Los sistemas de conmutación basados ​​en relés Reed se usan comúnmente en aplicaciones de prueba y medición. El tamaño pequeño, la alta resistencia de aislamiento, los contactos sellados herméticamente y el tiempo de funcionamiento rápido pueden ser algunas de las principales ventajas de los relés de láminas sobre otros interruptores.
Como ejemplo reciente, Pickering Electronics ha lanzado un relé de láminas miniaturizado con una separación mínima de 1.500 V. El dispositivo está alojado en el paquete mini-SIP con una huella de 12.5 mm por 3.7 mm y una altura de 6.6 mm.


En Semiconductor eligió el relé de láminas HV en miniatura de Pickering para estar en el corazón de su sistema de prueba de IC. Imagen utilizada por cortesía de Pickering Electronics

El nuevo relé de láminas puede cambiar hasta 0.7 A, 10 W. Tiene una configuración normalmente abierta de un polo, un tiro (SPST) con tres opciones de voltaje de bobina: 3 V, 5 V y 12 V. Estos relés son adecuados para aplicaciones como probadores de cable, probadores de señal mixta / semiconductores y aplicaciones de alto voltaje.
En este artículo, intentaremos desarrollar una idea de la importancia de la conmutación de señal en los sistemas de prueba y revisar algunas de las ventajas de los relés de láminas sobre otras opciones.

¿Por qué se requiere cambiar?

La conmutación nos permite conectar secuencialmente un instrumento a los terminales deseados de un dispositivo bajo prueba (DUT). Un ejemplo se muestra en la siguiente figura.

Ejemplo de una matriz unipolar de 6 × 8.
Ejemplo de una matriz unipolar de 6 × 8. Imagen utilizada por cortesía de Keithley

En este caso, una matriz de interruptores de 6 x 8 (representada por pequeños círculos en la intersección de filas y columnas) nos permite conectar un osciloscopio, un generador de funciones y una fuente de alimentación a cualquiera de los dos terminales del DUT. En lugar de pedirle a un operador que mueva las sondas alrededor del DUT, podemos usar un procesador para controlar los interruptores y tener una secuencia de prueba programable. Esto es más rápido y puede ser menos propenso a errores.
Además, la conmutación puede reducir el costo del sistema al compartir instrumentos entre múltiples canales de un sistema de prueba y medición. Uno podría pensar que diseñar una función de conmutación como la que se muestra arriba es un trabajo trivial. Sin embargo, veremos que este no es el caso. De hecho, debe comprender las señales que se conmutarán y las pruebas que se realizarán para tener un sistema de conmutación adecuado.

La mala conmutación puede afectar la precisión y la repetibilidad

Un sistema de conmutación optimizado para una aplicación de alto voltaje / corriente no suele ser adecuado para conmutar una señal de alta frecuencia. Por ejemplo, una configuración de prueba que cambia un alto voltaje a una carga capacitiva necesita incorporar una resistencia en serie para restringir la corriente de carga (i = Cloaddvdt). Sin embargo, una aplicación de bajo voltaje requiere atención a fenómenos tales como el voltaje de compensación termoeléctrica creado en la tarjeta de conmutación y la contaminación de la película del interruptor.
Por otro lado, un sistema de conmutación para aplicaciones de alta frecuencia debe mantener la correspondencia de impedancia para lograr mediciones precisas. Es por eso que no podemos usar la misma configuración de prueba para cambiar 500 V, 500 MHz a 10 A.
Tendremos que hacer la prueba de alto voltaje y la medición de alta frecuencia en dos configuraciones diferentes. Sin considerar las limitaciones prácticas del sistema de conmutación, uno puede terminar fácilmente con mediciones erróneas.
Existen varios tipos y configuraciones de conmutadores diferentes que se pueden utilizar para implementar la función de conmutación de equipos de medición multicanal. Las principales opciones de conmutación son los relés electromecánicos (EMR), los relés de láminas y los relés de estado sólido (SSR).
En el resto de este artículo, revisaremos algunas de las ventajas de los relés de lámina sobre otras opciones de conmutación.

Velocidad de operacion

Esta es una medida de la velocidad a la que un relé puede cambiar de manera confiable de un estado a otro. En comparación con los EMR, los relés de láminas tienen partes móviles más ligeras y simples y pueden cambiar más rápido en un factor de aproximadamente 5 a 10.
La velocidad de funcionamiento de un relé de láminas está en el rango de 200 µs a 500 µs. Esto puede ser una ventaja sustancial sobre un EMR porque reduce significativamente el tiempo de prueba en un entorno de producción.
Tenga en cuenta que en tales aplicaciones, el tiempo de prueba conlleva un valor significativo en dólares. Los SSR son mucho más rápidos que los relés de lámina y ofrecen una velocidad de funcionamiento de menos de 10 segundos de µs.

Corriente de fuga

Incluso en estado abierto, una corriente muy pequeña puede fluir a través del interruptor. Esto puede ser modelado por una resistencia de aislamiento de contacto a contacto como se muestra a continuación.

 Representación de la resistencia de aislamiento de un relé de interruptor en estado abierto.
Representación de la resistencia de aislamiento de un relé de interruptor en estado abierto. Imagen utilizada por cortesía de Keithley

La resistencia de aislamiento de la mayoría de los relés está en el rango de 1 MΩ a 1 GΩ. Con muchas aplicaciones, la pequeña corriente de fuga que puede fluir a través de la resistencia de aislamiento debe ser insignificante. Sin embargo, al cambiar las corrientes en el rango de 1 µA o menos, es posible que tengamos que tener en cuenta estas pequeñas corrientes de fuga.
La siguiente figura muestra cómo la corriente de fuga del canal 2 se resta de la corriente de origen (Is) que se suponía que debía entregarse a la Carga n. ° 1.

Diagrama que muestra la corriente de fuga del canal 2 restada de la corriente de origen vinculada a la carga n. ° 1
Diagrama que muestra la corriente de fuga del canal 2 restada de la corriente de origen vinculada a la carga n. ° 1. Imagen (modificada) utilizada por cortesía de Keithley (PDF)

A diferencia de los SSR, los relés de láminas y los EMR se basan en contactos mecánicos que están separados entre sí en estado abierto. Es por eso que los relés de lámina y los EMR actúan más como un interruptor perfecto y ofrecen una mayor resistencia de aislamiento.

Frecuencia de señales conmutadas

Con los SSR, existe una compensación entre la capacitancia parásita del interruptor y su resistencia en estado activo. Se requieren dispositivos más grandes con mayor capacidad parásita para reducir la resistencia en estado activo. Estos condensadores grandes restringen el ancho de banda y crean un acoplamiento de señal no deseado entre relés cercanos.
La capacitancia de un relé de láminas es considerablemente menor que la de un SSR y, por lo tanto, un relé de láminas puede manejar más fácilmente las señales de frecuencias más altas.

Resistencia de contacto a contacto en estado

A diferencia de la mayoría de los EMR, los relés de láminas tienen contactos sellados herméticamente. Dado que los contaminantes no pueden entrar en las áreas críticas de contacto, podemos tener características de conmutación más consistentes.
Esto puede ser particularmente importante en aplicaciones de conmutación de bajo voltaje (por debajo de aproximadamente 100 mV). En estas aplicaciones, la contaminación puede producir una película en la superficie de contacto y aumentar la resistencia de contacto.
La variación en la resistencia de contacto puede conducir a mediciones erróneas. Los voltajes superiores a aproximadamente 100 mV son suficientemente altos para eliminar estas contaminaciones. Tenga en cuenta que la resistencia en estado activado de un SSR puede ser no lineal y variar con la corriente de carga.

Conclusión

Los relés de láminas pueden ser la mejor solución para implementar la función de conmutación de muchas aplicaciones de prueba y medición. Ofrecen ventajas como tamaño pequeño, alta resistencia de aislamiento, contactos sellados herméticamente y tiempo de operación rápido.

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