Relee statice construite cu tranzistoare MOS-FET

Bine te-am găsit !

Releele electomagnetice au fost inventate cu mult inaintea componentelor semiconductoare (diode, tranzistoare etc.) însă cu toate acestea încă sunt des folosite în practică. Principalul motiv pare a fi faptul că releul electromagnetic este perceput ca fiind singurul dispozitiv care poate manipula simplu curenţi electrici alternativi. Însă, după un mic studiu documentar şi unul experimental am aflat că tranzistoarele MOS-FET, legate corespunzător, pot şi ele conduce curenţi alternativi. Aşa că astăzi îţi voi arăta cum poţi folosi acest lucru pentru a obţine relee statice, adică o alternativă mai ieftină, mai fiabilă şi mai versatilă decât aceea a utilizării de relee electromagnetice.

• Ce este un releu electromagnetic ?
• Ce este un tranzistor MOS-FET ?
• Relee statice – avantaje/dezavantaje.
• Relee statice cu componente discrete.

Înainte de a atinge miezul problemei vreau să mă asigur că înţelegi modul de funcţionare a componentelor aflate în discuţie. Aşa că:

Ce este un releu electromagnetic ?

Ca sens general, un RELEU electric este un dispozitiv de transmitere a informaţiei între un circuit de mică putere şi unul de mare putere. Releele electrice sunt folosite aproape exclusiv ca şi întrerupătoare electrice comandate electric: în funcţie de prezenţa sau lipsa semnalului aplicat circuitulului de intrare, circuitul de ieşire devine închis sau deschis.

În ceea ce priveşte releul electromagnetic, aşa cum se observă şi din figura 1, acesta este format din:

• un electromagnet (o bobină realizată pe un miez de fier). Bornele electromagnetului reprezintă bornele circuitului de intrare a releului;
• un set de întrerupătoare electrice. Bornele acestora reprezintă bornele circuitului de ieşire a releului.

Figura 1. Funcţionarea releului electromagnetic.

Principiul de funcţionare a releului electromagnetic este simplu:

• în stare normală (atunci când nu se aplică nici o tensiune între bornele de intrare), lamela violet din figura 1 este menţinută de un arc într-o poziţie de repaos. În acest caz circuitul de ieşire al releului este deschis (nu poate trece curent electric prin el);
• atunci când între bornele de intrare se aplică o tensiune suficient de mare, electromagnetul releului atrage lamela violet din figura 1 închizând circuitul de ieşire al acestuia.

Aşa cum am menţionat şi mai sus, principalul avantaj al releului electromagnetic este acela că poate fi folosit atât în lucrul cu curent continuu cât şi în lucrul cu curent alternativ. Ba chiar până şi semnalul de intrare poate fi reprezentat de o tensiune alternativă. În plus, oferă avantajul separării complete a circuitului de intrare de cel de ieşire, fapt deosebit de important atunci când circuitul de ieşire lucrează cu tensiuni mari şi nu doreşti ca riscul electrocutării să se transmită şi în circuitul de intrare.

Toate par bune şi frumoase până ajungem la capitolul dezavantaje:

• la fel ca orice alte componente mecanice, contactele releului se uzează în timp;
• electromagnetul releului consumă o anumită cantitate de energie electrică care uneori nu poate fi neglijată. Un exemplu frecvent este cazul în care dorim să comandăm releul de la montaje de foarte mică putere (cum ar fi de exemplu cele cu microprocesor);
• sunt voluminoase (ocupă mult spaţiu pe PCB);
• sunt mult mai lente decat dispozitivele semiconductoare. În cazul în care este vorba de un circuit de protecţie, releul electromagnetic poate deconecta circuitul protejat mult prea târziu, când acesta s-a defectat deja;
• produc scântei. Din acest motiv, releele destinate lucrului în atmosfere cu potenţial exploziv trebuie să aibe o construcţie specială şi implicit sunt mai scumpe.

Ce este un tranzistor MOS-FET ?

Un tranzistor MOS-FET este în esenţă un sandwich alcătuit din două straturi numite Sursă (S) şi Drenă (D) fabricate din acelaşi material (zonele verzi din figura 2). Sursa şi drena sunt separate de un al treilea strat fabricat dintr-un material diferit. Perpendicular pe aceste straturi dar izolat electric de acestea, este amplasată o foiţă metalică numit Poartă (P) sau Grilă (G) (zona galbenă din figura 2). În mod normal curentul electric nu poate circula între sursă şi drenă. Când însă între poartă şi sursă este aplicată o tensiune de circa 4 … 10 V, între sursă şi drenă apare o breşă, un canal, prin care curentul electric poate circula. Dacă vrei mai multe detalii despre acest subiect am scris aici un articol mult detaliat pe aceasta temă.

Figura 2. Structura unui tranzistor MOS-FET cu canal N.

Revenind la ce ne intereseaza pe noi acum, faptul că sursa şi drena sunt fabricate din aceleaşi materiale ne conduce la concluzia că în acest caz nu are cine să creeze vreun efect de supapă (specific joncţiunilor PN). Asta practic înseamnă că atunci când MOS-FET-ul este comandat corespunzător, curentul electric poate circula atât de la sursă la drenă cât şi invers. Această concluzie ne sugerează faptul că tranzistoarele MOS-FET pot comanda curenţi electrici alternativi şi implicit pot înlocui cu succes releele electromagnetice.

Relee statice – avantaje/dezavantaje.

Chiar dacă eu abia ieri m-am gândit mai atent la concluzia de mai sus, mulţi fabricanţi de componente electronice mi-au luat-o înainte şi de ani buni produc aşa zisele Relee Statice sau Solid State Relay (denumirea din limba engleză).

Aşa cum probabil că bănui deja, un releu static este un releu fabricat doar cu componente semiconductoare (tranzistoare, tiristoare, diode etc.). Denumirea de static vine de la faptul că nu are nici o componentă în mişcare, comutarea (trecerea) din starea închis/deschis şi invers făcându-se prin intrarea sau ieşirea din conducţie a unor dispozitive semiconductoare. Acest lucru conduce la următoarele avantaje:

• fiabilitate foarte mare. Practic, utilizate corespunzător, releele statice nu au moarte;
• viteză de comutaţie foarte mare motiv pentru care pot fi folosite cu succes în circuite de protecţie cu acţiune rapidă;
• volum specific mai mic decât în cazul releelor electromagnetice;
• sensibilitate foarte redusă la vibraţii sau şocuri mecanice, temperaturi extreme, umiditate, praf etc.;
• nu produc scântei, motiv pentru care pot fi folosite fără probleme şi în atmosfere cu potenţial exploziv.

Urmărind preţurile de aici, pot spune că principalul dezavantaj al releelor statice este faptul că sunt mai scumpe decât releele electromagnetice. Motivul nu-l ştiu. Probabil tehnologia de fabricaţie nu a ajuns încă la maturitate sau cine ştie.

Alte dezavantaje importante ar fi:

• de multe ori rezistenţa de contact (rezistenţa electrică din starea “închis”) este mai mare decât în cazul unui releu electromagnetic. Din acest motiv, în releul static pot apare pierderi importante sub formă de căldură;
• nu oferă întotdeauna o separare completă a circuitului de intrare de cel de ieşire.

Nu este cazul să ne descurajăm de dezavantajele menţionate mai sus pentru că acestea sunt valabile doar pentru releele statice disponibile în magazinele de specialitate. În continuare vom vedea cum putem scăpa uşor şi ieftin de multe din dezavantajele menţionate mai sus construind noi înşine relee statice, folosind componente discrete.

Relee statice cu componente discrete.

Acestea ar putea fi foarte simplu de construit utilizând un simplu tranzistor MOS-FET. Aşa cum se observă şi din figura 3, poarta şi sursa MOS-FET-ului ar fi bornele circuitului de intrare iar drena şi sursa ar fi bornele circuitului de ieşire.

Figura 3. Schemă de releu static construit cu un tranzistor MOS-FET.

În practică însă, apare o mare problemă: marea majoritate a tranzistoarelor MOS-FET au între sursă şi drenă montată o diodă. Cu alte cuvinte, în realitate schema din figura 3 ar arăta aşa ca în figura 4.

Figura 4. Schemă de releu static construit cu un tranzistor MOS-FET frecvent întâlnit în comerţ.

Varianta de releu din figura 4 va funcţiona corect doar atunci când tensiunea aplicată în circuitul de ieşire polarizează dioda în sens invers, blocând-o complet (caz în care dioda este ca şi cum nici nu ar exista). Când însă pe bornele circuitului de ieşire apare o tensiune care polarizează dioda în mod direct, aceasta se deschide şi lasă să treacă curent prin circuitul de ieşire indiferent dacă aplicăm sau nu un semnal in circuitul de intrare. În concluzie, schema din figura 3 nu va funcţiona corect în curent alternativ.

Pentru a scăpa de această problemă, prima dată m-am gândit să caut MOS-FET-uri care nu au în capsulă acea diodă afurisită. Nu am găsit asa ceva printre tranzistoarele MOS-FET ieftine sau măcar acceptabile ca preţ iar printre cele prea scumpe nu avea rost să caut. Aşa că m-am decis să îmi imaginez o schemă care să rezolve în alte moduri problema diodei. Rezultatul este prezentat în figura 5.

Figura 5. Schemă de releu static cu componente discrete.

Se observă că am folosit două tranzistoare MOS-FET cu canal N montate astfel încât indiferent de polaritatea tensiunii aplicate circuitului de ieşire, diodele fiecăruia să nu poată conduce singure curent electric. Datorită modului lor de funcţionare, tranzistoarele MOS-FET pot rămâne activate doar de către sarcina electrică acumulată între poartă şi sursă. Pentru a ne asigură că această sarcină este eliminată complet atunci când nu aplicăm nici un fel de semnal de intrare, am montat între porţi şi surse câte o rezistenţă (R₁ şi R₂).

În continuare în schemă observăm prezenţa unui tranzistor PNP (T₃) şi a unei diode (D). Pentru a înţelege rolul lor cel mai bine este să prezentăm cum se comportă schema în cele 4 situaţii posibile:

• prezenţa semnalului de intrare ( > 10V), tensiune pozitivă aplicată la ieşire (“+” pe sursa lui T₁ şi “-” pe sursa lui T₂). În acest caz, semnalul de intrare trece prin joncţiunea EB a lui T₃ şi ajunge în poarta lui T₂ care astfel se saturează (se deschide complet). Având curent prin joncţiunea EB, tranzistorul T₃ va conduce curent şi prin joncţiunea EC şi implicit va livra tensiunea de intrare şi pe poarta tranzistorului T₁ (bineînţeles, prin dioda D). Dacă T₂ se saturează, asta înseamnă că dioda acestuia este şuntată (scurtcircuitată) şi că dioda lui T₁ are acum catodul legat la “-” , adică este polarizată direct şi deci va conduce curent electric. Cum o diodă în conducţie are pe ea circa 0,7V, asta înseamnă că pe sursa lui T₁ vom aveam 0,7V iar pe poarta acestuia aproape 10V. Vom avea deci circa 9V între sursa şi drena lui T₁, tensiune suficient de mare pentru a comanda saturarea acestuia. În acest mod, T₁ şi T₃ sunt saturate şi deci circuitul de ieşire este închis;
  
• prezenţa semnalului de intrare ( > 10V), tensiune negativă aplicată la ieşire (“-” pe sursa lui T₁ şi “+” pe sursa lui T₂). Lucrurile se petrec similar cazului precedent. Tensiunea de intrare ajunge prin T₃ în poarta lui T₂ comandând astfel saturarea acestuia. În următoarea fracţiune de secundă T₁ va avea pe poartă circa 10V (aduşi prin intermediul lui T₃ şi D) iar pe sursă o tensiune negativă, caz în care T1 va intra imediat in saturaţie. În acest caz, din nou, T₁ şi T₂ sunt saturate şi deci circuitul de ieşire este închis;
• lipsa semnalului de intrare ( <0,5V ), tensiune pozitivă aplicată la ieşire (“+” pe sursa lui T₁ şi “-” pe sursa lui T₂). De această dată nu mai are de unde să apară vreo tensiune care să-l poată deschide pe T₃. Din acest motiv către porţile lui T₁ şi T₂ nu poate circula nici un fel de curent electric şi implicit acestea rămân blocate (nu conduc curent electric). În această situaţie prezenţa diodei D capătă sens: fără ea, tensiunea pozitivă de pe sursa lui T₁ s-ar transmite prin R₁ şi joncţiunea CB a lui T₃ până în poarta lui T₁ comandând astfel deschiderea acestuia. În acest caz tragem concluzia că T₁ şi T₂ sunt complet blocate şi deci circuitul de ieşire este închis;
  
• lipsa semnalului de intrare ( <0,5V ), tensiune negativă aplicată la ieşire (“-” pe sursa lui T₁ şi “-” pe sursa lui T₂). Fără semnal de intrare T3 nici de această dată nu poate livra nimic nimănui. Porţile lui T₁ şi T₂ rămân conectate doar la surse prin rezistenţele R₁ şi R₂ care elimină rapid orice eventuală reminiscenţă a semnalului aplicat la intrare. T₁ şi T₂ sunt complet blocate şi deci circuitul de ieşire este închis.

Alegerea valorilor componentelor din figura 5 se face în modul următor:

• pentru T₁ şi T₂, cauţi două tranzistoare MOS-FET cu canal N care să suporte tensiunile şi curenţii cu care viitorul releu static va trebui să lucreze. Te poţi inspira de aici;
• pentru T₃, faci rost de un tranzistor PNP care să suporte între colector şi emitor (VCE) tensiuni mai mari decât tensiunea de lucru a viitorului releului static;
• pentru R₁ şi R₂ îţi recomand să alegi valori de 10K;
• având în vedere specificaţiile majorităţii MOS-FET-urilor, pentru o funcţionare sigură releul static din figura 5 trebuie comandat cu minim 8-9Vcc (Vcc – tensiune continuă) şi maxim 15-16Vcc.

Un lucru foarte important de care trebuie să ţii cont atunci când alegi MOS-FET-urile este rezistenţa de saturaţie (rezistenţa între sursă şi drenă atunci când tranzistorul este saturat). Dacă vrei să construieşti un releu static care să suporte peste 10A este bine să te orientezi către MOS-FET-uri care au rezistenţa de saturaţie mai mică de 100mΩ (0,1 Ω). În caz contrar MOS-FET-urile se pot încălzi atât de mult încât nu le vei putea folosi decât montate pe radiatoare de răcire din aluminiu.

Prezenţa diodei în capsula MOS-FET-urilor comerciale a complicat puţin schema de realizare a unui releu static cu componente discrete. De aceea schema din figura 5 presupune costuri de două ori mai mari decât varianta din figura 3. Însă chiar şi aşa, din punct de vedere al preţului, releul static cu componente discrete rămâne o opţiune foarte tentantă.

Exemplu:

• într-un proiect de sistem audio aveam nevoie de un releu care să-mi deconecteze boxele în caz de avarie. Era vorba de maxim 10A şi maxim 60V de volţi şi astfel am ales să folosesc acest releu cu contacte duble: FINDER 40.52.9.012.0000, care luat de pe net costă circa 9 lei (fără TVA);
• aş fi putut înlocui acel releu cu unul static construit cu 4 bucăţi MOS-FET-uri AP9987GJ, 4 rezistenţe de 10K şi 2 tranzistoare 2N3906. Această variantă m-ar fi costat mai puţin de 5 lei (fără TVA).

Menţionez că schema din figura 5 nu oferă o separare completă între circuitul de intrare şi cel de ieşire. Asta înseamnă că dacă foloseşti schema din figura 5 pentru a conecta/deconecta echipamente alimentate de la priza de 220V/50Hz, bornele circuitului de intrare prezintă risc de electrocutare ! Bineînţeles, există soluţii şi pentru eliminarea acestui dezavantaj (cum ar fi de exemplu utilizarea unui optocuplor şi a unei surse de alimentare auxiliare pentru acesta), însă despre astfel de îmbunătăţiri ale a schemei vom vorbi cu altă ocazie.

Eu personal inţentionez ca în toate proiectele mele viitoare să nu mai folosesc relee electromagnetice ci doar relee statice construite după schema din figura 5. Astfel, mă astept să obţin proiecte mai ieftine, mai performante şi mai durabile.

Pledoaria mea asupra releelor statice cu componente discrete te-a convins ? Aştept parerea ta, indiferent de răspuns !

Dacă ţi-a plăcut acest articol, distribuie-l mai departe în grupul tău de prieteni !

Cu bine,

Ciprian