza di uscita del relè a stato solido nello stato aperto Rout ad esso fisicamente associato ( Tabella 1). Tabella 1
Ovviamente, non è consigliabile utilizzare i valori nominali KR293KP2AV, KR293KP4AV e KR293KP5AV invece di KR293KP21AV, KR293KP41AV e KR293KP51AV per la commutazione CC a causa dell'elevata resistenza di uscita, e i valori nominali KR293KP1AV e KR293KP3AV hanno un certo vantaggio rispetto al più economico KR293KP11 AV e KR293KP31AV, come loro consentire, se necessario, È possibile ridurre di due l'impedenza di uscita del dispositivo, lavorando in una modalità di commutazione speciale, quando il 4 ° e il 6 ° pin del microcircuito sono combinati e collegati al positivo e il pin 5 al potenziale negativo rispettivamente del circuito. I valori dei parametri riportati nella Tabella 1 corrispondono alle seguenti modalità di misurazione (Tabella 2): Tabella 2
CARATTERISTICHE ELETTRICHE DEL RELÈ I relè a stato solido di tutti i valori nominali della serie KR293 sono unificati in termini di caratteristiche di ingresso, che sono determinate dai parametri del diodo a emissione di luce a infrarossi utilizzato nel dispositivo. La dipendenza della tensione di ingresso diretta Vin e della resistenza di uscita Rout dal livello della corrente di ingresso nell'intervallo di temperatura è mostrata in fig. 2 e 3, rispettivamente.
Si noti che una diminuzione della corrente di ingresso rispetto al valore nominale, oltre ad un aumento diretto della resistenza di uscita, comporta anche un'ampia diffusione dei valori di questo parametro, mentre un aumento delle correnti di ingresso praticamente non migliora le caratteristiche statiche del dispositivo. Quando si utilizza un relè per la commutazione di un segnale analogico in circuiti lineari, è necessario tenere conto del fatto che la caratteristica corrente-tensione di uscita del dispositivo non è lineare al di fuori dell'intervallo di tensione di uscita di -0.7 ... 0.7 V, come mostrato in Fig.4. grazie all'azione di shunt del diodo drain-source incorporato dei MOSFET.
Il valore della corrente di ingresso ha un notevole effetto sui parametri dinamici del relè allo stato solido. Dalla figura 5 sopra si può vedere che non si dovrebbe lavorare con una corrente di ingresso inferiore alla corrente nominale. Allo stesso tempo, si deve tenere conto del fatto che i microcircuiti della serie KR293 mantengono indicatori di elevata affidabilità se la corrente di ingresso media non supera i 20 mA.
Un semplice circuito che consente di ottenere la corrente e la tensione di ingresso richieste per un controllo affidabile di un relè a stato solido è mostrato in Fig.6.
Fig. 6 Il resistore R1 imposta il livello della corrente di ingresso e il resistore R2 viene utilizzato se il circuito di controllo ha una corrente di dispersione di livello elevato così grande da non consentire il mantenimento della tensione all'ingresso del microcircuito inferiore a 0.8 V. Nel caso in cui lo sia necessario per ridurre i tempi di accensione del dispositivo, si consiglia di integrare il circuito RC con una catena di controllo degli impulsi del LED. Al momento della commutazione, una corrente di impulso scorre attraverso il LED, determinata da un circuito RC costituito dal resistore R3 e dal condensatore C. L'entità della corrente di impulso non deve superare il valore massimo consentito per il relè di 150 mA, dovrebbe anche si ricorda che il massimo livello di tensione inversa ammissibile sul LED non deve superare i 3V. CARATTERISTICHE TERMICHE DEL RELÈ Un relè a stato solido è un dispositivo a semiconduttore che mantiene la sua funzionalità e un alto livello di affidabilità se la temperatura di esercizio della giunzione pn, Tp, non supera i 125°C. Il calore può essere fornito al microcircuito sia dall'ambiente, la cui temperatura è Tc, sia come risultato del rilascio di calore nel dispositivo stesso a seguito del riscaldamento resistivo, principalmente nei circuiti di uscita del dispositivo quando la corrente scorre. Il grado di surriscaldamento della giunzione pn è determinato dal valore della cosiddetta resistenza termica del cristallo - l'ambiente, Rk-s, che per tutte le valutazioni dei microcircuiti della serie KR293 è di 60 ° C / W. La potenza ammissibile Po(T), che può essere dissipata dal dispositivo ad una data temperatura, è determinata dalla seguente relazione: Po(Tc) = ( Tp - Tc ) / Rp-s (1) Pertanto, utilizzando la dipendenza della resistenza di uscita del dispositivo nello stato aperto dalla temperatura, è possibile determinare la corrente di carico operativa media consentita a una data temperatura ambiente. Perché, P(Tc) = (Iout)2 * Rotta(Tp) (2), quindi da (1) e (2) otteniamo: Iout = ( Tp - Ts ) / Rp-s Rotta(Tp) 1/2 (3) Ad esempio, determiniamo il valore della corrente di carico ammissibile del microcircuito KR293KP1B a Tc = 85°C. La resistenza di uscita del dispositivo alla temperatura di 25°C è di 25 Ohm (vedi Tabella 2), e il rapporto Rout (125C) / Rout (25C) secondo il grafico in figura è 1.6, quindi Rout (125C) = 25 * 1.6 = 40 Ohm. Ora, utilizzando la (3), troviamo Iout = ( 125 - 85 ) / (60 * 40) 1/2= 0.12 (A) Si noti che l'espressione (1) dovrebbe essere utilizzata anche per determinare la corrente di uscita limite nello stato spento, che, a dati valori della temperatura ambiente Tc e la tensione massima consentita all'uscita nello stato spento Ukom, non deve superare i valori calcolati secondo la seguente formula: Iout P(Ts)/Ucom = ( Tp - Ts ) / ( Rp-s * Ucom) (4) Quindi per il microcircuito KR293KP1B a Tc pari a 85C, troviamo Iout (125 - 85) / (60 * 250) = 280 (μA). Sebbene non sia una modalità operativa valida per il dispositivo in stato di guasto, è necessario effettuare preventivamente una valutazione delle condizioni avverse, che è particolarmente importante quando si opera su un carico induttivo. CAPACITÀ DI USCITA DISATTIVATA Questa capacità è essenzialmente la capacità del diodo drain-substrato polarizzato inversamente del MOSFET nello stato in cui nessuna corrente di pilotaggio scorre attraverso il LED. È ovvio che questa capacità fornisce un passaggio indesiderato del segnale AC al carico quando il relè è spento. Un circuito equivalente a relè semplificato per CA è mostrato nella Figura 7.
Fig. 7 Per ridurre la capacità di uscita del dispositivo, viene utilizzata la proprietà di ridurre la capacità di barriera del diodo con l'aumento della polarizzazione inversa alla giunzione pn. La polarizzazione deve essere applicata ad uno dei contatti di uscita del relè, mentre la tensione di polarizzazione e l'ampiezza massima del segnale alternato in totale non devono superare la tensione massima consentita all'uscita del dispositivo nello stato spento. Tale metodo per fornire un bias è mostrato in Fig. 8.
Fig. 8 Con questo metodo, uno dei diodi dei MOSFET sarà in polarizzazione inversa, l'altro diodo in questo caso avrà polarizzazione zero. C'è un altro modo per applicare la tensione di polarizzazione. Consiste nell'utilizzare una sorgente di tensione negativa, che, ad esempio, è disponibile nelle centrali telefoniche. Il meno della sorgente attraverso un resistore ad alta resistenza è collegato alla quinta uscita del microcircuito, come mostrato in Fig. 5, mentre entrambi i diodi saranno in polarizzazione inversa. La capacità di uscita totale in questo caso sarà due volte inferiore rispetto al primo metodo di applicazione della polarizzazione.
Resistore di polarizzazione Rcm. impedisce lo shunt del carico e della sorgente del segnale nello stato in cui il relè è attivo e deve essere molto maggiore della resistenza del carico. Quando è chiuso, il resistore di polarizzazione deve essere molto più piccolo della capacità per impedire la modulazione della tensione di polarizzazione da parte di correnti capacitive. Ad esempio, per circuiti di commutazione di centrali telefoniche con Rload.=600 Ohm, Fsign.=1000 kHz e Cout.=20pF, il valore di Rcm dovrebbe essere compreso tra 0.5 e 5 MΩ. La Figura 10 mostra un grafico della capacità di uscita del relè rispetto alla tensione di polarizzazione.
TENSIONE DI ISOLAMENTO Il parametro del relè "tensione di isolamento" caratterizza la capacità del relè di sopportare una tensione di prova di 1500 V applicata tra ingresso e uscita per un minuto. Il parametro controllato è la corrente di dispersione, che non deve superare i 10 μA. Durante il processo di produzione, viene eseguito il controllo al 100% dei dispositivi per la stabilità del relè quando viene applicata una tensione di isolamento di 1800 V per 5 secondi. Il valore della tensione di isolamento di 1500 V è sufficiente per la maggior parte delle applicazioni industriali del relè, dove la tensione di alimentazione non supera i 220 V. Per le applicazioni associate a maggiori requisiti di affidabilità e sicurezza elettrica delle apparecchiature (apparecchiature mediche, energia), un gruppo con una tensione di isolamento di 4000 V. Va notato in particolare che la tensione di isolamento è una tensione di prova applicata al dispositivo per un breve periodo e il produttore non garantisce che il dispositivo rimarrà sotto questa tensione per lungo tempo. Autore: Zeshkov Yu., Pervouralsk, regione di Sverdlovsk ; Pubblicazione: N. Bolshakov, rf.atnn.ru
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