PHOTORELAYPROMOCARD

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Bezüglich des Inhalts dieser Dokumentation der PHOTORELAYPROMOCARD übernimmt die Glyn GmbH & Co. KG, D-65510 Idstein keinerlei Haftung oder Garantie. Die Firma Glyn GmbH & Co. KG, D-65510 Idstein behält sich das Recht der Überarbeitung dieses Werkes, sowie der PHOTORELAYPROMOCARD vor. Das Demoboard und die Beschreibung wurden nach bestem Wissen erstellt und mit Sorgfalt getestet. Dennoch können wir Fehler nicht ganz ausschließen. Aus diesem Grund übernimmt die Glyn GmbH & Co. KG keine Garantie für mögliche Fehler oder Folgeschäden, die in Verbindung mit der Bereitstellung, Leistung oder Verwendung dieses Materials stehen.

20/04/2015 H²W V.1.0 Started

07/05/2015 H²W V.1.2 1. Release

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Klappern und Prellen unerwünscht

Elektromechanische Relais trifft man seit Jahrzehnten in etlichen Applikationen an. Sobald eine sichere galvanische Trennung zwischen Steuerstrom- und Arbeits-, oder Lastkreis benötigt wird, kommt in den meisten Fällen der Klassiker der Elektrotechnik zum Einsatz. Dieser verdankt übrigens seine Existenz niemand geringerem als dem Namenspatron der SI-Einheit für die Induktivität, Joseph Henry*1.

[𝐿] = 𝑉𝑠

𝐴= 1 𝐻 (Henry)

Man geht davon aus, dass er das Elektromechanische Relais im Jahr 1835 erfand. Das ist mittlerweile ca. 180 Jahre her.

*1 Joseph Henry *17. Dezember 1791 in Albany, New York † 13. Mai 1878 in Washington ,D.C. *1 Quelle: Smithsonian Institution Relais auf Halbleiterbasis (SSR – Solid-State-Relais) hingegen werden, je nachdem welche Quellen man bemüht, erste seit den 1960’er Jahren eingesetzt. Bekanntere Vertreter sind Relais auf TRIAC-Basis (Opto-TRIACs), die auf einem TRIAC und einem entsprechenden TRIAC-Photocoupler basieren, wahlweise mit (ZC=Zero Crossing = Nullspannungsschalter), oder ohne Nullspannungsdetektor. Elektromechanische Relais und Halbleiterrelais basieren auf zwei unterschiedlichen physikalischen Prinzipien. Beide „Relais“ haben je nach Applikation gewisse Vor- oder Nachteile. Letztendlich entscheidet die jeweilige Applikation, welcher der beiden Kandidaten die besseren Trümpfe in der Hand hat.

Schaltungsauszug: Sanken TRIAC TMA365S angesteuert mittels TOSHIBA TLP266J TRIAC-Photocoupler

Im obigen Schaltungsauszug wird eine resistive Last via PC1 und TRIAC1 eingeschaltet. Das Entlastungsnetzwerk entfällt dabei.

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Vorteile Am Beispiel des TOSHIBA TLP3107 (SSR auf Power-MOSFET-Basis) und des TLP3906 (Photovoltaic-Relais) mit zwei zusätzlichen MOSFETs (TPH4R50ANH) in Common-Source-Schaltung möchten wir die Vorteile eines Halbleiterrelais gegenüber einem Elektromechanischen Relais gegenüberstellen. Mit der PHOTORELAYPROMOTIONCARD können Sie sich selbst von den Vorteilen unserer Halbleiterrelais überzeugen. Die bereits bestücke und betriebsbereite Leiterplatte im handlichen EC-Kartenformat (53mm x 85mm) kann direkt an Ihre Applikation oder ihren Testaufbau angebunden werden. Vorteile unserer Halbleiterrelais Ein Halbleiterrelais auf Power-MOSFET-Basis benötigt nur Bruchteile der Fläche und des Bauraums eines konventionellen Relais auf der Leiterplatte. Auch die Masse des Halbleiterrelais ist um etwa 90% geringer als die, von der Stromtragfähigkeit her, vergleichbarer Relais, oder Kleinsignalrelais. Der Steuerstromkreis begnügt sich mit wenigen mA und kann daher direkt über einen GPIO-Pin einer MCU gespeist werden. Es wird lediglich noch ein Widerstand zur Strombegrenzung des LED-Stromes benötigt. Eine zusätzlicher Schalttransistor und die obligatorische Freilaufdiode entfallen, was mit einer weiteren Bauraum-, Gewichtsreduktion und Kostenreduktion einhergeht. Ferner punktet das SSR in der Kategorie Zuverlässigkeit und Lebensdauer. Die Schaltzyklen liegen bei

einem Wert 110E6 = 1 000 000. Der Übergangswiderstand eines SSR ändert sich über die gesamte Lebensdauer nicht. Die Anzungs- und Abfallzeiten sind um eine Zehnerpotenz kleiner als bei der elektromechanischen Lösung. Auch das berühmtberüchtigte Prellen entfällt, da keine mechanischen Kontakte (Kontaktstücke) vorhanden sind. Bei dem Halbleiterrelais werden Steuer- und Arbeitsstromkreis mittels IR-Strahlung gekoppelt. Bei Elektromechanischen Relais erfolgt diese Anbindung über einen magnetischen Kreis. D.h. es besteht die Möglichkeit den Anker mittels eines äußeren Magnetfeldes zu beeinflussen oder gar mit einem Permanentmagneten (z.Bsp. kleiner Hufeisenmagnet) zu sabotieren. Ferner sind SSR stoß- und vibrationsresistenter (Stichwort G-Kräfte/Lastvielfache), als ihre elektromechanische „Verwandtschaft“. Das Schalten erfolgt bei TLP3107, TL3905/TLP3906 geräuschlos. SSR arbeiten ohne bewegliche Elemente. Diese Eigenschaft qualifiziert sie insbesondere für langlebige Applikationen mit hoher Schalthäufigkeit.

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Glyn PHOTORELAYPROMOCARD Auf der Glyn PHOTORELAYPROMOCARD befinden sich drei Schaltungen mit Photorelais. Zwei davon wurden mit dem TLP3107 realisiert.

C-Connection oder DC-Beschaltung

In der oberen Schaltung wird der TLP3107 (PC1) in der sog. C-Connection, oder DC-Connection beschaltet. Dabei werden Pin 6 und Pin 4 miteinander verbunden. Die beiden Power-MOSFETs des TLP3107 werden parallel geschaltet. Durch die Parallelschaltung der beiden MOSFETs ergibt es ein ON-Widerstand von ½ * RDS(ON).

Die Halbierung des ON-Widerstandes auf 8m erlaubt eine Verdopplung der Stromtragfähigkeit. Diese kann bei Ta= 25°C und einer Betriebsspannung von 48V

bei bis zu 6,6A liegen. In dieser Konfiguration können allerdings nur DC-Lasten geschaltet werden. Der Pluspol wird an Pin 6 (Kathode der parasitären Diode) angeschlossen.

A-Connection oder AC-Beschaltung

In der mittleren Schaltung wird der TLP3107 (PC2) in der sog. A-Connection, oder AC-Connection betrieben. Diese Reihenschaltung zweier POWER-MOSFETs bezeichnet man auch als Common-Source-Schaltung, da beide Source-Pins der Leistung-MOSFETs miteinander verbunden sind. Der ON-Widerstand resultiert aus der

Summe der beiden Einzel- RDS(ON)-Widerstände und liegt bei ca. 32m (60m im worst case). Die Stromtragfähigkeit hat sich dadurch gegenüber der DC-Beschaltung

halbiert. Bei einer Umgebungstemperatur von Ta= 25°C und einer Betriebsspannung von 48V kann die Stromtragfähigkeit bei bis zu 3,3A liegen. Diese Konfiguration wird hauptsächlich für AC-Lasten eingesetzt, da die beiden Kathoden der N-Channel-Power-MOSFETs in der Common-Source-Beschaltung zu den beiden Eingangsklemmen in Sperrrichtung liegen.

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B-Connection (DC-Beschaltung nur eines MOSFETs) Neben der A- und C-Connection gibt es auch die B-Connection. Bei dieser Beschaltung wird von außen nur der H-Side-MOSFET (Pin 6 und Pin 5) beschaltet, d.h. nur ein MOSFET ist stromtragend.

Der ON-Widerstand liegt in diesem Fall bei ca. 16m. A-Connection oder AC-Beschaltung mit externen Power-MOSFETs in COM-Source-Schaltung

In der unteren Schaltung des PCBs setzen wir einen TLP3906 mit zwei Leistung-MOSFETs (TPH4R50ANH) in COM-Source-Schaltung ein. Der ON-Widerstand resultiert aus der Summe der beiden Einzel- RDS(ON)-Widerstände. Der RDS(ON)

hängt letztendlich wieder von der Höhe der Gate-Source-Spannung ab. Der TLP3906 liefert eine Mindest-UGS-Spannung von ca. 7V, typisch 9V. Gehen

wir vom Worst case Fall @25°C aus, so wird der RDS(ON) bei < 5m pro Transistor liegen, der ON-

Widerstand wird dann bei Ta=25°C bei maximal 10m liegen. Bei einem Laststrom von 10A würden

nach P=I²R=(10A)²0,005V/A eine Verlustleistung von ca. 0,5W/Transistor entstehen. Die Gesamtverlustleistung würde dann bei ca. 1W liegen. Das Kontaktsystem eines vergleichbaren

elektromechanischen Relais wartet hier im Neuzustand mit einem Übergangswiderstand von

100 m auf. Eine Variante mit 3µm vergoldeten Kontaktstücken würde noch einen

Übergangswiderstand 30m aufweisen. Alternativ zum TLP3906 kann der TLP3905 eingesetzt werden. Sofern Sie sich dazu entscheiden diesen zu evaluieren muss RSHUNT bestückt werden. Inbetriebnahme Steuerkreis Der GPIO-Port einer 5V TTL-MCU wird an Pin 3 von JP1, JP2 oder JP3 (jeweils oberer Pin) angeschlossen, während der GPIO von 3,3V-MCU-Derivaten an Pin 2 (mittlerer Pin) angeschlossen wird. Der Signal-GND der MCU wird an Pin 1 von JP1, JP2 oder JP3 angeschlossen. Die Sende-LED des TLP3107, TLP3906 wird bei H-Pegel bestromt. Der GPIO des µC lieferten den Strom (Sourcen). Lastkreis Informationen finden sie oben im Abschnitt A- oder C-Connection. Die maximale Stromtragfähigkeit der SMD-Leiterplattenklemme WAGO 2060 liegt bei 9A Nennstrom.

Datenblätter

PHOTORELAYPROMOCARD

Stromlaufplan

Lageplan

BOM

Position Component / Value Ordercode JP1 / JP2 / JP3 Pinheader SMT 2,54 mm 3 pol. -

PC1 /PC2 TLP3107 TLP3107(TP,F(O

PC3 TLP3906 TLP3906(TPR,E(O

R1 / R3 / 0805 / 390 -

R2 / R4 0805 / 220 -

R5 0805 / 330 -

R6 0805 / 180 -

RSHUNT 0805 – 10k not connected -

T1 / T2 Power-MOSFET SO8-Advance TPH4R50ANH,L1Q(M

X1 / X2 / X3 SMD-Leiterplattenklemme WAGO2060-402/998-404

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