光耦继电器的典型控制电路！-先进光半导体

    机械式继电器的缺陷是灵敏度差、存在动作噪音以及开关次数多影响寿命等问题，上期介绍了PhotoMOS继电器的基本原理和优良特性，本文介绍光耦继电器控制电路的特点、结构和典型电路，以及确保可靠使用的注意事项。图1：FET型半导体继电器的基本电路。

    图1表示FET型半导体继电器是一种最基本的电路。该电路因输出元件的功率MOSFET是电压驱动型元件，因此，由于光电二极体阵列(P.D.A)供给的电压，而栅极电容器被充电，透过使栅极电压上升到开启电压值(门槛电压)，就可使继电器动作。

    但是，要想使继电器复位，就必须相反地使栅极所充的电荷尽快放电。在图1所示的电路中，恢复时间过长，因此不可能被继电器使用。

    光电元件内建式控制电路！

    PhotoMOS继电器透过图2所示的光电元件中内建的控制电路来解决上述问题。该控制电路对于达到动作时间与恢复时间保持良好平衡的开关特性、以及对输入LED电流的高灵敏度特性，起到了最重要的作用。

    光电元件内建式控制电路如图3(a)到(c)所示。这些电路的简单说明如下：

    (a)图的控制电路图2：PhotoMOS继电器的等效电路。

    该控制电路是基本型控制电路。为了加速切断时间，切断时要使输出MOS的栅极电容器放电，在栅极和源极间连接固定电阻。但在导通时，为对输出MOS的栅极电容器进行充电，来自它的光电二极体(P.D.A)的光电流经由该电阻而泄漏，因此，导通时间就会变长。

    另外，如图4所示，输出电流对输入电流的变化也在平稳地产生变化，因此，存在著切换元件要求的速动性较差、而温度变化造成的特性变动也较大等缺点。

    (b)图的控制电路

    该电路的速动性与(a)电路相较较好一些，但输出MOS的栅极和源极间插入的电晶体是常开型的，因此，抗外来干扰的能力变弱。

    (c)图的控制电路

    该电路作为放电电路，使用了常闭型(N.C.)的元件，因此，切断时输出MOS的电荷可以快速放电。另外，导通时该元件透过第2光电二极体阵列被偏置到处于开放状态，由于第1光电二极体阵列的光电流高效率地传送到输出MOS的栅极上，因此与(a)的电路相较，导通时间也会变短。

    透过该N.C.元件，速动性也得到大幅度改善。但是，需要2列光电二极体阵列是它的缺点。图3：FET型半导体继电器的控制电路示例。

    新控制电路的原理！

    上述电路各有利弊，为了製造出高性能(高灵敏度、快速、抗干扰)且低成本的继电器，在PhotoMOS继电器中配置了如图5所示的新开发的电路结构的光电元件。

    在该电路中，与输入LED进行光耦合的光电二极体阵列，接受输入讯号发光产生的光电流，透过偏置电阻使N.C.元件处于开放状态。这样同时具备(c)电路中第2光电二极体阵列的作用。

    另外，与图3(c)的电路相同，透过採用N.C.元件，当无输入讯号时，功率MOS的栅极源极间出现短路，抗外来干扰能力较强，同时如图4所示，也可进一步达到良好的速动性。图4：继电器的切换特性。

    透过旁路元件，使偏置电阻两端的电位下降控制在一定阈值以下，与偏置电阻的大小无关，起到使光电流高效率流入电路的作用。该旁路元件插入电路的情况及相反的情况下的输入电流-动作时间的特性如图6所示。

    由图6得知，无旁路元件时，即使增加输入电流，光电流也受偏置电阻限制，动作时间可处于饱和状态。对此，当有分路元件时，出现动作时间跟随输入电流量的情况，也可适应高速动作的需求。

    光耦继电器的使用注意事项图5：新开发的控制电路。

    PhotoMOS继电器的可靠性，是由元件自身具有的应力耐性，如对电应力、热应力、机械性应力、湿气侵入等外部应力的承受程度来决定的。因此，如果元件结构即使有一部份较薄弱，应力造成的反应也会使该部份执行异常，造成重大故障。

    为了确保PhotoMOS继电器的可靠使用，要考虑会加速引发故障的外部应力---环境因素。环境因素通常是错综複杂的。例如：腐蚀造成断线就是因温度和湿度两种因素引起的。应力可分为自然环境因素和人为因素两种情况。自然环境因素有温度、湿度、气压、盐份、雷击造成的过电压衝击等。其中温度和湿度是最重要的因素。下面是使用过程应该注意的事项。

    1.一般情况下，温度升高会使化学反应速度加速，因此，作为主要故障的机械性故障会由于升温而加速。实际使用中，除该环境温度外，也需要考虑到电力消耗带来的自身发热和因此而造成的温度变化。温度变化使热膨胀率不同的物质的接合部上产生畸变应力，反覆出现会引起疲劳，造成气体密封部位密封不良、晶片焊接接合不良、焊丝断开等。另外，断断续续使用时，必须考虑使用器械或元件自身的发热施加在元件上的温度变化造成的影响。图6：继电器的动作时间的输入电流特性。

    2.湿度主要是吸附在物体表面而提高表面的电导率，增大泄漏电流，引起产品特性不良、动作不良，同时，还促进化学及电化学的反应而产生金属腐蚀。PhotoMOS继电器採用了改良树脂材料进行封装，已达到不逊色于气体密封的状态，通常使用中几乎不会出现湿度变化引起的问题。

    3.人为因素造成的损坏也要注意。例如要避免在搬运装载过程中、电路板的超声波清洗中、产生摔落过程中、安装时的掉落衝击的振动引起的破坏。印刷电路板焊锡时的加热和焊锡过程也要按照规定的製程进行。

    4.超出产品规格的最大额定是使用不当的一种常见情况。例如：超过额定电压使用、超过额定负载使用等等。建议在使用之前，认真阅读厂商提供的光耦继电器使用中的事故与故障模式。

　　先进光半导体由南方先进联合日本归国华侨杨振林博士团队合资成立，以南方先进为主要投资方、杨博士团队为技术核心的一家专业从事光电器件、光耦合器、光耦继电器等光电集成电路以及光电驱动等产品，研发团队涵盖设计、制造、销售和服务的高新技术企业，先进光半导体拥有先进的光电器件全自动生产线，具有年产8000万只光电光耦器件的生产能力。现阶段先进光半导体的光耦继电器、光耦合器等主要产品用于：蓄电系统．智能电表．自动检测设备．电信设备．测量仪器．医疗设备．通信设备．PC端．安防监控．O/A设备．PLC控制器．I/O控制板等，依托于光半导体综合的设计技术和芯片制造技术优势，先进光半导体期望在有广阔发展前景的光电控制领域深耕，逐步提升产品的技术附加值，扩充技术含量更高的产品线。