中心論題：
- 介紹FET型半導(dǎo)體繼電器和光電元件內(nèi)置式控制電路的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及性能比較
- 介紹PhotoMOS繼電器中新開發(fā)的控制電路原理及性能
- 詳細(xì)介紹PhotoMOS繼電器的使用注意事項(xiàng)
解決方案：
- 利用與輸入LED進(jìn)行光耦合的光電二極管陣列實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通時(shí)間的有效減少
- 通過采用N.C.元件增強(qiáng)抗外來干擾能力
- 通過旁路元件使光電流高效率流入電路中
機(jī)械式繼電器的缺陷是靈敏度差、存在動(dòng)作噪聲以及開關(guān)次數(shù)多影響壽命等問題，本文介紹PhotoMOS繼電器控制電路的特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)和典型電路，以及確保可靠使用的注意事項(xiàng)。
圖1 FET型半導(dǎo)體繼電器的基本電路
圖1表示FET型半導(dǎo)體繼電器是一種最基本的電路。該電路因輸出元件的功率MOSFET是電壓驅(qū)動(dòng)型元件，因此，由于光電二極管陣列(P.D.A)供給的電壓，而柵極電容被充電，通過使柵極電壓上升到開啟電壓值(門檻電壓)，就可使繼電器動(dòng)作。
但是，要想使繼電器復(fù)位，就必須相反地使柵極所充的電荷盡快放電。在圖1所示的電路中，恢復(fù)時(shí)間過長，因此不可能被繼電器使用。
光電元件內(nèi)置式控制電路
PhotoMOS繼電器通過圖2所示的光電元件中內(nèi)置的控制電路來解決上述問題。該控制電路對于達(dá)到動(dòng)作時(shí)間與恢復(fù)時(shí)間保持良好平衡的開關(guān)特性、以及對輸入LED電流的高靈敏度特性，起到了最重要的作用。
圖2 PhotoMOS繼電器的等效電路
光電元件內(nèi)置式控制電路如圖3(a)到(c)所示。這些電路的簡單說明如下：
圖3 FET型半導(dǎo)體繼電器的控制電路示例
(a) 圖的控制電路
該控制電路是基本型控制電路。為了加快關(guān)斷時(shí)間，關(guān)斷時(shí)要使輸出MOS的柵極電容放電，在柵極和源極間連接固定電阻。但在導(dǎo)通時(shí)，為對輸出MOS的柵極電容進(jìn)行充電，來自它的光電二極管(P.D.A)的光電流通過該電阻而泄漏，因此，導(dǎo)通時(shí)間就會(huì)變長。
另外，如圖4所示，輸出電流對輸入電流的變化也在平穩(wěn)地發(fā)生變化，因此，存在著切換元件要求的速動(dòng)性較差、而溫度變化造成的特性變動(dòng)也較大等缺點(diǎn)。
圖4 繼電器的切換特性
(b)圖的控制電路
該電路的速動(dòng)性與(a)電路相比較好一些，但輸出MOS的柵極和源極間插入的晶體管是常開型的，因此，抗外來干擾的能力變?nèi)酢?/p>
(c)圖的控制電路
該電路作為放電電路，使用了常閉型(N.C.)的元件，因此，關(guān)斷時(shí)輸出MOS的電荷可以快速放電。另外，導(dǎo)通時(shí)該元件通過第2光電二極管陣列被偏置到處于開放狀態(tài)，由于第1光電二極管陣列的光電流高效率地傳送到輸出MOS的柵極上，因此與(a)的電路相比，導(dǎo)通時(shí)間也會(huì)變短。
通過該N.C.元件，速動(dòng)性也得到大幅度改善。但是，需要2列光電二極管陣列是它的缺點(diǎn)。
新控制電路的原理
上述電路各有利弊，為了制造出高性能(高靈敏度、快速、抗干擾)且低成本的繼電器，在PhotoMOS繼電器中配置了如圖5所示的新開發(fā)的電路結(jié)構(gòu)的光電元件。
圖5 新開發(fā)的控制電路
在該電路中，與輸入LED進(jìn)行光耦合的光電二極管陣列，接受輸入信號(hào)發(fā)光產(chǎn)生的光電流，通過偏置電阻使N.C.元件處于開放狀態(tài)。這樣同時(shí)具備(c)電路中第2光電二極管陣列的作用。
另外，與圖3(c)的電路相同，通過采用N.C.元件，當(dāng)無輸入信號(hào)時(shí)，功率MOS的柵極源極間出現(xiàn)短路，抗外來干擾能力較強(qiáng)，同時(shí)如圖4所示，也可進(jìn)一步達(dá)到良好的速動(dòng)性。
通過旁路元件，使偏置電阻兩端的電位下降控制在一定閾值以下，與偏置電阻的大小無關(guān)，起到使光電流高效率流入電路的作用。該旁路元件插入電路的情況及相反的情況下的輸入電流-動(dòng)作時(shí)間的特性如圖6所示。
圖6 繼電器的動(dòng)作時(shí)間的輸入電流特性
由圖6得知，無旁路元件時(shí)，即使增加輸入電流，光電流也受偏置電阻限制，動(dòng)作時(shí)間可處于飽和狀態(tài)。對此，當(dāng)有分路元件時(shí)，出現(xiàn)動(dòng)作時(shí)間跟隨輸入電流量的情況，也可適應(yīng)高速動(dòng)作的需求。
PhotoMOS繼電器的使用注意事項(xiàng)
PhotoMOS繼電器的可靠性，是由元件自身具有的應(yīng)力耐性，如對電應(yīng)力、熱應(yīng)力、機(jī)械性應(yīng)力、濕氣侵入等外部應(yīng)力的承受程度來決定的。因此，如果元件結(jié)構(gòu)即使有一部分較薄弱，應(yīng)力造成的反應(yīng)也會(huì)使該部分運(yùn)行異常，造成重大故障。
為了確保PhotoMOS繼電器的可靠使用，要考慮會(huì)加速引發(fā)故障的外部應(yīng)力---環(huán)境因素。環(huán)境因素通常是錯(cuò)綜復(fù)雜的。例如：腐蝕造成斷線就是因溫度和濕度兩種因素引起的。應(yīng)力可分為自然環(huán)境因素和人為因素兩種情況。自然環(huán)境因素有溫度、濕度、氣壓、鹽份、雷擊造成的過電壓沖擊等。其中溫度和濕度是最重要的因素。下面是使用過程應(yīng)該注意的事項(xiàng)。
1. 一般情況下，溫度升高會(huì)使化學(xué)反應(yīng)速度加快，因此，作為主要故障的機(jī)械性故障會(huì)由于升溫而加速。實(shí)際使用中，除該環(huán)境溫度外，也需要考慮到電力消耗帶來的自身發(fā)熱和因此而造成的溫度變化。溫度變化使熱膨脹率不同的物質(zhì)的接合部上發(fā)生畸變應(yīng)力，反復(fù)出現(xiàn)會(huì)引起疲勞，造成氣體密封部位密封不良、芯片焊接接合不良、焊絲斷開等。另外，斷斷續(xù)續(xù)使用時(shí)，必須考慮使用器械或元件自身的發(fā)熱施加在元件上的溫度變化造成的影響。
2.濕度主要是吸附在物體表面而提高表面的電導(dǎo)率，增大漏泄電流，引起產(chǎn)品特性不良、動(dòng)作不良，同時(shí)，還促進(jìn)化學(xué)及電化學(xué)的反應(yīng)而產(chǎn)生金屬腐蝕。PhotoMOS繼電器采用了改良樹脂材料進(jìn)行封裝，已達(dá)到不遜色于氣體密封的狀態(tài)，通常使用中幾乎不會(huì)出現(xiàn)濕度變化引起的問題。
3. 人為因素造成的損壞也要注意。例如要避免在搬運(yùn)裝載過程中、電路板的超聲波清洗中、發(fā)生摔落過程中、安裝時(shí)的掉落沖擊的振動(dòng)引起的破壞。印刷電路板焊錫時(shí)的加熱和焊錫過程也要按照規(guī)定的工藝進(jìn)行。
4. 超出產(chǎn)品規(guī)格的最大額定是使用不當(dāng)?shù)囊环N常見情況。例如：超過額定電壓使用、超過額定負(fù)載使用等等。建議在使用之前，認(rèn)真閱讀廠家提供的PhotoMOS繼電器使用中的事故與故障模式。
