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光耦繼電器的工作原理以及它的各類參數的詳細介紹

2018-09-25 10:20:17

光耦繼電器(Optronics Relay)屬于固态繼電器,一般電磁繼電器靠電流通過線圈使鐵芯變成有磁性的磁鐵吸合銜鐵,從而使相關的觸點動作控制負載的通斷,而光耦繼電器沒有觸點,其工作原理與光耦有點類似,基本結構如下圖的所示:

 

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發光二極管用來向光電元件放射光線,光電元件接受光線并控制輸出場效應管導通或截止。光耦繼電器還有另一種可控矽整流管(SCR)輸出,它的負載電流比場效應管更大,後者可達到數安培,而前者可達到幾十安培。

相對于電磁繼電器,光耦繼電器由于沒有觸點引起的磨損,使用壽命是無限的,同時也具有無震動、無切換聲音等特性,與電磁繼電器一樣可控制各種負載(燈泡、發光二極管、加熱器、馬達等)。

 

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(輸出導通狀态下)當解除施加到光耦繼電器輸入端的電池時,輸入端的發光二極管将停止發光,由于光電元件不再有光線的照射,光電元件的電壓将下降,當從光電元件供給的電壓開始下降時,通過控制電路導緻場效應管上的電荷快速放電,繼而使場效應管不再導通,負載被斷開,燈泡不發光。

這個過程中所消耗的時間稱為複位時間toff(Turn off time)

 

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(輸出截止狀态下)當電池通過限流電阻施加到光耦繼電器的輸入端時,輸入端的發光二極管将發光,發出的光照射到對面的光電元件,光電元件根據光的強度将其轉換成相應的電壓,同時控制電路向場效應管的栅極充電,當栅極的電壓達到場效應管的開啟電壓時,場效應管開始導通,燈泡發光。

這個過程中消耗的時間稱為動作時間tON(Turn on time)

 

由于前後兩級采用光電耦合的方式,因此輸入輸出間的絕緣電阻Riso(Isolation resistance)非常大,通常最小1000M歐姆

 

光耦繼電器在正常工作時的輸入部分如下圖所示:

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外加電壓V經限流電阻R後施加到發光二極管,二極管正向導通後,即在輸入回路産生正向電流IF(Forward current),同時在二極管兩端産生正向壓降VF(LED dropout voltage),調整限流電阻R即可調節正向電流,其關系為:

 

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正向電流最大值約為幾十毫安,實際應用時不應超過數據手冊中的最大值,否則發光二極管的壽命将縮短,甚至損壞。

如果我們将外加電壓從小到大調節時,逐漸增大的正向電流将使發光二極管從暗變亮,當光線大小剛剛足以使輸出導通時的最小電流稱為LED觸發正向電流或工作電流IFON(LED operate current);同樣,當光耦繼電器輸出導通時,将外加電壓從大到小調節,使輸出剛剛關閉時的最大電流稱為LED關斷電流IFOFF(LED turn off current)

 

相反地,當輸入端的發光二極管施加反向電壓VR(LED reverse voltage),二極管處于截止狀态,理想狀态下回路中的電流為零,但實際二極管反向截止後的電阻是有限的,因此輸入回路中還是會有一定的反向洩露電流IR(reverse current)。

實際應用時,反向電壓不應超過數據手冊規定的最大值,否則将導緻二極管反向被擊穿

 

 

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當輸入發光二極管的光線足以使輸出場效應管導通時,輸出回路即産生回路電流,通常稱之為連續負載電流IO,而把場效應管導通時的體電阻稱為輸出電阻RON(On resistance)

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當輸出場效應管截止時,電池的電壓将全部加在場效應管的兩端,這時允許的最大電壓稱為負載電壓VOFF,實際應用時不應超過最大值,否則場效應管可能會被擊穿。

實際場效應管在截止時呈現的電阻不會是無窮大的,因此也會在輸出回路産生一定的洩露電流ILEAK(Off state leakage current)

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既然是繼電器,不可避免涉及到觸點結構,與電磁繼電器一樣,光耦繼電器

繼電器的觸點結構通常有3種,即

◆ 常開觸點(normally open):Form A或NO(中國代号:H)

◆ 常閉觸點(normally closed):Form B或NC(中國代号:D)

◆ 轉換型觸點(changeover):Form C或CO(中國代号:Z),這個觸點結構可以理解為單刀雙擲開關SPDT(Single-Pole Double-Throw)

 

相應的符号如下圖所示:

 

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實際的繼電器可能封裝了一個或多個通道,因此相應的觸點類型也有很多,比如1a(1開)、1b(1閉)、1c、1a1b(1開1閉)等等,都是由上述3種觸點結構組合起來的

 

從上圖可以看出,Form C可以看成是一個Form A與Form B的組合(一個單刀雙擲開關總是與一側相接觸,同時與另一側斷開),用光耦繼電器來組合則如下圖所示:

 

 

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此時輸入電阻R的值,應如由下式決定:

 

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即輸入回路包含兩個串聯的發光二極管的正向壓降。


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