Relés de palheta podem ser a melhor solução para comutação de sinais em T&M

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Os sistemas de comutação baseados em relé Reed são comumente usados ​​em aplicações de teste e medição. Tamanho pequeno, alta resistência de isolamento, contatos hermeticamente fechados e tempo de operação rápido podem ser algumas das principais vantagens dos relés de palheta em relação a outros comutadores.

Como exemplo recente, a Pickering Electronics lançou um relé de palheta miniaturizado com um afastamento mínimo de 1.500 V. O dispositivo está alojado no pacote mini-SIP com uma área útil de 12,5 mm por 3,7 mm e altura de 6,6 mm.

Na Semiconductor, o relé de palheta HV miniatura da Pickering está no centro de seu sistema de teste de IC. Imagem usada cortesia de Pickering Electronics

O novo relé de palheta pode alternar até 0,7 A, 10 W. Ele possui configuração normalmente aberta monopolar e de lançamento único (SPST) com três opções de tensão da bobina: 3 V, 5 V e 12 V. Esses relés são adequados para aplicações como testadores de cabos, testadores de sinais mistos / semicondutores e aplicações de alta tensão.

Neste artigo, tentaremos desenvolver algumas dicas sobre a importância da troca de sinal em sistemas de teste e revisar algumas das vantagens dos relés de palheta em relação a outras opções.

Por que a comutação é necessária?

A comutação nos permite conectar seqüencialmente um instrumento aos terminais desejados de um dispositivo em teste (DUT). Um exemplo é mostrado na figura a seguir.

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Exemplo de uma matriz monopolar 6 × 8.

Exemplo de uma matriz monopolar 6 × 8. Imagem usada cortesia de Keithley

Nesse caso, uma matriz de comutadores 6 x 8 (representada por pequenos círculos na interseção de linhas e colunas) nos permite conectar um osciloscópio, gerador de funções e fonte de alimentação a quaisquer dois terminais do DUT. Em vez de solicitar que um operador mova as sondas pelo DUT, podemos usar um processador para controlar os comutadores e ter uma sequência de testes programável. Isso é mais rápido e pode ser menos propenso a erros.

Além disso, a comutação pode reduzir o custo do sistema compartilhando instrumentos entre vários canais de um sistema de teste e medição. Pode-se pensar que projetar uma função de comutação como a descrita acima é um trabalho trivial. No entanto, veremos que esse não é o caso. De fato, você deve entender os sinais a serem comutados e os testes a serem executados para ter um sistema de comutação apropriado.

Uma comutação ruim pode afetar a precisão e a repetibilidade

Um sistema de comutação otimizado para uma aplicação de alta tensão / corrente geralmente não é adequado para alternar um sinal de alta frequência. Por exemplo, uma instalação de teste que alterna uma alta tensão para uma carga capacitiva precisa incorporar uma resistência em série para restringir a corrente de carregamento (i = Cloaddvdt). No entanto, uma aplicação de baixa voltagem requer atenção a fenômenos como a voltagem de compensação termoelétrica criada na placa do comutador e a contaminação do filme do comutador.

Por outro lado, um sistema de comutação para aplicações de alta frequência deve manter a correspondência de impedâncias para obter medições precisas. É por isso que não podemos usar a mesma configuração de teste para alternar 500 V, 500 MHz a 10 A.

Precisamos fazer o teste de alta tensão e a medição de alta frequência em duas configurações diferentes. Sem considerar as limitações práticas do sistema de comutação, pode-se facilmente terminar com medições erradas.

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Existem vários tipos e configurações de comutadores diferentes que podem ser usados ​​para implementar a função de comutação de equipamentos de medição multicanal. As principais opções de comutação são relés eletromecânicos (EMR), relés de palheta e relés de estado sólido (SSR).

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No restante deste artigo, examinaremos algumas das vantagens dos relés de palheta sobre outras opções de comutação.

Velocidade de operação

Essa é uma medida da taxa na qual um relé pode alternar de maneira confiável de um estado para outro. Comparados aos EMRs, os relés de palheta têm peças móveis mais leves e mais simples e podem alternar mais rapidamente por um fator de 5 a 10.

A velocidade de operação de um relé de palheta está na faixa de 200 µs a 500 µs. Isso pode ser uma vantagem substancial sobre um EMR, pois reduz significativamente o tempo de teste em um ambiente de produção.

Observe que nessas aplicações, o tempo de teste possui um valor significativo em dólares. Os SSRs são muito mais rápidos que os relés de palheta e oferecem uma velocidade operacional menor que 10s de µs.

Corrente de fuga

Mesmo no estado aberto, uma corrente muito pequena pode fluir através do comutador. Isso pode ser modelado por uma resistência de isolamento contato a contato, como mostrado abaixo.

 Representação da resistência de isolamento de um relé de comutação no estado aberto.

Representação da resistência de isolamento de um relé de comutação no estado aberto. Imagem usada cortesia de Keithley

A resistência de isolamento da maioria dos relés está na faixa de 1 MΩ a 1 GΩ. Em muitas aplicações, a pequena corrente de fuga que pode fluir através da resistência de isolamento deve ser insignificante. No entanto, ao alternar correntes na faixa de 1 µA ou menos, talvez seja necessário levar em consideração essas pequenas correntes de vazamento.

A figura a seguir mostra como a corrente de fuga do canal 2 é subtraída da corrente de origem (Is) que deveria ser entregue à carga nº 1.

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Diagrama mostrando a corrente de fuga do canal 2 subtraída da corrente de origem ligada à Carga nº 1

Diagrama mostrando a corrente de vazamento do canal 2 subtraída da corrente de origem vinculada à Carga nº 1. Imagem (modificada) usada cortesia de Keithley (PDF)

Diferentemente dos SSRs, os relés de palheta e os EMRs são baseados em contatos mecânicos que são separados um do outro no estado aberto. É por isso que os relés de palheta e os EMRs agem mais como um interruptor perfeito e oferecem uma maior resistência de isolamento.

Frequência de sinais comutados

Com os SSRs, existe uma troca entre a capacitância parasitária do comutador e sua resistência no estado. Dispositivos maiores com maior capacidade parasitária são necessários para reduzir a resistência no estado. Esses capacitores grandes restringem a largura de banda e criam acoplamentos de sinais indesejados entre relés próximos.

A capacitância de um relé de palheta é consideravelmente menor que a de um SSR e, portanto, um relé de palheta pode lidar com mais facilidade com sinais de frequência mais alta.

Resistência de contato com contato no estado

Diferentemente da maioria dos EMRs, os relés de palheta têm contatos hermeticamente fechados. Como os contaminantes não podem entrar nas áreas críticas de contato, podemos ter características de comutação mais consistentes.

Isso pode ser particularmente importante em aplicações de comutação de baixa tensão (abaixo de cerca de 100 mV). Nessas aplicações, a contaminação pode produzir um filme na superfície de contato e aumentar a resistência do contato.

A variação na resistência de contato pode levar a medições erradas. Tensões superiores a cerca de 100 mV são suficientemente altas para eliminar essas contaminações. Observe que a resistência no estado de um SSR pode ser não linear e variar com a corrente de carga.

Conclusão

Os relés Reed podem ser a melhor solução para implementar a função de comutação de muitas aplicações de teste e medição. Eles oferecem vantagens como tamanho pequeno, alta resistência ao isolamento, contatos hermeticamente fechados e tempo de operação rápido.

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