无触点开关类型与应用

1、无触点开关类型与应用摘 要：主要介绍无触点开关的几种类型。包括基于三端稳压器实现、可控硅、光电耦合器、 基于mos fet或绝缘栅双极晶体管igbt实现的4种无触点开关类型。各种无触点开关的内 部结构不同，开关特性也有所不同。详细分析了每种类型的内部开关原理以及开关特性，并 比较了几种代表性芯片的参数，以供开发人员根据控制系统的要求选择合适的无触点开关。关键词：无触点开关；可控硅；光电耦合器；ocmos fet； igbt1前言单片机和嵌入式系统的应用越來越广泛，机械式继电器依然是最常用的开关暈执行控制 手段。随着控制系统対控制质量提出了更高的要求，机械继电器在控制速度、电磁兼容性、 隔离性能

2、、寿命等方面往往不能满足要求。另一方面，随着集成电路集成度的提高，电源电 压小于3 v的器件已很常见，尤其采用电池供电的很多便携式设备，要求低电压、低功耗 的器件。此时，机械继电器已经很难满足要求。传统的集成模拟开关电路如adg211系列等由于其接触电阻在儿十q至数百q范围， 不能满足功率器件的开关控制要求。由于半导体技术的发展，日前已经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、可靠性、安全性等方面的优越性是机械式继电器 无法比拟的。木文介绍儿种新型的无触点开关。由于应用领域的多样性，对不同的应用场合, 会有不同的要求。如控制对彖有直流交流z分；控制对象的负载电流、接触电阻的要

3、求可能 有若干数量级的差別；对象的工作电压可能从几v到380 v甚至更高。新型器件提供了满足 各种性能耍求的应用，读者可以直接选用适当的器件，也可以用简单的电路实现无触点的开 关控制。？2常用无触点开关2.1三端稳压器实现的无触点开关三端稳压器是设计者i分熟悉的常用廉价器件。图1是利用三端稳压器设计的开关电 路。从控制端加入的信号决定是否将三端稳压器耳地导通。若导通则输出端上电，否则输出 端相当于断开。此电路十分简单，也容易调试，且有多种电压的稳压器供选用，适用于克流 负载的控制。缺点是稳压器的管压降使输出电压有所降低，不适合电池供电的设备。选用低 压差三端稳压器会有所改善。2.2基于可控硅器

4、件的无触点开关日前有很多这类的器件供选择，如意法半导体公司(st)的acs系列产品。该产品可以 直接用來控制风扇、洗衣机、电机泵等设备，隔离电压可达到500厂千v以上。图2是其 典型应用电路。此类器件价格低廉，但是只能用于交流负载的开关控制。图2基于可独处器伸的无触点幵关的典疫总用电珞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 $11 sharp pc817 系列、nec ps2500系列、安捷伦的hcpl260l/060l等。其工作原理如图3所示。当输入端 加正向电压时发光二极管(led)点亮，光敏三极管会产生光电流

5、从集电极供给负载；当输 入端加反向电压时，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，这类器件主要应用于有流负载，也町用来传输电流方向不变的脉动信号。该器件的丄 作速度比较高，一般在微秒级或者更快。图3方液的传運田达林顿管是两个双极性晶体管的复介。达林顿管的最人优点就是实现电流的多级放大, 如图4所示。缺点就是饱和管压降较大。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z和，而止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特别的高，因此达林顿管导通时的功耗较高。eimiier田4达林锁管的寻伙电珞仙

6、童半导体(fairchild)的达林顿光耦合器采用隔离达林顿输出配置，将输入光电二 极管和初级增益与输岀晶体管分隔开來，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. 1 v)和更高的运作速度。该公司推出5种最新产品，采用单及双沟道配 置,提供3. 3 v或5 v工作电压的低功耗特性。双沟道hcpl0730和hcpl0731光耦合器提 供5 v电压操作和soic8封装，能实现最佳的安装密度。单沟道f0d070i八fod270l及双沟 道fod 073l器件的工作电压为3.3 v,比较传统的5v部件，其功耗进一步减少33%。nec 公司的芯片ps2802. 1/4, ps2702

7、1, 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不同冇很多类，例如采用光电耦合方式的 称为光耦合mos场效应管(ocmos eet)，原理如图5所示，虚线框内为ocmos fet的内部 原理图。图5 ocmos fet的典強直用电路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, 这样就增大栅极与源极间的电压，使mos场效应管导通，开关闭合。当发光二极管熄火时, 光牛电压单元不再给栅极电容充电，而且内部放电开关口动闭合，强制栅极放电，因此栅源 电压迅速下降，场

8、效应管截止，开关断开。ocmos fet有两种类型：一种是导通型(maketype), 常态下为断开；另一种是断开型(breaktype)；常态下为导通。本文所指的是导通型。光 耦合mos场效应管是交直流通用的，工作速度没有光电耦合器快，为毫秒级，他的输出导通 特性与输入电流参数无关。ocmos fet可以以弱控强，以毫安级的输入电流驱动女级的电流。由于场效应管可以双向导通、导通电阻低的特征，他主要用于屮断交流信号，如图5所示, 因此ocmos fetx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，例如口本电气公司（nec）的ps7200系列、 toshi ba tl

9、p351系列、松下nais aqv系列。通常低导通电阻型适用于负载电流较大的场 合,例如n ec ps710b1a：导通电阻ron = 0. 1 q （最大）,负载电流il=2. 5 a （最大），导 通时间ton二5 ms。低cr积型的光mos fet适用于需要切换高速信号的场合，如测量仪表的 测试端等。所谓cr积指的是输出级mos fet的输出电容与接通电阻的乘积，他是评价mos fet 特性的一个参数指标。如necps7200h1a：导通电阻ron二2. 2 q , cr积为9. 2 pf q ,导通 时间ton=0. 5 ms,负载电流tl =160 ma。绝缘栅双极晶体管tgbt 3

10、的结构如图6所示。图6 1gbt的爭效电越这种结构使igbt既有mos fet可以获得较人直流电流的优点，乂具有双极型晶体管较 大电流处理能力、高阻寒电压的优点。这种器件可以连接在开关电路屮，就像npn型的双极 型品体管,两者显著的区別在于igbt不需要门极电流来维持导通。基于igbt的无触点开关, 例如 agillent hcpl3140/hcpl0314 系列。各种无触点开关的比较为了方便设计者选用合适的电路，表1给出了不同类型无触点开关的参考芯片，并比较 了各种芯片的开关特性。>1不同矣显无滋点开关的芯片及特性比较追从贰膏ocmcs fetocmos-fetigbt他何电汛/a触发电洩/d/rnav导迢电糧 心/nj文说0.810(m