Halbleiterrelais Welche Vorteile kapazitiv gekoppelte MOSFET-Relais bieten

Autor / Redakteur: Sebastian Holzinger * / Kristin Rinortner

Panasonic bringt mit TSON kapazitiv gekoppelte MOSFET-Relais in einer komplett neuen Miniatur-Bauform auf den Markt. Insbesondere für Applikationen in der Messtechnik dürfte dies interessant sein.

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Kapazitiv gekoppelte MOSFET-Relais: Waren die hohen Signalfrequenzen in der Messtechnik bisher ein Ausschlusskriterium für Halbleiterrelais, bieten die neuen Transistoren gute HF-Eigenschaften bis 100 MHz
Kapazitiv gekoppelte MOSFET-Relais: Waren die hohen Signalfrequenzen in der Messtechnik bisher ein Ausschlusskriterium für Halbleiterrelais, bieten die neuen Transistoren gute HF-Eigenschaften bis 100 MHz
(Bild: Panasonic)

Halbleiterrelais halten auch im Bereich der Messtechnik, mit seinen meist sehr hohen technischen Anforderungen an alle verbauten Komponenten, zunehmend Einzug. Die Vorteile liegen auf der Hand: so überzeugen Schaltkontakte in Halbleitertechnik vor allem durch geringe Ansteuerleistung, schnelle Schaltzeiten, geräuschloses und verschleißfreies Schalten und erreichen somit eine hohe Lebensdauer und Zuverlässigkeit.

Waren die hohen Signalfrequenzen der Messtechnik lange Zeit ein Ausschlusskriterium für den Einsatz von Halbleiterrelais, bietet die aktuelle Generation von MOSFET-Transistoren bisher ungeahnte HF-Eigenschaften im Frequenzbereich bis 100 MHz.

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Doch wie ist dies möglich und welche Technologie versteckt sich hinter diesen speziellen MOSFETs und dem Relais TSON im Besonderen?

Funktionsprinzip kapazitiv gekoppelter MOSFET-Relais

Panasonic Electric Works bietet bereits seit vielen Jahren unter dem Namen „LowCxR PhotoMOS“ eine spezielle Art von Halbleiterrelais für den Signalbereich an. Auch die kapazitiv gekoppelten Relais TSON gehören zu dieser Reihe von MOSFET-Relais mit optimiertem, weil geringem Produkt aus C und R der Ausgangstransistoren.

Im Gegensatz jedoch zu den bekannten PhotoMOS-Relais erfolgt die galvanische Trennung bei den TSON-Relais zwischen Ein- und Ausgang nicht optisch sondern kapazitiv. Bild 1 zeigt den schematischen Aufbau.

Eine am Eingang angelegte elektrische Spannung wird über einen internen Steuerkreis kapazitiv gekoppelt auf den Ausgang übertragen. Genauso wie bei allen MOSFET-Relais ist hierdurch eine nicht leitende Verbindung – galvanische Trennung – zwischen Ein- und Ausgangskreis gewährleistet.

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Dieser Autorenbeitrag ist in der Printausgabe ELEKTRONIKPRAXIS 11/2015 erschienen. Diese ist auch als kostenloses ePaper oder als pdf abrufbar.

Im kapazitiven Steuerkreis enthalten ist auch eine Triggerstufe, welche die erzeugte Spannung definiert auf die Gates zweier bidirektional antiseriell verschalteter DMOSFETs (Double Diffused Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) am Ausgang leitet. Diese beiden Transistoren befinden sich direkt im Ausgangskreis des Bauteils und ermöglichen das Schalten von sowohl DC- als auch AC-Lasten.

Im Gegensatz zu Optokopplern können durch die fehlende Schwellspannung sogar Kleinsignale bis hinab zu wenigen Mikroampere im Mikrovoltbereich übertragen und geschaltet werden, ohne das Signal zu verzerren.

Um jedoch auch Signale mit hohen Frequenzen bis weit in den MHz-Bereich zuverlässig zu verarbeiten, bedarf es besonderer Anforderungen an die Ausgangstransistoren. Aus diesem Grund kommen so genannte „Low C×R MOSFETs“ zum Einsatz.

Durch die Bezeichnung „Low C×R“ soll verdeutlicht werden, dass bei diesen MOSFETs der Ausgangswiderstand und gleichzeitig die Ausgangskapazität der Transistoren sehr gering ist. Typischer Einsatzbereich sind Kleinsignalanwendungen z.B. im Bereich der Medizin-, Mess- oder Kommunikationstechnik, bei denen hohe Frequenzen übertragen werden.

Nachfolgend werden im Detail die technischen Eigenschaften dieser speziellen Transistoren erläutert.

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