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Kleine, flinke Alleskönner

Photovoltaische Halbleiterschalter mit MOSFET in der Automatisierungstechnik
Kleine, flinke Alleskönner

Neben den bestens eingeführten Applika-tionsbereichen, der Telekommunikations- und der Meßgerätetechnik, erfreut sich das PhotoMOS-Relais immer größerer Beliebtheit in der Automatisierung. Vor allem im Niederspannungsbereich liefert die Vielzahl an PhotoMOS-Relais einen universellen Analogschalter für das potentialfreie Schalten von Lasten bis zu 4 A bei einer Eingangs-/Ausgangspannungsfestigkeit von 1 500 bis 5 000 Veff. Mit Sperrspannungen bis zu 1 500 V, einer Leistungsaufnahme bis hinab zu 0,5 mW, ihrer extrem hohen Lebensdauer und Zuverlässigkeit laufen die kleinen und flinken Alleskönner dem „klassischen“ elektromechanischen Relais zunehmend den Rang ab.

Die Autoren dieses Beitrages sind Dipl. Phys. Andreas Deisenrieder, Projektmanager PhotoMOS der Abteilung Komponenten und Dipl.-Ing. Günther Rott, Applikationsingenieur der Abteilung Komponenten, bei Matsushita Automation Controls, Holzkirchen

Eine immer wiederkehrende Aufgabe in der Steuerungs- und Automatisierungstechnik ist die galvanische Trennung des Logik- und des Lastkreises, sowie die störungsfreie Verknüpfung verschiedener Signalebenen.
Dabei kommt es vor allem da-rauf an, dem Logikkreis möglichst wenig Leistung nicht-induktiv, im Gegensatz zu einer Relaisspule, zu entnehmen und im Lastkreis einen störungsfreien Schalter mit sehr hoher, schaltspielunabhängiger Lebensdauer und konstanten elektrischen Eigenschaften zur Verfügung zu haben. Signalebenen müssen leistungsarm, verzerrungs- und störungsfrei miteinander verknüpft werden.
Sind die hierfür eingesetzten Bauteile zudem schnell, klein und auf Karten nach PCMCIA-Standard integrierbar, sind sie darüber hinaus geräuschlos, unempfind lich gegenüber Vibrationen und Magnetfeldern und zeichnen sie sich durch ein optimales Preis-/Leistungsverhältnis aus, ist das ideale Bauteil gefunden: PhotoMOS-Relais. Ein photovoltaischer Halbleiterschalter mit Mosfet als schaltendes Element, der die Vorzüge von Elektromechanik und Halbleitertechnik vereint.
Prinzipieller Aufbau und Funktion
Ein PhotoMOS-Relais besteht im wesentlichen aus drei Elementen: eine Leuchtdiode, ein Photodiodenfeld in Verbindung mit einem internen Schaltkreis und i.a. zwei bidirektionale Leistungs-Mosfet. Leuchtdiode und Photodiodenfeld sind über einen semitransparenten Isolator optisch gekoppelt und elektrisch isoliert (siehe Bild 1).
Legt man an der Eingangsleuchtdiode eine Spannung an, emittiert diese Licht, welches im Photodiodenfeld eine Spannung erzeugt.
Der dadurch generierte Strom lädt über einen internen Schaltkreis die Gate-elektrode der beiden Mosfet und die Mosfet steuern durch, d.h. werden je nach Bauform leitend oder sperrend.
Der Laststromkreis wird so galvanisch getrennt über das Eingangsignal ein, bzw. ausgeschaltet. Über den integreirten Mosfet auf dem optoelektronischen Chip werden die Gate-elektroden, bei ausbleibendem Eingangssignal, wieder entladen (siehe Bild 2).
Das Anwendungsfeld photovoltaischer Relais mit Mosfet-Ausgang ist aufgrund ihrer eingangs erwähnten Qualitäten, und ihrer Produktvielfalt weit gespannt, wobei das PhotoMOS-Relais oftmals einen einfacheren Schaltungsaufbau und ein platzsparendes Platinen-Design erlaubt. Darunter fällt neben einem kleineren Bestückungsaufwand z.B. auch die Wahl einer kleineren Stromversorgung für die Relaiskarte.
Für Kleinmotoren und Ventile
Im Niederspannungsbereich bis 24 oder 48 V DC, wie AC, eignen sich PhotoMOS-Relais ideal zum Ansteuern von Motoren, wie z.B. in der Robotik und in der Stelltechnik, oder von Ventilen auf Ventilinseln und im Maschinenbau.
Mit den Ausgangsleistungs-daten von einer zu schaltenden Spitzenspannung von 60 V lassen sich Ströme bis zu 400 mA AC/DC mit einem Relais im 4-PIN-DIP/SMD-Gehäuse von nur 4,8 x 6,4 mm Grundfläche schalten (siehe Bild 3).
Neu ist das AQY211EH, welches 30V/1A AC/DC bei gleicher kleiner Bauform schaltet. Bei einer Eingangs-/Ausgangsisolation von 5 kV und einer Spannungsimpulsfestigkeit bis zu 12 kV ist eine sichere galvanische Trennung gewährleistet.
Weitere Varianten sind bei ähnlichen Leistungsdaten
Zweikanaltypen mit zwei getrennt ansteuerbaren Kontakten in einem 8-PIN-DIP/SMD-Gehäuse, der Einkanaltyp im 6-PIN-DIP/SMD-Gehäuse, der bei reinen Gleichstromlasten das Parallelschalten der Ausgangs-Mosfet erlaubt und so mit dem halbierten Durchgangswiderstand den doppelten Strom schaltet.
Die noch kleineren Brüder im ultrakleinen SOP-Gehäuse von nur 4,3 x 4,4 x 2,1 mm sind aufgrund ihrer kleineren Bauform für Lasten bis zu 280 mA, 350 mA AC, bzw. 700 mA DC geeignet und finden auf jeder Platine Platz.
Mit dem AQY232H wird in Kürze ein PhotoMOS-Relais mit gleicher Ausgangscharakteristik und einer besonders niedrigen Ansteuerleistung von nur 1,5 statt der sonst üblichen 5mW, zur Verfügung stehen.
Für größere Leistungen eignen sich die PhotoMOS-Relais der AQZ-Serie, die im 4-PIN-SIL-Gehäuse mit Schaltlasten von 60 V/4 A DC, 3 A AC bis zu 400 V/0,5 A AC aufwarten. Für platzsensitive Anwendungen sind die Power-PhotoMOS-Relais auch im DIP/SMD-Gehäuse erhältlich.
Mit diesen Leistungsdaten finden PhotoMOS-Relais ein großes Betätigungsfeld. Als weitere Beispiele seien Kleinstpumpensteuerungen, Eingangs-/Ausgangskarten jeglicher Art im Maschinenbau und der Automation und zu schaltende Stromversorgungen genannt. Speziell für das Ansteuern von Hochleistungstriacs und für die Hochspannungsmeßtechnik wurden zwei PhotoMOS-Relais mit Sperrspannungen von 1 000 bzw. 1 500 V entwickelt.
Von Vorteil ist hier vor allem die Unempfindlichkeit der Bauteile gegenüber sehr steilen Schaltflanken, die bei Triacs und Thyristoren zum Selbstzünden der Bauteile führen.
PhotoMOS-Relais im Automobil der Zukunft
Im Kraftfahrzeug der Zukunft wird sich der in den letzten Jahren abzeichnende Trend – verstärkter Einsatz von Halbleitern im Kfz – weiter ausbreiten.
Dabei ist vor allem die geforderte höhere Funktionalität und Integrationsdichte bei gleichzeitiger Verringerung der Systemkosten für diese Entwicklung verantwortlich. Verschärfte Umweltbedingungen und höhere Anforderungen an Leistungs- und Ausstattungsmerkmale der Fahrzeuge tragen ebenfalls dazu bei.
Der überwiegende Anteil der Neufahrzeuge besitzt bereits ein ABS-System und verfügt über ein vollelektronisches Motormanagementsystem, das aufgrund ständig strenger werdender Gesetze hinsichtlich Emissionsgrad weiter optimiert wird.
Eine weitere große Nachfrage nach Halbleiterrelais wird die Einführung des dualen Spannungssystems von 14 V/42 V im Kfz fordern. Bei sehr leistungsintensiven Verbrauchern müssen bei der vorhandenen Bordspannung von 14 V zwangsläufig hohe Ströme übertragen werden. Dies läßt sich nur durch ausreichend dimensionierte Kabelquerschnitte – und damit hohen Kupfereinsatz – bewältigen.
Durch die Erhöhung auf 42 V Bordspannung sinken die zu übertragenden Ströme um den Faktor 3.
Damit ist eine erhebliche Reduzierung der Cu-Querschnitte bei gleichzeitiger Gewichtsersparnis möglich. Aufgrund der kleineren Ströme ist der Einsatz von PhotoMOS-Relais in Bereichen möglich, die vormals ausschließlich elektromechanischen Relais vorbehalten waren.
Eine wichtige Rolle für die positive Marktentwicklung spielen außerdem andere intelligente Einheiten wie Tele-matik-, Komfort-, Sicherheits- und fahrerunterstützende Systeme. Als Beispiel sind OBD Systeme (On Board Diagnos-tic) zur Fehleranalyse sowie Informationssystemen (GPS) anzuführen.
Alle diese Systeme verbindet die Forderung nach nahezu unbegrenzter Lebensdauer der schaltenden Elemente, da hohe Datenübertragungsraten bei maximaler Zuverlässigkeit vorausgesetzt werden.
Bei den Halbleiterrelais wird langfristig die Möglichkeit bestehen, innovative Zusatzfunktionen wie Kurzschlußerkennung mit Selbst-Abschaltung sowie BUS-Funktionen direkt zu integrieren.
Ideal für den CAN-Bus
Für das Schalten im Signalbereich, wie z.B. CAN-Bus-Signale oder Schnittstellen nach RS232, steht mit dem AQY210EH ein ideales Bauteil zur Verfügung.
Mit einem Schaltvermögen von 350 V/130 mA AC/DC, einem Durchgangswiderstand von typ. 18 V und max. 45 pF Ausgangskapazität, sind Signale bis zu 150 kHz problemlos über den Kontakt zu schalten. Hier sind dem Auf- und Zuschalten, bzw. dem Multiplexen von Bussignalen im Kilohertzbereich keine Grenzen gesetzt. Auch hier stehen selbstverständlich Zweikanal- und SOP-Typen zur Verfügung.
Für höherfrequente Signale liefern die PhotoMOS-Relais der RF-Reihe die ideale Lösung.
Zum gegenwärtigen Zeitpunkt ist ein Produkt aus Ausgangskapazität und Durchgangswiderstand C x R von ca. 10pFV „state-of-the-art“. Mit ca. 10 V Durchgangswiderstand und ca. 1 pF Ausgangskapazität (beide Parameter lassen sich variieren, solange der Absolutbetrag des Produkts C x R gleichbleibt) sind Signale bis zu 40 V/120 mA in einem SOP4-Gehäuse zu schalten. Die geringe Ausgangskapazität von 1 pF, welche nun deutlich der Größenordnung elektromechanischer Relais entspricht, erlaubt eine Frequenz der Schaltlast von mehreren MHz.
Auch hier sind den Variationen kaum Grenzen gesetzt: Ob Schaltspannungen bis 400 V, bei natürlich höherem Durchgangswiderstand und einer höheren Ausgangskapazität, Zweikanaltypen, oder eine andere Gehäuseform.
Ultraschnelligkeit
Ein weiterer Vorzug der RF-Typenreihe sind neben ihrem äußerst geringen Leckstrom von einigen pA bei Raumtemperatur ihre sehr geringe Schaltzeit.
So lassen sich Ansprechzeiten unter 20 und Abfallzeiten von 40 µs erreichen. Dies erlaubt eine Transferrate zwischen Ein- und Ausgang von ca. 10 kbaud bei einer Schaltleistung am Ausgang von 40 V/120 mA. Richtwerte für die Ansprechzeiten der Standard-PhotoMOS-Relais sind ca. 0,1 ms bis zu 2,5 ms.
Hier liegen die Abfallzeiten bei ca. einem Zehntel der Ansprechzeiten.
Für Impuls- und Zählerausgänge
Aufgrund der hohen Ein-gangs-/Ausgangsisolation von 5 kV und der kleinen Bauform werden PhotoMOS-Relais für Impuls- und Datenausgänge in der Zählertechnik eingesetzt. Darunter fallen Elektrizitäts-, Wärmemengen- und Durchflusszähler, die entweder ihre Daten an entfernte Datenzentralen übermitteln oder mittels einer Eingangs-/Ausgangskarte universelle Ansteuerungen erlauben.
Mit Schaltlasten von 400 V/120 mA AC/DC stehen Schließer-, Öffner- und Wechselkontakte in ver-schiedenen Gehäuseformen zur Verfügung. Neu ist der 4-PIN-DIP/SMD-Typ AQY216EH für einen Betrieb an Netzspannung, der eine Sperrspannung von 600 V und einen Laststrom von 50 mA aufweist. Gerade in der Zählertechnik mit sehr langen Lebenszyklen der Geräte kommt es hier auf die Lebensdauer und Zuverlässigkeit an, die unabhängig extrem hoher Schaltspiele gewährleistet ist.
Optionale Strom-begrenzung
Ein zusätzliches Plus der PhotoMOS-Relais für 350 V/120 mA Schaltlast ist optional eine Strombegrenzung des Laststroms. Die Bauteile sind im 4-, oder 8-PIN-DIP/SMD und in 4-PIN-SOP erhältlich. Die Strombegrenzung setzt bei ca. 150 mA ein und schützt Bauteil wie Stromkreis vor zu hohen Strömen. Bis zu einer Lastspannung von ca. 50 bis 60 V liefern die Bauteile einen kurzfristigen Kurzschlussschutz.
Ist die Lastspannung deutlich höher, bzw. bleibt der Kurzschluss dauerhaft bestehen, wird aufgrund der zu hohen Leistungsaufnahme das Bauteil zerstört. Grund hierfür ist, daß sich bei einem Kurzschluss der Laststrom nicht auf Null zuregelt, was dauerhaft zu einer zu hohen Leistungsaufnahme führt.
Dennoch liefert die Strombegrenzung einen wirkungsvollen Schutz für kurzzeitige Schlüsse und hohen Einschaltströme. Gerade im Bereich der Sensortechnik werden strombegrenzte, ultrakleine PhotoMOS-Relais für die Übertragung der Messdaten von hochintegrierten Sensorköpfen zur Auswertlogik benötigt. Die Strombegrenzung liefert hier bei nicht fest vorverkabelten Sensoren einen wirkungsvollen Schutz gegen kurzzeitige Schlüsse, die bei der Montage auftreten können.
Ideal zur Signal-erfassung und -ausgabe
Zusammengefaßt eignen sich PhotoMOS-Relais ideal für das Schalten von Signallasten jeglicher Datenübertragungsrate je nach Typ bis zu mehreren Mbaud. Hierunter fällt sowohl z.B. die Datenerfassung, bzw. das Multiplexen der Signale von Thermoelementen bis hin zur optische Ausgabe, d.h. z.B. das Schalten eines Leucht- diodenfeldes. Auch das weite Feld der SPS-Steuerungen, wie z.B. Steuerausgänge, gehört zu dem Betätigungsfeld der PhotoMOS-Relais.
Ausblick
Durch den Zwang zu immer höherer Integration und immer höheren Qualitätsansprüchen, bei gleichzeitiger Minimierung der Wartungskosten über die zu erwartende Lebensdauer des Endprodukts, werden die PhotoMOS-Relais weitere Einsatzbereiche, besonders in der Steuer- und Automatisierungstechnik, erobern. Im Leistungsbereich wird das elektromechanische Relais auch in Zukunft seine Position behaupten.
Kostensparend wirkt sich kurzfristig der Bestückungs- und Beschaltungsaufwand, sowie die relativ große Platzersparnis aus. Langfristig tragen eingesparte Servicekosten, vor allem bei Produkten für den Export, und Gewährleistungsansprüche zu einer Kostenreduzierung bei.
Ausführliche Informationen
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