[行业技术文章]无触点开关在控制中的应用

1前言

　　单片机和嵌进式系统的运用越来越普遍，机械式继电器依然是经常使用的开关执行控制手段。随着控制系统对控制提出了更高的要求，机械继电器在控制速度、电磁兼容性、隔离性能、寿命等方面往往不能知足要求。另外一方面，随着集成电路集成度的提高，电源电压小于3V的器件已很常见，尤其采用电池供电的很多便携式装备，要求低电压、低功耗的器件。此时，机械继电器已很难知足要求。

　　传统的集成模拟开关电路如ADG211系列等由于其接触电阻在几十Ω至数百Ω范围，不能知足功率器件的开关控制要求。由于半导体技术的成长，今朝已有诸多无触点开关可供设计者选用。无触点开关在电磁兼容性、靠得住性、平安性等方面的越性是机械式继电器没法对比的。本文介绍几种新型的无触点开关。由于运用领域的多样性，对分歧的运用场所，会有分歧的要求。如控制对象有直流交流之分；控制对象的负载电流、接触电阻的要求可能有若干数目级的差异；对象的工作电压可能从几V到380V甚至更高。新型器件提供了知足各类性能要求的运用，读者可以直接选用适当的器件，也能够用简单的电路实现无触点的开关控制。

　　2经常使用无触点开关

　　2.1三端稳压器实现的无触点开关

　　三端稳压器是设计者十分熟悉的经常使用廉价器件。图1是哄骗三端稳压器设计的开关电路。从控制端加进的旌旗灯号决议是否将三端稳压器与地导通。若导公例输出端上电，否则输出端相当于断开。此电路十分简单，也轻易调试，且有多种电压的稳压器供选用，适用于直流负载的控制。错误谬误是稳压器的管压降使输出电压有所下降，不适合电池供电的装备。选用低压差三端稳压器会有所改善。

　　2.2基于可控硅器件的无触点开关

　　今朝有很多这类的器件供选择，如意法半导体公司（ST）的ACS系列产物。该产物可以直接用来控制风扇、洗衣机、机电泵等装备，隔离电压可到达500V~千V以上。图2是其典型运用电路。此类器件价格低廉，可是只能用于交流负载的开关控制。

　　2.3基于光耦三极管和达林顿管用作无触点开关

　　基于光电三极管的无触点开关被称为光电耦合器（photocoupler）［1］。如SharpPC817系列、NECPS2500系列、安捷伦的HCPL260L/060L等。其工作原理如图3所示。当输进端加正向电压时发光二极管（LED）点亮，光敏三极管会发生光电流从集电极供给负载；当输进端加反向电压时，LED不发光，使光敏三极管处于截止状态，相当于负载开路。从工作原理看，这类器件主要运用于直流负载，也可用来传输电流标的目的不变的脉动旌旗灯号。该器件的工作速度比力高，一般在微秒级或更快。





　　达林顿管是两个双极性晶体管的复合。达林顿管的年夜点就是实现电流的多级放年夜，如图4所示。错误谬误就是饱和管压降较年夜。由于两个晶体管共集电极，整个达林顿管的饱和电压等于晶体管Q2的正向偏置电压与晶体管Q1的饱和电压之和，而正向偏置电压比饱和电压高得多，这样整个达林顿管的饱和电压就非凡的高，是以达林顿管导通时的功耗较高。

　　仙童半导体（fairchild）的达林顿光耦合器采用隔离达林顿输出设置装备摆设，将输进光电二极管和低级增益与输出晶体管分离隔来，以实现较传统达林顿光电晶体管光耦合器更低的输出饱和电压(0.1V)和更高的运作速度。该公司推出5种新产物，采用单及双沟道设置装备摆设，提供3.3V或5V工作电压的低功耗特征。双沟道HCPL0730和HCPL0731光耦合器提供5V电压操作和SOIC8封装，能实现好的安装密度。单沟道FOD070L、FOD270L及双沟道FOD073L器件的工作电压为3.3V，比力传统的5V部件，其功耗进一步削减33。NEC公司的芯片PS2802.1/4，PS27021，PS25021/2/4，PS25621/2等也属于达林顿光耦合器。

　　2.4基于MOS或IGBT的无触点开关

　　基于MOS场效应管的无触点开关由于耦合方式分歧有很多类，例如采用光电耦合方式的称为光耦合MOS场效应管（OCMOSFET），原理如图5所示，虚线框内为OCMOSFET的内部原理图。





　　电路内部包括光生电压单元，当发光二极管点亮时，该单元给场效应管的栅极电容充电，这样就增年夜栅极与源极间的电压，使MOS场效应管导通，开关闭合。当发光二极管熄灭时，光生电压单元不再给栅极电容充电，而且内部放电开关自动闭合，强制栅极放电，是以栅源电压迅速下降，场效应管截止，开关断开。OCMOSFET有两种类型：一种是导通型（maketype），常态下为断开；另外一种是断开型（/peaktype）；常态下为导通。本文所指的是导通型。光耦合MOS场效应管是交直畅通流畅用的，工作速度没有光电耦合器快，为毫秒级，他的输出导通特征与输进电流参数无关。OCMOSFET可以以弱控强，以毫安级的输进电流驱动安级的电流。由于场效应管可以双向导通、导通电阻低的特征，他主要用于中决绝流旌旗灯号，如图5所示，是以OCMOSFET又被称为固态继电器（SSR）［2］。

　　基于MOS场效应管的无触点开关器件很多，例如日本电气公司（NEC）的PS7200系列、ToshibaTLP351系列、松下NaisAQV系列。凡是低导通电阻型适用于负载电流较年夜的场所，例如NECPS710B1A：导通电阻Ron=0.1Ω(年夜)，负载电流IL=2.（年夜），导通时间Ton=5ms。低CR积型的光MOSFET适用于需要切换高速旌旗灯号的场所，如丈仪表的测试端等。所谓CR积指的是输出级MOSFET的输出电容与接通电阻的乘积，他是评价MOSFET特征的一个参数指标。如NECPS7200H1A：导通电阻Ron=2.2Ω，CR积为9.2pF·Ω，导通时间Ton=0.5ms，负载电流IL=160mA。尽缘栅双极晶体管IGBT［3］的结构如图6所示。



　　这类结构使IGBT既有MOSFET可以获得较年夜直流电流的点，又具有双极型晶体管较年夜电流处置能力、高阻塞电压的点。这类器件可以毗连在开关电路中，就像NPN型的双极型晶体管，两者显著的区分在于IGBT不需要门极电流来维持导通。基于IGBT的无触点开关，例如AgillentHCPL3140/HCPL0314系列。



　　3各类无触点开关的比力

　　为了利便设计者选用合适的电路，表1给出了分歧类型无触点开关的参考芯片，并比力了各芯片的开关特征。

　　参考文献

　　［1］DifferencesbetweenPhotocouplerandOpticalcoupledMOSFETNEC2004

　　［2］BartVanZegh/poeckPrinciplesofSemiconductorDevices［M］.2004

　　［3］JohnPUyemuraAFirstCourseinDigitalSystemsDesign:AnIntegratedApproach［M］./pooks/cole,2000.