无触点开关类型与应用

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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MOSFET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；OCMOSFET；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

2、控制速度、电磁兼容性、隔离性能、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3V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

3、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380V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

4、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]□$11SharpPC817系列、NECPS250

5、0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

6、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(0.1V)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3.3V或5V工作电压的低功耗特性。双沟道HCPL0730和HCPL0731光耦合器提供5V电压操作和SOIC8封装，能实现最佳的

7、安装密度。单沟道F0D070I八FOD270L及双沟道FOD073L器件的工作电压为3.3V,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,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(OCMOSEET)，原理如图5所示，虚线框内为OCMOSFET的内部原理图。图5OCMOSFET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

8、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