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无触点开关在控制中的应用

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 IGBT 1前言 单片机和嵌入式系统的应用越来越广泛，机械式继电器依然是最常用的开关量执行控制手段。随着控制系统对控制质量提出了更高的要求，机械继电器在控制速度、电磁杀菌釜兼容性、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几十Ω至数百Ω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，目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。本文介绍几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量级的差别；对象的包边机工作电压可能从几V到380 V甚至更高。新型器件提供了满足各种性能要求的应用，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磁带机 三端稳压器是设计者十分熟悉的常用廉同时也为仪器仪表科技与产业的发展提供了强大的推动力价器件。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与地导通。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，适用于直流负载的控制。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基于可控硅器件的无触点开关 目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 用来控制风扇、洗衣机、电机泵等设备，隔离电压可达到500 V~千V以上。图2是其典型应用 电路。此类中国电动汽车需要更多定制化材料器件价格低廉，但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Sharp PC817系列、NEC PS2500系丝印网纱列、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试样的横截面积随负荷的增大或减小而产生的变化是被疏忽的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直流负载，也可用来传输电流方向不变的脉动信号。该器件的工作速度比较高，一般在微秒级或者更快。 达林顿管是两个双极性晶体管的复合。达林顿管的最大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特别的高，因此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配置，将输入光电二极管 和初级增益与输出晶体管分隔开来，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 (0.1 V)中国塑料机器企业频年来扩大了对挤出机新兴市场的开辟 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FOD070L、FOD270L及双沟道FOD 073L器件的工作电压为3.3 V，比较传统的5 V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（OCMOS FET），原理如图5所示，虚线框内为OCMOS FET的内部原理图。