在這組光耦合器中,光電三端雙向可控矽開關,光電可控矽或光電二極體/MOSFET的組合代替了光電耦合器件模塊5中描述的光電二極體和光電電晶體,並且也很容易以集成電路(IC)形式提供,用於切換相對較低的功率交流或直流負載。圖所示的大功率固態繼電器(SSR)使用圖所示的IC和額外的「內置」電路,可安全可靠地應對高壓,大電流負載。
固態光耦繼電器
光電三端雙向可控矽開關和光電SCR用於開關AC負載,但也提供使用可開關AC或DC的功率MOSFET電晶體的固態繼電器。低功率固態繼電器主要由光電雙向可控矽電路組成,例如圖6.6.1中所示的類型,可用作安裝在印刷電路板上的常規集成電路。或者,這些低功率光耦合器可以與大功率三端雙向可控矽開關元件或SCR一起封裝在絕緣的外殼中,並且在只有四個或五個螺釘類型的更大的機架安裝式固態繼電器(SSR)中,可以將額外的安全組件(例如散熱器和脈衝抑制組件)封裝在絕緣殼中重型端子,可以當作市電(線路)電源開關使用,並且可以替代許多類型的機電繼電器。
SSR的最重要特徵之一是使光耦合在其低功率輸入電路和其高功率輸出電路之間提供完全的電氣隔離。當輸出開關為``開路''(即MOSFET關斷)時,SSR在其輸出端子上具有幾乎無限的電阻,而在``閉合''時(即MOSFET導通)則具有幾乎為零的電阻。即使這樣,當通過交流或直流電流處於「接通」或「斷開」狀態時,半導體開關也會消耗一些功率。因此,需要有足夠的散熱器以防止過熱。
基本MOSFETSSR的典型電路如圖所示。流過LED的電流約為20mA,足以激活代替機械繼電器觸點的MOSFET。LED發出的(紅外)光落在包含多個光電二極體的光伏單元上。由於單個光電二極體只會產生非常低的電壓,因此光伏單元中的二極體以串聯/並聯陣列的形式排列,以產生足夠的電壓來導通MOSFET。
圖給出了MOSFETSSR的基本示例,顯示了如何布置輸出以允許SSR切換交流或直流負載。有許多類似的SSR可以滿足不同的AC和DC輸出電壓和電流要求,一個典型的例子是來自國際整流器公司(現為InfineonTechnologies的一部分)的PVT412SSR,它以6引腳DIL封裝的幾種版本製造一個單極機械繼電器,可在高達140mAAC或210mADC的電流下切換高達400V(峰值)得AC或DC電壓。其他晶片可用作雙極,常閉(NC),常開(NO)和轉換繼電器,具有多種附加功能。SSR還可以在一定範圍的輸出電壓和額定電流下製造,其封裝類型範圍很廣,從小型表面安裝組件到複雜的多引腳晶片,再到大電流示例,可用於電氣控制櫃的機架安裝。通過在製造商網站(例如InfineonTechnologies)或半導體供應商(例如RSComponents)上搜索固態繼電器,可以找到有關SSR的更多信息。
SSR基本上由光耦合器組成,該光耦合器驅動某些高功率開關器件,例如功率三端雙向可控矽開關元件,MOSFET或SCR,但由於其目的是切換高功率電器負載,通常在安全關鍵的情況下,SSR的製造具有多種功能,設計用於安全可靠的操作。其中一些如圖6.6.5所示:
反極性保護。如果輸入端子的極性連接錯誤,則二極體D1導通並將R1底部的電壓降低至大約0.7V,從而避免了光耦合器LED的損壞。請注意,二極體和限流電阻R1的額定功率必須能夠承受最大輸入電壓下的反極性電流而不會損壞,否則,可以在輸入正端子和限流電阻之間插入適當額定值的輸入保險絲。
過流保護。SSR通常能夠在一系列直流輸入電壓(例如5v至24V)下工作。這些較高的電壓可能導致通過光耦合器LED的電流升高到高於其所需的最大值,在這種情況下,過電流保護電路將運行以維持通過LED的合適電流水平。R2是用於電流檢測的低值電阻器;它的值經過選擇,以便在正常工作條件下Tr1偏置到恰好低於其截止閾值,但是如果由於輸入電壓過大而使通過光耦合器輸入LED的電流增加,則通過R2的額外電流將導致Tr1導通,從而分流通過Tr1的一些LED電流將R1底部的電壓和通過LED的電流降至安全水平。