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东芝光继电器评测报告

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qq335702318
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LV8
副总工程师
  • 2018-10-10 16:07:17
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            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。
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  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。

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  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。

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7.png 8.png 9.png 10.png
  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。

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  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。

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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。

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14.png


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!

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16.png     17.png
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。
18.png     19.png
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~。
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  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。

23.png
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。


qq335702318
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LV8
副总工程师
  • 2018-10-10 16:07:52
  • 倒数6
 
接下来,需要继续对光继样品进行一些检验,手上仅有简陋的仪器(一台4通道示波器+LCR电桥+万用表+双路可调直流电源),虽然没有什么专业的设备,但进行一些简单的测试也已经足够了。
24.png     25.png    
我们通过A连接这个电路进行测试,右图主要测试从LED受电导通,到PIN5-PIN8接通的延迟时间。
为了更加直观,用表格记录了一些测试数据:
(注:这里的延迟时间TON,是指从LED受电到漏源极导通的时间)
LED侧输入电压
LED限流电阻
LED电流
负载情况
延迟时间TON
1
2.0 V
1.5 KΩ
0.4 mA
1V/0.5A
28   mS
2
3.3 V
1.5 KΩ
1.2 mA
1V/0.5A
7    mS
3
5.0 V
1.5 KΩ
2.3 mA
1V/0.5A
3.6  mS
4
16.4 V
1.5 KΩ
10  mA
1V/0.5A
0.68 mS
5
9 V
1.5 KΩ
5  mA
1V/0.5A
0.76 mS
6
9 V
1.5 KΩ
5  mA
5V/0.5A
0.92 mS
7
9 V
1.5 KΩ
5  mA
10V/0.5A
1.48 mS
8
9 V
1.5 KΩ
5  mA
10V/1.0A
1.52 mS
以上是实测数据,通过比较得知:
  • TON受LED电流IF影响显著,并且随着IF的增大TON会缩短。  
  • TON也会受负载电压影响,随电压增大而延长。
  • 导通时流经光继的电流对TON的影响相对轻微。
  • 手册有提到TON(MAX)是5mS(它的测试条件是IF=5mA),应尽量保持同一设备上所有光继的IF一致,以免由于TON的不一致产生控制时序上的异步,同时需要谨慎选择IF。

26.png     27.png
    上图左是测量光继的TOFF的截图(撤销LED上的电压后到光继漏源开路的时间)
通过波形可以发现: TOFF仅有100uS,远比TON要小得多!
由于TON/TOFF的存在,光继不能像光耦一样用于快速信号反馈或检测上,上图右是我们在光继的LED输入1KHz的方波信号,高/低电平的持续时间都只有0.5mS,比TON要短。
通过波形图可以发现:以1KHz方波驱动光继时,光继的漏-源极始终处于开路状态,由于TON的原因,光继还没有来得及ON就已经被OFF掉了。但TON的存在并非坏事:
28.png     29.png
    通过简单粗暴的方式,可以在光继的LED上模拟一组干扰脉冲(如上图左),可以发现光继很好的抵抗了噪声的干扰!光继通过引入TON保障了较好的抗干扰能力,这是工业用途上备受关注的性能之一。也是由于无触点的工作方式,光继在导通和释放时能够保持波形平滑,在EMI领域,平滑的开关波形往往代表该器件不太会成为干扰源,当然我们没有条件去验证干扰强度,但至少理论上这点是成立的。作为对比,上图右是普通继电器吸合时的波形截图,红色曲线记录了普通继电器在吸合时,在触点两端产生了噪声,噪声持续时间超过了0.5mS。熟悉普通继电器的工程师应该会了解:由于机械惯性以及金属接触材料的弹性等原因,普通继电器在吸合时触点两端会有一个“接触-释放-接触-释放”的反复过程,这个过程是无法避免的,使用贵金属材料以及好的结构设计虽然可以改善,但任何普通继电器都不能完全避免这个过程的存在。不断的"接触-释放"会使触点之间产生电弧,产生高的di/dt,从而产生高的EMI干扰,也同时会磨损触点,降低继电器寿命甚至直接把触点粘死!并且这个过程有时候使整个电路设计变得麻烦(例如当继电器用于信号切换时,信号处理电路需要判断并抵消这段时间内由继电器造成的干扰和信号失真)。
    光继另一个优势是驱动功耗低;典型情况下,以光继的IF=5mA为例,5V的驱动电平时功耗仅有25mW,而作为对比的普通继电器JQC-3FF,线圈电压也是5VDC,功耗则有360mW。
30.png
当产品上使用的继电器数量多的时候,这会直接影响控制板上开关电源的功率,从而造成开关电源成本的上涨。(光继虽好,但同规格的光继通常价格会比普通继电器要高)。
    下图是当撤销普通继电器线圈上的电压时,由于线圈续流而产生的反向电压尖峰(在未添加线圈续流二极管时测量),可见该电压尖峰会叠加在原有的电压上并形成相当高的窄电压脉冲,因此普通继电器的线圈上需要反向并联一枚续流二极管(如下图右)。
31.png


32.png     33.png
上图左是普通继电器从线圈受电,到触点接通的时间TON;TON基于以下原因产生:
  • 线圈从受电到产生足够的电磁铁吸力需要一定的时间,但很小;
  • 触点的金属构件在电磁铁的牵引力下摆动,直到接通另一个触点需要时间;
  • 触点初次接触时,由于惯性以及金属材料弹性产生回弹,直到稳定需要时间。
触点在回弹阶段将容易产生各种问题,上图右是将这个阶段放大后的实测截图。
随着触点的老化和磨损,回弹的情况只会越来越恶劣,使得机械式继电器寿命有限:
34.png
    如上图,机械式继电器的机械耐久性是非常重要的指标之一,目前主要靠改进触点的金属材料来提高耐久性,通常需要使用贵金属,如银合金AgXXX。相对而言,光继的寿命要高得多。

    但光继并非所有指标性能都比普通继电器要好的,例如抗浪涌电流能力,以及抗浪涌电压能力是比不上普通继电器的。很多情况下,继电器的负载并非纯电阻性负载,而是电感性或者电容性负载,对于电感性负载而言,要谨慎考虑浪涌电压的问题;而对于电容性负载,则需要考虑浪涌电流的问题。光继的手册已经提到一个叫IONP的电器参数,数值为15A,同时表明了测量条件是(t = 100 ms, duty = 1/10)的脉冲,当浪涌电流最大值接近IONP时,需要进行相应的处理。对于浪涌电压而言,通常做法是添加RC吸收电路,多数情况下RC能够对浪涌电压尖峰进行有效的吸收。

    体积小也是光继的其中一个特点,对于体积极其有限的产品来说是一个相当显著的优势,从封装上看,光继看起来就跟光耦一样。下图是TLP3547F和JQC-3FF的尺寸对比:
35.png     36.png
最后,我们以表格形式总结光继和普通继电器之间的差别:
比较项
光继TLP3547F
电磁继电器JQC-3FF
TON
< 5mS
< 10mS
TOFF
< 1mS
< 5mS
最大切换电流
5 A /10 A
15 A
通态功耗
约 25 mW
约 360 mW
接触电阻/RON
< 50 mΩ
< 100 mΩ
隔离能力
2500 VRMS
1500 VAC
吸合/释放 噪声
没有

触点拉弧问题
没有

触点粘死问题
没有

体积
较小
较大
抗震抗冲击能力
极高
一般
寿命
极高
有限
抗电磁干扰能力
极高
极高
线圈续流二极管
不需要
需要
产生电磁干扰

回弹阶段高
抗浪涌电流能力


抗浪涌电压能力


交流电切换能力


价格



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i370forever
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助理工程师
  • 2018-11-29 11:03:13
  • 倒数5
 
测试的很详细啊
没钱的发烧友
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本网技工
  • 2018-12-4 14:55:53
  • 倒数4
 
您吧说明书都搬上来了,把重要的细节展露无遗,原本我就不怎么看的懂英文的使用手册,经过您的测试讲解,我会用了,光继电器吸合导通的速度惊人,比普通继电器快了3.5倍还多。IF-VF曲线图不懂是什么?高人,大哥,收小弟为徒吧。膜拜大哥。
www297743
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副总工程师
  • 2018-12-4 20:21:26
  • 倒数3
 
抗浪涌电流能力可以用其它元件弥补吧?
qq335702318
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LV8
副总工程师
  • 2018-12-5 08:42:45
  • 倒数2
 
看具体情况
如果是很窄的电流尖峰,通常是由于负载的分布电容引起,可以考虑串联一枚NTC减少尖峰(如果NTC的加入不影响电路的性能和功能)
bootlegger
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副总工程师
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  • 2018-12-7 14:15:22
  • 倒数1
 
不知道这类继电器并联使用的能力怎么样。
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