Твердотельные и электромеханические реле - сравнение

Подробности
Опубликовано 30.01.2019 15:32

 

Практически сразу после появления первых полупроводниковых реле, то есть в конце 1980-х годов, начались разговоры о том, будут ли электромеханические реле заменены полупроводниковой технологией. По прошествии более тридцати лет видно, что эти две технологии прекрасно дополняют друг друга в зависимости от конкретного применения и поэтому гармонично сосуществуют. Купить электромеханические и твердоельные реле можно в в интернет-магазине “Radio Store” 

У электромеханического решения есть много преимуществ, таких как простота конструкции, низкая стоимость и высокая устойчивость к переходным условиям. Однако, если выбор зависит от энергетических соображений, миниатюризации, безотказных требований, оптимизированной обработки или специальных дополнительных функций, таких как защита от короткого замыкания, то преимущества современных полупроводниковых технологий заслуживают внимания.

Общая цель реле - обеспечить гальваническую развязку между логикой или цепью управления и нагрузкой. Часто они также используются для подключения разных уровней сигнала для разных потенциалов без взаимных помех ( интерфейсные реле ).

Решающим критерием является получение как можно меньшего количества энергии от логической схемы и наличие надежной защиты от помех без переключателей с длительным сроком службы, не зависящим от количества циклов переключения в цепи нагрузки. Наиболее важными параметрами являются доступная коммутационная способность и потребление энергии на единицу объема компонента, технологичность, отказоустойчивость и количество возможных циклов коммутации с постоянными электрическими характеристиками.

Единственное существенное различие между электромеханическими реле и полупроводниковыми реле - это способ переключения нагрузки на выходе. В электромеханических реле подвижные металлические контакты выполняют функцию переключателя, который обеспечивает дополнительную гальваническую развязку на выходе. Магнитное поле от катушки, которая также имеет электрическую изоляцию, обеспечивает передачу сигнала между входом и выходом.

Рис. 1. Структура реле PhotoMOS

В свою очередь, полупроводниковые реле представляют собой реле особого типа, в котором транзисторы MOSFET используются в качестве исполнительного элемента. Рабочий ток всего лишь нескольких мА (не менее 0,3 мА) во входной цепи PhotoMOS активирует светодиод арсенида галлия (GaAs), работающий в инфракрасном диапазоне.

После прохождения через полупрозрачную светоизолирующую смолу она обнаруживается фотоэлектрическим элементом, который питает схему затвора MOSFET. Этот тип непроводящего электрического соединения обеспечивает гальваническую развязку между входной и выходной цепями.

Передача фотонов осуществляется драйверу (триггеру) со встроенным гистерезисом, который, в свою очередь, управляет объединенными затворами двух связанных транзисторов DMOSFET (двойной диффузионный полевой транзистор) на выходной стороне. Эти силовые транзисторы расположены непосредственно в выходной цепи реле. Интегрированная схема отключения активирует и деактивирует выход из-за гистерезиса в двоичном режиме, вызывая поведение,аналогичное электромеханическому реле.

Номинальная мощность переключения

Полупроводниковое реле требует активации светодиодного диода. Благодаря высокой чувствительности достаточно 0,3 мА, что при падении напряжения на разъеме 1,25 В обеспечивает минимальное энергопотребление 0,4 мВт (для примера модели AQY232S). Для сравнения, потребляемая мощность высокочувствительных электромеханических реле в лучшем случае составляет 50 мВт ( реле Panasonic из семейства TXS).

Рис. 2. Пример зависимости затухания перекрестных помех от рабочей частоты для реле PhotoMOS AQY221N2S

В случае слабых сигналов напряжения, поступающих от датчиков, таких как термопары, микрофоны или аналогичные датчики, коммутация с электромеханическими реле затруднена, поскольку термоэлектродвижущая сила искажает сигнал. Он возникает, когда на пути прохождения сигнала существуют разные проводящие материалы в точках, соединяющих разные уровни температуры.

Термоэлектродвижущая сила обычно возникает в моностабильных реле, потому что ток протекает через различные материалы, из которых сделаны пружины и контакты в точках контакта. Это связано с тем, что при подаче питания на катушку выделяется тепло и возникают разности температур вдоль пути тока узла контактной пружины.

Для реле с золотыми контактами его размер можно оценить в 0,1 мкВ на градус. Некоторые типы реле, такие как реле Panasonic SX, оптимизированы для этого конкретного случая. Они показывают общую термоэлектродвижущую мощность не более 3 мкВ при номинальной работе и, следовательно, при максимальном нагреве.

Аналогичным явлением в твердотельном реле является напряжение смещения, которое генерируется заряженными свободными электронами в полупроводнике. Это мера сдвига характеристик кривой тока / напряжения относительно идеальной характеристики. Напряжение смещения в значительной степени не зависит от температуры и может рассматриваться как постоянное в цепи. Типичные значения напряжения смещения в реле PhotoMOS не превышают 1 мкВ.

Характеристика в области RF

Для достижения высокого ослабления перекрестных помех на высоких частотах реле должны иметь низкую собственную емкость с разомкнутым контактом. Значения для электромеханических сигнальных реле обычно составляют около 1 пФ. Результатом являются отличные характеристики RF. Даже на частоте 100 МГц затухание перекрестных помех все еще составляет 40 дБ.

Специальные высокочастотные реле, такие как реле Panasonic RJ, благодаря своей низкой внутренней емкости могут эффективно переключать ВЧ-сигналы. до 8 ГГц. Реле PhotoMOS в диапазоне HF они почти так же хороши, как электромеханические. В зависимости от типа их собственной емкости, они также составляют 1 пф. PIN-диоды или специальные высокочастотные реле все еще должны использоваться для коммутации сигналов ГГц.

Характеристики перехода и отражения контактов

С точки зрения переходных характеристик твердотельные реле намного лучше, чем электромеханические. Их типичное время включения составляет 0,2 мс и зависит от тока светодиода и температуры окружающей среды. Время выключения составляет около одной десятой времени включения и в значительной степени не зависит от условий управления. В электромеханических реле переходные характеристики находятся в диапазоне миллисекунд, и их контакты отражаются при включении, создавая колебания сигнала.

Рис. 3. Контактное сопротивление для AQY212G_S

Время жизни

Срок службы твердотелого реле зависит, прежде всего, от срока службы светодиода и поэтому практически не ограничен. Вы можете рассчитывать на продолжительность жизни более 12 лет непрерывной работы.

В отличие от этого, срок службы обычных реле зависит от механической конструкции (механическая прочность), а также от электрической нагрузки (электрическая прочность) и определяется количеством циклов переключения. Механический срок службы современных электромеханических реле может достигать нескольких миллионов циклов переключения, но электрический срок службы во многом зависит от нагрузки.

Одним из преимуществ твердотелых реле является тот факт, что сопротивление полупроводникового контакта не зависит от нагрузки и остается постоянным в течение всего срока службы реле. Однако сопротивление во включенном состоянии имеет более высокое значение, чем в случае электромеханических реле, и в зависимости от напряжения нагрузки оно может достигать нескольких Ом. В значительной степени это также зависит от температуры окружающей среды. В зависимости от типа, в лучшем случае для напряжения нагрузки до 30 В, значение сопротивления составляет около 30 мОм.

Контактное сопротивление электромеханических реле находится в миллиметровом диапазоне и может значительно варьироваться в течение срока службы компонента. Тонкие оксидные слои могут быть сформированы, особенно на открытых контактах реле, увеличивая сопротивление. Как правило, несколько циклов переключения под нагрузкой преодолеют эти слои, и сопротивление возвращается к значению из каталога.

Гальваническая развязка

Гальваническая развязка означает разделение электрических сигналов и, в случае реле , это касается выходной цепи (контактов) и входа и выхода. Выходной транзистор в твердотельном реле не обеспечивает гальваническую развязку со стороны нагрузки, а оптическое соединение обеспечивает развязку между стороной управления и нагрузкой.

Поэтому электромеханические реле лучше в этом отношении, потому что они обеспечивают гальваническую развязку как на стороне управления, так и на стороне нагрузки. Это может быть главным критерием, в частности, для приложений, связанных с безопасностью.