无触点开关工作原理.docx

描述什么是无触点开关无触点开关，是一种由微控制器和电力电子器件组成的新型开关 器件，依靠改变电路阻抗值，阶跃地改变负荷电流，从而完成电路的 通断。无触点开关的主要特点是没有可运动的触头部件，导通和关断 时不出现电弧或火花，动作迅速，寿命长，可靠性高，适合防火、防 爆、防潮等特殊环境使用。无触点开关的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。无触点开关常见类型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。国I三鳄禅.庆器实现责差制矛关2.基于可控硅器件的无触点开关三端总年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。达林顿管的最大优点就是 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（0.1V）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 的安装密度。单沟道FOD070L、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。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场效应笥OCMOSFET）， 原理如图5所示，虚线框内为OCMOSFET的内部原理图。图3 0CMI3S谜:T的寞型应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。OCMOSFET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。OCMOSFET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OCMOSFET又被称为固态继电器（SSR）。a I okFMUr"土图h CHI'前等汶之路基于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、ToshibaTLP351 系列、松下 NaisAQV 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NECPS710B1A :导通电阻Ron=0.1Q（最大），负载电流IL=2.5A（最大），导通时间Ton = 5ms。低CR积型的光MOSFET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MOSFET的输出电容与接通电阻的乘积，他是评价MOSFET 特性的一个参数指标。如NECPS7200H1A :导通电阻Ron = 2.2Q, CR积为9.2pFQ，导通时间Ton=0.5ms，负载电流IL=160mA。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MOSFET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。霍尔式无触点开关的工作原理无触点开关（non eontaetswiteh靡改变电路阻抗值的变化， 阶跃地改变负荷电流，而完成电路通断的一种开关电器（见低压电 器）。无触点开关的主要特点是没有可运动的触头部件，导通和关断 时不出现电弧或火花。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，半导体无触点开关。磁放大器式无触点开关是利用磁性材料做成的。其磁放大器铁芯 上绕有交流绕组和直流绕组，改变直流绕组的直流磁化电流的大小即 可改变铁芯的磁导率，以使交流绕组的电抗值变化。电路中交流绕组 的电抗值最大时，电路的箱出电流最小;而铁芯饱和后，交流绕组的 电抗值最小，则翰出电流最大。此两种工作状态对应于电路的关断和 导通。由于带铁芯的交流绕组电抗值不可能无穷大，所以电路在高阻 状态下尚有一定的输出电流。此种无触点开关体积与重量较大，电流 转换的速度慢，已较少采用。无触点开关电路电路图6HI'前等汶之路图所示电路是无触点开关电路，由四只2ACM型磁敏二极管组 成桥式检测电路。平时无磁场时，磁敏二极管组成的电桥无信号输出;当磁铁运行到距磁敏二极管一定位置时，在磁铁磁场作用下，磁敏电 桥输出信号，该信号加在VT1的基极上，使其导通。由于R1上的压 降增高，使晶闸管VT2导通，继电器K工作，其常开触点K 一 l和K一 2闭合，指示灯点亮，控制电路接通。电路如图下图所示，C1、VD、C2、R2、C3和稳压管VS等组成半 波整流滤波及稳压电路，R4、RP、C4组成RC时间电路，与非门D、 晶体管VT和双向晶闸管V等组成无触点开关电路。当按钮开关SB 断开时，电源经R4、RP给C4充电，a点呈高电位。与非门D输出 低电位，晶体管VT截止。此时，晶闸管关断，负载不得电。当按下按钮SB时，电容C4迅速经R3放电，a点呈低电位，与 排门D翻转，输出高电位，晶体管VT导通，同时触发双向晶闸管V 导通，负载得电工作。松开按钮SB，延时开始。电源重新经R4、RP 给C4充电，a点电位逐步上升，当达到与非门D的开门电平时，D 翻转，VT截止，V关断，负载断电，延时结束。调节RP电阻值，可让延时时间在5s50min范围变化。V应根 据电源电压和负载容量选择。D可选用C036两输入端四与非门，其 中之一即可，VS的稳压值在69V之间。该电路可实现交流负载在通电一定时间后自行关断，适用于暗室 曝光等设备。电路亘流无触点开美电路图