電器原理與應(yīng)用3-1半導(dǎo)體式控制電器

2023/2/11電器原理與應(yīng)用陳陽(yáng)生浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院yschen@第四章

常用半導(dǎo)體式控制電器

本章結(jié)構(gòu)4.1概論4.2固態(tài)繼電器4.3半導(dǎo)體式時(shí)間繼電器4.4半導(dǎo)體式行程開關(guān)4.5半導(dǎo)體式保護(hù)電器1、半導(dǎo)體式控制電器

以電子元件全部或者部分替代電器內(nèi)部的機(jī)械結(jié)構(gòu)、電磁機(jī)構(gòu)、線圈、觸動(dòng)等，是傳統(tǒng)電器的升級(jí)換代產(chǎn)品；（成本、體積、可靠性。。。）和傳統(tǒng)電器相比，各有優(yōu)缺點(diǎn)；保持獨(dú)立的電器外形

在功能上與傳統(tǒng)的控制電器相對(duì)應(yīng)

輸出形式可以是無(wú)觸點(diǎn)的電平轉(zhuǎn)換，也可以是有觸點(diǎn)的觸點(diǎn)通斷，既可以與電子電路構(gòu)成無(wú)觸點(diǎn)系統(tǒng)，也可以與有觸點(diǎn)電器構(gòu)成繼電接觸系統(tǒng)例：行程開關(guān)、接近開關(guān)、雙金屬片熱繼電器、電磁式過流繼電器、電子式過流、短路、斷相、保護(hù)繼電器有觸點(diǎn)與無(wú)觸點(diǎn)相結(jié)合的控制電器三種不同形式：①采用無(wú)觸點(diǎn)電器為其出口元件的電子式電器，如晶閘管時(shí)間繼電器等。②采用電子式控制或保護(hù)信號(hào)發(fā)生機(jī)構(gòu)的有觸點(diǎn)電器，如半導(dǎo)體脫扣器的斷路器③混合式接觸器，在接觸器的每一主觸點(diǎn)上并聯(lián)一個(gè)雙向晶閘管，當(dāng)開關(guān)接通時(shí)使晶閘管的導(dǎo)通先于觸點(diǎn)的閉合，分?jǐn)鄷r(shí)晶閘管的阻斷后于觸點(diǎn)的斷開，二者取長(zhǎng)補(bǔ)短，實(shí)現(xiàn)了有觸點(diǎn)控制電器的無(wú)弧通斷。

混合式控制電器

半導(dǎo)體式控制電器的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：①開關(guān)速度高（晶閘管開通，關(guān)斷時(shí)間幾十us,IGBT3-4us）②操作頻率高（晶閘管100次/分鐘）③使用壽命長(zhǎng)（額定條件下使用的話）④耗電功率小(沒有激勵(lì)線圈)⑤控制功能多（電子線路，微處理器、專用芯片，價(jià)格低、功能多）⑥工作環(huán)境不苛求（可以塑封、密封，防塵，防潮）缺點(diǎn)①散熱面積大(管壓降大1-2V，長(zhǎng)期工作的損耗大)②價(jià)格比較高（一個(gè)交流接觸器需要三個(gè)大電流雙向晶閘管，價(jià)格約十倍）③電路較復(fù)雜（

抗干擾能力差，輔助電路多,如保護(hù)、電源、補(bǔ)償?shù)入娐罚苓^載能力低（功率器件高溫、過載能力有限）⑤漏電流較大（晶閘管關(guān)段后有漏電流，mA級(jí)，不能理想的電隔離）4.2固態(tài)繼電器SSR(SolidStateRelay)一種全電子電路組合的元件，它依靠半導(dǎo)體器件和電子元件的電、磁和光特性來(lái)完成其隔離和繼電切換功能。器件全部由固態(tài)電子元件組成的新型無(wú)觸點(diǎn)開關(guān)器件，它利用電子元件(如開關(guān)三極管、雙向可控硅等半導(dǎo)體器件)的開關(guān)特性，可達(dá)到無(wú)觸點(diǎn)，無(wú)火花地接通和斷開電路的目的，因此又被稱為“無(wú)觸點(diǎn)開關(guān)”與傳統(tǒng)的電磁繼電器（EMR）相比，是一種沒有機(jī)械、不含運(yùn)動(dòng)零部件的繼電器，但具有與電磁式繼電器本質(zhì)上相同功能；固態(tài)繼電器按其工作性質(zhì)：直流輸入-交流輸出型直流輸入-直流輸出型交流輸入-交流輸出型交流輸入-直流輸出型固態(tài)繼電器的特點(diǎn)

SSR實(shí)現(xiàn)了弱信號(hào)對(duì)強(qiáng)電(輸出端負(fù)載電壓)的控制。由于光耦合器的應(yīng)用，使控制信號(hào)所需的功率極低(約十余毫瓦就可正常工作)，而且Vsr所需的工作電平與TTL、HTL、CMOS等常用集成電路兼容，可以實(shí)現(xiàn)直接聯(lián)接。這使SSR在數(shù)控和自控設(shè)備等方面得到廣泛應(yīng)用。在相當(dāng)程度上可取代傳統(tǒng)的“線圈—簧片觸點(diǎn)式”繼電器。SSR由于是全固態(tài)電子元件組成，與EMR相比，它沒有任何可動(dòng)的機(jī)械部件，工作中也沒有任何機(jī)械動(dòng)作；SSR由電路的工作狀態(tài)變換實(shí)現(xiàn)“通”和“斷”的開關(guān)功能，沒有電接觸點(diǎn)，所以它有一系列EMR不具備的優(yōu)點(diǎn)，工作高可靠、長(zhǎng)壽命；無(wú)動(dòng)作噪聲；耐振耐機(jī)械沖擊；安裝位置無(wú)限制；用絕緣防水材料灌封做成全密封形式，而且具有良好的防潮防霉防腐性能；在防爆和防止臭氧污染方面的性能也極佳。這些特點(diǎn)使SSR可在軍事(如飛行器、火炮、艦船、車載武器系統(tǒng))、化工、井下采煤和各種工業(yè)民用電控設(shè)備的應(yīng)用中大顯身手，具有超越MER的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。固態(tài)繼電器的原理及結(jié)構(gòu)圖中①-④構(gòu)成交流SSR的主體，從整體上看，SSR只有兩個(gè)輸入端及兩個(gè)輸出端，是一種四端器件。工作：在A、B上加上控制信號(hào)，就可以控制C、D兩端之間的“通”和“斷”，實(shí)現(xiàn)“開關(guān)”的功能，耦合電路的功能是為A、B端輸入的控制信號(hào)提供一個(gè)輸入/輸出端之間的通道，但又在電氣上斷開SSR中輸入端和輸出端之間的(電)聯(lián)系，以防止輸出端對(duì)輸入端的影響，“光耦”動(dòng)作靈敏、響應(yīng)速度高、輸入/輸出端間的絕緣(耐壓)等級(jí)高；由于輸入端的負(fù)載是發(fā)光二極管，這使SSR的輸入端很容易做到與輸入信號(hào)電平相匹配，在使用可直接與計(jì)算機(jī)輸出接口相接，即受“1”與“0”的邏輯電平控制。觸發(fā)電路產(chǎn)生合乎要求的觸發(fā)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)開關(guān)電路④工作，吸收電路為防止從電源中傳來(lái)的尖峰、浪涌(電壓)對(duì)開關(guān)器件雙向可控硅管的沖擊和干擾(甚至誤動(dòng)作)而設(shè)計(jì)的，一般是用“R-C”串聯(lián)吸收電路或非線性電阻(壓敏電阻器)。

過零控制電路。所謂“過零”是指，當(dāng)加入控制信號(hào)，交流電壓過零時(shí)，SSR即為通態(tài)；而當(dāng)斷開控制信號(hào)后，SSR要等待交流電的正半周與負(fù)半周的交界點(diǎn)(零電位)時(shí)，SSR才為斷態(tài)。交流固態(tài)繼電器的原理當(dāng)輸入信號(hào)為零/反向時(shí)，光隅:截止，VT1導(dǎo)通，它使SCR1的控制極被鉗位于低電平，SCR1被阻斷，零電壓檢測(cè)電路不會(huì)影響這一狀態(tài)。當(dāng)輸入信號(hào)時(shí)，光隅:導(dǎo)通，光耦電流約10-20mA，使VT1變?yōu)榻刂範(fàn)顟B(tài)，零電壓檢測(cè)電路起作用R3、R4、R5、R6及VT2組成零電壓檢測(cè)電路;

若交流電壓不過零，則VT2飽和導(dǎo)通，SCR1不會(huì)被觸發(fā);若交流電壓過零時(shí)，VT2被截止，使SCR1的控制極通過R5、R6分壓獲得觸發(fā)信號(hào)，SCR1導(dǎo)通。此時(shí)，SCR2的控制極就會(huì)獲得正反兩個(gè)方向的觸發(fā)脈沖，SCR2導(dǎo)通，從而接通負(fù)載電源。

R7→整流橋→SCR1→整流橋→R8R8→整流橋+SCR1→整流橋→R7交流固態(tài)繼電器的波形單向波形和整流電路一致交流型和直流型固態(tài)繼電器SSR按使用場(chǎng)合可以分成交流型和直流型兩大類，分別在交流或直流電源上做負(fù)載的開關(guān)，不能混用。直流型的SSR，無(wú)過零控制電路，也不必設(shè)置吸收電路，開關(guān)器件一般用大功率開關(guān)三極管，其它工作原理相同。直流型SSR在使用時(shí)應(yīng)注意：負(fù)載為感性負(fù)載時(shí)，如直流電磁閥或電磁鐵，應(yīng)在負(fù)載兩端并聯(lián)一只快恢復(fù)二極管，極性如圖3所示，二極管的電流應(yīng)等于工作電流，電壓應(yīng)大于工作電壓的3倍。SSR工作時(shí)應(yīng)盡量把它靠近負(fù)載，其輸出引線應(yīng)滿足負(fù)荷電流的需要。使用電源屬經(jīng)交流降壓整流所得的，其濾波電解電容應(yīng)足夠大。典型參數(shù)表

參數(shù)名稱(單位)參數(shù)值最小典型最大輸入端直流控制電壓(V)3.2

14輸入電流(mA)

20

接通電壓(V)3.2

關(guān)斷電壓(V)

1.5反極向保護(hù)電壓(V)

15絕緣電阻(Ω)109

介質(zhì)耐壓(V)1500

輸出端額定輸出電壓(V)25

250額定輸出電流(A)

10浪涌電流(A)

100過零電壓(V)

±15輸出壓降(V)

2.0輸出漏電流(mA)

10接通電間(mS）

10關(guān)斷時(shí)間(mS)

10工作頻率(Hz)47

70

關(guān)斷dV/dt(V/μs)

200

晶閘管結(jié)溫℃

110工作溫度(℃)-20

+80典型電路在交流感性負(fù)載上并聯(lián)RC電路或電容，也可抑制加至SSR輸出端的瞬態(tài)電壓和電壓指數(shù)上升率。RC吸收回路，特別是并聯(lián)在SSR輸出端的RC吸收回路，如果和感性負(fù)載組合不當(dāng)，容易導(dǎo)致振蕩，在負(fù)載電源上電或繼電器切換時(shí)，加大繼電器輸出端的瞬變電壓峰值，增大SSR誤導(dǎo)通的可能性，所以，對(duì)具體應(yīng)用電路應(yīng)先進(jìn)行試驗(yàn)，選用合適的RC參數(shù)。通常SSR均設(shè)計(jì)為“常開”狀態(tài)，即無(wú)控制信號(hào)輸入時(shí)，輸出端是開路的但在自動(dòng)化控制設(shè)備中經(jīng)常需要“常閉”式的SSR，這時(shí)可在輸入端外接一組簡(jiǎn)單電路，如圖c所示，這時(shí)即為常閉式SSR。

三相固態(tài)繼電器也有三相的固態(tài)繼電器控制方式和單相一樣內(nèi)部3路小功率大功率固態(tài)調(diào)壓器原理和固態(tài)繼電器一樣；電壓可調(diào)，但波形不連續(xù)一般用于電阻負(fù)載，不適合電機(jī)負(fù)載固態(tài)繼電器、調(diào)壓器選型電壓等級(jí)一致電流裕量要比普通繼電器大阻性負(fù)載時(shí),

2-3倍負(fù)載感性/容性負(fù)載時(shí),

3-4倍負(fù)載滿足散熱要求，環(huán)境溫度高或散熱欠佳時(shí),應(yīng)增加電流容量。短路保護(hù)：在負(fù)載回路中串接快速斷路開關(guān)或快速熔斷器。過壓保護(hù)：感性負(fù)載時(shí)，在輸出端并接壓敏電阻，以防過壓時(shí)損壞晶閘管。壓敏電阻(MOV)的選配：240V檔時(shí)選430-470V，440V檔時(shí)選680-750V，660V檔時(shí)選1100-1200V。

4.3半導(dǎo)體式時(shí)間繼電器4.2.1概述4.2.2通電延時(shí)型半導(dǎo)體式時(shí)間繼電器4.2.3斷電延時(shí)型半導(dǎo)體式時(shí)間繼電器4.2.4帶瞬動(dòng)觸點(diǎn)的通電延時(shí)型時(shí)間繼電器4.2.5JS20系列半導(dǎo)體式時(shí)間繼電器的型號(hào)及其含義4.2.6JS20系列半導(dǎo)體式時(shí)間繼電器的技術(shù)參數(shù)圖形符號(hào):通電延時(shí)線圈延時(shí)觸頭KTKT斷電延時(shí)線圈延時(shí)觸頭KTKT瞬時(shí)觸頭KT半圓開口方向是觸點(diǎn)延時(shí)動(dòng)作的指向1、通電延時(shí)型控制線路SB2按下→KA接通

→KT接通→延時(shí)→KM接通2、斷電延時(shí)型控制線路SB2按下→KA接通→KT接通→KM立即接通SB1斷開→KA，KT斷開→延時(shí)→KM延時(shí)后斷開特點(diǎn)：半導(dǎo)體式+執(zhí)行繼電器壽命長(zhǎng)，精度高，體積小，調(diào)節(jié)范圍寬目前的主流產(chǎn)品半導(dǎo)體式時(shí)間繼電器一般分為RC充放電式(模擬式)時(shí)間繼電器數(shù)字式時(shí)間繼電器微機(jī)式時(shí)間繼電器4.2.1概述

1）RC充放電式(模擬式)時(shí)間繼電器利用電容對(duì)電壓變化的阻尼作用作為其延時(shí)基礎(chǔ)，并且大多數(shù)阻尼式延時(shí)電路都有類似下圖所示的電路結(jié)構(gòu)形式由阻容環(huán)節(jié)、鑒幅器、出口電路和電源四部分組成當(dāng)接通電源時(shí)，電源電壓通過電阻R對(duì)電容C充電，電容上的電壓Uc按指數(shù)規(guī)律上升。當(dāng)Uc上升到鑒幅器的門限電壓Ud時(shí)，鑒幅器即輸出開關(guān)信號(hào)至后級(jí)電路，使執(zhí)行繼電器動(dòng)作。電容充電曲線如圖

圖4-8阻容延時(shí)電路基本結(jié)構(gòu)形式

JS20系列半導(dǎo)體式時(shí)間繼電器

<1>分類單結(jié)晶體管電路場(chǎng)效應(yīng)管電路<2>延時(shí)等級(jí)通電延時(shí)型分為1,5,10,30,60,120,180,300,600,1800,3600s斷電延時(shí)型分為1,5,10,30,60,120,180s.圖4-10JS20系列半導(dǎo)體時(shí)間繼電器通電延時(shí)型半導(dǎo)體式時(shí)間繼電器圖4-11JS20單結(jié)晶體管時(shí)間繼電器電路圖4-12JS20單結(jié)晶體管時(shí)間繼電器框圖

延時(shí)環(huán)節(jié)、鑒幅器、輸出電路、電源和指示燈N五部分組成電壓的穩(wěn)壓部分由電阻R1和穩(wěn)壓管V3構(gòu)成,供給延時(shí)和鑒幅輸出電路中的晶閘管VT和繼電器KA電容C2的充電回路有兩條:一條是通過電位器RP1和電阻R2，另一條是通過由低阻值電阻R4、R5和電位器RP2組成的分壓器經(jīng)二極管V2向電容C2提供的預(yù)充電路。電路工作原理

當(dāng)接通電源后，經(jīng)V1整流、電容C1濾波以及穩(wěn)壓管V3穩(wěn)壓的直流電壓通過RP2、R4、V2向電容C2以極低的時(shí)間常數(shù)快速充電也通過RP1和R2向該電容充電。電容C2上電壓在相當(dāng)于UR5預(yù)充電壓的基礎(chǔ)上按指數(shù)規(guī)律逐漸升高。當(dāng)此電壓大于單結(jié)晶體管的峰點(diǎn)電壓Up時(shí)，單結(jié)晶體管V4導(dǎo)通，輸出電壓脈沖觸發(fā)晶閘管VT。VT導(dǎo)通后使繼電器KA吸合，除用其觸點(diǎn)來(lái)接通或分?jǐn)嗤怆娐吠猓€利用其另一常開觸點(diǎn)將C2短路，使之迅速放電，為下次使用作準(zhǔn)備。此時(shí)氖指示燈N啟輝。當(dāng)切斷電源時(shí)，KA釋放，電路恢復(fù)原始狀態(tài)，等待下次動(dòng)作。

斷電延時(shí)型半導(dǎo)體式時(shí)間繼電器當(dāng)切斷斷電延時(shí)型時(shí)間繼電器電源后，其觸點(diǎn)仍暫時(shí)保持不動(dòng)，等到延時(shí)時(shí)間達(dá)到后才動(dòng)作JS20斷電延時(shí)型時(shí)間繼電器采用了兩個(gè)延時(shí)繼電器，一個(gè)是帶有機(jī)械鎖扣的瞬動(dòng)延時(shí)型時(shí)間繼電器KD，當(dāng)接通電源，KD立即吸合并通過機(jī)械鎖扣自鎖。機(jī)械鎖扣示意圖如圖4-13所示。當(dāng)切斷電源后，它自己不能釋放，其釋放是依靠另一個(gè)繼電器Ks。Ks在斷電以后經(jīng)過預(yù)定的延時(shí)時(shí)間短時(shí)地吸動(dòng)一下，打開KD的機(jī)械鎖扣，于是KD延時(shí)釋放。圖4-13帶有機(jī)械鎖扣繼電器結(jié)構(gòu)示意圖JS20斷電延時(shí)繼電器原理接通電源后，四個(gè)電容器均迅速充電。C1(50uF)是電源濾波電容，C2(33uF)、C4(50uF)是在電源斷電以后分別給場(chǎng)效應(yīng)晶體管和Ks回路提供電壓及能量的電容器。C3是延時(shí)電容。C3上電壓接近穩(wěn)壓管V4的電壓，而C2上的電壓由于有電位器RP2的分壓作用，其值較小，因此V1(場(chǎng)效應(yīng)管)的UGS=UC2-UC3〈0,調(diào)整RP2可使V1處于關(guān)斷狀態(tài)，V2,V3也隨之截止。當(dāng)電源切斷后，C2，C4分別因V1，V3，截止而無(wú)法放電，C3則可以通過放電電阻RP1+R5放電。當(dāng)放電到UGS大于其夾斷電壓一定值時(shí)，V1導(dǎo)通，C2通過R4,V3,V2的發(fā)射結(jié)和V1的D、S極放電，由于V2導(dǎo)通，C3也經(jīng)R4,V3的發(fā)射結(jié)及V2放電，C3上的電壓下降又促使V1進(jìn)一步導(dǎo)通。這一正反饋過程使C2，C3，C4迅速放電，各管迅速導(dǎo)通，Ks吸動(dòng)，打開KD的機(jī)械鎖扣。電路中的二極管V6，V7，V9分別用來(lái)防止C2

，C3，C4在延時(shí)過程中對(duì)其他低電阻放電，V5起溫度補(bǔ)償作用，KD在吸合后有鎖扣自鎖，故通電后可用其一對(duì)轉(zhuǎn)換觸點(diǎn)將自己斷電。為使吸合過程可靠(KD中電流為半波整流電流)，線圈上并聯(lián)了一個(gè)小容量電容C5采用CMOS集成電路CD4060構(gòu)成，繼電器由振蕩器、分頻器和三級(jí)脈沖計(jì)數(shù)器組成，通過BCD碼撥盤開關(guān)整定延時(shí)值繼電器通常不帶電，一但施加額定電壓后，繼電器內(nèi)部瞬動(dòng)繼電器動(dòng)作，同時(shí)使晶體起振，產(chǎn)生時(shí)鐘脈沖，經(jīng)分頻后由計(jì)數(shù)器計(jì)脈沖數(shù)，當(dāng)所計(jì)脈沖數(shù)達(dá)到延時(shí)整定值時(shí)，觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)出口繼電器動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)所需延時(shí)由于采用晶振,并增加時(shí)間補(bǔ)償預(yù)置電路，對(duì)于極短的延時(shí)值也嚴(yán)格符合整定值,具有極高的精度2）數(shù)字式時(shí)間繼電器DHC80910集成電路是一個(gè)單片機(jī)最小系統(tǒng)，由CPU、片內(nèi)ROM、片內(nèi)RAM、可編程輸入/輸出(I/O)、計(jì)數(shù)器/定時(shí)、LCD驅(qū)動(dòng)電路、LCD基準(zhǔn)電壓電路和振蕩電路構(gòu)成。由兩路電源供電，當(dāng)外部有電源時(shí)，該電路由外部電源供電，當(dāng)外部停電時(shí)，停電檢測(cè)電路立即發(fā)出停電信號(hào)使該電路的功耗減到最小，此時(shí)單片機(jī)由電池供電保持RAM中的數(shù)據(jù)(數(shù)據(jù)保持時(shí)間可達(dá)10年)，并且設(shè)定按鈕能夠在停電時(shí)設(shè)定數(shù)據(jù)當(dāng)設(shè)定好數(shù)據(jù)后，鍵保護(hù)輸入能按不同的要求分別鎖定功能設(shè)定(MODE)鍵、復(fù)位(RESET)鍵和時(shí)間設(shè)定鍵使這些鍵的操作無(wú)效，這樣可以防止誤操作，也使操作者只能改變?cè)O(shè)計(jì)者允許改變的數(shù)據(jù)。3）微機(jī)式時(shí)間繼電器原理框圖

圖4-2DHC6多制式時(shí)間繼電器的原理框圖<3>主要技術(shù)指標(biāo)①對(duì)延時(shí)范圍的要求:每種延時(shí)等級(jí)的最大延時(shí)值應(yīng)大于其標(biāo)稱的延時(shí)值，但小于其標(biāo)稱延時(shí)值的110%；最小延時(shí)值應(yīng)小于其標(biāo)稱延時(shí)值的90%②通電延時(shí)型的重復(fù)工作時(shí)間間隔:重復(fù)工作時(shí)間間隔不小于1s,即兩次使用的間隔時(shí)間只要不小于1s，則延時(shí)電容就不會(huì)有明顯的殘存電壓而影響下次工作的延時(shí)精度。③斷電延時(shí)型最小通電時(shí)間:最小通斷時(shí)間不小于1s，則在接通電源后，斷電延時(shí)電容迅速充電的時(shí)間不大于1s，從而保證在通電后1s就可以進(jìn)行斷電延時(shí)。④重復(fù)延時(shí)誤差:重復(fù)延時(shí)誤差不大于±3%<3>主要技術(shù)指標(biāo)⑤綜合延時(shí)誤差:工作電壓為額定電壓的85%~110%、環(huán)境溫度在-10~40范圍內(nèi)變化時(shí)，連續(xù)動(dòng)作誤差不大于±10%。⑥抗干擾性能:主要是指對(duì)電源串入的音頻和高頻干擾信號(hào)的抵御能力。當(dāng)JS20的電源端疊加有f為150~15000Hz、幅值(有效值)為工作電壓的5%音頻正弦信號(hào)，或疊加有2次/s、峰值為電源電壓2倍、寬度分別為20us與80us的脈沖信號(hào)時(shí)，時(shí)間繼電器應(yīng)符合重復(fù)延時(shí)誤差的要求。<3>主要技術(shù)指標(biāo)<3>主要技術(shù)指標(biāo)典型接線電阻負(fù)載<

3A容性負(fù)載<0.5A可以由時(shí)間繼電器直接控制4.3半導(dǎo)體式行程開關(guān)本節(jié)結(jié)構(gòu)4.3.1概述4.3.2典型范例一——停振型行程開關(guān)4.3.3典型范例二——差動(dòng)變壓器型行程開關(guān)4.3.1概述

無(wú)觸點(diǎn)的行程開關(guān)又稱為接近開關(guān)(半導(dǎo)體式行程開關(guān))。當(dāng)某種物體與之接近到一定的距離時(shí)就會(huì)發(fā)出動(dòng)作信號(hào)，它不像機(jī)械行程開關(guān)那樣需要施加機(jī)械力，而是通過其感辨頭與被測(cè)物體間的介質(zhì)能量變化來(lái)獲取信號(hào)。半導(dǎo)體式行程開關(guān)的應(yīng)用已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出一般行程控制和限位保護(hù)的范疇，例如用于高速計(jì)數(shù)、測(cè)速、液面控制、檢測(cè)金屬體的存在、零件尺寸以及無(wú)觸點(diǎn)按鈕等。即使用于一般行程控制，其定位精度、操作頻率、使用壽命和對(duì)惡劣環(huán)境的適應(yīng)能力也優(yōu)于一般機(jī)械式行程開關(guān)。三、接近開關(guān)的特點(diǎn)

（1）非接觸檢測(cè)，與被測(cè)物不接觸（2）不會(huì)產(chǎn)生機(jī)械磨損和疲勞損傷、工作壽命長(zhǎng)（3）響應(yīng)快響應(yīng)時(shí)間只有幾毫秒或十幾毫秒（4）無(wú)觸點(diǎn)、無(wú)火花、無(wú)噪聲（5）防潮、防塵、防爆性能較好(金屬或者高強(qiáng)度塑料外殼，內(nèi)部樹脂填充)（6）輸出信號(hào)負(fù)載能力強(qiáng)、體積小、安裝、調(diào)整方便；使用注意點(diǎn)：觸點(diǎn)容量較小、輸出短路時(shí)易燒毀。

分類

半導(dǎo)體式行程開關(guān)根據(jù)其感辨機(jī)構(gòu)的工作原理可以分為：

(1)高頻振蕩型

(2)電磁感應(yīng)型

(3)電容型

(4)光電型

(5)永磁型

(6)超聲波型

(7)霍爾型(1)高頻振蕩型行程開關(guān)(電渦流型)高頻振蕩型行程開關(guān)是一種有開關(guān)量輸出的位置傳感器，它由LC高頻振蕩器和放大處理電路組成，利用金屬物體接近產(chǎn)生電磁場(chǎng)的振蕩感應(yīng)頭，使物體內(nèi)部產(chǎn)生渦流，渦流反作用于行程開關(guān)，使行程開關(guān)振蕩能力衰減，內(nèi)部電路的參數(shù)發(fā)生變化，由此識(shí)別出有無(wú)金屬物體接近，進(jìn)而控制開關(guān)的通斷。這種行程開關(guān)用于檢測(cè)各種金屬物體，當(dāng)前應(yīng)用最為普遍。另外，值得指出的是:不同的金屬物體接近振蕩感應(yīng)頭時(shí)，使行程開關(guān)振蕩能力衰減的程度不一樣，表3-2列出了幾種常用金屬體的衰減系數(shù)。（2）電磁感應(yīng)型行程開關(guān)(包括差動(dòng)變壓器型)

利用被檢測(cè)物體接近時(shí)產(chǎn)生的渦流及磁場(chǎng)的變化，以衡量檢測(cè)線圈和比較線圈之間差值進(jìn)行動(dòng)作的。用于檢測(cè)導(dǎo)磁和非導(dǎo)磁金屬。（3）電容型行程開關(guān)

這種開關(guān)通常是構(gòu)成電容器的一個(gè)極板，而另一個(gè)極板是開關(guān)的外殼，而外殼是接地或與設(shè)備的機(jī)殼相連。同時(shí)和其他電路構(gòu)成電容式振蕩器。它的電容位于傳感界面，當(dāng)物體接近時(shí)，將因?yàn)轳詈想娙葜档淖兓袷?，從而產(chǎn)生振蕩或停止振蕩使輸出信號(hào)發(fā)生改變。電容式行程開關(guān)可用各種材料觸發(fā)，如固體、液體或粉末狀物體。（4）光電式行程開關(guān)利用被檢測(cè)物體對(duì)紅外光束的遮光或反射，由同步回路選通而檢測(cè)物體的有無(wú)，其檢測(cè)的物體不限于金屬，也可以進(jìn)行非接觸、無(wú)損傷地檢測(cè)和控制各種固體、液體、透明體、黑體、柔軟體和煙霧等的狀態(tài)和動(dòng)作。依據(jù)檢測(cè)方式的不同，光電式行程開關(guān)可分為:反射式光電開關(guān)、對(duì)射式光電開關(guān)、鏡面反射式光電開關(guān)三種類型。（5）永磁型行程開關(guān)利用永久磁鐵的吸力驅(qū)動(dòng)舌簧開關(guān)而輸出信號(hào)。永磁型以及磁敏元件用于檢測(cè)磁場(chǎng)及磁性金屬。（6）超聲波型行程開關(guān)

主要由壓電陶瓷傳感器、發(fā)射超聲波和接收反射波用的電子裝置及調(diào)節(jié)檢測(cè)范圍用的程控橋式開關(guān)等幾個(gè)部分組成。適于檢測(cè)不能或不可觸及的目標(biāo)，其控制功能不受聲、電、光等因素干擾，檢測(cè)目標(biāo)可以是固體、液體或粉末狀態(tài)的物體，只要能反射超聲波即可。（7）霍爾型行程開關(guān)將磁信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出方式工作的，其輸出具有記憶保持功能。內(nèi)部的磁敏元件僅對(duì)垂直于傳感器的截面磁場(chǎng)敏感，當(dāng)磁極S正對(duì)接近開關(guān)時(shí)，接近開關(guān)的輸出產(chǎn)生正跳變，輸出為高電平。若磁極N正對(duì)接近開關(guān)時(shí)，輸出為低電平。圖4-16常見的半導(dǎo)體式行程開關(guān)主要技術(shù)指標(biāo)

①動(dòng)作距離與復(fù)位行程

大多數(shù)半導(dǎo)體式行程開關(guān)的動(dòng)作距離是指開關(guān)剛好動(dòng)作時(shí)感辨頭與檢測(cè)體之間的距離。半導(dǎo)體式行程開關(guān)說明書中規(guī)定的是動(dòng)作距離的標(biāo)準(zhǔn)值，在常溫和額定電壓下，開關(guān)的實(shí)際動(dòng)作值不應(yīng)小于其標(biāo)準(zhǔn)值也不能大于其標(biāo)準(zhǔn)值的20%。一般動(dòng)作距離在5~30mm之間，精度為5um—0.5mm。復(fù)位行程是指開關(guān)從“動(dòng)作”到“復(fù)位”的位移距離。一般控制回差20%以內(nèi)②重復(fù)精度

在常溫和額定電壓下連續(xù)進(jìn)行10次試驗(yàn)，取其中最大或最小值與10次試驗(yàn)的平均值之差作為半導(dǎo)體式行程開關(guān)的重復(fù)精度。

（一般達(dá)到1%）③操作頻率

操作頻率即每秒最高操作次數(shù)。操作頻率的大小與半導(dǎo)體式行程開關(guān)信號(hào)發(fā)生機(jī)構(gòu)的原理及出口元件的種類有關(guān)。采用無(wú)觸點(diǎn)輸出形式的半導(dǎo)體式行程開關(guān)，操作頻率主要取決于信號(hào)發(fā)生機(jī)構(gòu)及電路中的其他儲(chǔ)能元件;若為觸點(diǎn)輸出形式，則主要取決于所用繼電器的操作頻率。（常用可以達(dá)到300-800Hz）

③標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)體

由于不同材料的動(dòng)作距離是不同的，一般定義一個(gè)1mm厚的鐵片，作為標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)體，尺寸：20x20x1mm,25x25x1mm,30x30x1mm不等，由傳感器廠家定義。4.3.2典型范例一——停振型行程開關(guān)1、概述半導(dǎo)體式停振型接近開關(guān)屬于高頻振蕩型，是一種典型的半導(dǎo)體式停振型行程開關(guān)。高頻振蕩型行程開關(guān)是以金屬觸發(fā)為原理，主要由高頻振蕩器、集成電路或晶體管組成的放大電路和輸出電路三部分構(gòu)成

停振型行程開關(guān)高頻振蕩型接近信號(hào)的發(fā)生機(jī)構(gòu)實(shí)際上是一個(gè)LC振蕩器，其中L是電感式感辨頭。當(dāng)金屬檢測(cè)體接近感辨頭時(shí)，在金屬檢測(cè)體中將產(chǎn)生渦流，由于渦流的去磁作用使感辨頭的等效參數(shù)發(fā)生變化，由此改變振蕩回路的諧振阻抗和諧振頻率，振蕩回路損耗增大，使振蕩停止。振蕩器的振蕩信號(hào)和停振信號(hào)，經(jīng)整形放大后轉(zhuǎn)換成開關(guān)信號(hào)輸出。LC振蕩器由LC諧振回路、放大器和反饋電路構(gòu)成。按反饋方式可分為電感分壓反饋式、電容分壓反饋式和變壓器反饋式。半導(dǎo)體式停振型行程開關(guān)電路組成框圖2、示例半導(dǎo)體式停振型行程開關(guān)電路

當(dāng)振蕩器振蕩時(shí)，V2頻繁開通關(guān)斷，C4濾波，V3可靠截止。當(dāng)有金屬檢測(cè)體接近感辨頭L,使振蕩器停振時(shí)，V2關(guān)斷，V3導(dǎo)通。由C2取出的反饋電壓經(jīng)R2和R1加到晶體管V1的射極和“地”之間，取分壓比等于1，即C1=C2，其目的是為了能夠通過改變RP來(lái)整定開關(guān)的動(dòng)作距離。振蕩器輸出的正半周電壓使C3充電。負(fù)半周C3放電，選擇較大的R4可減小放電電流，由于每周內(nèi)的沖電量等于放電量，所以較大的R4也會(huì)減小充電電流，使振蕩器在正半周的負(fù)擔(dān)減輕。但是R4也不應(yīng)過大，以免V2基極信號(hào)過小而在正半周內(nèi)不足以導(dǎo)通。檢波電容C4由于充電時(shí)間常數(shù)R5C4遠(yuǎn)大于放電時(shí)間常數(shù)(C4在V2導(dǎo)通時(shí)，通過V7放電)，因此當(dāng)振蕩器振蕩時(shí)，V2的集電極電位基本等于其發(fā)射極電位并使V3可靠截止。當(dāng)有金屬檢測(cè)體接近感辨頭L使振蕩器停振時(shí)，V3的導(dǎo)通。C4的另一個(gè)作用是當(dāng)電路接通電源時(shí)，振蕩器雖不能立即起振，但由于C4上的電壓不能突變，使V3不致有瞬間的誤導(dǎo)通。4.3.3典型范例二——差動(dòng)變壓器型行程開關(guān)差動(dòng)變壓器型行程開關(guān)的感辨頭采用鐵氧體材料制成的H型鐵心中心柱上繞有勵(lì)磁繞組ω,感應(yīng)繞組ω1

和ω2及

ω3和ω4各為同極形，而兩對(duì)繞組ω1

和ω2及

ω3和ω4反極性串聯(lián)，使輸出電勢(shì)為兩邊的差動(dòng)電勢(shì).當(dāng)無(wú)檢測(cè)體時(shí)，鐵心兩側(cè)磁場(chǎng)對(duì)稱，輸出電勢(shì)，e0=e1-e2=0，當(dāng)金屬體向右側(cè)氣縫接近時(shí)，檢測(cè)體中感生的渦流對(duì)右側(cè)磁場(chǎng)產(chǎn)生去磁作用，從而使二次繞組有差動(dòng)電勢(shì)e0>0圖4-20差動(dòng)變壓器型半導(dǎo)體式接近開關(guān)電路L：高頻激勵(lì)線圈有金屬物體接近時(shí)，有差動(dòng)電勢(shì)e0>0C7是直流隔離電容，讓放大后的高頻信號(hào)e0

差動(dòng)變壓器有較高的感辨