Электромеханические и твердотельные реле

 

На изготовленных приборах проведено исследование предельно-допустимых электрических и тепловых режимов  эксплуатации по ранее разработанным методикам [75-81].

Для определения области  работоспособности изделия определено тепловое сопротивление конструкции и выходное сопротивление в открытом состоянии. Разработанная ранее методика по контролю температуры кристалла ДМОП транзистора по зависимости от температуры падения напряжения на открытом транзисторе оказалась не приемлемой, так как кристалл ДМОП транзистора имеет малое сопротивление и соответственно малое падение напряжения (получаемые значения определялись с большой погрешностью). Поэтому было принято решение о вскрытии корпуса и посадке на кристалл ДМОП транзистора точечного диода  для определения температуры кристалла по зависимости его прямого падения напряжения.

Градуировочный график прямого падения напряжения от температуры  при фиксированном значении тока представлен на рисунке 2.13. Температура в градусах Цельсия определяется прямым падением напряжения на диоде в мВ.

 

 

 

 

Рисунок 2.12 – Градуировочный температурный график (температурная  характеристика датчика температуры при токе через него I=const=2мА)

 

Линеаризованная зависимость определяется следующей формулой:

Т = - (0,671×U - 504,6)

(2.1)

 

Результаты контроля тепловых зависимостей при увеличении коммутируемого тока представлены в таблице 2.16.

 

Таблица 2.16 –  Зависимости  прямых падений напряжений ДМОП транзистора и диода от коммутируемого тока

 

Iвых, А	0,1	0,2	0,3	0,4	0,5	0,6	0,7	0,8	0,9	1,0
Uвых, В	0,06	0,132	0,216	0,312	0,42	0,54	0,672	0,816	0,972	1,14
U¶, В	0,723	0,721	0,718	0,712	0,696	0,677	0,654	0,614	0,598	0,514

 

Расчет теплового сопротивления  произведен по формулам:

	(2.2)
	(2.3)

 

По полученным данным и градуировочному графику получены следующие значения:

;	(2.4)
;	(2.5)
.	(2.5)

 

Сопротивление в открытом состоянии имеет значения, представленные в таблице 2.17.

 

Таблица 2.17 –  Зависимости сопротивления  в открытом состоянии от коммутируемого тока

Iвых, А	0,1	0,2	0,3	0,4	0,5	0,6	0,7	0,8	0,9	1
Uвых, В	0,06	0,132	0,216	0,312	0,42	0,54	0,672	0,816	0,972	1,14
Rотк, Ом	0,6	0,66	0,72	0,78	0,84	0,9	0,96	1,02	1,08	1,14

 

 

Зависимость выходного  сопротивления в открытом состоянии  от коммутируемого тока представлена на рисунке 2.13.

Увеличение значения сопротивления с ростом тока связано  с процессами саморазогрева, что и требует введения ограничения области работоспособности изделия. Граница данной области определяется максимальной температурой кристалла, принятой – 150 °С. С учетом теплового сопротивления реле значение тока в диапазоне температур  окружающей среды представлено на рисунке 2.14.

 

Рисунок 2.13 – Зависимость  выходного сопротивления в открытом состоянии от коммутируемого тока

 

Рисунок 2.14 – Область  работоспособности реле

 

 Таким образом, значение тока коммутации в нормальных условиях может превышать ток 1,0 А (ДМОП транзистор обеспечивает ток насыщения 3-5 А в зависимости от теплоотвода); в диапазоне температур его значение ограничено величиной до 1,0 А.

 

 

 

 

2. Методические указания по определению параметров мощных реле

 

По результатам исследования опытных образцов мощных твердотельных реле выяснена принципиальная возможность повреждения прибора в процессе исследования, в связи с чем необходим регламент проведения таких работ.

Контроль и установление норм на электрические и тепловые параметры мощных реле в открытом состоянии устанавливаются в следующей последовательности:

- контроль входного  напряжения (ВАХ входа);

- контроль ВАХ выхода  в диапазоне входных токов  в нормальных условиях с контролем температуры корпуса (не должна превышать 60 °С), определение входного тока включения;

- построение зависимостей  сопротивления в открытом состоянии  в нормальных условиях от коммутируемого тока, от входного тока;

- определение теплового  сопротивления переход – окружающая среда, переход – корпус;

- определение области  безопасной работы в координатах  параметров: входной ток, коммутируемый ток, температура;

- определение значений  параметров и построение зависимостей  в диапазоне температур (ВАХ входа, зависимость сопротивления в открытом состоянии от температуры);

- определение значения  длительного коммутируемого тока  без теплоотвода;

- определение значения  длительного коммутируемого тока  с теплоотводом;

- определение значений  и построение зависимости температуры перехода от скважности и длительности выходного тока.

Параметры реле в закрытом состоянии определяются в следующем  составе:

- зависимость тока  утечки на выходе от температуры;

- определение выходной  емкости;

- определение допустимой  энергии импульсов режима пробоя (работа на индуктивность).

Параметры изоляции реле определяются в следующем составе:

- напряжение изоляции;

- сопротивление изоляции.

Динамические параметры  реле определяются в следующем составе:

- время включения;

- время выключения.

 

1. Контроль параметров реле в открытом состоянии

 

Контроль входного напряжения (ВАХ входа) осуществляется стандартным методом по ГОСТ 24613.3.

Контроль ВАХ выхода осуществляется по рисунку 2.15

 

Рисунок 2.15 – Схема  контроля ВАХ выхода: DA - измеряемая микросхема; G1, G2 – источник постоянного тока; PV – измеритель постоянного напряжения, класс точности 1,5.

 

Снятие зависимости  остаточного напряжения от коммутируемого тока:

- задание коммутируемого  тока осуществляется с контролем  температуры корпуса, осуществляемого точечной термопарой (температура корпуса не должна превышать 60 °С, что гарантирует для годных реле отсутствие перегрева кристалла выше 150 °С);

- при отсутствии перегрева  корпуса выше 60 °С значение коммутируемого тока не должно превышать значения предусмотренного конструкцией прибора;

- зависимость снимается  для значений входного тока 5, 10, 15, 20, 25 мА.

 

Определение входного тока включения: входной ток включения определяется для максимального коммутируемого тока, устанавливаемого по значению, предусмотренному конструкцией прибора, или по значению, соответствующему температуре корпуса 60 °С (значение входного тока включения определяется плавным увеличением входного тока от 0 до 5 мА, значение фиксируется по достижению на выходе установленного коммутируемого тока.

 

Построение  зависимостей сопротивления в открытом состоянии:

- выходное сопротивление  в открытом состоянии определяется  по формуле (2.6):

(2.6)

По данным расчета  строятся зависимости сопротивления  в открытом состоянии  Rотк:

- от  коммутируемого  тока Iком для нескольких значений  входного тока Iвх (рекомендуется 5, 10, 20 мА);

- от входного тока Iвх для нескольких значений  коммутируемого тока Iком.

 

Определение теплового  сопротивления переход – окружающая среда, переход – корпус. Методика контроля основывается на сравнении результатов контроля прямого падения напряжения на выходе реле в открытом состоянии при работе на фиксированную нагрузку при внешнем разогреве и при саморазогреве.

Исключение саморазогрева  при внешнем разогреве осуществляется динамическим режимом включения, параметры временной диаграммы определяются минимальными временами включения и выключения реле.

Саморазогрев реле осуществляется в нормальных условиях в режиме постоянного включения.

Схема контроля представлена на рисунке 2.16.

 

 

 

Рисунок 2.16 – Схема  контроля тепловых параметров: DA – измеряемая микросхема; G2 – регулируемый источник постоянного напряжения; P – двухлучевой осциллограф; Rн – резистор нагрузки 40 мОм; для первого этапа: G1 – генератор импульсов τ = 10 мс, Т = 50 мс,  Iвх.и = 20 мА; для второго этапа: G1 – источник постоянного тока  Iвх. = 20 мА.

 

 

Первый этап. Градуировочный график.

На первом этапе при  внешнем разогреве строится градуировочный график Uост = f (Токр) при фиксированном значении нагрузки (рекомендуемый диапазон температур – 20 … 150 °С, дискретность – 5 °С). Рекомендуется использовать в методике значение коммутируемого тока, которое не приводит к саморазогреву в динамическом режиме, о чем свидетельствует линейность графика Uост = f (Токр).

Второй этап. Определение теплового сопротивления.

В режиме постоянного  включения по прямому падению  напряжения на открытом выходе обратным отсчетом по градуировочному графику определяется температура кристалла. Температура корпуса определяется точечной термопарой.

Тепловое сопротивление  кристалл - окружающая среда определяется по формуле (2.7).

(2.7)

 

Тепловое сопротивление кристалл - окружающая среда определяется по формуле (2.8).

(2.8)

 

Определение области  безопасной работы. Область безопасной работы определяется для нормальных климатических условий (с распространением результатов на область пониженных рабочих температур) и повышенной рабочей температуры. Значения максимально допустимых коммутируемых токов Iком в диапазоне допустимых входных токов Iвх и соответствующих значений сопротивлений в открытом состоянии Rотк с учетом теплового сопротивления кристалл – окружающая среда определяются максимальной температурой кристалла ДМОП транзистора 150 °С для нормальных условий – по формуле (2.9), для повышенной рабочей температуры – (2.10).

	(2.9)
	(2.10)

 

Определение значений параметров в диапазоне температур. С учетом области работоспособности снимаются зависимости параметров в диапазоне температур. Контроль входного напряжения осуществляется во всем диапазоне температур по стандартному методу ГОСТ 24613.3. При контроле ВАХ выхода и расчете выходного сопротивления значения, контролируемые и варьируемые, не должны выходить за границы работоспособности.

Определение значения длительного коммутируемого тока с  теплоотводом. Значение допустимого коммутируемого тока с теплоотводом определяется температурой кристалла (не должна превышать 150 °С) и тепловым сопротивлением кристалл – окружающая среда конструкции реле с теплоотводом. На первом этапе определяется тепловое сопротивление. На втором этапе рассчитывается значение длительного коммутируемого тока.

Определение значений и построение зависимости температуры перехода от скважности и длительности выходного тока. Данные характеристики определяются тепловым сопротивлением кристалл – корпус и  теплоемкостью корпуса реле. Для унификации испытаний выбирается минимальная длительность импульса, определяемая нормами на время включение и выключения. Для входного тока Iвх = 10 мА следует принять длительность импульса t = 10 мс. Скважность импульса регулируется периодом повторения сигналов Тпер. В процессе испытаний регистрируется средняя температура корпуса. Для данной температуры Tкорп, известного теплового сопротивления R_{Т.КР-КОРП}, среднего значения тока Iком пересчитывается температура кристалла с учетом изменяющейся скважности по формуле (2.11):