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光继电器基本原理及替代机械继电器时的注意事项

2021/1/26 14:05:42

继电器历史悠久，广泛应用于各种电子器件中以控制负载，同时为两个电路提供电气隔离。继电器类型多样，每种继电器都有不同的工作原理。即使是现在，许多工程师突然想到的继电器类型仍然是会发出独特嗡嗡声的电磁继电器（机械继电器）。

尽管机械继电器仍被广泛使用，但在安装和运行方面，它们有许多限制和问题需要解决。近来，机械继电器正被半导体继电器所取代。光继电器是一种半导体继电器，是机械继电器的主要替代品。

01：机械继电器历史

机械继电器历史悠久。
即使是现在，在21世纪，机械继电器由于其良好的使用记录而被广泛应用于工业电气系统。
但是机械继电器有许多缺点。
例如，由于它们的结构，很难减小它们的尺寸。
机械继电器的触点会随着时间的推移而磨损，因此其使用寿命很短。
此外，机械继电器需要特殊的设计考虑，因为它们很容易因接触电弧和弹跳所产生噪声和电磁线圈产生的反电动势而受到外部磁干扰、冲击和振动的影响。
例如，若要在一块板上布置几十个机械继电器，必须在它们之间留出足够的空间，以避免相互的磁干扰。

因此，作为机械继电器的替代品，光继电器正引起人们的广泛关注。
机械继电器和光继电器的功能相同，它们用于控制负载，同时在输入和输出电路之间提供电气隔离。
但是光继电器没有上述限制和问题。
光继电器的物理尺寸更小，使用寿命更长，允许板组装密度比机械继电器高。
因此，用光继电器代替机械继电器有助于减小系统的尺寸，提高系统的可维护性。

02：光继电器知识

光继电器由输入侧的LED和输出侧的光电二极管MOSFET对组成，并封装在塑料封装中。
光继电器在输入电路和输出电路之间提供电气隔离，并利用光在两个电路之间传输电信号以控制负载。

由于这种工作原理，光继电器比机械继电器具有更多优点。
例如，光继电器由非常小的器件组成，可以安置在非常紧凑的封装中。
由于光继电器不受磁干扰，许多光继电器可以近距离布置。
此外，光继电器与机械继电器不同，不会产生电磁辐射、电噪声、噪声或振动。
光继电器也不需要担心触点的使用寿命和热切换问题，热切换是指在携带信号时打开或关闭继电器，这会对机械继电器的使用寿命产生不利影响，光继电器相邻电路也没有需要特别注意的事项。
光继电器与机械继电器相比，允许进行更快的切换，耗散更少的功率，因为光继电器仅由半导体器件（比如LED和光电二极管）组成。

但是，举例而言在输出容量方面，光继电器与机械继电器相比，也有不利的一面。
在工业设备等高电压、大电流应用中，光继电器的使用一直是一个难题。
但是近年来，东芝一直在利用MOSFET和封装技术的创新，推出输出容量越来越大的光继电器，从而扩大了其应用领域。
随着输出容量的增加，光继电器将在工业设备中得到广泛的应用。

03：东芝最新的光继电器有哪些特点？

东芝为工业和汽车应用提供广泛的大容量光继电器产品线，适合作为机械继电器的替代品。
我们正在开发具有更高输出容量的光继电器。
关于这些应用领域，我们的重点是通过使用最新工艺制造的MOSFET来增加光继电器的最大输出电流。
新的光继电器还包含保护功能，这使得系统设计师更容易使用。此外，东芝还为正在考虑用光继电器代替机械继电器的系统设计师提供了广泛的技术支持。（参见最后一个问题和回答。）

东芝的光继电器在市场上占有主导地位，特别是在半导体测试仪领域。
东芝在光继电器方面拥有强大的实力，因为它开发和制造了光继电器的所有组件，比如LED、光电二极管和MOSFET，并致力于这些组件以及光继电器封装的创新。
东芝以其行业领先的技术为傲，这些技术的典型代表是使用寿命长的LED、低输入电流光电二极管、总功耗低的MOSFET和低轮廓封装。
特别是，东芝专有的低轮廓、长爬电封装可以安装在印刷电路板的背面。
这种封装的光继电器是半导体测试仪应用的理想选择，因为它们可以以无与伦比的密度排列。

04：在哪些领域，机械继电器将被光继电器取代？

举例而言，由于输出容量的增加，光继电器现在可以用于制暖、通风和空调（HVAC）应用以实现楼宇自动化。
更具体地说，大容量光继电器可用于传输恒温器信号和控制阻尼电机以实现阀门执行器控制。
在过去，机械继电器主要用于这些应用。
但是随着光继电器输出容量的增加，这些应用中的机械继电器正被光继电器所取代。
光继电器在工作过程中不会发出噪声，使用寿命更长。
反过来，光继电器的长使用寿命有助于降低系统维护频率，这使得系统制造商、维护公司和用户获益良多。

光继电器也正在取代可编程逻辑控制器（PLC）中的机械继电器，PLC是各种工业控制系统的基础。
机械继电器主要用于PLC，因为它们需要切换相对大的电流。
由于输出容量的增加，光继电器已开始用于可编程逻辑控制器。

光继电器还可作为智能电表的触点输出继电器，以用于外部通信，也可用于电池供电系统的电池组监测电路。

05：由外部浪涌引起的光继电器故障，如何防止？

如上所述，光继电器的输出端包含一个MOSFET，它可能会由于各种因素而损坏。
造成MOSFET损坏的主要原因之一是外部浪涌。
例如，如果电源线上的感应脉冲噪声或静电放电（ESD）浪涌叠加在负载电源上，光继电器的输出电路可能会发生故障。
故障模式包括短路和开路。
短路故障会导致负载在没有输入的情况下打开，而开路故障会导致负载在有输入的情况下不打开。

当光继电器用于由交流电源供电的系统或当静电放电不能完全阻断时，它们很容易因电压浪涌而发生故障。
在这种情况下，必要采取光继电器保护。
例如，增加一个变阻器可以有效保护光继电器。
在施加过大电压的情况下，变阻器将电流从以下电路分流以进行静电放电保护，通常使用多层片式变阻器。

为了保护光继电器的输出级，应使用额定电压低于光继电器断开状态输出端电压（VOFF）的变阻器。（我们建议使用额定电压约等于70% VOFF的变阻器。）

06：使用光继电器还有其它注意事项吗？

感应负载的反电动势也会导致光继电器的输出级故障。
当光继电器对电感负载的输出关闭时，电感电流瞬间降至零。
电流的急剧变化会导致电感器上出现很高的反电动势电压。
当反电动势电压超过其断开状态输出端电压时，光继电器可能会发生故障。

如果感应负载预计会引起高的反电动势电压，则应添加保护元件或电路以保护光继电器免受过大电压的影响。
例如，光继电器可以通过以下方式进行保护：
- 增加一个外部二极管以释放反电动势能量
- 增加一个吸收器以吸收反电动势能量
- 增加一个变阻器以抑制过大的电压

保护元件的效果因其与负载或光继电器的距离而异。
如果保护元件远离负载或光继电器，则可能无法保护光继电器。
我们建议将保护元件尽可能靠近光继电器或负载。

07：是否有评估使用光继电器的工具或支持网站？

东芝提供了各种类型的光继电器信息，其中大部分信息可参考其产品网站电子书适用于从机械继电器过渡到光继电器的工程师。该电子书详细说明了本文未涵盖的光继电器的使用注意事项。我们希望电子书足够详尽便捷以满足您的需求。

查询进一步信息，请访问官方网站