ТВЕРДОТЕЛЬНЫЕ РЕЛЕ СЕРИИ КР293.

Интегральные гибридные микросхемы серии КР293 представляют собой коммутаторы сигналов постоянного и переменного тока с оптоэлектронной развязкой между входом и выходом. По своим электрическим параметрам и функциональным возможностям эти микросхемы во многих областях техники могут заменить электромеханические реле. Данное обстоятельство определило широкое использование в литературе термина "твердотельное реле" для обозначения интегральных схем новой серии коммутационных приборов, принцип работы которых достаточно подробно был рассмотрен в журнале "Радио" N2 за 1995 год.

СОСТАВ СЕРИИ

В настоящее время в состав серии КР293 входят пять типов твердотельных реле КР293КП1 КР293КП5, каждый из которых образован приборами двух типономиналов, например, КР293КП1 и КР293КП11. В свою очередь каждый типономинал микросхемы содержит три группы (группа А,Б и В). Условные графические изображения интегральных схем серии твердотельных реле представлены на рис.1.

Одноканальные реле КР293КП1АВ, КР293КП11АВ, КР293КП3АВ и КР293КП31АВ выполнены в прямо- угольном пластмассовом шестивыводном корпусе 2101-6, а двухканальные микросхемы КР293КП2АВ, КР293КП21АВ, КР293КП4АВ, КР293КП41АВ, КР293КП5АВ и КР293КП51АВ - в восьмивыводном корпусе типа 2101-8.

Микросхемы КР293КП1 КР293КП5 предназначены для коммутации сигналов как постоянного, так и пере- менного тока, а КР293КП11 КР293КП51 - только постоянного. Твердотельные реле КР293КП1АВ, КР293КП11АВ, КР293КП2АВ и КР293КП21АВ имеют, так называемые, нормально разомкнутые контакты, т.е. соответствуют реле типа А, а КР293КП3АВ, КР293КП31АВ, КР293КП4АВ и КР293КП41АВ являются реле типа В с нормально замкнутыми контактами. Микросхемы КР293КП5АВ и КР293КП51АВ могут вы- полнять функции реле типа С, работая на переключение.

Рис. 1

Классификация микросхем по группам в пределах каждого типономинала проводится по значениям предельно - допустимого напряжения коммутации Uком и физически связанной с ним величине выходного сопротивления твердотельного реле в открытом состоянии Rвых (Таблица 1).

Таблица 1

Очевидно, что использовать типономиналы КР293КП2АВ, КР293КП4АВ и КР293КП5АВ вместо КР293КП21АВ, КР293КП41АВ и КР293КП51АВ для коммутации постоянного тока не целесообразно из-за высокого выходного сопротивления, а типономиналы КР293КП1АВ и КР293КП3АВ имеют определенное преимущество перед более дешевыми КР293КП11АВ и КР293КП31АВ, так как позволяют при необходи- мости в двое снизить выходное сопротивление прибора, работая в специальном режиме включения, когда 4 и 6 вывод микросхемы объединены и подключены к положительному, а вывод 5 - к отрицательному потенциалу схемы, соответственно.

Приведенные в таблице1 значения параметров соответствуют следующим режимам измерения (Таблица 2):

Таблица 2

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ РЕЛЕ

Твердотельные реле всех типономиналов серии КР293 унифицированы по входным характеристикам, кото- рые определяются параметрами используемого в приборе светоизлучающего диода инфракрасного диапазо- на. Зависимость величины прямого входного напряжения Vвх и выходного сопротивления Rвых от уровня входного тока в диапазоне температур приведены на рис. 2 и 3, соответственно.

Рис. 2

Рис. 3

Следует отметить, что уменьшение входного тока относительно номинального значения кроме непосред- ственного увеличения выходного сопротивления приводит также к широкому разбросу значений этого параметра, в то время как завышение входных токов практически не дает сколь-нибудь заметного улучшения статических характеристик прибора.

Используя реле для коммутации аналогового сигнала в линейных схемах следует учитывать, что выходная вольт-амперная характеристика прибора нелинейна вне диапазона выходных напряжений -0.7 ...0.7 В, как это показано на рис.4. из-за шунтирующего действия встроенного диода сток-исток МОП-транзисторов.

Рис. 4

Величина входного тока оказывает заметное влияние на динамические параметры твердотельного реле. Из приведенного рис.5 видно, что не следует работать на входном токе ниже номинального. В тоже время необходимо учитывать, что микросхемы серии КР293 сохраняют высокие показатели надежности, если средний входной ток не будет превышать 20 мА.

Рис.5

Простая схема, позволяющая получить требуемые входные ток и напряжение для надежного управления твердотельным реле представлена на рис.6.

Рис. 6

Резистор R1 устанавливает уровень входного тока, а резистор R2 применяется в том случае, если схема управления имеет ток утечки высокого уровня столь большой, что это не позволяет поддерживать напря- жение на входе микросхемы менее 0.8 В. В случае, когда требуется уменьшить время включения прибора, рекомендуется дополнить схему RC- цепочкой импульсного управления светодиодом. В момент переключе- ния через светодиод протекает импульсный ток, определяемый RС- цепочкой, состоящей из резистора R3 и конденсатора С. Величина импульсного тока не должна превышать предельно-допустимого значения для реле 150 мА, также следует помнить, что предельно допустимый уровень обратного напряжения на свето- диоде не должен превышать 3В.

ТЕПЛОВЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ РЕЛЕ

Твердотельное реле является полупроводниковым прибором, который сохраняет свои функциональные возможности и высокий уровень надежности, если рабочая температура p-n перехода, Tп, не превышает 125°С. Тепло к микросхеме может подводиться как из окружающей среды, температура которой Tс, так и в результате тепловыделения в самом приборе в результате резистивного нагрева главным образом в выход- ных цепях прибора при протекании тока.

Степень перегрева p-n перехода определяется величиной, так называемого, теплового сопротивления кристалл - окружающая среда, Rк-с, которое для всех типономиналов микросхем серии КР293 составляет 60°С/W. Допустимая мощность Po(T), которую может рассеять прибор при данной температуре, определяется следующим соотношением:

Pо(Tс) = ( Tп - Tс ) / Rп-с (1)

Таким образом, используя зависимость выходного сопротивления прибора в открытом состоянии от температуры, можно определить допустимый средний рабочий ток нагрузки при заданной температуре окружающей среды. Так как,

P(Tс) = (Iвых)² * Rвых(Tп) (2) ,

то из (1) и(2) получим:

Iвых = ( Tп - Tс ) / Rп-с Rвых(Tп) ^1/2 (3)

Для примера определим значение допустимого тока нагрузки микросхемы КР293КП1Б при Tс = 85°С. Выходное сопротивление прибора при температуре 25°С составляет 25 Ом (см. таблицу 2), а отношение Rвых(125С)/Rвых(25С) по графику на рисунке равно 1.6, тогда Rвых(125С) = 25 * 1.6 = 40 Ом. Теперь, используя (3), найдем Iвых = ( 125 - 85 ) / (60 * 40) ^1/2 = 0.12 (А) Заметим, что выражение (1) должно использоваться и для определения предельного выходного тока в выключенном состоянии, который при данных значениях температуры окружающей среды Tс и предельно-допустимом напряжении на выходе в состоянии выключено Uком не должен превышать значений, рассчитанных по следующей формуле:

Iвых P(Tс)/Uком = ( Tп - Tс ) / ( Rп-с * Uком) (4)

Так для микросхемы КР293КП1Б при Tс равной 85С найдем Iвых (125 - 85) / ( 60 * 250) = 280 (мкА). Хотя нахождение прибора в состоянии пробоя не является допустимым рабочим режимом, оценка неблаго- приятных условий должна быть выполнена заранее, что особенно важно при работе на индуктивную нагрузку.

ВЫХОДНАЯ ЕМКОСТЬ В ВЫКЛЮЧЕННОМ СОСТОЯНИИ

Эта емкость по сути есть емкость обратно смещенного диода сток-подложка МОП-транзистора в состоянии, когда через светодиод не протекает возбуждающий ток. Очевидно, что эта емкость обеспеспечивает неже- лательное прохождение переменного сигнала в нагрузку когда реле выключено. Упрощенная эквивалентная схема реле для переменного тока показана на рис.7

Рис. 7

Для снижения выходной емкости прибора используется свойство уменьшения баръерной емкости диода при увеличении обратного смещения на p-n-переходе. Смещение должно подаваться на один из выходных контактов реле, при этом напряжение смещения и максимальная амплитуда переменного сигнала в сумме не должны превышать предельно-допустимого напряжения на выходе прибора в выключенном состоянии. Такой способ подачи смещения показан на рис.8.

Рис. 8

При таком способе под обратным смещением будет находиться один из диодов МОП-транзисторов, другой диод в этом случае будет иметь нулевое смещение.

Существует другой способ подачи напряжения смещения. Он заключается в использовании отрицательного источника напряжения который, например, имеется в телефонных станциях. Минус источника через высокоомный резистор подсоединяется к 5-му выводу микросхемы, как показано на рис.9, при этом оба диода будут находится под обратным смещением. Суммарная выходная емкость в этом случае будет в два раза меньше, чем при первом способе подачи смещения.

Рис.9

Резистор в цепи смещения Rсм. предотвращает шунтирование нагрузки и источника сигнала в состоянии, когда реле включено и должен быть много больше чем сопротивление нагрузки. В закрытом состоянии резистор смещения должен быть много меньше емкостного сопротивления для предотвращения модуляции напряжения смещения емкостными токами. Например, для коммутационных цепей телефонных станций при Rнагр.=600 Ом , Fсигн.=1000 кГц и Свых.=20пФ величина Rсм должна лежать в интервале 0.5...5 МОм. На рис.10 изображен график зависимости выходной емкости реле от напряжения смещения.

Рис.10

НАПРЯЖЕНИЕ ИЗОЛЯЦИИ

Параметр реле "напряжение изоляции" характеризует способность реле выдерживать приложенное между входом и выходом испытательное напряжение 1500 В в течение одной минуты. Контролируемым пара- метром является ток утечки, который не должен превышать 10 мкА. В процессе производства осуществляется 100% контроль приборов на устойчивость реле при приложении напряжения изоляции 1800 В в течении 5 секунд. Величина напряжения изоляции 1500 В достаточна для большинства промышленных применений реле, где напряжение питающей сети не превышает 220 В. Для применений, связанных с повышенными требованиями к надежности и электробезопасности оборудования (медицинская техника, энергетика) выпускается группа с напряжением изоляции 4000 В. Надо особо отметить, что напряжение изоляции есть испытательное напряжение, прикладываемое к прибору на короткое время и производитель не гарантирует длительное нахождение прибора под этим напряжением.

Зешков Ю. г.Первоуральск, Свердловской обл.       yzn@mail.ru