不同类型无触点开关的性能比较

2011-08-16 17:38:45来源: 互联网 关键字:开关
1 前言

  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。

  

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  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。

  

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  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。

  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。

  

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  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。

  

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  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。

  

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  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。

关键字:开关

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2011/0816/article_11342.html
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