г. Нижний Новгород, ул. Зайцева, д. 31

413-19-81
413-66-50

[email protected]

Оптореле постоянного тока


Оптопара (оптрон, оптореле) — применение, классификация, параметры и особенности работы

Оптопарой (иначе – оптроном) называют электронные прибора предназначенные для преобразования электрических сигналов в световые, их передачи через оптические каналы и повторного преобразования сигнала вновь в электрический. Конструкция оптрона подразумевает наличие специального светового излучателя (в современных устройствах для этого применяются световые диоды, прежние модели оснащались малогабаритными лампами накаливания) и устройства, отвечающего за преобразование полученного оптического сигнала (фотоприёмника). Обе эти составляющие объединяются при помощи оптического канала и общего корпуса.

Классификация разновидностей оптопар

Существует несколько характеристик, в соответствии с которыми можно разделить модели оптопар на несколько групп.

В зависимости от степени интеграции:

  • элементарный оптрон – включает в себя 2 и более элемента объединённых общим корпусом;
  • оптронная интегральная схема – конструкция состоит из одной и более оптопар и, помимо этого, ещё может быть оснащена дополняющими элементами (например, усилителем).

В зависимости от разновидности оптического канала:

  • Оптический канал открытого типа;
  • Оптический канал закрытого типа.

В зависимости от типа фотоприёмника:

  • Фоторезисторные (или просто резисторные оптопары);
  • Фотодиодные оптопары;
  • Фототранзисторные (используется обычный или составной биполярный фототранзистор) оптопары;
  • Фототиристорные, либо фотосимисторные оптопары;
  • Оптопары функционирующие с помощью фотогальванического генератора (солнечная батарейка).

Конструкция устройств последнего вида зачастую дополняются полевыми транзисторами, за управление затвором которого отвечает тот же генератор.

Фотосимисторные оптроны или те, которые оснащены полевыми транзисторами, могут называться «оптореле», либо «твердотельное реле».

Рис.1: Устройство оптрона

Оптоэлектронные устройства работают по-разному в зависимости от того, к какому из двух видов направлений они относятся:

Работа прибора базируется на принципе, в соответствии с которым происходит преобразование световой энергии в электрическую. Причём, переход осуществляется посредством твёрдого тела  и происходящих в нём процессов внутреннего фотоэлектрического эффекта (выражающегося в испускании веществом электронов под воздействием фотонов) и эффекта свечения под действием электрического поля.

Прибор функционирует благодаря тонкому взаимодействию твёрдого тела и электромагнитного излучения, а также используя лазерные, голографические и фотохимические устройства.

Фотонные электронно-вычислительные машины компонуются с использованием одной из двух категорий оптических элементов:

  • Оптронов;
  • Кванто-оптических элементов.

Они являются моделями устройств соответственно электронно-оптического и оптического направлений.

Будет ли оптрон передавать сигнал линейно, определяется теми характеристиками, которыми обладает вмонтированный в конструкцию фотоприёмник. Наибольшую линейность передачи можно ожидать от резисторных оптронов. Как следствие, процесс эксплуатации подобных устройств отличается наибольшим удобством. Ступенью ниже стоят модели с фотодиодами и одиночными биполярными транзисторами.

Для обеспечения работы импульсных приборов применяют оптроны на биполярных, либо полевых транзисторах, поскольку там нет необходимости в линейной передаче сигнала.

Наконец, фототиристорные оптроны монтируют, чтобы обеспечить гальваническую изоляцию и безопасность эксплуатации устройства.

Применение

Существует множество сфер, в которых необходимо использование оптронов. Такая широта применения обусловлена тем, что они являются элементами, обладающими множеством различных свойств и на каждое их качество приходится отдельная сфера применения.

  • Фиксация механического воздействия (применяются устройства, оснащённые оптическим каналом открытого типа, который можно перекрыть (оказать механическое воздействие), а значит, само устройство можно использовать как сенсор):
    • Детекторы наличия (выявление наличия/отсутствия бумажных листов в принтере);
    • Детекторы конечной (начальной) точки;
    • Счётчики;
    • Дискретные спидометры.
  • Гальваническая изоляция (использование оптронов позволяет передавать сигнал не связанный с напряжением, также с их помощью обеспечивается бесконтактное управление и защита), которая может обеспечиваться:
    • Оптопарой (в большинстве случаев применяется как информационный передатчик);
    • Оптореле (более прочего подходит для управления сигнальными и силовыми цепями).

Оптопары

Использование транзисторных, либо интегральных оптопар особенно актуально, если требуется обеспечить гальваническую изоляцию в сигнальной цепи или цепи с незначительным управляющим током. Роль элемента управления могут выполнять трёхэлектродные полупроводниковые приборы, схемы, управляющие дискретными сигналами, а также цепи с особой специализацией.

Рис2: Оптопары 5000 Vrms 50mA.

Параметры и особенности работы оптопар

Опираясь на точную конструкцию прибора, можно определить его электрическую прочность. Под этим термином понимается значение напряжения, возникающего между цепями входа и выхода.Так, производители оптопар, обеспечивающих гальваническую изоляцию, демонстрируют целый ряд моделей с различными корпусами:

  • DIP;
  • SOP;
  • SSOP;
  • Miniflat-lead.

В зависимости от типа корпуса у оптопары формируется то или иное напряжение изоляции. Чтобы создать условия, в которых уровень напряжения достаточный для пробоя изоляции был достаточно велик, следует сконструировать оптопару таким образом, чтобы следующие детали были расположены достаточно далеко друг от друга:

  • Световой диод и оптический регистратор;
  • Внутренняя и внешняя сторона корпуса.

В отдельных случаях можно обнаружить оптопары специализированной группы, изготавливаемые в соответствии с международным стандартом безопасности. Уровень электрической прочности у этих моделей на порядок выше.

Другой значимый параметр транзисторной оптопары носит название «коэффициента передачи тока». Согласно значению этого коэффициента устройство относят к той или иной категории, что и отображается в названии модели.

Относительно уровня нижней рабочей частоты оптронов никаких ограничений нет: они хорошо функционируют в цепи с постоянным током. А верхняя граница рабочей частоты этих приборов, задействованных в передаче сигналов цифрового происхождения, исчисляется в сотнях мегагерц. Для оптронов линейного типа этот показатель ограничивается десятками мегагерц. Для самых медленных конструкций, включающих в себя лампу накаливания, наиболее характерна роль низкочастотных фильтров, работающих на частотах, не достигающих 10 Герц

Транзисторная оптопара и производимые ею шумы

Существует две основные причины тому, что работа транзисторной пары сопровождается шумовыми эффектами:

  • Проходная ёмкость между световым диодом и транзисторной базой;
  • Паразитная ёмкость между коллектором и фототранзисторной базой.

Чтобы побороть первую причину, понадобится вмонтировать особый экран. Вторая же устраняется через верно подобранный рабочий режим.

Оптореле

Оптореле, иначе называемое твердотельным реле, обычно используется для регуляции работы цепи с большими управляющими токами. Роль управляющего элемента здесь обычно выполняют два MOSFET транзистора со встречным подключением, подобная конфигурация обеспечивает возможность функционирования в условиях переменного тока.

Рис.3: Оптореле КР293 КП2В

Классификация видов оптореле

Для оптореле определено три типа топологий:

  1. Нормально разомкнутые.Предполагается, что управляющая цепь будет замыкаться лишь в момент подачи управляющего напряжения на выводы светового диода.
  2. Нормально замкнутые.Предполагается, что управляющая цепь будет размыкаться лишь в момент подачи управляющего напряжения на выводы светового диода.
  3. Переключающая.Третья топология предполагает сочетание каналов нормально-замкнутого и нормально разомкнутого типа.

Оптореле подобно оптопаре имеет характеристику по электрической прочности.

Разновидности оптореле

  • Модели стандартного типа;
  • Модели, имеющие малое сопротивление;
  • Модели, имеющие малое СxR;
  • Модели, имеющие малое напряжение смещения;
  • Модели, имеющие высокое напряжение изоляции.

Сферы применения оптореле

  • Модем;
  • Измерительное устройство;
  • Сопряжение с исполнительным устройством;
  • Автоматические телефонные станции;
  • Электрический, тепловой, газовый счётчик;
  • Коммутатор сигналов.

Пишите комментарии, дополнения к статье, может я что-то пропустил. Загляните на карту сайта, буду рад если вы найдете на моем сайте еще что-нибудь полезное.

elektronchic.ru

Быстрое переключение и гальваническая развязка: оптоэлектронные реле ОТ IR

26 марта 2012

 

Компания International Rectifier — разработчик и производитель силовой электроники с 1947 года — выпускает огромную номенклатуру оптореле для всевозможных применений. Наиболее популярные из них можно условно разделить на следующие группы:

  • Быстродействующие (PVA, PVD, PVR);
  • Низковольтные средней мощности (PVG, PVN);
  • Высоковольтные мощные (PVX).

PVA33: быстродействующее реле для коммутации сигналов

Реле переменного тока серии PVA33 — однополюсное, нормально разомкнутое. Предназначено для общих целей коммутации аналоговых сигналов.

Принцип действия устройства — следующий (рис. 1). Напряжение, подаваемое на вход реле, вызывает протекание тока через арсенидо-галлиевый светодиод (GaAlAs), что приводит к интенсивному свечению последнего. Световой поток попадает на интегральный фотогальванический генератор (ФГГ), который создает разницу потенциалов между затвором и истоком выходного ключа, тем самым переводя последний в проводящее состояние. В качестве силовых выходных ключей применены силовые МОП-транзисторы (HEXFET — запатентованная IR технология). Таким образом достигается полная гальваническая изоляция входных цепей от выходных.

Рис. 1. Структурная схема PVA33

Преимущества подобного решения по сравнению с обычными электромеханическими и герконовыми реле состоит в значительном повышении срока службы и быстродействия, уменьшении потерь мощности, минимизации размеров. Эти преимущества позволяют повысить качество разрабатываемой продукции для различных применений, например, в области мультиплексирования сигналов, автоматического испытательного оборудования, систем сбора данных и других.

Уровень напряжений, который способен коммутировать реле этой серии, лежит в диапазоне от 0 до 300 В (амплитудное значение) как переменного, так и постоянного тока. При этом минимальный уровень определяется (при постоянном токе) сопротивлением канала выходных транзисторов, которое составляет в среднем около 1 Ом (максимально до 20 Ом).

Динамические характеристики устройства определяются временем включения-выключения, составляющим порядка 100 мкс. Таким образом, гарантированная частота переключений реле может достигать 500 Гц и более.

Максимальная частота коммутируемого сигнала зависит в основном от частотных характеристик применяемых транзисторов и для МОП-ключей достигает сотен килогерц. Реле поставляются в 8-выводных DIP-корпусах и доступны в двух вариантах: для монтажа в отверстия и для поверхностного монтажа.

PVT312: телекоммуникационное реле общего назначения

Фотоэлектрическое реле PVT312, однополюсное, нормально разомкнутое, может быть использовано как на постоянном, так и на переменном токе.

Это твердотельное реле специально разработано для применения в телекоммуникационных системах. Реле серии PVT312L (с суффиксом «L») используют активную схему ограничения тока, что позволяет им выдерживать всплески токов переходных процессов. PVT312 выпускается в 6-контактном DIP-корпусе.

Применение: телекоммуникационные ключи, пусковые механизмы, общие схемы переключения.

Схемы подключения могут быть трех типов (рис. 2). В первом случае два ключа микросхемы подключаются последовательно. Это позволяет за счет симметрии получившийся схемы коммутировать переменное напряжение. Такая схема называется включением типа «А». Тип «В» отличается тем, что используется только один из двух ключей микросхемы. Это позволяет коммутировать больший, однако, уже только постоянный ток. В третьем варианте (тип «С») ключи подключаются параллельно, тем самым увеличивая максимально возможное значение тока.

Рис. 2. Возможные схемы подключения PVT312

PVG612: низковольтное реле средней мощности для переменного тока

Фотоэлектрические реле серии PVG612 — однополярные, нормально разомкнутые твердотельные реле. Компактные устройства серии PVG612 используются для изолированного переключения токов до 1 А с напряжением от 12 до 48 В переменного или постоянного тока.

Реле этого типа интересны тем, что они способны коммутировать относительно большие (для данного типа устройств) переменные токи, при этом сохраняя скорость работы, присущую решениям на МОП-транзисторах.

PVDZ172N: низковольтное средней мощности для постоянного тока

Реле данной серии (рис. 3), в отличие от вышеописанных, предназначены для коммутации токов только постоянной полярности силой до 1,5 А и напряжением до 60 В. Например, эти реле находят применение в управлении осветительными приборами, двигателями, нагревательными элементами и т.д.

Рис. 3. Структурная схема PVDZ172N

PVDZ172N выпускаются нормально разомкнутыми в однополюсном исполнении в 8-выводных DIP-корпусах.

Остальные возможные сферы применения: аудиоаппаратура, источники питания, компьютеры и периферийные устройства.

PVX6012: для больших нагрузок

Для больших низкочастотных нагрузок компания IR предлагает фотоэлектрическое реле PVX6012 (рис. 4) (однополюсное, нормально разомкнутое). В устройстве использован выходной ключ на базе биполярного транзистора с изолированным затвором (IGBT), что позволило получить малое падение напряжения в открытом состоянии и низкие токи потерь в закрытом при достаточно высокой скорости работы (7 мс — включение/1мс — выключение).

Рис. 4. Структурная схема PVX6012

PVX6012 выпускается в 14-контактном DIP-корпусе, в котором, что интересно, используется всего четыре вывода — такое решение позволяет обеспечивать лучшее охлаждение устройства.

Основные сферы применения включают в себя: тестовое оборудование; промышленный контроль и автоматизацию; замену электромеханических реле; замену ртутных реле.

PVI: фотоизолятор для внешних ключей большой мощности

Приборы этой серии не являются реле в собственном смысле слова. То есть не способны коммутировать потоки большой энергии с помощью малой. Они лишь обеспечивают гальваническую развязку входа от выхода, откуда и их название — фотоэлектрический изолятор (рис. 5).

Рис. 5. Разводка выводов фотоизолятора PVI

Зачем же нужно такое «недореле»? Дело в том, что приборы серии PVI вырабатывают при получении входного сигнала электрически изолированное постоянное напряжение, которое достаточно для непосредственного управления затворами мощных MOSFET и IGBT. Фактически это оптореле, но без выходного ключа, в качестве которого разработчик может использовать подходящий для него по мощности отдельный транзистор.

PVI идеально подходят для применений, требующих высокотокового и/или высоковольтного переключения с оптической изоляцией между схемой управления и мощными схемами нагрузки.

К тому же изолятор серии PVI1050N содержит в себе два одновременно управляемых выхода, что дает возможность подключать их последовательно или параллельно для обеспечения более высокого значения тока управления (МОП) или более высокого значения напряжения управления (БТИЗ). Таким образом фактически можно получить выходной сигнал 10 В/5 мкА при последовательном включении и 5 В/10 мкА — при параллельном.

Два выхода PVI1050N могут применяться и по отдельности, при условии что разность потенциалов между выходами не превышает 1200 В (пост.) Изоляция вход-выход составляет 2500 В (действ.).

Приборы данной серии выпускаются в 8-выводных DIP-корпусах и находят применение в организации управления мощными нагрузками, преобразователях напряжения и т.п.

PVR13: двойное быстродействующее реле

Главной особенностью данной серии является наличие двух независимых реле в одном корпусе (рис. 6), каждое из которых может быть включено по типу «А», «В», или «С» (объяснение типов см. выше в описании PVT312). Максимальное напряжение коммутации 100 В (пост./перем.), ток 300 мА. В остальном данное реле по области применения и характеристикам близко к PVA33 и предназначено также для коммутации аналоговых сигналов средней частоты (до сотен килогерц).

Рис. 6. Принципиальная схема реле (в одном корпусе PVR13 два таких реле)

Выпускаются в 16-контактных DIP-корпусах с выводами для монтажа в отверстия.

Основные характеристики оптоэлектронных реле IR представлены в таблице 1.

Таблица 1. Параметры оптоэлектронных реле компании IR  

Характеристики PVA33 PVT312 PVG612N PVDZ172N PVX6012
Входные характеристики
Минимальный ток управления, мА 1…2 2 10 10 5
Макс. ток управления для нахождения в закрытом состоянии, мА 0,01 0,4 0,4 0,4 0,4
Диапазон управляющего тока (необходимо ограничение тока!), мА 5…25 2…25 5…25 5…25 5…25
Максимальное обратное напряжение, В 6 6 6 6 6
Выходные характеристики
Рабочий диапазон напряжения, В 0…300 0…250 0…60 0…60 (пост.) 280 (пер.)/400 (пост.)
Максимальный длительный ток нагрузки при 40°С, А 0,15 1,5 1
А соед. (пост или перем) 0,19 1
В соед. (пост.) 0,21 1,5
С соед. (пост.) 0,32 2
Максимальный импульсный ток, А 2,4 4 не повтор. 5 А (1 сек)
Сопротивление в открытом состоянии, не более, Ом 24 0,25
А соед. 10 0,5
В соед. 5,5 0,25
С соед. 3 0,15
Сопротивление в закрытом состоянии, не менее, МОм 10000 100 100
Время включения, не более. мс 0,1 3 2 2 7
Время выключения, не более, мс 0,11 0,5 0,5 0,5 1
Выходная емкость, не более, пФ 6 50 130 150 50
Скорость нарастания напряжения, не менее, В/мкс 1000
Прочее
Электрическая прочность изоляции «вход-выход», В (СКВ) 4000 4000 4000 4000 3750
Сопротивление изоляции, вход-выход, 90 В пост.напр., Ом 1012 1012 1012 1012 1012
Емкость «вход-выход», пФ 1 1 1 1 1
Максимальная температура пайки контактов, °С 260 260 260 260 260
Рабочая температура, °С -40…85 -40…85 -40…85 -40…85 -40…85
Температура хранения,°С -40…100 -40…100 -40…100 -40…100 -40…100

Применение оптоэлектронных реле IR

Системы управления. В интерфейсах АСУ одной из актуальных проблем является организация связи между управляющей и коммутируемой цепью с обеспечением надежной гальванической развязки. То есть необходимо организовать передачу информации (например, сигнала исполнительному устройству) без электрического контакта. Одними из первых устройств подобного рода были электромеханические реле, в которых информация передавалась посредством магнитного поля. Однако наличие механических частей приводило к искрению контактов и низкому быстродействию таких систем.

Применение передачи сигнала через световой поток (оптоэлектронные реле) в интерфейсах АСУ (рис. 7) по сравнению с электромеханическими коммутаторами обеспечивает более высокие показатели по надежности, скорости переключения, долговечности, лучшие массогабаритные показатели; а преимущество в сравнении с электронными коммутаторами — отсутствие общей точки и взаимного влияния цепей при коммутации.

Рис. 7. Схема включения оптореле в систему сопряжения цифровых схем и исполнительных устройств

Наличие в системе управления гальванической развязки является одним из важных свойств коммутатора, т.к. позволяет создавать отдельные потоки управления, что, в свою очередь, дает возможность обеспечивать электрическую независимость информационной и исполнительной зон системы. Оптическая гальваническая развязка изолирует микроэлектронную управляющую аппаратуру от сильноточных и высоковольтных цепей периферийных исполняющих устройств, что приводит к повышению помехоустойчивости, срока службы и снижению цены такой аппаратуры.

Сбор данных, измерительное оборудование. Задачи сбора данных обычно связаны с подключением измерительных или контрольных устройств к различным каналам данных. Переключение с помощью электромеханических реле достаточно эффективно с точки зрения минимального влияния паразитных параметров на сигнал при прохождении его через реле (особенно в случае амплитудно-модулированных сигналов). Однако, такое решение сопряжено с рядом вышеописанных недостатков (в частности, низкое быстродействие системы и наличие дребезга контактов). Использование оптоэлектронных реле в этом случае (рис. 8) может быть хорошим решением, обеспечивающим малый уровень паразитного влияния на измерительный сигнал и лишенным минусов механической коммутации.

Рис. 8. Схема включения оптореле в систему измерительного оборудования

Еще одной необходимой функцией в измерительном оборудовании является переключение режимов работы (диапазона измерений, коэффициента усиления, вида соединения и проч.), которое ранее выполнялось механически. Например, для измерения напряжения вольтметр подключается к цепи параллельно, в то время как для измерения тока необходимо последовательное соединение измерительного оборудования с цепью. В некоторых приборах для реализации такого переключения необходимо было использовать другой вход, механически переключив измерительную линию. Это довольно неудобно в случае частой смены измеряемого параметра, поэтому применение оптоэлектронных реле может эффективно решить данную проблему, значительно увеличив удобство пользования прибором.

С другой стороны, в системах сбора данных необходимость использования оптореле часто обусловлена большой вероятностью повреждения чувствительных входных цепей измерительной аппаратуры (аналогово-цифровых и частотных преобразователей). Такой нежелательный эффект может возникать, например, в связи с большой длиной проводников от первичного преобразователя до измерительного элемента, что способствует наведению электростатических помех. Кроме того, существенное влияние могут оказать как переходные процессы во время включения/выключения аппаратуры, так и ошибки в ее использовании, например, присутствие входного сигнала большой амплитуды при пропадании напряжения питания.

Все эти факторы приводят к необходимости использования гальванической развязки. Как пример можно привести реле серии PVT312L со встроенной активной схемой подавления пульсации токов, которая может быть эффективно использована в устройствах, сопряженных с длинными проводниками или работающих в сложных электромагнитных условиях (проводные системы экологического мониторинга предприятий, индустриальные измерительные преобразователи).

Телекоммуникации. Применение оптореле в области связи также является перспективным направлением. Есть несколько уникальных функций, для реализации которых можно эффективно использовать преимущества оптореле. Сюда относятся гальваническая развязка между модемом и телефонной линей для предотвращения повреждений, связанных с электростатическими (в т.ч. грозовыми) разрядами; реализации специфических функций телефонного оборудования (импульсный и тоновый набор, подключение и определение состояния линии) и т.п.

Заключение

В последние годы наблюдается тенденция к постоянному росту спроса на оптоэлектронные реле компании IR. Главными потребителями твердотельных реле являются промышленные гиганты нашей страны — приборостроительные и транспортные предприятия, крупные государственные корпорации Ростелеком, Росатом, РЖД. Производители ценят удобство и высокие технические характеристики реле компании IR для индустриального применения.

С другой стороны, постоянно растут требования к надежности радиоэлектронной аппаратуры со стороны военной и авиакосмической промышленности. Вопрос очень актуальный, который требует конкретных технических решений, которые позволят понизить отказы техники в процессе эксплуатации. Ни у кого из специалистов не вызывает сомнения, что твердотельные реле способны повысить надежность аппаратуры специального назначения.

Получение технической информации, заказ образцов, поставка — e-mail: [email protected]

•••

www.compel.ru

реле твердотельные отечественные, оптореле

  • Электронные компоненты, радиодетали
    • Активные компоненты
      • Микросхемы
      • Транзисторы
      • Тиристоры
      • Диоды, стабилитроны, варикапы
      • Полупроводниковые модули
    • Пассивные компоненты
    • Акустические компоненты
    • Реле
    • Устройства защиты, предохранители
    • Беспроводные системы
      • антенны (41)
      • радиомодули (164)
  • Коммутация
  • Оптоэлектроника
  • Индикация
  • Освещение
  • Источники питания
  • Датчики
  • Корпусные и установочные изделия
  • Провода, шнуры, расходные материалы
  • Измерительные приборы
  • Паяльное оборудование
  • Инструмент
    • Ручной инструмент
    • Отвертки
      • монтажные отвертки (180)
      • отвертки с насадками (48)
      • наборы отверток (50)
    • Складское оборудование
    • Губцевый инструмент
    • Электроинструмент
    • Оптические приспособления
    • Антистатика
      • антистатические аксессуары и одежда (36)
    • Приспособления для хранения
      • сумки, чемоданы для инструмента (17)
      • кассетницы (64)
  • Промышленная автоматика
  • Электричество, контроль, управление мощностью
  • Электроника для дома и авто

www.voltmaster.ru

Оптореле в схемах на микроконтроллере

Оптореле или, по-другому, оптоэлектронные реле строятся на основе оптопар с полевыми транзисторами. Они более технологичные (а значит и более дешёвые) по сравнению с микросхемами «цифровых изоляторов», которые содержат внутри микроминиатюрные импульсные трансформаторы.

Типовые параметры твёрдотельных оптореле (англ. «Solid-state MOS relays»): ток управления 10…60 мА, время переключения 2…2000 МК с, ток коммутации

1..            .20 А, максимально допустимое напряжение в нагрузке 200…1000Вдля мощных силовых и на порядок меньше для маломощных сигнальных оптореле, ресурс работы 10 лет, наработка на отказ не менее 25000 часов.

Различают оптореле с коммутацией одн двухполярных сигналов. В переводе на понятный язык — для коммутации постоянного и переменного тока. На Рис. 2.117, а…е для примера показаны варианты внутренней «начинки» оптореле серии KP293 (по-старому 5П14). Параллельно выходным контактам оптореле стоят защитные диоды по аналогии с имеющимся в полевых транзисторах MOSFET.

Рис. 2.117. Внутреннее строение оптореле серии KP293:

а) реле постоянного тока с замыкающим контактом;

б) реле постоянного тока с размыкающим контактом;

в) реле переменного тока с замыкающим контактом;

г) реле переменного тока с размыкающим контактом;

д) реле постоянного тока с замыкающим и размыкающим контактами;

е) реле переменного тока с замыкающим и размыкающим контактами.

В некоторых оптореле последовательно со светодиодом встраивают интегральный токоограничивающий резистор. Это позволяет сэкономить место на плате и защитить светодиод в случае ошибочной подачи на вход высокого напряжения.

Светодиоды, входящие в состав оптореле, работают в инфракрасном диапазедлин волнстиповым падением напряжения 1.0…1.2 В. Не следует «жадничать» и уменьшать ток через светодиод ниже паспортного значения, поскольку могут ухудшиться выходные параметры и надёжность коммутации.

Оптореле, в отличие от оптосимистора, гарантированно переходит в противоположное состояние при снятии освещённости полупроводниковой зоны. Для оптореле без разницы, имеется или отсутствует напряжение в нагрузке. Кроме того, ввиду линейности ВАХ, появляется возможность без искажений коммутировать сигналы очень малой амплитуды, в отличие от оптосимисторов с их резкой пороговой характеристикой вблизи нуля.

При коммутации переменных сигналов большой амплитуды начинает сказываться нелинейная зависимость сопротивления канала полевых транзисторов оптореле от напряжения, т.е. возможны искажения формы и спектра сигнала.

Для повышения устойчивости работы оптореле в сети 220 В при атаке импульсных помех рекомендуется параллельно его замыкающим контактам ставить последовательную RC-цепь, состоящую из проволочного резистора сопротивлением

10..         .50 Ом и конденсатора ёмкостью 0.01…0.15 МК Ф с напряжением 600 В.

На Рис. 2.118, а…в приведены схемы подключения оптореле к MK.

а) VU1 — это оптореле фирмы Crydom. Ток управления 3…4 мА, изоляция выдерживает без пробоя напряжение 4 кВ, проходная ёмкость 8 пФ;

б) индикация включения светоизлучающей части оптореле VU1 (фирма Fairchild) производится светодиодом HL1. Мощность в нагрузке RH не более 50 Вт;

в) НИЗКИМ уровнем на выходе МК размыкаются контакты оптореле VU1, при этом прибор, подключаемый к вторичной обмотке трансформатора 77, переходит в дежурный режим с пониженным питанием, поскольку последовательно включается гасящее сопротивление R2.

Источник: Рюмик, С. М., 1000 и одна микроконтроллерная схема. Вып. 2 / С. М. Рюмик. — М.:ЛР Додэка-ХХ1, 2011. — 400 с.: ил. + CD. — (Серия «Программируемые системы»).

nauchebe.net

Вопросы применения твёрдотельных оптоэлектронных реле средней мощности – ЗАО «Протон-Импульс»

Данная статья преследует цель в общих чертах ознакомить заинтересованного читателя с номенклатурой производимых в ЗАО «Протон-Импульс» оптоэлектронных реле средней мощности и затронуть некоторые аспекты их применения. Оптоэлектронные реле можно разделить на две принципиально различные группы: реле переменного тока, у которых силовыми элементами являются симисторы и тиристоры и однополярные и двухполярные реле постоянного тока с силовыми элементами на IGBT или МОП-транзисторах, причем, двухполярные реле могут работать и в цепях переменного тока. Принципиальное различие этих групп в том, что реле переменного тока, в отличие от реле второй группы, имеют частичную управляемость, а именно, выключение силового элемента может произойти только при «нуле» выходного тока, поэтому использование их в цепях постоянного тока весьма затруднительно. С другой стороны, выключение в «нуле» тока имеет то преимущество, что на индуктивной нагрузке отсутствуют импульсы перенапряжения при выключении. Если сравнивать по эффективности (минимизация рассеиваемой в силовых элементах мощности) использование в цепях переменного тока тиристорных и двухполярных реле на IGBT или МОП-транзисторах, то для типовых значений параметров силовых элементов для напряжений 220 ¸ 380 В получим, что на токах свыше единиц ампер тиристоры в 3 ¸ 5 раз эффективнее IGBT, а отношение рассеиваемых мощностей реле на IGBT или МОП-транзисторах численно примерно равно току в амперах.

Далее рассмотрим производимые в ЗАО «Протон-Импульс» различные типы реле и особенности их применения.

РЕЛЕ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Имеются следующие основные типы тиристорных реле:

  • однофазные нормально-замкнутые и нормально-разомкнутые реле (от 1 А до 100 А);
  • трехфазные нормально-разомкнутые реле (от 10 А до 100 А);
  • однофазные, двухфазные и трехфазные реверсивные реле со встроенной защитой от межфазного замыкания и мгновенного реверса (от 10 А до 40 А);
  • двухканальные реле с раздельными каналами или с общей точкой на выходе с независимым управлением каналами (от 1 А выше).

Перечисленные типы реле имеют класс по напряжению от четвертого (пробивное напряжение не ниже 400 В) до двенадцатого (пробивное напряжение не ниже 1200 В) и напряжение изоляции 1500 В или 4000 В пикового значения (между входом / выходом / радиатором) Реле могут иметь контроль нуля фазы силового напряжения (т.е. включаться при значении этого напряжения, близком к нулю) (типа ТМ) или не иметь этого контроля (типа ТС). Включение в «нуле» напряжения имеет то преимущество, что минимизирует помехи при включении, однако, в некоторых случаях (см. ниже) требуется включение в произвольной фазе напряжения. По управлению реле могут иметь токовые или потенциальные входы, причем токовые входы могут быть только у однофазных и двухканальных реле, потенциальные – у всех. Для токовых входов ток управления 10 ¸ 25 мА при падении напряжения на входе порядка 1,2 В или 2,4 В. Потенциальное управление варьируется в диапазонах: =(4 ¸ 7) В, =(3 ¸ 30) В, ~(6 ¸ 30) В, ~(110 ¸ 280) В.

Тиристорные структуры весьма чувствительны к перенапряжениям – их появление ведет к необратимому пробою, поэтому актуальной является задача защиты выходов реле от перенапряжений. Основным средством такой защиты является шунтирование выходов реле варисторами. Мы рекомендуем использование варисторов типа СН2-1, СН2-2, имеющих коэффициент нелинейности более 30 и характеризующихся классификационным напряжением Uкл при токе через варистор 1 мА. Энергия рассеивания этих варисторов лежит в диапазоне от 10 до 114 Дж. При выборе варистора следует исходить из того, что классификационное напряжение должно превосходить амплитудное значение рабочего напряжения Uампл с учетом нестабильности сети и технологического разброса значения Uкл и быть ниже пробивного напряжения тиристоров Uпроб. Вводя обозначения: ;

Iном –среднеквадратичное значение тока нагрузки,

— допустимое импульсное перенапряжение в сети,

и, полагая Uапл/Uкл = 0,8, можем записать для кривой, ниже которой лежит область безопасной работы, выражение:

На рисунке 1 представлены графики таких кривых для некоторых значений Iном.

Рисунок 1

Видно, что при заданном импульсном перенапряжении для больших рабочих токов требуется более высокий класс реле по напряжению. Второй особенностью тиристорных структур является чувствительность к высоким значениям dU/dt. Механизмы появления больших dU/dt следующие:

  • включение напряжения в цепь нагрузки в фазе, близкой к 90 °
  • импульсные помехи в цепи нагрузки;
  • коммутационные скачки напряжения при выключении тиристора в цепи с индуктивной нагрузкой из-за сдвига фазы между током и напряжением.

Описанные скачки напряжения при превышении dU/dt некоторой критической величины могут приводить к несанкционированному отпиранию тиристоров. Для защиты реле от потери управления из-за dU/dt применяется шунтирование выходов R-C-цепью, номиналы которой определяются экспериментально для конкретной нагрузки и обычно лежат в пределах: 20 ¸ 50 Ом и 0,01 ¸ 0,1 мкФ. Дополнительным методом повышения устойчивости реле к быстрым скачкам напряжения является введение в цепь нагрузки реактора задержки, который представляет собой индуктивность на сердечнике с высокой магнитной проницаемостью и квадратной петлей гистерезиса. При рабочих токах нагрузки реактор находится в насыщении, т.е. влияние на ток отсутствует, при уменьшении тока реактор «восстанавливается», внося в цепь большую индуктивность, что замедляет скорость изменения тока и, в частности, задерживает переполюсовку напряжения, помогая запиранию тиристора.

Следует отметить, что, уменьшая скорость нарастания тока на начальной стадии включения тиристора, реактор способствует равномерному распределению плотности тока по кристаллу тиристора, защищая его от разрушительного воздействия высоких значений dI/dt. Это особенно важно для реле типа ТС при работе на емкостную или активную нагрузку или в режиме отсечки фазового угла (фазоимпульсная регулировка мощности). Кроме того, реактор, увеличивая импульсный импеданс цепи нагрузки, повышает эффективность защиты от перенапряжений варистором.

При работе на индуктивную нагрузку существует опасность перегрузки по току в силу ряда факторов:

  • асимметрия включения выходных тиристоров (симисторов), приводящая к постоянной составляющей тока, а, следовательно, к насыщению сердечника и, как следствие – сверхтокам;
  • насыщению сердечников высоко индуктивных нагрузок (трансформаторы на холостом ходу, контакторы) из-за совпадения остаточной намагниченности сердечника с направлением тока в момент включения. Многоцикловые пусковые токи в этом случае могут в десятки раз превышать номинальные. При этом случай включения реле при переходе напряжения через ноль является наихудшим. Для таких нагрузок оптимальными являются включение в максимуме напряжения или «мягкий» запуск с малыми начальными углами проводимости. Можно порекомендовать при работе на высоко индуктивную нагрузку использовать реле с повышенным ударным током (реле типа ТСИ).

Асимметрия включения может являться следствием:

  • асимметрии углов проводимости из-за различия напряжения включения тиристоров в разных полярностях. Это различие существенно при малых значениях силового напряжения, сравнимых с напряжением включения (типовые значения напряжения включения 5 ¸ 15 В);
  • асимметрии углов проводимости при некорректном фазо-импульсном управлении реле;
  • частичного (полуволнового) открывания реле из-за того, что обратное напряжение пересекает «окно» разрешения включения слишком быстро и тиристор не успевает включиться (для реле с контролем перехода напряжения через ноль). Это является одним из факторов , ограничивающих частоту силового напряжения (обычно не более 500 Гц).

Следует учитывать возможность возникновения вышеперечисленных факторов в конкретных условиях применения реле. Работа на емкостную нагрузку характеризуется двумя основными особенностями:

  • возможностью появления в цепи реле больших скачков тока () с высоким dI/dt;
  • появлению на выходе реле удвоенного амплитудного значения силового напряжения.

Пусковой однократный скачок тока появляется при включении реле в фазе напряжения, отличной от нуля. Для линии ~220 В при включении в максимуме напряжения, с учетом того, что время включения тиристоров порядка 10-6 с получим (пренебрегая индуктивностью цепи), например, для С = 100 мкФ:

,

т.е. в 4000 раз больше номинального среднеквадратичного тока. Скорость нарастания тока  при индуктивности цепи нагрузки 1 мкГн может достигать 310 А/мкс, в то время как типовое предельно-допустимое значение dI/dt =(20 ¸ 160)А/мкс.

Периодические скачки тока при пересечении током линии нуля (при включенном реле) происходит из-за того, что напряжение включения тиристоров отлично от нуля (как отмечалось выше – для реле это (5 ¸ 15) В). Такие скачки для Снагр = 100 мкФ могут достигать значений (500 ¸ 1500) А, порождая значительные электромагнитные помехи и высокочастотные мощные гармоники тока в цепи нагрузки, которые могут вести к деградации некоторых типов конденсаторов.

Из вышеизложенного следует необходимость использования с емкостными нагрузками реле с контролем перехода фазы напряжения через ноль и с малым напряжением включения (реле типа ТМК нормируются по Uвкл и Uзапр – 4 В и 10 В, соответственно).

Второй фактор – удвоенное амплитудное напряжение на выходе реле, которое проявляется при выключении реле. Поскольку выключение тиристора происходит при токе через него, близком к нулю, напряжение на емкости нагрузки после выключения из-за сдвига фаз ток/напряжение зафиксируется на уровне, близком к амплитудному значению, и в следующем полупериоде сложится с напряжением сети, достигнув по амплитуде 2Uампл. Например, для сети 380 В ± 10% пиковое значение напряжения на выходе реле может достигнуть 1170 В. Таким образом, даже реле двенадцатого класса в этом случае будут работать на пределе своих возможностей и практически не могут быть защищены от импульсных перенапряжений варисторами.

Представляется целесообразным для емкостных нагрузок использовать реле не только с включением, но и выключением в фазе сетевого напряжения, близкой к нулю. Такие реле могут быть реализованы на основе двухполярных реле постоянного тока, при этом устраняется фактор перенапряжения и может быть значительно расширен частотный диапазон силового напряжения, однако ухудшаются мощностные характеристики (см. выше). Серия таких реле (типа 5П66…), начиная с 2001г., разрабатывается в ЗАО «Протон-Импульс». В настоящее время существуют образцы с частотным диапазоном до 1 кГц, ведутся работы по расширению этого диапазона до десятков кГц. В заключение этого раздела остановимся на особенностях применения реверсивных реле.

Как отмечалось выше, нами выпускаются одно-, двух- и трехфазные реверсивные реле. Структура их силовой части и варианты включения нагрузок представлены на рисунках 2 и 3.

а) реверсирование однофазного двигателя со сдвигом фаз на конденсаторе

б) резервирование питания нагрузки Рисунок 2

Структура и подключение двухфазного (пунктир) и трехфазного реверсивного реле Рисунок 3

О назначении и выборе параметров демпферных RS-CS – цепочек и варисторов говорилось выше. Схемотехника управления тиристорами реверсивных реле исключает возможность одновременного включения элементов VS1 и VS2 в структуре рисунка 2 или VS1 и VS3, VS2 и VS4 в структуре рисунка 3. Однако при «мгновенном» реверсе, поскольку выключение тиристора происходит при «нуле» тока, эти пары могут оказаться во включенном состоянии одновременно. В случае рисунка 2а) это приведет к разряду сдвигового конденсатора С через тиристоры, в случае рисунка 2б) и рисунка 3 – к межфазному замыканию.

Для исключения такой ситуации в реверсивные реле введена аппаратная задержка включения каналов на 20 ¸ 30 мс, так что при «мгновенном» реверсе ранее включенные каналы успевают выключиться до включения альтернативных (для частоты сети более 40 Гц).

Однако есть другие причины, которые могут привести к одновременному включению этих пар тиристоров:

  • при подаче фазных напряжений на реле, например, через электромагнитный пускатель, скачок межфазных напряжений на силовых входах реле может иметь скорость нарастания напряжения выше критической для двух последовательно включенных тиристоров, причем, поскольку импеданс мощной сети весьма мал, демпферные RS-CS – цепи практически не снижают dU/dt;
  • импульсные помехи в силовой цепи имеют высокие dU/dt;
  • высокие значения dU/dt коммутационных скачков напряжения.

Для снижения вкероятности межфазного замыкания в результате первой из перечисленных причин в схемы рисунка 2б) и рисунка 3 включены реакторы L, которые во взаимодействии с CS демпферных цепей снижают dU/dt. Оценку влияния индуктивности можно произвести из выражений:

. Например, при Uэфф = 420 В; L = 10-4 Гн; С = 10-8 Ф, имеем

. кроме того, реактор L ограничивает скорость нарастания тока , большие величины которой также имеют разрушительные воздействия на тиристоры. Однако, как показывает практика, полной гарантии от межфазных замыканий ни RS-CS – цепи, ни реакторы не дают. Поэтому общепринятым методом защиты тиристоров от выхода из строя (например, фирмы «Motorola», «Siemens», «Opto-22») является установка токоограничивающих резисторов R, как показано на рисунках 2 и 3. Суммарное сопротивление этих резисторов должно обеспечить значение амплитуды тока межфазного замыкания ниже допустимого ударного тока используемого реле (длительность межфазного тока не превышает полпериода сети).

С такими последствиями установки резисторов R, как снижение напряжения на обмотках электродвигателя и необходимость обеспечения теплоотвода от этих резисторов приходится смириться. Вопросы обеспечения тепловых режимов работы реле переменного тока будут обсуждаться ниже, вместе с таковыми – для реле постоянного тока.

РЕЛЕ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Как отмечалось выше, реле постоянного тока на IGBT и МОП-транзисторах могут быть однополярными и двухполярными. Последние получаются встречно-последовательным соединением двух выходных транзисторов, причем, если в случае МОП-транзисторов такое соединение необходимо, чтобы блокировать в закрытом состоянии прямое напряжение присутствующих в структуре МОП обратно включенных шунтирующих диодов, закрытым каналом второго транзистора, то для IGBT, наоборот, необходимо вводить такие диоды, чтобы обеспечить проводимость обратного для транзистора тока в открытом состоянии. Остаточное напряжение на выходе однополярных реле в открытом состоянии на МОП-транзисторах определяется сопротивлением канала транзистора, которое при 25 °С может составлять величину от единиц миллиОм – для низковольтных транзисторов, до единиц Ом – для высоковольтных. При повышении температуры перехода транзистора до предельной (150 °С) сопротивление канала увеличивается примерно в два раза. Для двухполярных реле на МОП-транзисторах остаточное напряжение складывается из падения напряжения на сопротивлении канала одного транзистора и напряжения прямосмещенного диода, зашунтированного сопротивлением канала второго транзистора.

Оценку зависимости остаточного напряжения на выходе двухполярного реле от тока проведем, исходя из линейной модели ВАХ диода: Ud = Uo + Rd Id для Ud > Uo, где Rd – дифференциальное сопротивление диода, для мощных транзисторов составляющее величину порядка единиц- десятков миллиОм. Проведя выкладки, получим:

 при 

 при ,

где  — суммарное сопротивление каналов выходных транзисторов (выходное сопротивление реле в открытом состоянии). Для низковольтных (десятки вольт) транзисторов величины  и Rd одного порядка; полагая, например,  = Rd, получим:

 при 

 при  Для высоковольтных (сотни вольт) транзисторов  >> Rd, отсюда для токов  имеем: . Таким образом, ВАХ выхода двухполярных реле на МОП-транзисторах во включенном состоянии до токов практически линейна, затем постепенно переходит в ВАХ диода. Поскольку порядка 1 В, то для низковольтных реле точка перегиба лежит в районе 100 ¸ 200 А, для высоковольтных – в районе единиц ампера. Дальнейшую классификацию реле постоянного тока можно провести по задержкам включения/выключения реле.

В реле типа 5П20 (однополярные) и 5П19 (двухполярные) в качестве элемента управления затворами транзисторов используются фотовольтаические оптроны с выходным током порядка единиц микроампер. Поэтому «накачка» затворов производится достаточно медленно, что обуславливает большие задержки включения реле (десятки миллисекунд). Задержки выключения для этих реле значительно меньше (£1 мс), поскольку используемые фотовольтаические оптроны имеют встроенную тиристорную схему разряда.

Другая группа реле – быстродействующие – имеют задержки включения/выключения единицы микросекунд, дополнительный вывод внешнего питания и, в свою очередь, делятся на реле с питанием, гальванически связанным с выходом, и с питанием по входу. Однополярные реле с питанием по выходу (5П40) могут работать на частоте коммутации в десятки кГц, однако, требуют использования изолированного от цепей управления источника напряжения (10 ¸ 15 В).

Реле с питанием по входу 5П57 (двухполярные) и 5П59 (однополярные) при задержках включения/выключения единицы микросекунд могут обеспечить частоту коммутации нагрузки не выше 10 ¸ 20Гц, поскольку используемые в них в качестве встроенного источника вторичного питания фотовольтаические оптроны не могут достаточно быстро восполнить энергию заряда затворов, потерянную при выключении реле.

Реле с питанием по входу 5П62 имеет параметры, аналогичные таковым у 5П40, однако, при частоте коммутации более 10 Гц требует подключения дополнительных внешних элементов (конденсатор, резистор), параметры которых рассчитываются, исходя из условий применения. Подробнее об этом позже. Отметим, что нами выпускаются так называемые «многоканальные» реле с различным сочетанием «нормально-замкнутых» и «нормально-разомкнутых» контактов, в частности, двух- и четырехканальные. Следует заметить, что «нормально-замкнутыми» каналы становятся только после подачи напряжения питания, гальванически связанным со входом управления.

Остановимся далее на вопросах защиты реле постоянного тока от перенапряжений. Хотя IGBT и МОП-транзисторы могут работать в режиме лавинного пробоя, однако, допустимая энергия лавинного пробоя относительно невелика (десятки-сотни мДж), поэтому возможность выхода из строя из-за перенапряжения достаточно реальна. Отсюда следует необходимость защиты. Для двухполярных реле при работе на переменном напряжении, верно все, что было сказано выше о защите от перенапряжений тиристорных реле. Защита однополярных реле от случайных перенапряжений в силовой цепи может производиться шунтированием выхода стабилитроном или варистором. Отдельно рассмотрим вопрос о защите однополярных реле от перенапряжений, возникающих при отключении индуктивной нагрузки. Распространенной рекомендацией в этом случае является шунтирование индуктивной нагрузки обратно включенным диодом.

При мгновенном выключении выходного транзистора процесс отключения нагрузки описывается уравнением

, где L и r – индуктивность и активное сопротивление нагрузки, i – ток в нагрузке, а Ud – прямое напряжение на открытом диоде.

Полагая Ud = const, Iо – ток в нагрузке в момент выключения, получим:

, причем это выражение корректно на интервале от t = 0 до t0, при котором i(t0)r = Ud. Таким образом, выключение нагрузки происходит с постоянной времени L/r, а энергия , запасенная в индуктивности нагрузки рассеивается на диоде и активном сопротивлении нагрузки:

; .

Произведя выкладки, получим:

;

. Отсюда видно, что при малых значениях r (при близком к единице) энергия, рассеиваемая на диоде может в два раза превосходить таковую на сопротивлении нагрузки и при определенных значениях L и Io превзойти допустимую импульсную энергию диода или при достаточно высокой частоте коммутации fкомм, допустимую мощность диода: Wd fкомм > Рдоп.

В случае, когда предельно-допустимое напряжение выходного транзистора Uпр значительно выше коммутируемого напряжения (Е) можно существенно облегчить режим работы защитного диода, включив последовательно с ним резистор . В этом случае в момент выключения напряжение на выходе реле равно , энергия на диоде , на резисторе R: .

Таким образом, мощность резистора должна быть не менее  . Еще один положительный эффект от введения резистора – уменьшение времени выключения нагрузки, поскольку постоянная времени спада тока в этом случае равна . Рассмотрим далее некоторые особенности работы реле постоянного тока различных типов. Реле типа 5П20, 5П19, как уже отмечалось имеют задержку включения десятки миллисекунд, что ограничивает максимально-возможную частоту коммутации значениями 10 ¸ 30 Гц. Время нарастания тока в нагрузке (tфр) при включении – порядка единиц миллисекунд, в течение которых происходит повышенное рассеяние мощности в реле. С приемлемой точностью энергия рассеяния при включении реле определяется выражением:

,

где и — ток нагрузки и напряжение на нагрузке, соответственно. Поскольку задержка и время спада тока при выключении более чем на порядок меньше таковых при включении, энергией выключения пренебрегаем.

Представляет интерес рассмотрение двух режимов работы:

  • стационарная нагрузка и близкая к предельной частота коммутации;
  • включение нестационарной нагрузки, имеющей большие пусковые токи (например, лампы накаливания, у которых пусковой ток более чем в 10 раз больше номинального).

Оба режима представляют потенциальную опасность для силовых транзисторов реле. В первом случае средняя рассеиваемая на транзисторах мощность переключения равна , в то время как мощность проводимости несколько меньше, чем . Например, для однополярного реле 5П20.10П-5-0,6 с предельным напряжением 60 В и током 5 А, Rос » 0,055 Ом при температуре перехода транзистора 150 °С. В режиме постоянного тока в нагрузке 5 А, мощность на реле не более Rос×I2 = 1,375 Вт и, поскольку для этого реле тепловое сопротивление переход-среда не более 40 °С/Вт, разница температур переход-среда — не более 55 °С, что приемлемо с большим запасом. Однако, если fкомм = 10 Гц при Uкомм = 50 В, Io = 5 А, tфр = 5 мс., то получим Во втором случае начальный ток Io в выражении для энергии включения много больше номинального (для достаточно инерционной нагрузки), поэтому импульсная энергия включения может превысить допустимую для транзисторов реле. Очевидно, что при уменьшении tфр энергия включения уменьшается пропорционально, поэтому для таких нагрузок целесообразно использовать быстродействующие реле (5П57, 5П59). Как отмечалось выше, реле типа 5П62 для работы на частоте коммутации выше 10 ¸ 30 Гц требует подключения дополнительных внешних элементов. Это обусловлено тем, что, как и у реле 5П57 и 5П59 вторичный источник напряжения в цепи управления затвором выходного транзистора имеет низкую среднюю мощность и не может восполнить потери энергии при разряде затвора. Поэтому в схему вводятся элементы «подкачки»цепи управления затвором: резистор R или резистор с конденсатором С. При суммарном заряде затвора выходного транзистора равном Qзатв , частоте коммутации f и скважности импульсов тока нагрузки N должно быть:

— для цепи с R:

Мощность на R: PR=(Екомм-15В)Qзатвf; При этом появляется дополнительный постоянный ток утечки на выходе:

 Qзатвf;

Если такая дополнительная утечка неприемлема, Следует последовательно с резистором R включить конденсатор С, тогда:

 PR=(Екомм-15)Qзатвf

где  — заряд затвора выходного транзистора, — мощность транзистора.

В заключении – о тепловых режимах реле. Максимальные токи реле нормируются нами следующим образом:

  • для реле без радиатора – по предельной температуре перехода силовых элементов (125 °С – для реле на тиристорах, 150 °С – на транзисторах) при температуре среды 25 °С;
  • для реле с радиатором – по предельной температуре перехода при температуре радиатора 75 °С – для реле на тиристорах и 90 °С – на транзисторах.

Последние два значения температуры приняты из достаточно произвольного условия равенства теплового сопротивления внешнего охладителя «эквивалентному» тепловому сопротивлению переход-радиатор, при котором

Говоря об «эквивалентном» тепловом сопротивлении, имеем в виду то, что, например, для трехфазного реле с тепловым сопротивлением Rт.ф на фазу, «эквивалентное» сопротивление равно Rт.ф / 3.

Основным соотношением при тепловых расчетах для всех типов реле является: ,

где Р – мощность, рассеиваемая в силовых элементах реле, Rохл — тепловое сопротивление внешнего охладителя с учетом контактного теплового сопротивления радиатор-охладитель.

Мощность, рассеиваемая при работе на постоянном токе:

  • для IGBT – Р = Uост×Iраб, где Uост – остаточное напряжение на транзисторе;
  • для МОП, при Тпер = 150 °С, , где Rост – сопротивление реле в открытом состоянии при 25 °С.

Для мощности, рассеиваемой в фазе тиристорных реле можно записать эмпирическое выражение: . При работе реле постоянного тока на высоких частотах существенным становится вклад в рассеиваемую мощность энергии переключения. Выражения для суммарной рассеиваемой мощности выглядят следующим образом:

  • для IGBT –
  • для МОП, при Тпер = 150 °С — , где – скважность, tвкл – длительность включенного состояния,

Начальник отдела электроники Архипов С.В.

Тел. 0862-413663

proton-impuls.ru

Микропроцессоры и микроконтроллеры

В последние годы на смену обычных электромагнитных реле приходят оптоэлектрон-ные твердотельные реле (оп-тореле). Оптореле представляют собой сильноточные ключи с гальванической развязкой между входами управления и нагрузкой и предназначены для коммутации нагрузки в цепях переменного и постоянного тока.

Преимущества оптореле очевидны. Это малый ток управления, отсутствие электромагнитных помех при коммутации нагрузки, высокое напряжение изоляции, широкий диапазон рабочих температур. Кроме того, малые габариты и большая надежность (наработка на отказ) делают их очень удобными в различных применениях.

Предлагаемый набор NF249 МАСТЕР КИТ позволит радиолюбителю собрать современное, простое и надежное оптическое коммутационное устройство: оптореле.

Набор также будет интересен и полезен при знакомстве с основами электроники и полу-

чении опыта сборки и настройки устройств.

ТЕХНИЧЕСКИЕ

ХАРАКТЕРИСТИКИ

ОПТОРЕЛЕ

Управляющее напряжение

5...15 В

Управляющий ток

10 мА

Ток нагрузки, не более

10 А

Напряжение коммутации

220 В

Размеры печатной платы

52x38 мм

Общий вид устройства представлен на рис. 1, схема электрическая принципиальная —на рис. 2.

ОПИСАНИЕ РАБОТЫ

ОПТОРЕЛЕ

Принципиальная электрическая схема приведена на

рис 2.

Принцип работы твердотельного реле состоит в следующем: входной сигнал (управляющий ток) через диод D1 подается на светодиод. Излучение, пройдя некоторое расстояние в корпусе реле (МОС3041), попадает на фотодиодную матрицу (фотоэлектрический генератор). Падающее излучение создает в фотодиодной матрице фото-

ЭДС. Наведенное напряжение подается на схему управления, которая в свою очередь формирует необходимый сигнал для управления выходным ключевым каскадом, обеспечивает защиту затвора выходного МОП-ключа, обеспечивает быстрое выключение ключа. Силовой ключ реализован на элементах С1, С2, R2, R3, и симисторе TR1. Резистор R1 ограничивает ток через свето-диод оптореле.

КОНСТРУКЦИЯ

Конструктивно устройство выполнено на печатной плате из фольгированного стеклотекстолита с размерами 52x38 мм. Конструкция предусматривает установку платы в корпус, для этого по краям платы имеются монтажные отверстия под винты 03 мм.

ОБЩИЕ ТРЕБОВАНИЯ К МОНТАЖУ И СБОРКЕ

НАБОРА

Все входящие в набор компоненты монтируются на печатной плате методом пайки.

Не используйте паяльник мощностью более 25 Вт.

При пайке не рекомендуется использовать активный флюс, т.к. это может привести к выходу устройства из строя.

Для предотвращения отслаивания токопроводящих дорожек и перегрева элементов, время пайки одного контакта не должно превышать 2-3 с.

ПОРЯДОК СБОРКИ

Проверьте комплектность набора согласно перечню элементов (табл. 1).

Таблица 1. Перечень элементов

Позиция

Наименование

Примечание

Кол-во

С1, С2

0,01 мкФ (500) B

Керамический конденсатор

2

R1

500 Ом

Зеленый, черный, коричневый

1

R2, R3

470 Ом

Желтый, фиолетовый, коричневый

2

DA1

МОС3041

Оптореле

1

D1

1N4001

Диод

1

TR1

ВТА12-600В

Симистор

1

Контакты штыревые

4

Припой с

каналом

канифоли

0,25 м

Радиатор

1

FT188

Печатная плата 52x38мм

1

Отформуйте выводы радиоэлементов.

Установите все детали согласно рис. 3 в следующей последовательности: сначала резисторы R1...R3, диод D1, колодку для оптореле, конденсаторы С1, С2, штыревые контакты, затем симистор TR1, предварительно установив его на радиатор.

Установите оптореле DA1 в колодку. При установке активных элементов (микросхема DA1, диод D1, симистор TR1) соблюдайте их полярность. Промойте плату от остатков флюса этиловым или изопро-пиловым спиртом. Подключите провода для управляющего напряжения и провода нагрузки.

ПОРЯДОК НАСТРОЙКИ

Правильно собранное устройство не требует настройки. Однако перед его использованием необходимо проделать несколько операций: проверьте правильность установки микросхемы DA1 и диода D1 и правильность подключения источника управляющего напряжения. Подключите нагрузку, например, лампу накаливания напряжением 220 В, рассчитанную на мощность 100 Вт, как показано на рис. 3.

При подаче управляющего напряжения (5.15 В) лампа накаливания должна засветиться.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Чтобы сэкономить время и избавить вас от рутинной работы по поиску необходимых компонентов и изготовлению печатных плат, МАСТЕР КИТ предлагает набор NF249: «Оптореле». Набор состоит из заводской печатной платы, всех необходимых компонентов и подробной инструкции по сборке и эксплуатации.

Более подробно ознакомиться с ассортиментом нашей продукции можно с помощью каталога «МАСТЕР КИТ-2005» и на нашем сайте: www. masterkit.ru, где представлено много полезной информации по электронным наборам, блокам и модулям МАСТЕР КИТ, приведены адреса магазинов, где их можно купить. Наш ассортимент постоянно расширяется и дополняется новинками, созданными с использованием новейших достижений современной электроники.

Наборы МАСТЕР КИТ

можно купить в магазинах радиодеталей вашего города.

> «Инструментальные АЦП производства TEXAS INSTRUMENTS»

www.microchipinf.com


Смотрите также