不同類型無觸點(diǎn)開關(guān)的性能比較

1　前言

　　傳統(tǒng)的集成模擬開關(guān)電路如ADG211系列等由于其接觸電阻在幾十Ω至數(shù)百Ω范圍，不能滿足功率器件的開關(guān)控制要求。由于半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，目前已經(jīng)有諸多無觸點(diǎn)開關(guān)可供設(shè)計(jì)者選用。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)越性是機(jī)械式繼電器無法比擬的。本文介紹幾種新型的無觸點(diǎn)開關(guān)。由于應(yīng)用領(lǐng)域的多樣性，對不同的應(yīng)用場合，會(huì)有不同的要求。如控制對象有直流交流之分;控制對象的負(fù)載電流、接觸電阻的要求可能有若干數(shù)量級的差別;對象的工作電壓可能從幾V到380 V甚至更高。新型器件提供了滿足各種性能要求的應(yīng)用，讀者可以直接選用適當(dāng)?shù)钠骷?，也可以用簡單的電路?shí)現(xiàn)無觸點(diǎn)的開關(guān)控制。

　　2　常用無觸點(diǎn)開關(guān)

　　2.1　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(jià)器件。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(hào)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)壓器會(huì)有所改善。

　　2.2　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500 V~千V以上。圖2是其典型應(yīng)用 電路。此類器件價(jià)格低廉，但是只能用于交流負(fù)載的開關(guān)控制。

　　2.3　基于光耦三極管和達(dá)林頓管用作無觸點(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)[1]。如 Sharp PC817系列、NEC PS2500系列、安捷倫的HCPL260L/060L等。其工作原理如圖3所示。當(dāng)輸入端加正向電壓時(shí)發(fā)光二極管(LED)點(diǎn)亮，光敏三極管會(huì)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(shí)，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。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(dòng)信號(hào)。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(gè)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)就是飽和管壓降較大。由于兩個(gè)晶體管共集電極，整個(gè)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(gè)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(shí)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 (0.1 V) 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3.3 V或5 V工作電壓的低功耗特性。雙溝道HCPL0730和 HCPL0731光耦合器提供5 V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FOD 073L器件的工作電壓為3.3 V，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。