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光繼電器基本原理及替代機(jī)械繼電器時的注意事項

2021/1/26 14:05:42

繼電器歷史悠久，廣泛應(yīng)用于各種電子器件中以控制負(fù)載，同時為兩個電路提供電氣隔離。繼電器類型多樣，每種繼電器都有不同的工作原理。即使是現(xiàn)在，許多工程師突然想到的繼電器類型仍然是會發(fā)出獨(dú)特嗡嗡聲的電磁繼電器（機(jī)械繼電器）。

盡管機(jī)械繼電器仍被廣泛使用，但在安裝和運(yùn)行方面，它們有許多限制和問題需要解決。近來，機(jī)械繼電器正被半導(dǎo)體繼電器所取代。光繼電器是一種半導(dǎo)體繼電器，是機(jī)械繼電器的主要替代品。

01：機(jī)械繼電器歷史

機(jī)械繼電器歷史悠久。
即使是現(xiàn)在，在21世紀(jì)，機(jī)械繼電器由于其良好的使用記錄而被廣泛應(yīng)用于工業(yè)電氣系統(tǒng)。
但是機(jī)械繼電器有許多缺點(diǎn)。
例如，由于它們的結(jié)構(gòu)，很難減小它們的尺寸。
機(jī)械繼電器的觸點(diǎn)會隨著時間的推移而磨損，因此其使用壽命很短。
此外，機(jī)械繼電器需要特殊的設(shè)計考慮，因為它們很容易因接觸電弧和彈跳所產(chǎn)生噪聲和電磁線圈產(chǎn)生的反電動勢而受到外部磁干擾、沖擊和振動的影響。
例如，若要在一塊板上布置幾十個機(jī)械繼電器，必須在它們之間留出足夠的空間，以避免相互的磁干擾。

因此，作為機(jī)械繼電器的替代品，光繼電器正引起人們的廣泛關(guān)注。
機(jī)械繼電器和光繼電器的功能相同，它們用于控制負(fù)載，同時在輸入和輸出電路之間提供電氣隔離。
但是光繼電器沒有上述限制和問題。
光繼電器的物理尺寸更小，使用壽命更長，允許板組裝密度比機(jī)械繼電器高。
因此，用光繼電器代替機(jī)械繼電器有助于減小系統(tǒng)的尺寸，提高系統(tǒng)的可維護(hù)性。

02：光繼電器知識

光繼電器由輸入側(cè)的LED和輸出側(cè)的光電二極管MOSFET對組成，并封裝在塑料封裝中。
光繼電器在輸入電路和輸出電路之間提供電氣隔離，并利用光在兩個電路之間傳輸電信號以控制負(fù)載。

由于這種工作原理，光繼電器比機(jī)械繼電器具有更多優(yōu)點(diǎn)。
例如，光繼電器由非常小的器件組成，可以安置在非常緊湊的封裝中。
由于光繼電器不受磁干擾，許多光繼電器可以近距離布置。
此外，光繼電器與機(jī)械繼電器不同，不會產(chǎn)生電磁輻射、電噪聲、噪聲或振動。
光繼電器也不需要擔(dān)心觸點(diǎn)的使用壽命和熱切換問題，熱切換是指在攜帶信號時打開或關(guān)閉繼電器，這會對機(jī)械繼電器的使用壽命產(chǎn)生不利影響，光繼電器相鄰電路也沒有需要特別注意的事項。
光繼電器與機(jī)械繼電器相比，允許進(jìn)行更快的切換，耗散更少的功率，因為光繼電器僅由半導(dǎo)體器件（比如LED和光電二極管）組成。

但是，舉例而言在輸出容量方面，光繼電器與機(jī)械繼電器相比，也有不利的一面。
在工業(yè)設(shè)備等高電壓、大電流應(yīng)用中，光繼電器的使用一直是一個難題。
但是近年來，東芝一直在利用MOSFET和封裝技術(shù)的創(chuàng)新，推出輸出容量越來越大的光繼電器，從而擴(kuò)大了其應(yīng)用領(lǐng)域。
隨著輸出容量的增加，光繼電器將在工業(yè)設(shè)備中得到廣泛的應(yīng)用。

03：東芝最新的光繼電器有哪些特點(diǎn)？

東芝為工業(yè)和汽車應(yīng)用提供廣泛的大容量光繼電器產(chǎn)品線，適合作為機(jī)械繼電器的替代品。
我們正在開發(fā)具有更高輸出容量的光繼電器。
關(guān)于這些應(yīng)用領(lǐng)域，我們的重點(diǎn)是通過使用最新工藝制造的MOSFET來增加光繼電器的最大輸出電流。
新的光繼電器還包含保護(hù)功能，這使得系統(tǒng)設(shè)計師更容易使用。此外，東芝還為正在考慮用光繼電器代替機(jī)械繼電器的系統(tǒng)設(shè)計師提供了廣泛的技術(shù)支持。（參見最后一個問題和回答。）

東芝的光繼電器在市場上占有主導(dǎo)地位，特別是在半導(dǎo)體測試儀領(lǐng)域。
東芝在光繼電器方面擁有強(qiáng)大的實力，因為它開發(fā)和制造了光繼電器的所有組件，比如LED、光電二極管和MOSFET，并致力于這些組件以及光繼電器封裝的創(chuàng)新。
東芝以其行業(yè)領(lǐng)先的技術(shù)為傲，這些技術(shù)的典型代表是使用壽命長的LED、低輸入電流光電二極管、總功耗低的MOSFET和低輪廓封裝。
特別是，東芝專有的低輪廓、長爬電封裝可以安裝在印刷電路板的背面。
這種封裝的光繼電器是半導(dǎo)體測試儀應(yīng)用的理想選擇，因為它們可以以無與倫比的密度排列。

04：在哪些領(lǐng)域，機(jī)械繼電器將被光繼電器取代？

舉例而言，由于輸出容量的增加，光繼電器現(xiàn)在可以用于制暖、通風(fēng)和空調(diào)（HVAC）應(yīng)用以實現(xiàn)樓宇自動化。
更具體地說，大容量光繼電器可用于傳輸恒溫器信號和控制阻尼電機(jī)以實現(xiàn)閥門執(zhí)行器控制。
在過去，機(jī)械繼電器主要用于這些應(yīng)用。
但是隨著光繼電器輸出容量的增加，這些應(yīng)用中的機(jī)械繼電器正被光繼電器所取代。
光繼電器在工作過程中不會發(fā)出噪聲，使用壽命更長。
反過來，光繼電器的長使用壽命有助于降低系統(tǒng)維護(hù)頻率，這使得系統(tǒng)制造商、維護(hù)公司和用戶獲益良多。

光繼電器也正在取代可編程邏輯控制器（PLC）中的機(jī)械繼電器，PLC是各種工業(yè)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)。
機(jī)械繼電器主要用于PLC，因為它們需要切換相對大的電流。
由于輸出容量的增加，光繼電器已開始用于可編程邏輯控制器。

光繼電器還可作為智能電表的觸點(diǎn)輸出繼電器，以用于外部通信，也可用于電池供電系統(tǒng)的電池組監(jiān)測電路。

05：由外部浪涌引起的光繼電器故障，如何防止？

如上所述，光繼電器的輸出端包含一個MOSFET，它可能會由于各種因素而損壞。
造成MOSFET損壞的主要原因之一是外部浪涌。
例如，如果電源線上的感應(yīng)脈沖噪聲或靜電放電（ESD）浪涌疊加在負(fù)載電源上，光繼電器的輸出電路可能會發(fā)生故障。
故障模式包括短路和開路。
短路故障會導(dǎo)致負(fù)載在沒有輸入的情況下打開，而開路故障會導(dǎo)致負(fù)載在有輸入的情況下不打開。

當(dāng)光繼電器用于由交流電源供電的系統(tǒng)或當(dāng)靜電放電不能完全阻斷時，它們很容易因電壓浪涌而發(fā)生故障。
在這種情況下，必要采取光繼電器保護(hù)。
例如，增加一個變阻器可以有效保護(hù)光繼電器。
在施加過大電壓的情況下，變阻器將電流從以下電路分流以進(jìn)行靜電放電保護(hù)，通常使用多層片式變阻器。

為了保護(hù)光繼電器的輸出級，應(yīng)使用額定電壓低于光繼電器斷開狀態(tài)輸出端電壓（VOFF）的變阻器。（我們建議使用額定電壓約等于70% VOFF的變阻器。）

06：使用光繼電器還有其它注意事項嗎？

感應(yīng)負(fù)載的反電動勢也會導(dǎo)致光繼電器的輸出級故障。
當(dāng)光繼電器對電感負(fù)載的輸出關(guān)閉時，電感電流瞬間降至零。
電流的急劇變化會導(dǎo)致電感器上出現(xiàn)很高的反電動勢電壓。
當(dāng)反電動勢電壓超過其斷開狀態(tài)輸出端電壓時，光繼電器可能會發(fā)生故障。

如果感應(yīng)負(fù)載預(yù)計會引起高的反電動勢電壓，則應(yīng)添加保護(hù)元件或電路以保護(hù)光繼電器免受過大電壓的影響。
例如，光繼電器可以通過以下方式進(jìn)行保護(hù)：
- 增加一個外部二極管以釋放反電動勢能量
- 增加一個吸收器以吸收反電動勢能量
- 增加一個變阻器以抑制過大的電壓

保護(hù)元件的效果因其與負(fù)載或光繼電器的距離而異。
如果保護(hù)元件遠(yuǎn)離負(fù)載或光繼電器，則可能無法保護(hù)光繼電器。
我們建議將保護(hù)元件盡可能靠近光繼電器或負(fù)載。

07：是否有評估使用光繼電器的工具或支持網(wǎng)站？

東芝提供了各種類型的光繼電器信息，其中大部分信息可參考其產(chǎn)品網(wǎng)站電子書適用于從機(jī)械繼電器過渡到光繼電器的工程師。該電子書詳細(xì)說明了本文未涵蓋的光繼電器的使用注意事項。我們希望電子書足夠詳盡便捷以滿足您的需求。

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