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
Application of Contactless Switch in Control System
ZHOU Mingzhu，WANG Wei， WANG Fuyuan
(Information Engineering College, Zhengzhou University, Zhengzh ou，450052,China)
Abstract：The article introduces some kinds of contactless sw itchIt includes voltage regulator, silicon controlled rectifier,photocoupler，MOSFET and IGBTDifferent structures have different switch charact ers The theory and character of each kind are analysed, parameters of represen tativechip are compared According to this, engineer can choose the right swi tch
Keywords：contactless swich； SCR； photocoupler；OCM OS FET；IGBT
Keywords：contactless swich； SCR； photocoupler；OCM OS 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。
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
三端稳压器是设计者十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。
2.1三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。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。
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) 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。
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。
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。本文所指的是导通型。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，他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，他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）［2］。
基于MOS场效应管的无触点开关器件很多，例如日本电气公司（NEC）的 PS7200系列、Toshi ba TLP351系列、松下Nais AQV系列。通常低导通电阻型适用于负载电流较大的场合，例如N EC PS710B1A：导通电阻Ron = 0.1Ω(最大)，负载电流IL=2.5 A（最大），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［3］的结构如图6所示。
基于MOS场效应管的无触点开关器件很多，例如日本电气公司（NEC）的 PS7200系列、Toshi ba TLP351系列、松下Nais AQV系列。通常低导通电阻型适用于负载电流较大的场合，例如N EC PS710B1A：导通电阻Ron = 0.1Ω(最大)，负载电流IL=2.5 A（最大），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［3］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不需要门极电流来维持导通。基于IGBT的无触点开关，例如Agillent HCPL3140/HCPL0314系列。
3各种无触点开关的比较
为了方便设计者选用合适的电路，表1给出了不同类型无触点开关的参考芯片，并比较了各 芯片的开关特性。
为了方便设计者选用合适的电路，表1给出了不同类型无触点开关的参考芯片，并比较了各 芯片的开关特性。
参考文献
［1］Differences between Photocoupler and Opticalcoupled MOS FETNEC 2004
［2］Bart Van ZeghbroeckPrinciples of Semiconductor Devices［M］.2004
［3］John P UyemuraA First Course in Digital Systems Design: A n Integrated Approach［M］.Brooks/cole,2000.
［2］Bart Van ZeghbroeckPrinciples of Semiconductor Devices［M］.2004
［3］John P UyemuraA First Course in Digital Systems Design: A n Integrated Approach［M］.Brooks/cole,2000.
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