無觸點(diǎn)開關(guān)類型與應(yīng)用

1、無觸點(diǎn)開關(guān)類型與應(yīng)用摘 要：主要介紹無觸點(diǎn)開關(guān)的幾種類型。包括基于三端穩(wěn)壓器實(shí)現(xiàn)、可控硅、光電耦合器、 基于mos fet或絕緣柵雙極晶體管igbt實(shí)現(xiàn)的4種無觸點(diǎn)開關(guān)類型。各種無觸點(diǎn)開關(guān)的內(nèi) 部結(jié)構(gòu)不同，開關(guān)特性也有所不同。詳細(xì)分析了每種類型的內(nèi)部開關(guān)原理以及開關(guān)特性，并 比較了幾種代表性芯片的參數(shù)，以供開發(fā)人員根據(jù)控制系統(tǒng)的要求選擇合適的無觸點(diǎn)開關(guān)。關(guān)鍵詞：無觸點(diǎn)開關(guān)；可控硅；光電耦合器；ocmos fet； igbt1前言單片機(jī)和嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用越來越廣泛，機(jī)械式繼電器依然是最常用的開關(guān)暈執(zhí)行控制 手段。隨著控制系統(tǒng)対控制質(zhì)量提出了更高的要求，機(jī)械繼電器在控制速度、電磁兼容性、 隔離性能

2、、壽命等方面往往不能滿足要求。另一方面，隨著集成電路集成度的提高，電源電 壓小于3 v的器件已很常見，尤其采用電池供電的很多便攜式設(shè)備，要求低電壓、低功耗 的器件。此時(shí)，機(jī)械繼電器已經(jīng)很難滿足要求。傳統(tǒng)的集成模擬開關(guān)電路如adg211系列等由于其接觸電阻在兒十q至數(shù)百q范圍， 不能滿足功率器件的開關(guān)控制要求。由于半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，日前已經(jīng)有諸多無觸點(diǎn)開關(guān)可 供設(shè)計(jì)者選用。無觸點(diǎn)開關(guān)在電磁兼容性、可靠性、安全性等方面的優(yōu)越性是機(jī)械式繼電器 無法比擬的。木文介紹兒種新型的無觸點(diǎn)開關(guān)。由于應(yīng)用領(lǐng)域的多樣性，對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)合, 會(huì)有不同的要求。如控制對(duì)彖有直流交流z分；控制對(duì)象的負(fù)載電流、接觸電阻的要

3、求可能 有若干數(shù)量級(jí)的差別；對(duì)象的工作電壓可能從幾v到380 v甚至更高。新型器件提供了滿足 各種性能耍求的應(yīng)用，讀者可以直接選用適當(dāng)?shù)钠骷?，也可以用簡單的電路?shí)現(xiàn)無觸點(diǎn)的開 關(guān)控制。？2常用無觸點(diǎn)開關(guān)2.1三端穩(wěn)壓器實(shí)現(xiàn)的無觸點(diǎn)開關(guān)三端穩(wěn)壓器是設(shè)計(jì)者i分熟悉的常用廉價(jià)器件。圖1是利用三端穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)的開關(guān)電 路。從控制端加入的信號(hào)決定是否將三端穩(wěn)壓器耳地導(dǎo)通。若導(dǎo)通則輸出端上電，否則輸出 端相當(dāng)于斷開。此電路十分簡單，也容易調(diào)試，且有多種電壓的穩(wěn)壓器供選用，適用于克流 負(fù)載的控制。缺點(diǎn)是穩(wěn)壓器的管壓降使輸出電壓有所降低，不適合電池供電的設(shè)備。選用低 壓差三端穩(wěn)壓器會(huì)有所改善。2.2基于可控硅器

4、件的無觸點(diǎn)開關(guān)日前有很多這類的器件供選擇，如意法半導(dǎo)體公司(st)的acs系列產(chǎn)品。該產(chǎn)品可以 直接用來控制風(fēng)扇、洗衣機(jī)、電機(jī)泵等設(shè)備，隔離電壓可達(dá)到500廠千v以上。圖2是其 典型應(yīng)用電路。此類器件價(jià)格低廉，但是只能用于交流負(fù)載的開關(guān)控制。圖2基于可獨(dú)處器伸的無觸點(diǎn)幵關(guān)的典疫總用電珞2.3基于光耦三極管和達(dá)林頓管用作無觸點(diǎn)開關(guān)基于光電三極管的無觸點(diǎn)開關(guān)被稱為光電耦合器(photocoupler) 1 $11 sharp pc817 系列、nec ps2500系列、安捷倫的hcpl260l/060l等。其工作原理如圖3所示。當(dāng)輸入端 加正向電壓時(shí)發(fā)光二極管(led)點(diǎn)亮，光敏三極管會(huì)產(chǎn)生光電流

5、從集電極供給負(fù)載；當(dāng)輸 入端加反向電壓時(shí)，led不發(fā)光，使光敏三極管處于截止?fàn)顟B(tài)，相當(dāng)于負(fù)載開路。從工作原 理看，這類器件主要應(yīng)用于有流負(fù)載，也町用來傳輸電流方向不變的脈動(dòng)信號(hào)。該器件的丄 作速度比較高，一般在微秒級(jí)或者更快。圖3方液的傳運(yùn)田達(dá)林頓管是兩個(gè)雙極性晶體管的復(fù)介。達(dá)林頓管的最人優(yōu)點(diǎn)就是實(shí)現(xiàn)電流的多級(jí)放大, 如圖4所示。缺點(diǎn)就是飽和管壓降較大。由于兩個(gè)晶體管共集電極，整個(gè)達(dá)林頓管的飽和電 壓等于晶體管q2的正向偏置電壓與晶體管q1的飽和電壓z和，而止向偏置電壓比飽和電壓 高得多，這樣整個(gè)達(dá)林頓管的飽和電壓就特別的高，因此達(dá)林頓管導(dǎo)通時(shí)的功耗較高。eimiier田4達(dá)林鎖管的尋伙電珞仙

6、童半導(dǎo)體(fairchild)的達(dá)林頓光耦合器采用隔離達(dá)林頓輸出配置，將輸入光電二 極管和初級(jí)增益與輸岀晶體管分隔開來，以實(shí)現(xiàn)較傳統(tǒng)達(dá)林頓光電晶體管光耦合器更低的 輸出飽和電壓(0. 1 v)和更高的運(yùn)作速度。該公司推出5種最新產(chǎn)品，采用單及雙溝道配 置,提供3. 3 v或5 v工作電壓的低功耗特性。雙溝道hcpl0730和hcpl0731光耦合器提 供5 v電壓操作和soic8封裝，能實(shí)現(xiàn)最佳的安裝密度。單溝道f0d070i八fod270l及雙溝 道fod 073l器件的工作電壓為3.3 v,比較傳統(tǒng)的5v部件，其功耗進(jìn)一步減少33%。nec 公司的芯片ps2802. 1/4, ps2702

7、1, ps25021/2/4, ps25621/2等也屬于達(dá)林頓光耦合器。2.4基于mos或igbt的無觸點(diǎn)開關(guān)基于mos場(chǎng)效應(yīng)管的無觸點(diǎn)開關(guān)由于耦合方式不同冇很多類，例如采用光電耦合方式的 稱為光耦合mos場(chǎng)效應(yīng)管(ocmos eet)，原理如圖5所示，虛線框內(nèi)為ocmos fet的內(nèi)部 原理圖。圖5 ocmos fet的典強(qiáng)直用電路電路內(nèi)部包括光生電壓單元，當(dāng)發(fā)光二極管點(diǎn)亮?xí)r，該單元給場(chǎng)效應(yīng)管的柵極電容充電, 這樣就增大柵極與源極間的電壓，使mos場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通，開關(guān)閉合。當(dāng)發(fā)光二極管熄火時(shí), 光牛電壓單元不再給柵極電容充電，而且內(nèi)部放電開關(guān)口動(dòng)閉合，強(qiáng)制柵極放電，因此柵源 電壓迅速下降，場(chǎng)

8、效應(yīng)管截止，開關(guān)斷開。ocmos fet有兩種類型：一種是導(dǎo)通型(maketype), 常態(tài)下為斷開；另一種是斷開型(breaktype)；常態(tài)下為導(dǎo)通。本文所指的是導(dǎo)通型。光 耦合mos場(chǎng)效應(yīng)管是交直流通用的，工作速度沒有光電耦合器快，為毫秒級(jí)，他的輸出導(dǎo)通 特性與輸入電流參數(shù)無關(guān)。ocmos fet可以以弱控強(qiáng)，以毫安級(jí)的輸入電流驅(qū)動(dòng)女級(jí)的電流。由于場(chǎng)效應(yīng)管可以雙向?qū)?、?dǎo)通電阻低的特征，他主要用于屮斷交流信號(hào)，如圖5所示, 因此ocmos fetx被稱為固態(tài)繼電器（ssr） 2?；趍os場(chǎng)效應(yīng)管的無觸點(diǎn)開關(guān)器件很多，例如口本電氣公司（nec）的ps7200系列、 toshi ba tl

9、p351系列、松下nais aqv系列。通常低導(dǎo)通電阻型適用于負(fù)載電流較大的場(chǎng) 合,例如n ec ps710b1a：導(dǎo)通電阻ron = 0. 1 q （最大）,負(fù)載電流il=2. 5 a （最大），導(dǎo) 通時(shí)間ton二5 ms。低cr積型的光mos fet適用于需要切換高速信號(hào)的場(chǎng)合，如測(cè)量儀表的 測(cè)試端等。所謂cr積指的是輸出級(jí)mos fet的輸出電容與接通電阻的乘積，他是評(píng)價(jià)mos fet 特性的一個(gè)參數(shù)指標(biāo)。如necps7200h1a：導(dǎo)通電阻ron二2. 2 q , cr積為9. 2 pf q ,導(dǎo)通 時(shí)間ton=0. 5 ms,負(fù)載電流tl =160 ma。絕緣柵雙極晶體管tgbt 3

10、的結(jié)構(gòu)如圖6所示。圖6 1gbt的爭效電越這種結(jié)構(gòu)使igbt既有mos fet可以獲得較人直流電流的優(yōu)點(diǎn)，乂具有雙極型晶體管較 大電流處理能力、高阻寒電壓的優(yōu)點(diǎn)。這種器件可以連接在開關(guān)電路屮，就像npn型的雙極 型品體管,兩者顯著的區(qū)別在于igbt不需要門極電流來維持導(dǎo)通?；趇gbt的無觸點(diǎn)開關(guān), 例如 agillent hcpl3140/hcpl0314 系列。各種無觸點(diǎn)開關(guān)的比較為了方便設(shè)計(jì)者選用合適的電路，表1給出了不同類型無觸點(diǎn)開關(guān)的參考芯片，并比較 了各種芯片的開關(guān)特性。>1不同矣顯無滋點(diǎn)開關(guān)的芯片及特性比較追從貳膏ocmcs fetocmos-fetigbt他何電汛/a觸發(fā)電洩/d/rnav導(dǎo)迢電糧 心/nj文說0.810(m