Оптоэлектронное МОП-реле состоит из инфракрасного светодиода, фоточувствительной схемы, и МОП-транзисторов. Фоточувствительная схема содержит линейку из 14 фотодиодов и схему разряда затворов МОП-транзисторов. При освещении светодиодом она вырабатывает напряжение около 7 вольт,необходимое для включения МОП-транзисторов, у которых затворы и истоки соединены вместе. Такое включение транзисторов обеспечивает возможность коммутации как постоянного так и переменного напряжения.
Конструктивно МОП-реле малой мощности выполнено в 6-ти или 8-ми выводных DIP-корпусах. Каждая пара контактов имеет 4 кристалла: светодиод, фоточувcтвительная схема и 2 кристалла МОП-транзисторов. В настоящее время осуществляется перевод реле на более перспективный вариант конструкции, когда фоточувствительная схема и МОП-транзисторы выполнены в виде одного кристалла.
к началу страницы
Входной ток срабатывания реле
В отличие от электромагнитных реле, имеющих гистерезис при включении и выключении, оптоэлектронные МОП-реле имеют другой закон управления. При плавной подаче тока через светодиод до уровня нескольких сотен микроампер выход остается в состоянии высокого сопротивления (сотни ГигаОм), при дальнейшем увеличении тока сопротивление выхода резко уменьшается, а ток насыщения выходных транзисторов резко увеличивается, достигая своих штатных значений при входном токе 1...2 мА. При дальнейшем увеличении входного тока выходное сопротивление не изменяется. При медленном уменьшении входного тока процесс повторяется в обратную сторону. При быстром выключении светодиода (менее чем за несколько десятков миллисекунд) начинает работать схема разряда, лавинообразно выключая МОП-транзисторы. Для надежной работы реле во всем диапазоне внешних воздействий необходимо обеспечить запас по входному току. По спецификации минимальным входным рабочим током является ток 5мА. Максимальный входной рабочий ток ограничен способностью светодиода рассеивать избыточное тепло и составляет 25 мА (эфф. значение). При расчете цепей управления светодиодом необходимо учитывать, что падение напряжения на светодиоде при температуре 25 град. С составляет 1,2 В, при температуре -45 град. С оно увеличивается до 1.5 В, при температуре +85 град. С падает до 1.0 В. |
к началу страницы
Почему реле срабатывает при выключенном
светодиоде
Повышение помехоустойчивости реле
При определенных конфигурациях схем управления светодиодом может происходить самопроизвольное включение реле. При включении светодиода в цепь коллектора управляющего транзистора, ток утечки последнего ( достигающий 250 мкА для ТТЛ-схем) может приводить к медленному отпиранию МОП-транзисторов. Поэтому необходимо предпринимать специальные меры для шунтирования тока утечки управляющего элемента.По спецификации выключенное состояние реле должно обеспечиваться при подаче на светодиод напряжения не более 0.8 В. Это условие может быть выполнено двумя схемными решениями : а. применение в качестве драйвера ТТЛ-вентиля с тотемным выходом (рис. а) , б. шунтирование светодиода резистором (рис. б). Сопротивление шунта выбирается из условия R2 = 0.8В/Iут.
а | 
б |
к началу страницы
Выходные вольт-амперные характеристики
Выходная вольт-амперная характеристика реле определяется характеристиками сток-исток МОП-транзисторов. На рис. а показана характеристика реле постоянного и переменного тока (5П14Б), на рис. б показана характеристика реле постоянного тока (5П14.2Б) в замкнутом состоянии. На рис.в и рис. г показаны вольт-амперные характеристики этих приборов в разомкнутом состоянии.
к началу страницы
Тип коммутируемого тока и напряжения
Реле с двумя встречно включенными МОП-транзисторами (5П14, 5П14.3, 5П14.5,5П14.7, 5П14.9, 5П19А,Б) предназначены для коммутации напряжения как постоянного так и переменного тока, реле с одним МОП-транзистором (5П14.2, 5П14.6, 5П14.8, 5П14.10, 5П20) коммутируют напряжение постоянного тока. Реле с двумя МОП-транзисторами, имеющие соединение истоков с внешним выводом (5П14, 5П14.5, 5П19А,Б) можно включить по схеме, позволяющей увеличить коммутируемый ток в 2 раза, при этом включение обеспечивает коммутацию только напряжения переменного тока (см.рис.)
.
к началу страницы
Какие минимальные токи и напряжения коммутируют МОП-реле
Минимальная величина коммутируемого тока ограничивается током утечки реле в разомкнутом состоянии которая составляет не более 100 мкА в диапазоне температур для реле малой мощности. Учитывая, что уровень полезного сигнала должен превышать уровень помехи не менее чем в 10 раз, получаем, что минимальный ток коммутации составляет 1 мА. Минимальная величина коммутируемого напряжения ограничивается выходным остаточным напряжением, типовое значение которого лежит в диапазоне 1...100 мкВ. Соответственно, минимальная величина коммутируемого напряжения составляет 1 мВ.
к началу страницы
Передаточная характеристика
Приведена зависимость сопротивления контактов от величины входного тока для реле 5П14Б, 5П14.3Б. |
к началу страницы
Как уменьшить время включения
Время включения реле определяется скоростью заряда затворов МОП-транзисторов током фоточувствительной схемы. Типовое время включения для 230-вольтовых реле составляет 0.1...0.5 миллисекунды. Для уменьшения этого времени можно применить ускоряющую RC-цепь, как показано на рисунке. Параметры ускоряющей цепи рассчитываются исходя из скорости нарастания управляющего импульса и нагрузочной способности драйвера. Для величины сопротивления R=33 Ом и импульсного тока 100 мА время включения можно снизить до 10 микросекунд.
к началу страницы
Сбои при управлении реле короткими
импульсами
При управлении реле в динамическомрежиме могут возникать ситуации, когда работа МОП-транзисторов становится неустойчивой (резкое увеличение задержки выключения). Такая ситуация может возникать, когда длительность управляющего импульса составляет менее 5 мс, либо амплитуда управляющего тока менее 5 мА. Объясняется это следующим образом. Процессом выключения МОП-транзисторов управляет схема разряда, которая начинает работать при определенной величине напряжения на затворах. Если управляющий импульс настолько короткий, что за время его действия затворы транзисторов не успели зарядится до этого напряжения, схема разряда не срабатывает и процесс выключения резко затягивается. Если длительность управляющих импульсов увеличить невозможно, ситуацию можно исправить увеличив входной ток, но не более чем до 25 мА эфф. или 150 мА имп.
к началу страницы
Работа на индуктивную нагрузку
Работа МОП-реле на индуктивную нагрузку имеет свои особенности. В начальный момент после выключения ток через контакты реле не меняется, резко увеличивается напряжение на них, вводя МОП-транзистор в область пробоя. Транзистор находится некоторое время в пробивной области характеристики пока энергия, накопленная в катушке, не рассеится (см. рисунок ниже).
Рассеивание энергии происходит с выделением тепла, которое не должно приводить к перегреву кристалла транзистора выше 125 ºС.Способность выдерживать лавинный процесс определяется параметром максимально допустимая лавинная энергия Ел, подаваемая на реле во время одиночного разряда индуктивной нагрузки без ограничения уровня напряжения. Величина энергии, рассеиваемая в реле при выключении индуктивности, вычисляется по формуле:
Ел = 1/2 L I2
где I - пиковый ток индуктивности.
Для реле 5П19Б1 величина максимально допустимой лавинной энергии для одиночного импульса составляет 20 мДж. При этом суммарная мощность, выделяемая в приборе как в статическом режиме так и при переключении не должна превышать 1 Вт:
Р = Рстат + Рпер
где Рстат = I2ср *Rвых,где I2 ср - средний ток коммутации, Rвых - выходное сопротивление реле в открытом состоянии
Рпер = Ел f,
где f - частота переключения.
Например, для обмотки контактора с индуктивностью 3 Гн и рабочим током 100 мА, которая управляется МОП-реле типа 5П19Б1 с выходным сопротивлением 3.5 Ом и включается каждые 5 секунд
Рпер = 1/2LI2f = 1/2x3x0.01x0.2 = 0.003 Вт
Рстат = 0.01x3.5 = 0.035Вт
Р = 0.003 + 0.035 = 0.038 Вт
Расчитанная величина меньше предельно-допустимой Р = 1 Вт. Приведенные выше расчеты справедливы для всех типов МОП-реле.
к началу страницы
Работа на емкостную нагрузку
Работа на емкостную нагрузку создает проблемы при включении реле. В первый момент после включения емкость нагрузки сохраняет на контактах реле напряжение равное напряжению питания, при этом происходит быстрое нарастание тока через транзисторы. Этот ток ограничен только крутизной МОП-транзисторов и напряжением, развиваемым фотоприемником на их затворах. Для 230-вольтовых реле типа 5П14Б этот ток составляет величину от 500 до 1000 мА. В результате выделяемой мощности происходит тепловой разогрев МОП-транзисторов, температура которого не должна превышать 125С. Величина энергии, запасенная конденсатором
Е=1/2СU2
Мощность при переключении, выделяемая в реле составит
Р=Е f,
где f- частота переключения. При этом суммарная мощность, рассеиваемая реле, не должна превышать значенийприведенных в спецификациях на конкретные типы приборов. Для предотвращения неконтролируемого роста тока многие фирмы (CPClare, Simens и др.) дополняют конструкции своих реле схемой ограничения тока через выходные транзисторы.
к началу страницы
Защита выходных транзисторов от перенапряжения
При работе на индуктивную нагрузку могут возникать броски напряжения большой энергии на контактах реле, способные вывести из строя МОП-транзисторы. Для защиты в этом случае следует использовать металло-оксидный варистор, подключенный параллельно выходным цепям реле. Варистор поглощает основную долю энергии, защищая транзисторы.
.
к началу страницы
Частота коммутируемого сигнала
Выходная емкость реле в выключенном состоянии является причиной нежелательного проникновения переменного сигнала в нагрузку. Эта емкость совместно с сопротивлением нагрузки образует фильтр верхних частот с граничной частотой f=1/2пRнCвыкл (Рис. а). На графике показана зависимость выходной емкости от напряжения смещения,приложенного к выходным контактам для 230-вольтового реле типа 5П14Б.
Рис. а. Эквивалентная схема реле для переменного сигнала |
Рис. б |
Для сопротивления нагрузки 600 Ом и выходной емкости 20 пФ (при постоянном выходном напряжении смещения 40 В) граничная частота будет составлять 13.3 мГц. При требуемом ослаблении сигнала -40 дБ максимальная частота пропускания будет составлять 133 кГц.
к началу страницы
Как увеличить частоту коммутируемого сигнала
Для ряда применений с повышенными требованиями к отношению сигнал/шум могут потребоваться специальные схемы включения реле. Если в коммутационном тракте отсутствует источник постоянного смещения, можно применить искусственное смещение источником отрицательного напряжения через среднюю точку выхода реле, как показано на рис. а. Сопротивление R должно быть не менее чем в 10 раз больше сопротивления нагрузки.
Используя две пары контактов реле на замыкание и размыкание (типа 5П14.9Б) можно применить последовательно-параллельную конфигурацию рис. б. Граничная частота в этом случае f=1/2пRвклСвыкл. Для выходной емкости реле 120 пФ и сопротивления замкнутых контактов 25 Ом для заданного ослабления -40 дБ частота пропускания составит 531 кГц.
Рис. а |
Рис. б |
к началу страницы
Тепловые характеристики
Выходной ток через контакты оптоэлектронного реле ограничен предельной температурой p-n-перехода МОП-транзистора - 125С. Температура перехода является функцией рассеиваемой мощности, теплового сопротивления и окружающей температуры среды:Ткр = Токр + (Rкорп-возд+ Rкр-корп)Ррасс
Тепловое сопротивление кристалл-корпус для МОП-реле составляет 60 град/Вт. Тепловое сопротивление корпус-воздух зависит от способа монтажа, расположения рядом других тепловыделяющих элементов и скорости потока воздуха. Эта величина составляет в среднем 55 град/Вт без обдува воздухом и может быть снижена до 35 град/Вт при скорости потока воздуха 60 м/мин. График зависимости допустимой рассеиваемой мощности от температуры корпуса приведен на рисунке а. Это полная рассеиваемая мощность, которая включает в себя мощность, рассеиваемую на светодиоде и каждом из МОП-транзисторов.Рассеиваемая светодиодом мощность составляет 1,2Вх5мА=60 мВт,соответственно на каждый кристалл МОП-транзистора приходится по 380 мВт допустимой мощности. Для реле с двумя парами контактов полная мощность будет распределяться между двумя светодиодами и четырьмя кристаллами МОП-транзисторов на которые будет приходиться уже по 170 мВт допустимой мощности.Справа на рис. б приведен график зависимости температуры кристалла от выходного тока реле типа КР293КП1Б. На рис. с приведен график зависимости относительного изменения выходного сопротивления от температуры кристалла.Заметим,что наличие положительного ТКР МОП-транзисторов приводит к их саморазогреву.
Взаимозаменяемость серий К293 и К294
В начало страницы
