第2章无触点开关

1、第九节第九节 无触点开关无触点开关晶体管开关晶体管开关光电开关光电开关接近开关接近开关固态继电器固态继电器双稳态触发器双稳态触发器 数字电路中的晶体二极管、三极管和MOS管工作在开关状态。 导通状态：相当于开关闭合截止状态：相当于开关断开。 (1) 静态特性： 断开时，开关两端的电压不管多大，等效电阻ROFF = 无穷，电流IOFF = 0。 闭合时，流过其中的电流不管多大，等效电阻RON = 0，电压UAK = 0。 (2) 动态特性：开通时间 ton = 0 关断时间 toff = 0 理想开关的开关特性： 客观世界中，没有理想开关。刀开关、继电器、接触器等的静态特性十分接近理想开关，但动

2、态特性很差，无法满足数字电路一秒钟开关几百万次乃至数千万次的需要。半导体二极管、三极管和MOS管做为开关使用时，其静态特性不如机械开关，但动态特性很好。（一）（一） 二极管的开关特性二极管的开关特性 静态特性及开关等效电路正向导通时UD(ON)0.7V（硅） 0.3V（锗）RD几 几十相当于开关闭合 二极管的伏安特性曲线反向截止时反向饱和电流极小反向电阻很大（约几百k）相当于开关断开 二极管的伏安特性曲线二极管的开关等效电路(a) 导通时 (b) 截止时 二极管的伏安特性曲线开启电压理想化伏安特性曲线（二）（二） 三极管的开关特性三极管的开关特性 1、静态特性及开关等效电路在数字电路中，三极管

3、作为开关元件，主要工作在饱和和截止两种开关状态，放大区只是极短暂的过渡状态。图2-3三极管的三种工作状态（a）电路 （b）输出特性曲线开关等效电路(1) 截止状态 条件：发射结反偏特点：电流约为0 (2)饱和状态条件：发射结正偏，集电结正偏特点：UBES=0.7V，UCES=0.3V/硅三极管开关等效电路(a) 截止时 (b) 饱和时2. 三极管的开关时间（动态特性） 三极管的开关时间 开启时间ton 上升时间tr延迟时间td关闭时间toff下降时间tf存储时间ts二、接近开关二、接近开关接近开关外形接近开关外形 接近开关外形接近开关外形 接近开关外形接近开关外形1I1H传感器激励线圈(a)(

4、b)2H2I被测金属导体传感器激励电流背景知识背景知识1：电涡流效应：电涡流效应根据法拉第电磁感应根据法拉第电磁感应原理原理, 块状金属导体块状金属导体置于变化的磁场中或置于变化的磁场中或在磁场中作切割磁力在磁场中作切割磁力线运动时线运动时, 导体内将导体内将产生呈涡旋状的感应产生呈涡旋状的感应电流电流, 此电流叫电涡此电流叫电涡流流, 以上现象称为电以上现象称为电涡流效应。涡流效应。 根据法拉第定律，当传感器线圈通以根据法拉第定律，当传感器线圈通以正弦交变电流正弦交变电流I1时，线圈周围空间必然产时，线圈周围空间必然产生正弦交变磁场生正弦交变磁场H1，使置于此磁场中的金，使置于此磁场中的金属

5、导体中感应电涡流属导体中感应电涡流I2，I2又产生新的交又产生新的交变磁场变磁场H2。根据愣次定律，根据愣次定律， H2的作用将反抗原的作用将反抗原磁场磁场H1，由于磁场，由于磁场H2的作用，涡流要消耗的作用，涡流要消耗一部分能量，导致传感器线圈的等效阻抗一部分能量，导致传感器线圈的等效阻抗发生变化。发生变化。 线圈阻抗的变化完全取决于被测金线圈阻抗的变化完全取决于被测金属导体的电涡流效应。属导体的电涡流效应。电涡流效应演示电涡流效应演示 当电涡流线当电涡流线圈与金属板的距圈与金属板的距离离x 减小时，电减小时，电涡流线圈的等效涡流线圈的等效电感电感L 减小，等减小，等效电阻效电阻R 增大。增

6、大。感抗感抗XL 的变化比的变化比 R 的变化的变化 大大 得得 多，流过电涡流多，流过电涡流线圈的电流线圈的电流 i1 增增大。大。 根据电涡流效应制成的传感器称为根据电涡流效应制成的传感器称为电涡电涡流式传感器流式传感器。 电涡流式传感器最大的特点是能对位移电涡流式传感器最大的特点是能对位移、厚度、表面温度、速度、厚度、表面温度、速度、 应力、材料损应力、材料损伤等进行非接触式连续测量。伤等进行非接触式连续测量。 另外还具有体积小另外还具有体积小, 灵敏度高灵敏度高, 频率响应频率响应宽等特点宽等特点, 应用极其广泛。应用极其广泛。 涡流传感器应用涡流传感器应用无损探伤无损探伤原理裂纹检测

7、，缺陷造成涡流变化。火车轮检测火车轮检测油管检测油管检测安检门演示安检门演示当有金属物体穿当有金属物体穿越安检门时报警越安检门时报警测量封口机工作间隙测量封口机工作间隙间隙越大，间隙越大，电涡流越小电涡流越小背景知识背景知识2：正弦波振荡电路：正弦波振荡电路振荡电路振荡电路被测物体被测物体 感应电极感应电极被测电容被测电容测量头构成电容器的一个极板，测量头构成电容器的一个极板，另一个极板是物体本身，当物体另一个极板是物体本身，当物体移向接近开关时，物体和接近开移向接近开关时，物体和接近开关的介电常数发生变化，使得和关的介电常数发生变化，使得和测量头相连的电路状态也随之发测量头相连的电路状态也随

8、之发生变化生变化. .接近开关的检测物体，接近开关的检测物体，并不限于金属导体，也可以是绝并不限于金属导体，也可以是绝缘的液体或粉状物体。缘的液体或粉状物体。电容式接近开关电容式接近开关接近开关的符号接近开关的符号 光电开关是一种利用感光元件对光电开关是一种利用感光元件对变化的变化的入射光入射光加以接收，并进行光电转换，同时加加以接收，并进行光电转换，同时加以某种形式的放大和控制，从而以某种形式的放大和控制，从而获得最终的获得最终的控制输出控制输出“开开”、 “关关”信号信号的器件。的器件。 三、光电开关三、光电开关光电开关的结构和分类光电开关的结构和分类 光电开关可分为：光电开关可分为： 遮

9、断型遮断型和和反射型反射型两大类。两大类。 发光元件发光元件窗窗接收元件接收元件壳体壳体导线导线(a)当不透明的物体位于当不透明的物体位于或经过它们之间时，或经过它们之间时， 会阻断光路，使接收会阻断光路，使接收元件接收不到来自发元件接收不到来自发光元件的光。光元件的光。 遮断式的光电开关遮断式的光电开关它的发光元件和接收元件的光轴是重合的。它的发光元件和接收元件的光轴是重合的。 发光元件和接收元件的光轴在同一平发光元件和接收元件的光轴在同一平面且以某一角度相交，交点一般即为待测面且以某一角度相交，交点一般即为待测物所在处。物所在处。反射式的光电开关接收元件接收元件发光元件发光元件壳体壳体导线

10、导线反射物反射物当有物体经过时当有物体经过时, , 接接收元件将接收到从物收元件将接收到从物体表面反射的光体表面反射的光, , 没没有物体时则接收不到。有物体时则接收不到。 光电开关外形光电开关外形遮断型光电开关示意图遮断型光电开关示意图遮断报警遮断报警遮断式光电开关原理遮断式光电开关原理ObjectReceiver 遮断式光电开关遮断式光电开关由相互分离且相对安由相互分离且相对安装的光发射器和光接装的光发射器和光接受器组成。当被检测受器组成。当被检测物体位于发射器和接物体位于发射器和接受器之间时，光线被受器之间时，光线被阻断，接受器接受不阻断，接受器接受不到红外线而产生开关到红外线而产生开关

11、信号。信号。被检测物体光发射器光接收器光电开关在流水线上光电开关在流水线上的应用的应用送料器定区域式光电开关定区域式光电开关咖啡罐咖啡罐流水线运行方向流水线运行方向罐装高度检测罐装高度检测储料仓储料仓落料口落料口遮断式光电开关遮断式光电开关（计数）（计数）被测物漫反射型光电开关原理被测物漫反射型光电开关原理漫反射光线反射光线被检测物体光发射器和光接受器发射光线 当被测物当被测物体经过该光电体经过该光电开关时，发射开关时，发射器发出的光线器发出的光线经被测物体表经被测物体表面反射由接受面反射由接受器接受，于是器接受，于是产生开关信号。产生开关信号。额定距离额定距离漫反射型漫反射型光电开关的应用光

12、电开关的应用反射型光电开关外形反射型光电开关外形电源电源指示指示信号信号指示指示反射型光电开关外形反射型光电开关外形（续）（续）灵敏度调节电位器灵敏度调节电位器触发器按逻辑功能可分为：触发器按逻辑功能可分为：双稳态触发器、双稳态触发器、单稳态触发器、单稳态触发器、无稳态触发器（多谐振荡器）。无稳态触发器（多谐振荡器）。双稳态触发器有：双稳态触发器有：RS触发器触发器、JK触发器触发器、D触发器、触发器、T触发器触发器等。等。 四、双稳态触发器四、双稳态触发器DRDS低电平有效低电平有效QQ直接置直接置“0”或置或置“1”不管触发器原来的不管触发器原来的状态如何。状态如何。常用的触发方式有两类：

13、常用的触发方式有两类：一、置位复位方式一、置位复位方式逻逻 辑辑 符符 号号DRDSSRCQQSDRDJKC逻辑符号逻辑符号逻辑状态表逻辑状态表J0011K0101Qn+1Qn+1 0 1QnQQ二、计数触发方式二、计数触发方式触发器逻辑功能的转换触发器逻辑功能的转换1. JK触发器转换为触发器转换为D触发器触发器DSDRDJKCQQ1Dn Qn+1 0 0 1 12. JK触发器转换为触发器转换为T触发器触发器SDRDJKCQQT T Qn+1 0 Qn 1 QnCDQQ3. D触发器转换为触发器转换为 触发器触发器T每来一个脉冲每来一个脉冲Q翻转一次翻转一次五、固态继电器 固态继电器固态继

14、电器SSR（Solid State Relay）是一种新型的无触点开关的电）是一种新型的无触点开关的电子继电器。子继电器。 它利用电子技术实现了它利用电子技术实现了控制回路与负控制回路与负载回路载回路之间的之间的电隔离电隔离和和信号耦合信号耦合，而且没，而且没有任何可动部件或触点，却能实现电磁继有任何可动部件或触点，却能实现电磁继电器的功能，故称为固态继电器。电器的功能，故称为固态继电器。 特点：特点： 它具有体积小、开关速度快、无机它具有体积小、开关速度快、无机械噪声、无抖动和回跳、寿命长等传统械噪声、无抖动和回跳、寿命长等传统继电器无法比拟的优点，在计算机控制继电器无法比拟的优点，在计算机

15、控制系统中得到广泛的应用，大有取代电磁系统中得到广泛的应用，大有取代电磁继电器之势继电器之势。 固体继电器是一种能实现固体继电器是一种能实现无触头通断无触头通断的电器的电器开关。开关。 当控制端无信号时，其主回路呈阻断状态；当控制端无信号时，其主回路呈阻断状态；当施加控制信号时，主回路呈导通状态。当施加控制信号时，主回路呈导通状态。 它利用信号光电耦合方式使控制回路与负载它利用信号光电耦合方式使控制回路与负载回路之间没有任何电磁关系，从而实现了电隔离。回路之间没有任何电磁关系，从而实现了电隔离。 从其外部状态看，固体继电器具有与电磁式从其外部状态看，固体继电器具有与电磁式继电器一样的功能。因此

16、，在有些场合，尤其在继电器一样的功能。因此，在有些场合，尤其在恶劣的工况下固体继电器可取代电磁式继电器。恶劣的工况下固体继电器可取代电磁式继电器。 SSR的输入端与晶体管、的输入端与晶体管、TTL、CMOS电电路兼容，输出端利用器件内的电子开关来接通和路兼容，输出端利用器件内的电子开关来接通和断开负载。工作时只要在断开负载。工作时只要在输入端施加一定的弱电输入端施加一定的弱电信号信号，就可以，就可以控制输出端大电流负载的通断控制输出端大电流负载的通断。 SSR的输出端可以是直流也可以是交流，分别称的输出端可以是直流也可以是交流，分别称为为直流型直流型SSR和和交流型交流型SSR。直流型。直流型

17、SSR内部的开关组件为功率三极管，交流型内部的开关组件为功率三极管，交流型SSR内部的开关组件为双向晶闸管。内部的开关组件为双向晶闸管。交流型交流型SSR按控制触发方式不同又可分为：按控制触发方式不同又可分为：过零型过零型和和移相型移相型两种，其中应用最广泛的是两种，其中应用最广泛的是过零型。过零型。 过零型过零型AC-SSR是指当输入端加入控制是指当输入端加入控制信号后，需等待负载电源电压过零时，信号后，需等待负载电源电压过零时，SSR才为导通状态；而断开控制信号后，也要等才为导通状态；而断开控制信号后，也要等待交流电压过零时，待交流电压过零时，SSR才为断开状态。才为断开状态。 移相型移相

18、型AC-SSR的断开条件同过零型的断开条件同过零型AC-SSR，但其导通条件简单，只要加入控，但其导通条件简单，只要加入控制信号，不管负载电流相位如何，立即导通。制信号，不管负载电流相位如何，立即导通。直流式固态继电器直流式固态继电器固态继电器固态继电器SSR是一个四端组件，有两个输入端、两是一个四端组件，有两个输入端、两个输出端。个输出端。VPC光电耦合器光电耦合器的作用是在输入与输出之间起信号传的作用是在输入与输出之间起信号传递作用，同时使两端在电气上完全隔离。递作用，同时使两端在电气上完全隔离。电子开关电路电子开关电路用来接通或关断直流或交流负载电源。用来接通或关断直流或交流负载电源。交

19、流式固态继电器交流式固态继电器 固态继电器固态继电器SSR是一个四端组件，有是一个四端组件，有两个输入端、两个输出端。两个输入端、两个输出端。光耦隔离电路的作用是在输入与输出之间起信号传光耦隔离电路的作用是在输入与输出之间起信号传递作用，同时使两端在电气上完全隔离。递作用，同时使两端在电气上完全隔离。控制触发电路是为后级提供一个触发信号，使电子控制触发电路是为后级提供一个触发信号，使电子开关（三极管或晶闸管）能可靠地导通开关（三极管或晶闸管）能可靠地导通电子开关电路用来接通或关断直流或交流负载电源电子开关电路用来接通或关断直流或交流负载电源。吸收保护电路的功能是为了防止电源的尖峰和浪涌吸收保护电路的功能是为了防止电源的尖峰和浪涌对开关电路产生干扰造成开关的误动作或损害，一对开关电路产生干扰造成开关的误动作或损