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霍尔式无触点开关分析和优点剖析

返回列表 来源:华芯霍尔元件 浏览:0 发布日期:2018-12-04 16:23:29【

 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。

  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元器件,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场效应管(OCMOSFET),原理如图5所示,虚线框内为OCMOSFET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。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)。

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=0.1Ω(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=2.2Ω,CR积为9.2pF·Ω,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。

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