无触点开关工作原理

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。

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，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。

霍尔式无触点开关的工作原理

无触点开关（non一eontaetswiteh）靠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。