無觸點(diǎn)開關(guān)工作原理_無觸點(diǎn)開關(guān)電路圖 - 全文

　　什么是無觸點(diǎn)開關(guān)

　　無觸點(diǎn)開關(guān)，是一種由微控制器和電力電子器件組成的新型開關(guān)器件，依靠改變電路阻抗值，階躍地改變負(fù)荷電流，從而完成電路的通斷。無觸點(diǎn)開關(guān)的主要特點(diǎn)是沒有可運(yùn)動的觸頭部件，導(dǎo)通和關(guān)斷時不出現(xiàn)電弧或火花，動作迅速，壽命長，可靠性高，適合防火、防爆、防潮等特殊環(huán)境使用。

　　無觸點(diǎn)開關(guān)的優(yōu)點(diǎn)

　　無觸點(diǎn)開關(guān)在電磁兼容性、可靠性、安全性等方面的優(yōu)越性是觸點(diǎn)開關(guān)無法比擬的。無觸點(diǎn)開關(guān)是用可控硅來控制的，因此它是在PN結(jié)內(nèi)部完成導(dǎo)通和截流的，不會有火花，彌補(bǔ)了觸點(diǎn)開關(guān)復(fù)合時有火花的不足，避免因電流過大出現(xiàn)火花或在高電壓電路中擊穿空氣，造成誤動作。無觸點(diǎn)開關(guān)的耐高壓性也很好，如一些大型電機(jī)在起動時，由于轉(zhuǎn)子由靜止變?yōu)檗D(zhuǎn)動的慣性非常大，造成起動電流超大（基本相當(dāng)短路電流），停機(jī)時由于慣性繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，會造成非常高的電壓，無觸點(diǎn)開關(guān)便可應(yīng)用于此。

　　無觸點(diǎn)開關(guān)常見類型

　　1.以三端穩(wěn)壓器實(shí)現(xiàn)的無觸點(diǎn)開關(guān)

　　三端穩(wěn)壓器是設(shè)計(jì)者十分熟悉的常用廉價器件之一，圖1是利用三端穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)的開關(guān)電路。從控制端加入的信號決定是否將三端穩(wěn)壓器與地導(dǎo)通，若導(dǎo)通則輸出端上電，否則輸出端相當(dāng)于斷開。此電路十分簡單，也容易調(diào)試，且有多種電壓的穩(wěn)壓器供選用，適用于直流負(fù)載的控制。缺點(diǎn)是穩(wěn)壓器的管壓降使輸出電壓有所降低，不適合電池供電的設(shè)備。選用低壓差三端穩(wěn)壓器可有所改善。

　　2.基于可控硅器件的無觸點(diǎn)開關(guān)

　　目前有很多這類的器件供選擇，如意法半導(dǎo)體公司（ST）的ACS系列產(chǎn)品。該產(chǎn)品可以直接用來控制風(fēng)扇、洗衣機(jī)、電機(jī)泵等設(shè)備，隔離電壓可達(dá)到500V-1000V以上。圖2是其典型應(yīng)用電路。此類器件價格低廉，但只能用于交流負(fù)載的開關(guān)控制。

　　3.基于光耦三極管和達(dá)林頓管的無觸點(diǎn)開關(guān)

　　基于光電三極管的無觸點(diǎn)開關(guān)被稱為光電耦合器（photocoupler），其工作原理如圖3所示。當(dāng)輸入端加正向電壓時發(fā)光二極管（LED）點(diǎn)亮，光敏三極管會產(chǎn)生光電流從集電極供給負(fù)載；當(dāng)輸入端加反向電壓時，LED不發(fā)光，使光敏三極管處于截止?fàn)顟B(tài)，相當(dāng)于負(fù)載開路。該器件的工作速度比較高，一般在微秒級或者更快。從工作原理看，這類器件主要應(yīng)用于直流負(fù)載，也可用來傳輸電流方向不變的脈動信號。該器件的工作速度比較高，一般在微秒級或者更快。

　　達(dá)林頓管是兩個雙極性晶體管的復(fù)合。達(dá)林頓管的最大優(yōu)點(diǎn)就是實(shí)現(xiàn)電流的多級放大，如圖4所示；缺點(diǎn)是飽和管壓降較大。由于兩個晶體管共集電極，整個達(dá)林頓管的飽和電壓等于晶體管Q2的正向偏置電壓與晶體管Q1的飽和電壓之和，而正向偏置電壓比飽和電壓高得多，這樣整個達(dá)林頓管的飽和電壓就特別的高，因此達(dá)林頓管導(dǎo)通時的功耗較高。

　　仙童半導(dǎo)體（fairchild）的達(dá)林頓光耦合器采用隔離達(dá)林頓輸出配置，將輸入光電二極管和初級增益與輸出晶體管分隔開來，以實(shí)現(xiàn)較傳統(tǒng)達(dá)林頓光電晶體管光耦合器更低的輸出飽和電壓（0.1V）和更高的運(yùn)作速度。該公司推出5種最新產(chǎn)品，采用單及雙溝道配置，提供3.3V或5V工作電壓的低功耗特性。雙溝道HCPL0730和HCPL0731光耦合器提供5V電壓操作和SOIC8封裝，能實(shí)現(xiàn)最佳的安裝密度。單溝道FOD070L、FOD270L及雙溝道FOD073L器件的工作電壓為3.3V，比較傳統(tǒng)的5V部件，其功耗進(jìn)一步減少33%。NEC公司的芯片PS2802.1/4，PS27021，PS25021/2/4，PS25621/2等也屬于達(dá)林頓光耦合器。

　　4.基于MOS或IGBT的無觸點(diǎn)開關(guān)

　　基于MOS場效應(yīng)管的無觸點(diǎn)開關(guān)由于耦合方式不同有很多類，例如采用光電耦合方式的稱為光耦合MOS場效應(yīng)管（OCMOSFET），原理如圖5所示，虛線框內(nèi)為OCMOSFET的內(nèi)部原理圖。

　　電路內(nèi)部包括光生電壓單元，當(dāng)發(fā)光二極管點(diǎn)亮?xí)r，該單元給場效應(yīng)管的柵極電容充電，這樣就增大柵極與源極間的電壓，使MOS場效應(yīng)管導(dǎo)通，開關(guān)閉合。當(dāng)發(fā)光二極管熄滅時，光生電壓單元不再給柵極電容充電，而且內(nèi)部放電開關(guān)自動閉合，強(qiáng)制柵極放電，因此柵源電壓迅速下降，場效應(yīng)管截止，開關(guān)斷開。OCMOSFET有兩種類型：一種是導(dǎo)通型（maketype），常態(tài)下為斷開；另一種是斷開型（breaktype），常態(tài)下為導(dǎo)通。此處所指的是導(dǎo)通型。光耦合MOS場效應(yīng)管是交直流通用的，工作速度沒有光電耦合器快，為毫秒級，它的輸出導(dǎo)通特性與輸入電流參數(shù)無關(guān)。OCMOSFET可以以弱控強(qiáng)，以毫安級的輸入電流驅(qū)動安級的電流。由于場效應(yīng)管可以雙向?qū)?、?dǎo)通電阻低的特征，它主要用于中斷交流信號，如圖5所示，因此OCMOSFET又被稱為固態(tài)繼電器（SSR）。

　　基于MOS場效應(yīng)管的無觸點(diǎn)開關(guān)器件很多，如日本電氣公司（NEC）的PS7200系列、ToshibaTLP351系列、松下NaisAQV系列均屬于此類。通常低導(dǎo)通電阻型適用于負(fù)載電流較大的場合，例如NECPS710B1A：導(dǎo)通電阻Ron=0.1Ω（最大），負(fù)載電流IL=2.5A（最大），導(dǎo)通時間Ton=5ms。低CR積型的光MOSFET適用于需要切換高速信號的場合，如測量儀表的測試端等。所謂CR積指的是輸出級MOSFET的輸出電容與接通電阻的乘積，他是評價MOSFET特性的一個參數(shù)指標(biāo)。如NECPS7200H1A：導(dǎo)通電阻Ron=2.2Ω，CR積為9.2pF·Ω，導(dǎo)通時間Ton=0.5ms，負(fù)載電流IL=160mA。

　　絕緣柵雙極晶體管IGBT的結(jié)構(gòu)如圖6所示。這種結(jié)構(gòu)使IGBT既有MOSFET可以獲得較大直流電流的優(yōu)點(diǎn)，又具有雙極型晶體管較大電流處理能力、高阻塞電壓的優(yōu)點(diǎn)。這種器件可以連接在開關(guān)電路中，就像NPN型的雙極型晶體管，兩者顯著的區(qū)別在于IGBT不需要通過門極電流來維持導(dǎo)通。

　　霍爾式無觸點(diǎn)開關(guān)的工作原理

　　無觸點(diǎn)開關(guān)（non一eontaetswiteh）靠改變電路阻抗值的變化，階躍地改變負(fù)荷電流，而完成電路通斷的一種開關(guān)電器（見低壓電器）。無觸點(diǎn)開關(guān)的主要特點(diǎn)是沒有可運(yùn)動的觸頭部件，導(dǎo)通和關(guān)斷時不出現(xiàn)電弧或火花。無觸點(diǎn)開關(guān)分為磁放大器式無觸點(diǎn)開關(guān)，電子管、離子管式無觸點(diǎn)開關(guān)，半導(dǎo)體無觸點(diǎn)開關(guān)。

　　磁放大器式無觸點(diǎn)開關(guān)是利用磁性材料做成的。其磁放大器鐵芯上繞有交流繞組和直流繞組，改變直流繞組的直流磁化電流的大小即可改變鐵芯的磁導(dǎo)率，以使交流繞組的電抗值變化。電路中交流繞組的電抗值最大時，電路的箱出電流最小;而鐵芯飽和后，交流繞組的電抗值最小，則翰出電流最大。此兩種工作狀態(tài)對應(yīng)于電路的關(guān)斷和導(dǎo)通。由于帶鐵芯的交流繞組電抗值不可能無窮大，所以電路在高阻狀態(tài)下尚有一定的輸出電流。此種無觸點(diǎn)開關(guān)體積與重量較大，電流轉(zhuǎn)換的速度慢，已較少采用。

　　無觸點(diǎn)開關(guān)電路圖

　　電路圖一：

　　圖所示電路是無觸點(diǎn)開關(guān)電路，由四只2ACM型磁敏二極管組成橋式檢測電路。平時無磁場時，磁敏二極管組成的電橋無信號輸出;當(dāng)磁鐵運(yùn)行到距磁敏二極管一定位置時，在磁鐵磁場作用下，磁敏電橋輸出信號，該信號加在VT1的基極上，使其導(dǎo)通。由于R1上的壓降增高，使晶閘管VT2導(dǎo)通，繼電器K工作，其常開觸點(diǎn)K一l和K一2閉合，指示燈點(diǎn)亮，控制電路接通。

　　電路圖二：

　　如圖下圖所示，C1、VD、C2、R2、C3和穩(wěn)壓管VS等組成半波整流濾波及穩(wěn)壓電路，R4、RP、C4組成RC時間電路，與非門D、晶體管VT和雙向晶閘管V等組成無觸點(diǎn)開關(guān)電路。當(dāng)按鈕開關(guān)SB斷開時，電源經(jīng)R4、RP給C4充電，a點(diǎn)呈高電位。與非門D輸出低電位，晶體管VT截止。此時，晶閘管關(guān)斷，負(fù)載不得電。

　　當(dāng)按下按鈕SB時，電容C4迅速經(jīng)R3放電，a點(diǎn)呈低電位，與排門D翻轉(zhuǎn)，輸出高電位，晶體管VT導(dǎo)通，同時觸發(fā)雙向晶閘管V導(dǎo)通，負(fù)載得電工作。松開按鈕SB，延時開始。電源重新經(jīng)R4、RP給C4充電，a點(diǎn)電位逐步上升，當(dāng)達(dá)到與非門D的開門電平時，D翻轉(zhuǎn)，VT截止，V關(guān)斷，負(fù)載斷電，延時結(jié)束。

　　調(diào)節(jié)RP電阻值，可讓延時時間在5s~50min范圍變化。V應(yīng)根據(jù)電源電壓和負(fù)載容量選擇。D可選用C036兩輸入端四與非門，其中之一即可，VS的穩(wěn)壓值在6~9V之間。

　　該電路可實(shí)現(xiàn)交流負(fù)載在通電一定時間后自行關(guān)斷，適用于暗室曝光等設(shè)備。

　　電路圖三：