光耦繼電器屬于固態(tài)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(guān)的觸點動作控制負(fù)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(jié)構(gòu)如下圖的所示:
其內(nèi)部的發(fā)光二極管是用來向光電元件放射光線的,光電元件接受光線并控制輸出場效應(yīng)管導(dǎo)通或截止。光耦繼電器還有另一種可控硅整流管(SCR)輸出,它的負(fù)載電流比場效應(yīng)管更大,后者可達到數(shù)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(fù)載(燈泡、發(fā)光二極管、加熱器、馬達等)。
光耦繼電器工作原理
用光耦繼電器就是固態(tài)繼電器,用光耦驅(qū)動可控硅,控制光耦端給合適的電信號,(各個光耦允許加在控制端的兩端的電壓不一樣,正常是1.2V左右,電流4-20mA),這樣,光耦另一端光三極管,得信號導(dǎo)通,驅(qū)動可控硅導(dǎo)通。
一般繼電器都是機械觸點,靠通電流過線圈變成有磁性的磁鐵吸合觸點,從而控制開光狀態(tài)。而光耦繼電器工作原理類似于光耦(其實看等效電路圖是一樣的)。
首先要搞清楚繼電器的幾個專業(yè)術(shù)語:
Form A=常開觸點
Form B=常閉觸點
Form C=轉(zhuǎn)換觸點
Form E=雙穩(wěn)態(tài)開關(guān)AT=安培匝數(shù) 用于描述磁場靈敏度的參數(shù)
NC是常閉觸點normal close
NO是常開觸點normal open
理解了上面的專業(yè)術(shù)語也就能看懂DataSheet上名詞了。如我的C8051F板子上用到的Panasonic的AQW610。在AQW610的DataSheet上些著這個繼電器是“Form A&B”就是,既有常開觸點,也有長閉觸點。
AQW610的等效電路圖
在輸出導(dǎo)通的狀態(tài)下當(dāng)解除施加到光耦繼電器輸入端的電池時,輸入端的發(fā)光二極管將停止發(fā)光,由于光電元件不再有光線的照射,光電元件的電壓將下降,當(dāng)從光電元件供給的電壓開始下降時,通過控制電路導(dǎo)致場效應(yīng)管上的電荷快速放電,繼而使場效應(yīng)管不再導(dǎo)通,負(fù)載被斷開,燈泡不發(fā)光。這個過程中所消耗的時間稱為復(fù)位時間。
在輸出截止?fàn)顟B(tài)下,當(dāng)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(fā)光二極管將發(fā)光,發(fā)出的光照射到對面的光電元件,光電元件根據(jù)光的強度將其轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓,同時控制電路向場效應(yīng)管的柵極充電,當(dāng)柵極的電壓達到場效應(yīng)管的開啟電壓時,場效應(yīng)管開始導(dǎo)通,燈泡發(fā)光。這個過程中消耗的時間則稱為動作時間。
由于前后兩級采用光電耦合的方式,因此輸入輸出間的絕緣電阻Riso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:
外加電壓V經(jīng)限流電阻R后施加到發(fā)光二極管,二極管正向?qū)ê螅丛谳斎牖芈樊a(chǎn)生正向電流IF(Forward current),同時在二極管兩端產(chǎn)生正向壓降VF(LED dropout voltage),調(diào)整限流電阻R即可調(diào)節(jié)正向電流,其關(guān)系為:
正向電流最大值約為幾十毫安,實際應(yīng)用時不應(yīng)超過數(shù)據(jù)手冊中的最大值,否則發(fā)光二極管的壽命將縮短,甚至損壞。
如果我們將外加電壓從小到大調(diào)節(jié)時,逐漸增大的正向電流將使發(fā)光二極管從暗變亮,當(dāng)光線大小剛剛足以使輸出導(dǎo)通時的最小電流稱為LED觸發(fā)正向電流或工作電流IFON(LED operate current);同樣,當(dāng)光耦繼電器輸出導(dǎo)通時,將外加電壓從大到小調(diào)節(jié),使輸出剛剛關(guān)閉時的最大電流稱為LED關(guān)斷電流IFOFF(LED turn off current)
相反地,當(dāng)輸入端的發(fā)光二極管施加反向電壓VR(LED reverse voltage),二極管處于截止?fàn)顟B(tài),理想狀態(tài)下回路中的電流為零,但實際二極管反向截止后的電阻是有限的,因此輸入回路中還是會有一定的反向泄露電流IR(reverse current)。
實際應(yīng)用時,反向電壓不應(yīng)超過數(shù)據(jù)手冊規(guī)定的最大值,否則將導(dǎo)致二極管反向被擊穿
當(dāng)輸入發(fā)光二極管的光線足以使輸出場效應(yīng)管導(dǎo)通時,輸出回路即產(chǎn)生回路電流,通常稱之為連續(xù)負(fù)載電流IO,而把場效應(yīng)管導(dǎo)通時的體電阻稱為輸出電阻RON(On resistance)
當(dāng)輸出場效應(yīng)管截止時,電池的電壓將全部加在場效應(yīng)管的兩端,這時允許的最大電壓稱為負(fù)載電壓VOFF,實際應(yīng)用時不應(yīng)超過最大值,否則場效應(yīng)管可能會被擊穿。
實際場效應(yīng)管在截止時呈現(xiàn)的電阻不會是無窮大的,因此也會在輸出回路產(chǎn)生一定的泄露電流ILEAK(Off state leakage current)
既然是繼電器,不可避免涉及到觸點結(jié)構(gòu),與電磁繼電器一樣,光耦繼電器
繼電器的觸點結(jié)構(gòu)通常有3種,即
◆ 常開觸點(normally open):Form A或NO(中國代號:H)
◆ 常閉觸點(normally closed):Form B或NC(中國代號:D)
◆ 轉(zhuǎn)換型觸點(changeover):Form C或CO(中國代號:Z),這個觸點結(jié)構(gòu)可以理解為單刀雙擲開關(guān)SPDT(Single-Pole Double-Throw)
相應(yīng)的符號如下圖所示:
實際的繼電器可能封裝了一個或多個通道,因此相應(yīng)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(jié)構(gòu)組合起來的
從上圖可以看出,F(xiàn)orm C可以看成是一個Form A與Form B的組合(一個單刀雙擲開關(guān)總是與一側(cè)相接觸,同時與另一側(cè)斷開),用光耦繼電器來組合則如下圖所示:
此時輸入電阻R的值,應(yīng)如由下式?jīng)Q定:
即輸入回路包含兩個串聯(lián)的發(fā)光二極管的正向壓降。