HSSR-8200小信號固態(tài)繼電器

介紹

傳統(tǒng)上，信號路徑的隔離控制是由電磁繼電器(EMR)提供的。本應(yīng)用說明的目的是提出一種替代方案，固態(tài)繼電器(SSR)，并描述SSR的一些使用方式。一個SSR，顧名思義，是完全由固態(tài)器件組成的——在其運(yùn)行過程中不發(fā)生任何機(jī)械運(yùn)動?？刂苽?cè)的LED將電氣輸入轉(zhuǎn)換為光功率。在接觸側(cè)，光功率被轉(zhuǎn)換回一個電信號，為開關(guān)驅(qū)動器供電，以為固態(tài)開關(guān)供電。在某些類型的SSR中，來自被開關(guān)的電路的一小部分功率被用于操作固態(tài)開關(guān)(e。g.晶閘管)，但在其他的開關(guān)操作的電源完全來自光信號(e。g.HSSR-8200)使觸點(diǎn)完全被動。

ssr和emr的一些相對優(yōu)點(diǎn)可以在圖1的示意圖比較中看到。在控制方面，電磁輻射呈現(xiàn)的感應(yīng)載荷可能受到磁干擾或輻射磁干擾;磁場的崩潰，當(dāng)它被斷電時，可能會產(chǎn)生需要抑制的瞬態(tài)電壓。SSR控制只是一個LED，既不受磁干擾，也不引起磁干擾;而在開啟或關(guān)閉時的低電壓變化很少需要瞬態(tài)抑制。雖然電磁場通常可以通過電壓和電流的極性來供電，但SSR需要在所示方向上的電流。用橋式整流器可以很容易地實(shí)現(xiàn)SSR的任意極性操作。

在接觸側(cè)，SSR可分為三大類：僅交流、直流和雙向(交流或直流)。雙向類型，如EMR，在關(guān)閉時可以在任何一個方向上傳遞電流，并且在打開時可以承受任一極性的電壓。在某些類型的EMR中，單個控制電路可以操作超過一組觸點(diǎn)，這些觸點(diǎn)可以形成a(常開)，形成B(通常封閉)，形式C(雙擲)，或這些選項(xiàng)的任何組合。大多數(shù)SSRs提供形式的A接觸，但形式B和形式C也可以制作。此外，在大多數(shù)SSRs中，單個控制只操作一組觸點(diǎn)，但通過簡單的電路可以很容易地將SSRs的多功能操作實(shí)現(xiàn)，如下圖所示。

圖1。EMR和SSR的示意圖比較。

ssr和emr之間的重要區(qū)別不是圖上的，而是功能上的。在ssr中，沒有機(jī)械運(yùn)動，因此它們比電子病歷有四個明顯的優(yōu)勢：

1.無接觸反彈，關(guān)閉始終保持清潔

2.沖擊、振動或安裝位置沒有問題

3.沒有限制操作次數(shù)的磨損機(jī)制

4.沒有最低接觸“潤濕”電流

在EMRs，接觸反彈問題可以用汞濕接觸來解決，但這可能會對相對于重力的安裝方向施加限制;ssr 可以在任何位置安裝和操作。在嚴(yán)重沖擊和振動的環(huán)境中，SSRs提供清潔的操作——除非機(jī)械濫用造成物理損壞。ssr的一個特別重要的優(yōu)勢是無限數(shù)量的操作。EMRs通常只對大約10億次操作可靠地運(yùn)行;如果每秒1000次操作，EMRs只能持續(xù)兩周，然后應(yīng)該更換。

特征總結(jié)

SSR的HSSR-8200的一些特性可以根據(jù)圖2中的電路圖和圖3中的近似等效電路來描述。首先，注意結(jié)構(gòu)是8針DIP尺寸，但當(dāng)然只需要四個針。Avago使用四個角銷1、4、5和8，使處理更容易，特別是通過機(jī)械自動插入。

接下來，考慮控制側(cè)。極性的定義如圖2所示。HSSR-8200通電(觸點(diǎn)閉合)與如果最低至1.0 mA在vf只有略高于1.0V(一些ssr可能有更高的如果和vf所需的東西在某些應(yīng)用中，可能希望以更高的電流運(yùn)行，但由于電流隨電壓呈指數(shù)變化，這將只需要稍高的電壓。在較高電流下的操作會使觸點(diǎn)快速關(guān)閉。并減少r(上)輕微的;它還增加了偏移電壓，VO (OS).斷電SSR(觸點(diǎn)打開)需要較低的電流，但更可靠的保證是使正向電壓小于0.8 V。觸點(diǎn)從打開到關(guān)閉的完全開關(guān)需要的電壓變化通常小于0.4 V，而且很少大于0。9 V.

圖2。HSSR-8200電路圖。

在通電條件下，來自LED的光輻射被光電二極管陣列轉(zhuǎn)換為足夠的電壓和電流來操作開關(guān)驅(qū)動器(圖。2)，也可以驅(qū)動兩個fet的門源電極。這里需要注意的是，操作開關(guān)的所有電源都來自光電二極管陣列——由開關(guān)操作的電路不需要任何電源。接觸側(cè)看起來很復(fù)雜，但在大多數(shù)應(yīng)用中，可以忽略部分或所有無關(guān)的電路元件。因此，值得考慮一下圖3中的等效電路，

圖3。HSSR-8200的近似等效電路。

并檢查數(shù)據(jù)表的值，看看它們是否確實(shí)可以被忽略。在許多情況下的價值r(上)是如此的低r(關(guān)閉)如此高以至于可以被忽略，其他參數(shù)可能也是如此。對于HSSR-8200，r(上)是否小于0.00025 MΩ和r(關(guān)閉)超過50,000 MΩ;因此，在具有少兆歐阻抗的電路中，它們可以分別被視為短的和開的，誤差只有百萬分之一。對于具有可變阻抗的電路，其比值為r(關(guān)閉)向r(上)是重要的，因?yàn)樗c阻抗比，相對于誤差可能被忽略。

HSSR-8200相對于其他ssr和機(jī)械繼電器是通過其高運(yùn)行速度，低偏置電壓VO (OS)，低偏移電流io(關(guān)閉)，且失電容值較小。在要切換的信號很低的地方，伺服(操作系統(tǒng))和io從…落下應(yīng)該考慮。隨著電壓施加到開放觸點(diǎn)上，所產(chǎn)生的電流的一部分io從…落下流入羅從…落下，部分是接觸電路中兩個二極管中的任何一個的反向偏置。當(dāng)LED打開，開關(guān)關(guān)閉時，開關(guān)的大小伺服(操作系統(tǒng))最初上升，然后隨著來自LED的熱量通過接觸電路擴(kuò)散，并在很大程度上平衡熱電偶電壓。的數(shù)據(jù)表的值VO (OS)在峰值，發(fā)生在控制LED通電后幾秒鐘，極性是一致的。

盡管c(關(guān)閉)是非常小的，在1000赫茲的電抗嗎c(關(guān)閉)低于100 MΩ;因此，要切換具有頻率甚至低于音頻范圍的信號，可能需要采用特殊的技術(shù)來處理c(關(guān)閉).這種技術(shù)可能就像降低電路阻抗一樣簡單，但也可能需要A型和B型開關(guān)的串聯(lián)分流組合，或應(yīng)用中和作用。

另一個考慮因素是SSR觸點(diǎn)可以使用的電路電流的范圍。在低端，有漏電流，io(關(guān)閉).在高端，電流可能只受到最大額定值的限制io(上)，(HSSR-8200為40mA)，也可能受到線性度的限制r(上).請注意，在圖2中，接觸由兩個反串聯(lián)的fet組成，以提供雙向?qū)ΨQ。在每個場效應(yīng)晶體管上都有一個源-漏極二極管。 因?yàn)槊總€場效應(yīng)晶體管的一個通道電阻近似等于一半r(上)，當(dāng)接觸電流上升到通過觸點(diǎn)的電壓降約為兩個二極管下降的水平時，該二極管開始打開。在這個水平以上，動態(tài)電阻的值大約是它在低于這個水平的接觸電流值的一半。

在斷電狀態(tài)下，HSSR-8200的開放觸點(diǎn)可以承受高達(dá)200 V的任何一種極性的電壓。在某些應(yīng)用中，這些接觸點(diǎn)可能暴露在有害的高瞬態(tài)電壓下。FET漏極可能要求提供外部裝置以保護(hù)它們免受這種瞬態(tài)的影響。同樣，在通電條件下，在不損壞閉合開關(guān)的情況下，允許的電流流量是有限制的。

在控制側(cè)和接觸側(cè)之間是不可避免的寄生現(xiàn)象日本里-O和CI-O如圖3所示。價值超過100萬兆歐姆的，日本里-O通?？梢院雎浴I- O對于相對于接觸電路的大瞬態(tài)電壓，通?？梢院雎?。具有足夠振幅的瞬態(tài)可以耦合足夠的電荷通過CI-O造成接觸暫時不正常狀態(tài)。然而，正如在數(shù)據(jù)表中所示，控制-接觸瞬態(tài)拒絕的值如此之高，因此極不可能發(fā)生這種幅度的共模瞬態(tài)。即使不存在較大的瞬態(tài)，也可能存在控制電路和接觸電路在其共同點(diǎn)之間有線電壓的情況。在115V，60Hz時，1.0 pF的電容耦合約50 nA的電流，在1 MΩ負(fù)載下將產(chǎn)生50 mV r毫秒的“哼”電壓。

應(yīng)用建議

在這里建議的安排中，只顯示了接觸及其預(yù)期的閉合序列。稍后，將詳細(xì)描述如何獲得這些序列的細(xì)節(jié)。信號E1. ..N字在圖4中，它們可能來自于級別太低而不能允許直接處理的來源;也就是說，它們可能需要放大或阻抗轉(zhuǎn)換。A/D轉(zhuǎn)換器和放大器是昂貴的，所以多路復(fù)用的一個動機(jī)是使放大器的成本在多個源之間共享。另一個，也許更重要的考慮是，希望對幾個信號施加完全相同的增益，以便放大水平的比率V1...Vn將與未放大的比例有關(guān)，E1. ..EN.

圖4。多路復(fù)用和復(fù)用。

圖5a顯示了一種利用了封閉觸點(diǎn)的低偏移量和可忽略的非線性的配置。如果不在高或低信號電平上遇到嚴(yán)重的錯誤，這種安排可以在40年的范圍內(nèi)執(zhí)行反相增益選擇。另一種可能性如圖5b所示;這里的閉合觸點(diǎn)的開啟-電阻甚至比圖5a的排列方式更不重要。如果操作速度不重要，則SSR可以在比通常應(yīng)用程序所需要的要低得多的控制電流下操作。這在圖6中所示的電池供電報警系統(tǒng)等應(yīng)用程序中很有用。在這里，報警電路，這將是一個相對沉重的漏極的電池，是斷開的，直到傳感器電路通電的SSR的控制電路。此時，當(dāng)觸點(diǎn)開始閉合時，控制電路電流增強(qiáng)，并鎖定報警。

圖5a。反相放大器的增益開關(guān)。

圖5b。非反相放大器的增益開關(guān)。

控制驅(qū)動電路的建議

運(yùn)行HSSR-8200控制裝置需要在通電(接通)狀態(tài)下的正向電流才能關(guān)閉觸點(diǎn);對于斷電(關(guān)閉)狀態(tài)，正向電壓必須小于0.8 V。R(ON)為1。0 mA，并且在較高的正向電流下運(yùn)行并不會大大降低R(ON )。另一方面，增加控制電流增加偏移電壓-幾乎線性。

在控制電流大于1.0 mA的情況下運(yùn)行，唯一的好處是轉(zhuǎn)彎開啟時間優(yōu)于線性減少;關(guān)機(jī)時間也有輕微的減少。圖7顯示了一個用于獲得所需的接通電流和關(guān)閉電壓的簡單電路。所使用的邏輯系列幾乎可以是任何東西.

任何一個TTL邏輯家族，開放收集器或圖騰柱，都將在如圖所示的安排中工作。CMOS也是如此，前提是電流下沉能力足夠。r1設(shè)置正向電流的水平，獨(dú)立于r2。R2的目的是繞過足夠低的電壓的高泄漏電流，以確保OFF電壓小于0.8 V。在某些正向電壓和正向電流情況下，不需要R2;一些邏輯輸出有內(nèi)部的上拉電路，能夠滿足關(guān)閉電壓的要求，而沒有由R2提供的外部上拉。對于開放集電器TTL輸出，R2總是需要的，因?yàn)镠SSR-8200實(shí)際上可以用幾微安的正向電流運(yùn)行(盡管在更高的接通電阻下)。在計算該驅(qū)動電路和其他驅(qū)動電路的電阻值時，正向電壓和正向電流之間關(guān)系的有用近似值為正向電壓和正向電流之間關(guān)系的有用近似值為：

V = Va +(dV/dT)*(25 - T) + Vb*log (I) V為伏特，T為攝氏度，I為毫安

其中，1.1

圖6。低控制電流的電池保護(hù)器。

圖7中的電路基本上是一種串聯(lián)驅(qū)動類型，因?yàn)橛泄﹄娏魇怯梢粋€與LED串聯(lián)的設(shè)備來切換的。稍后將看到，這種類型的驅(qū)動電路在實(shí)現(xiàn)其他設(shè)計目標(biāo)方面具有很大的靈活性。它可以與具有主動上拉(圖騰柱)輸出或開放收集器輸出的TTL一起使用。如果開放的集電極TTL可用于驅(qū)動控制，那么一個更簡單的替代方案是圖8中的分流開關(guān)。它只需要一個電阻器，并且邏輯低電壓不影響接通電流。邏輯低電壓天生滿足關(guān)閉電壓要求。

如前所述，接通時間受到正向電流水平的影響。隨著正向電流的增加，接通時間變短。然而，可能不希望以高的穩(wěn)態(tài)正向電流工作，因?yàn)檫@將增加由于從LED控制器轉(zhuǎn)移到接觸側(cè)的熱量而產(chǎn)生的偏移電壓。在需要快速打開但低偏移的情況下，可以使用峰值電路，如圖9所示。當(dāng)邏輯輸出高，r2保證通過LED的電流很小，使電容器完全放電。然后當(dāng)邏輯輸出變低時，通過R1和R3的電流激增，直到電容器被充電到R1的電壓，之后穩(wěn)態(tài)電流僅由R1設(shè)置。因此，峰值允許快速接通以及低穩(wěn)態(tài)電流(接觸電路中的低偏移)。

關(guān)閉觸點(diǎn)需要為開關(guān)驅(qū)動器電路中的電容進(jìn)行充電(圖2)。這種電荷是來自光電二極管陣列的時間集成光電流，并轉(zhuǎn)化為一定數(shù)量的電荷，必須通過LED(在200納米庫侖的量級)。該電荷量由峰值電容器的值和在R1上的電壓設(shè)定。因此，當(dāng)需要其他(更高)峰值電流值時，無需改變電容器的值;只需要降低R3的值，并確保邏輯輸出能夠降低更高的電流。

圖7。邏輯驅(qū)動控制電路。

圖8。分流驅(qū)動控制。

圖9。達(dá)到峰值，可縮短打開時間。

圖10顯示了串聯(lián)分流驅(qū)動器的組合。列驅(qū)動器進(jìn)行串聯(lián)切換，行驅(qū)動器在分流模式下運(yùn)行。當(dāng)啟用輸入高時，選擇所需的行和列(高true)，但選定的LED保持關(guān)閉，直到啟用變低。這一規(guī)定是必要的，以確保“中斷前”操作的接觸。由于關(guān)閉時間超過打開時間，必須有一個“死”時間為0.2 ms或更多，以防止重疊接觸閉合。R1和R2的值按照圖7和圖9的電路的描述進(jìn)行選擇，如果需要，R3，C的峰值可以與每個R1并行添加。

只有當(dāng)要有選擇地操作大量的開關(guān)時，圖10中的矩陣排列才值得考慮。為了從較少的開關(guān)中進(jìn)行選擇，圖11顯示了一個更簡單的電路，其中使用了解碼器/解復(fù)用器IC電路。電阻器R1和R2的值的計算方法與圖7和圖9中的電路不相同。這里的原理是選擇一個比值R1/R2，使當(dāng)74154輸出高時，通過LED的正向電壓小于0.8 V，然后建立這個比值，電阻值足夠小，以便在74154輸出低時允許足夠的正向電流。電阻值的實(shí)際選擇最容易的方法是首先在不等式中選擇邊界較大的r1，以提供一個廣泛的r2選擇范圍，以擬合雙側(cè)不等式。如果需要在任何一條或所有三條陽極母線上達(dá)到峰值，則可以添加R3、C峰值電路，而不影響R1和R2值的選擇。峰值電路可以連接到VCC線上或接地線上。一個重要的問題是74154解碼器的啟用輸入的操作。這兩個值都必須很低，以使輸出(由地址選擇)變低。建議在地址選擇后，在0.2 ms或更多的時間間隔內(nèi)，至少增加一個啟用輸入，以防止重疊的接觸閉合。

圖10。矩陣驅(qū)動控制電路。

過電壓保護(hù)

在某些應(yīng)用中，觸點(diǎn)有可能暴露在破壞性的高壓下。說明了這樣一種情況，其中使用HSSR-8200從幾個輸入中選擇一組輸入，并將該集合呈現(xiàn)給信號處理器。差動輸入(H和L)由處理器驅(qū)動的保護(hù)裝置(G)屏蔽。當(dāng)打開時，HSSR-8200的觸點(diǎn)可以承受200 V，正極或負(fù)極。所示的故障裝置提供了防止超過200 V造成的損壞的保護(hù)。這些器件可以是通用半導(dǎo)體TransZorbsTM或GE/RCAMOVsTM(金屬氧化物可變電阻器)。當(dāng)它們之間的電壓超過設(shè)計水平時，它們會分解并嚴(yán)重傳導(dǎo)。如符號所示，擊穿電壓具有任意一個極性，但也有單極性器件。TransZorbs可以承受更多的打擊，但mov有較低的分流電容。這兩種類型都會失敗“短”，因此即使操作失敗，保護(hù)也不會失敗。串聯(lián)電阻必須足夠大，以將浪涌電流限制為為保護(hù)裝置規(guī)定的值。