无触点开关

概述

　　无触点开关分为磁放大器式无触点开关，电子管、离子管式无触点开关和半导体无触点开关。各种无触点开关的内部结构不同，开关特性也有所不同，详细了解每种类型的内部开关原理以及开关特性，有利于开发人员根据控制系统的要求选择合适的无触点开关。磁放大器式无触点开关体积与重量较大且电流转换速度慢，已较少采用；电子管、离子管式无触点开关由于电子管、离子管的功率不能做得很大，在实际应用中受到了很大的限制，也已较少使用。

　　半导体无触点开关是借电路中半导体器件的可控导通性来实现电路通断的一种开关电器。它是20世纪50年代后发展起来的一种开关，可用晶体管或晶闸管组成，由于晶体管受到功率的限制，大都采用晶闸管及其控制电路组成。半导体无触点开关的优点是：电流可以做得较大，耐反压值高，控制门极功耗小，导通和关断时间短，工作寿命长，环境适应性好，工作效率高等。 例如，对有触点的接触器，操作频率高于36次/h以上时就很困难了，但对半导体式无触点开关则操作频率每小时可达数万次至数十万次以上。

优点

　　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触点开关无法比拟的。无触点开关是用可控硅来控制的，因此它是在PN结内部完成导通和截流的，不会有火花，弥补了触点开关复合时有火花的不足，避免因电流过大出现火花或在高电压电路中击穿空气，造成误动作。无触点开关的耐高压性也很好，如一些大型电机在起动时，由于转子由静止变为转动的惯性非常大，造成起动电流超大(基本相当短路电流)，停机时由于惯性继续运转，会造成非常高的电压，无触点开关便可应用于此。

常见类型

　　1.以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常用廉价器件之一，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可有所改善。

　　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500V-1000V以上。图2是其典型应用电路。此类器件价格低廉，但只能用于交流负载的开关控制。

　　3.基于光耦三极管和达林顿管的无触点开关

　　基于光电三极管的无触点开关被称为光电耦合器（photocoupler），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。该器件的工作速度比较高，一般在微秒级或者更快。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。达林顿管的优点就是实现电流的多级放大，如图4所示；缺点是饱和管压降较大。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) 和更高的运作速度。该公司推出5种产品，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5 V电压操作和SOIC8封装，能实现的安装密度。单沟道FOD070L、FOD270L及双沟道FOD 073L器件的工作电压为3.3V，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。

　　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。

　　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，因此栅源电 压迅速下降，场效应管截止，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。此处所指的是导通型。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，它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，它主要用于中断交流信号，如图5所示，因此OCMOS FET又被称为固态继电器（SSR）。

　　基于MOS场效应管的无触点开关器件很多，如日本电气公司（NEC）的 PS7200系列、Toshi ba TLP351系列、松下Nais AQV系列均属于此类。通常低导通电阻型适用于负载电流较大的场合，例如NEC PS710B1A：导通电阻Ron = 0.1Ω()，负载电流IL=2.5 A（），导通时间Ton=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=2.2 Ω，CR积为9.2 pF·Ω，导通时间Ton=0.5 ms，负载电流IL =160 mA。

　　绝缘栅双极晶体管IGBT的结构如图6所示。这种结构使IGBT既有MOS FET可以获得较大直流电流的优点，又具有双极型晶体管较大电流处理能力、高阻塞电压的优点。这种器件可以连接在开关电路中，就像NPN型的双极型晶体管，两者显著的区别在于IGBT不需要通过门极电流来维持导通。