东芝的光继电器TLP3547F 宏发的电磁继电器JQC-3FF
左图是光继电器,右图是普通继电器,虽然都是继电器,但两者的工作原理有着本质的区别,
今天的主角,就是TOSHIBA的TLP3547F光继,我们尝试比较光继与普通电磁机械式继电器之间的差异并进行简单测试。 了解一个器件,最好也是最有效的方式,就是从数据手册开始。 基本上大部分手册都会包含“简介,典型应用场景,引脚定义,内部结构原理图,极限参数,电器参数,关键参数的关系曲线图以及封装尺寸”等等。 从器件的电路结构图就已经可以看出,光继内部不含触点,而是以两个背靠背的MOSFET取而代之。 单纯从这方面分析,光继能够改善普通继电器很多问题(因为普通继电器大部分的问题都是由触点引起的,包括触点间隙火花,触点粘死,触点回弹问题等等)。 光继的控制端采用发光二极管,而不再是普通继电器的电磁铁线圈,这让光继看起来与光耦非常相似, 不需要测试就可以知道,光继不会存在噪声(因为光继完全没有机械机构),控制端不存在线圈电感续流的问题(因为光继不存在绕组)。 现在摆在眼前的是一个完全由半导体材料实现,用以替代普通继电器的光继电器,作为应用者,并不需要深入了解它的工作原理,但却需要了解如何安全和合适地应用这个器件。
手册提供了器件的极限参数,其中包括与控制侧的LED有关的极限参数,在应用时,必须保证相关参数在任何时候都不要超过极限值,一旦超过,将极有可能造成器件的永久损坏 (注意是极有可能会,主要还会取决于超过范围以及持续时间,并且半导体材料的损坏有时候会表现为性能下降而非永久失效,对于性能下降的情况有时候不一定会觉察)。 上述参数跟一个普通LED并没有多大区别,但需要注意LED的反向电压VR仅仅只有5V, 这表明:在接通LED的控制信号有可能出现负电压时,必须确保幅值不能超过VR,在测试板背面有一枚1.5KΩ的LED限流电阻,厂家已经在测试板上通过添加限流电阻的方式避免测试者因为一时疏忽造成LED永久失效了。
表格的Detector部分表明了光继的电流切换能力,应当注意到,表格中的参数存在A/B/C三种连接条件,对应的电流是不一样的。 而且电流承受能力跟器件温度负相关。在高温环境下使用时需要进行降额使用。 例如工作在85℃环境下的C型连接,需要降额6A,从14.12曲线图,我们可以发现ION的安全值只有4A。这是容易被疏忽的地方之一。 值得注意的是:LED的IF同样需要根据温度进行降额应用。
表格的Common部分表明了光继的使用、储放以及焊接时温度极限值要求,同时表明了光继具备2.5KVrms的隔离能力。加工过锡时注意炉温不要调得太高哦~ 至此,我们通过对器件Datasheet的理解就明确了如何让器件不会坏! 只要确保光继不会莫名其妙一缕青烟上西天,后面就能够任性玩了。
推荐参数表,应该是多数工程人员热爱的表格之一,因为它直接提供了该器件的推荐工作条件,工作在推荐工作条件下(Typ值下),能够最接近器件的最佳性能同时不会受损。
电器耦合参数表以及开关特性表,是光继区别于普通继电器的地方之一, 它表明光继在某些情况下,不再是单纯的通电接通,掉电开路的工作状态,虽然看起来比普通继电器要复杂,实际上要比普通继电器简单。
其中LED触发电流IFT,表示在ION能够安全流通1A电流时,LED需要工作在0.28mA,因为器件一致性差异,最大不超过5mA就能够保证这个工作条件。 5mA电流其实并不大,并且很多使用光继的场合并不需要ION达到1A电流这么大,这需要根据应用条件考虑。
RON参数则说明了光继的通态内阻,非常相似于普通继电器的接触电阻,但却有着根本区别。区别在于: - 普通继电器的触点电阻是一个容易漂移的值,原因是普通继电器的触点会老化;
- 由于光继内部用MOSFET实现通断,MOSFET的RON是与Vgs以及温度等条件相关的;
- 环境条件(例如湿度以及空气气体成分)也会影响普通继电器的触点电阻(对非封闭继电器尤其明显),而光继的RON不受外部环境影响(温度除外)。
TON/TOFF参数非常类似于继电器的吸合/释放延迟,这里厂家提供了特定使用条件下最大值为5mS,作为对比的JQC-3FF继电器是10mS/5mS,光继更快速!
上面这两张实测截图验证了光继的快速,但光继的延迟是受LED电流影响的。
阅读曲线图是理解器件的必须工作之一,曲线图能够直观表达两个变量之间的关系,并且能够通过曲线图找出器件的安全工作区,伏案特性以及参数随温度变化等关系。 所有LED灯的规格书上都会有类似14.1.3的IF-VF曲线图,这个曲线表达了以下几点: - VF低于1.35V左右时,LED几乎没有电流,LED处于截止状态(继电器开路);
- VF大约在1.4V到1.5V内IF比较直,电流随电压近似线性变化(适宜工作区);
- VF在超过1.55V后IF开始随之激增(在这个区域容易使LED加速老化甚至损坏)。
上图右是一张实测截图,大约在VF=1.42V时,受控端导通;导通时LED电流约0.36mA,处于DataSheet相关指标范围内。 并且随着LED端控制电压的增加(添加了LED限流电阻), LED两端的电压维持在1.55V左右而没有继续增大(这是LED的稳压管特性)。 Tips:在要求低的场合,可以用LED兼备稳压和照明指示两种功能哦~。 以上4份曲线图的横坐标都是Ta(℃),分别表示了继电器的开关延迟时间TON/TOFF,通态电阻RON,LED正向电流IF以及D-S漏电流随温度的变化曲线。 以14.1.5的RON-Ta曲线为例,RON的数值随着温度的升高而升高,温度从10℃升高到80℃时,RON增大了5mΩ。 绝大多数情况下,5mΩ的微小差别并不会带来任何不利影响,但假如想将光继用于切换超低阻值的信号源时(例如电子秤的应变片,温度巡检仪的测温线等), 就必须慎重考虑RON的影响。
存在类似情况而又有代表性的是图14.1.4的ION-VON曲线;在普通继电器应用中,由于普通继电器通过金属触点导通和关断,因此我们基本上可以放心地把继电器用于微小电压或高保真信号的切换,普通变压器不会改变信号原有的模样。而由半导体材料实现的光继其实很难做得这么理想。如上图,假如我们对一组仅有10mV的信号进行处理,那么ION只有0.5A的通流能力,同时应当联系RON以及RON-Ta曲线。在产品的正常使用环境范围内,以最恶劣条件保守取值。虽然对微弱电压的信号进行切换时ION需要降额,但ION-VON曲线也同时表达了一个非常好的性能:光继能够处理交流信号,并且不存在电压盲区。如果自己用MOS或三极管等分立元件搭简单的电路模型,是很难做到这样的。
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