CN103036550B - 一种快速放电的光电继电器 - Google Patents

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Abstract

一种快速放电的光电继电器，属于电子技术领域。包括输入端光控信号产生电路、光控信号接收及光电转换电路、控制电路和输出电路；输入端光控信号产生电路由一个发光二极管LED（11）构成，光控信号接收及光电转换电路由一个光电二极管阵列PDA构成，控制电路包括一个级联三极管、三个二极管，用于为输出电路的功率MOSFET器件提供充放电通道；输出电路包括一对功率MOSFET器件。本发明提供的快速放电的光电继电器，由于其控制电路采用了两个或多个三级管的级联，级联后的三极管电流放大倍数增大，抽取电荷的速度显著加快，因而比现有的光电继电器具有更快的放电速度，能够适应更高频率的继电场合。

Description

一种快速放电的光电继电器
技术领域
本发明属于电子技术领域，涉及光电继电器。
背景技术
光电继电器是一种电子控制器件，用光电隔离器件实现控制端与负载端隔离。光电继电器的工作原理是通过光电二极管阵列PDA(Photo Diode Array)将发光二极管LED(LightEmitting Diode)的光信号转化成电信号，通过控制电路来控制输出级功率MOSFET(MetalOxide Semiconductor Field Effect Transistor)的导通与关断，实现对负载的驱动。光电继电器的输出电路通常由功率MOSFET构成，通过MOSFET的开启和关断对负载进行驱动。但是为使得继电器复位，功率MOSFET的栅电极需要尽快泄放电荷。于是，业界研制出多种内置控制电路，使得负载的栅极快速泄放电荷，达到快速放电目的。
在目前的内置光电控制电路中，多采用栅极和源极之间连接电阻、晶体管或者电阻与晶体管的结合，这些电路的成功研制，使得继电器能够快速的复位，但是仍然存在以下缺陷：
1、栅极和源极之间连接电阻36作为控制电路，如图1(a)所示。在对MOS栅极充电时，光电二极管阵列PDA的光电流通过该电阻(36)而泄漏，使得MOSFET的开启时间变长。
2、栅极和源极插入结型场效应晶体管37作为控制电路，如图1(b)所示，由于插入的场效应晶体管(37)是常开型，因此抗外来干扰能力变弱。
3、单个晶体管31作为内控制电路，如图1(c)所示，在放电回路中随着基极电流的降低，晶体管31的电流放大倍数也会降低，导致放电慢，影响其在高频下的应用。
发明内容
本发明提供一种快速放电的光电继电器，采用双级或多级三极管级联作为控制电路，级联后放大倍数增大，电路放电能力增强，使得功率MOSFET关断速度提高，可以解决传统光电继电器的放电速度慢等问题。
本发明技术方案如下：
一种快速放电的光电继电器，如图2所示，包括输入端光控信号产生电路、光控信号接收及光电转换电路、控制电路和输出电路。所述输入端光控信号产生电路由一个发光二极管LED11构成，用于产生光控制信号。所述光控信号接收及光电转换电路由一个光电二极管阵列PDA22（22(1)、22(2)、……22(i)）构成，用于接收发光二极管LED11所产生的光控信号并将该光控信号转换成电信号。所述控制电路包括一个级联三极管、三个二极管，用于为输出电路的功率MOSFET器件提供充放电通道；其中第一二极管33和第二二极管34反向并联后一端接光电二极管阵列PDA22的正极和级联三极管的集电极，另一端作为控制电路的输出端，级联三极管的发射极接第三二极管35的阳极，级联三极管的基极接光电二极管阵列PDA22的负极和第三二极管35的阴极。所述输出电路包括一对功率MOSFET器件，其中NMOSFET器件41和PMOSFET器件42的栅极共同接控制电路的输出端，NMOSFET器件41的源极和PMOSFET器件42的漏极互连并接控制电路中级联三极管的发射极。
上述技术方案中所述级联三极管由两个或多个三极管级联而成，级联三极管的功率提供主要依赖于后级三极管，前级三极管也要具备足够宽余量的驱动电流、功率、开关速度。另外级联三极管的电流增益变大，是前级三极管31的电流增益与后级三极管32的电流增益之积。输出电路在电路分析时等效为一个栅极电容43，栅极电容43在触发信号的控制下，实现光电继电器的通断切换。
本发明提供的快速放电的光电继电器，由于其控制电路采用了两个或多个三级管的级联，级联后的三极管电流放大倍数增大，抽取电荷的速度显著加快，因而比现有的光电继电器具有更快的放电速度，能够适应更高频率继电场合。
附图说明
图1是几种常规光电继电器的电路原理图。其中，(a)为电阻作为光电继电器的控制电路；(b)为常开型晶体管作为光电继电器的控制电路；(c)为单个晶体管作为光电继电器的控制电路。
图2是本发明提供的快速放电的光电继电器的电路结构图。
图3是本发明提供的快速放电的光电继电器的充电和放电电路原理图。
图4是本发明提供的快速放电的光电继电器与传统光电继电器放电时间比较图。
具体实施方式
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
本专利的电路原理图参见图2。图中包括一对输入端1和2，一对输出端3和4。其工作原理如下：
给输入电路提供外加电压，电压降在LED11的PN结两端，LED11产生光子发光。光电二极管阵列22接收光信号，光照产生电压，驱动电路，实现控制电路和负载电路的隔离控制。根据电路性能要求的不同，改变光电二极管阵列的数目，可以达到提供不同电压的目的，保证电路在电压变化范围内可靠工作。控制电路为两个或多个三极管级联，本专利以两个NPN三极管31和32级联为例，前级三极管31的基极接PDA22的负极，前级三极管31的发射极接下后级三极管32的基极，即前级三极管31的输出电流为后级三极管32提供输入电流，两个三极管31和32的集电极相接，电流放大倍数是两个三极管放大倍数的乘积。输出电路由功率MOSFET组成，在电路分析时可以简化成一个栅极电容43，栅极电容43在触发信号的控制下，实现光电继电器的通断切换。其中，35是提供放电通路的二极管，33、34是一对限流二极管，41、42是MOSFET功率开关。
这种快速放电光电继电器与常规的光电继电器不同之处，就在于同常规继电器相比(见图1)，控制电路由两级或多级三极管31和32级联而成，级联三极管的连接方式决定通过级联三极管电流的放大倍数非常高，电流的响应非常快，电路将会快速泄放负载的电荷。
当输入电路外加电压后，电压降在LED11的PN结两端，LED11产生光子发光。光电二极管PDA22接收光信号，将光信号转换成电信号，产生电动势。若PDA22有16个光电二极管，假设每个光电二极管的开路电压为0.5V，则光照后PDA22阵列产生8V电动势，从而驱动电路，电路进入正向充电阶段，参见图3(a)。第一二极管33和第三二极管35导通，输出端口之间简化成一个栅极电容43，电路对负载充电，由于第三二极管35正偏，三极管31的发射极电位比基极电位高，BE结反偏，级联三级管31和32截止。假设第一二极管33的正向导通压降为0.7V，则输出端口(41、42)之间的电动势为7.3V。
当输入电路不加电压，即LED11无光子发出，光电二极管阵列PDA22不能接受光信号，从而光电二极管阵列PDA22相当于普通二极管，电路进入放电过程，输出电路等效的栅极电容43泄放电荷，参见图3(b)。由于输出端(41、42)之间有7.3V电动势，所以第二二级管34导通，电流首先经过PDA22到达前级三极管31的基极，使得前级三极管31开启，前级三极管31的发射极电流流入后级三极管32的基极，继而后级三极管32开启。电流流过级联三极管(31、32)后被放大β31×β32倍，是普通光电继电器的β32倍，所以电路抽取电荷的速度比传统光电继电器速度快。如图4所示，传统光电继电器在1微秒内仅放电至4V左右，要充分放电则需要更长时间，这限制了其在高频下的应用；而本发明光电继电器可在1微秒内快速放电至接近0V，从而达到快速泄放电荷的目的，其应用频率范围也更加广阔。

Claims (2)

1.一种快速放电的光电继电器，包括输入端光控信号产生电路、光控信号接收及光电转换电路、控制电路和输出电路；
所述输入端光控信号产生电路由一个发光二极管LED(11)构成，用于产生光控制信号；
所述光控信号接收及光电转换电路由一个光电二极管阵列PDA(22)构成，用于接收发光二极管LED(11)所产生的光控制信号并将该光控制信号转换成电信号；
所述控制电路包括一个级联三极管、三个二极管，用于为输出电路的功率MOSFET器件提供充放电通道，其中三个二极管为第一二极管(33)、第二二极管(34)和第三二极管(35)；第一二极管(33)和第二二极管(34)反向并联后一端接光电二极管阵列PDA(22)的正极和级联三极管的集电极，另一端作为控制电路的输出端，级联三极管的发射极接第三二极管(35)的阳极，级联三极管的基极接光电二极管阵列PDA(22)的负极和第三二极管(35)的阴极；
所述输出电路包括一对功率MOSFET器件，其中NMOSFET器件(41)和PMOSFET器件(42)的栅极共同接控制电路的输出端，NMOSFET器件(41)的源极和PMOSFET器件(42)的漏极互连并接控制电路中级联三极管的发射极。
2.根据权利要求1所述的快速放电的光电继电器，其特征在于，所述控制电路中的级联三极管由两个或多个三级管级联而成。
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