第2章 無觸點開關

1、第九節(jié)第九節(jié) 無觸點開關無觸點開關晶體管開關晶體管開關光電開關光電開關接近開關接近開關固態(tài)繼電器固態(tài)繼電器雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器 數(shù)字電路中的晶體二極管、三極管和MOS管工作在開關狀態(tài)。 導通狀態(tài)：相當于開關閉合截止狀態(tài)：相當于開關斷開。 (1) 靜態(tài)特性： 斷開時，開關兩端的電壓不管多大，等效電阻ROFF = 無窮，電流IOFF = 0。 閉合時，流過其中的電流不管多大，等效電阻RON = 0，電壓UAK = 0。 (2) 動態(tài)特性：開通時間 ton = 0 關斷時間 toff = 0 理想開關的開關特性： 客觀世界中，沒有理想開關。刀開關、繼電器、接觸器等的靜態(tài)特性十分接近理想開關，但動

2、態(tài)特性很差，無法滿足數(shù)字電路一秒鐘開關幾百萬次乃至數(shù)千萬次的需要。半導體二極管、三極管和MOS管做為開關使用時，其靜態(tài)特性不如機械開關，但動態(tài)特性很好。（一）（一） 二極管的開關特性二極管的開關特性 靜態(tài)特性及開關等效電路正向?qū)〞rUD(ON)0.7V（硅） 0.3V（鍺）RD幾 幾十相當于開關閉合 二極管的伏安特性曲線反向截止時反向飽和電流極小反向電阻很大（約幾百k）相當于開關斷開 二極管的伏安特性曲線二極管的開關等效電路(a) 導通時 (b) 截止時 二極管的伏安特性曲線開啟電壓理想化伏安特性曲線（二）（二） 三極管的開關特性三極管的開關特性 1、靜態(tài)特性及開關等效電路在數(shù)字電路中，三極管

3、作為開關元件，主要工作在飽和和截止兩種開關狀態(tài)，放大區(qū)只是極短暫的過渡狀態(tài)。圖2-3三極管的三種工作狀態(tài)（a）電路 （b）輸出特性曲線開關等效電路(1) 截止狀態(tài) 條件：發(fā)射結(jié)反偏特點：電流約為0 (2)飽和狀態(tài)條件：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)正偏特點：UBES=0.7V，UCES=0.3V/硅三極管開關等效電路(a) 截止時 (b) 飽和時2. 三極管的開關時間（動態(tài)特性） 三極管的開關時間 開啟時間ton 上升時間tr延遲時間td關閉時間toff下降時間tf存儲時間ts二、接近開關二、接近開關接近開關外形接近開關外形 接近開關外形接近開關外形 接近開關外形接近開關外形1I1H傳感器激勵線圈(a)(

4、b)2H2I被測金屬導體傳感器激勵電流背景知識背景知識1：電渦流效應：電渦流效應根據(jù)法拉第電磁感應根據(jù)法拉第電磁感應原理原理, 塊狀金屬導體塊狀金屬導體置于變化的磁場中或置于變化的磁場中或在磁場中作切割磁力在磁場中作切割磁力線運動時線運動時, 導體內(nèi)將導體內(nèi)將產(chǎn)生呈渦旋狀的感應產(chǎn)生呈渦旋狀的感應電流電流, 此電流叫電渦此電流叫電渦流流, 以上現(xiàn)象稱為電以上現(xiàn)象稱為電渦流效應。渦流效應。 根據(jù)法拉第定律，當傳感器線圈通以根據(jù)法拉第定律，當傳感器線圈通以正弦交變電流正弦交變電流I1時，線圈周圍空間必然產(chǎn)時，線圈周圍空間必然產(chǎn)生正弦交變磁場生正弦交變磁場H1，使置于此磁場中的金，使置于此磁場中的金屬

5、導體中感應電渦流屬導體中感應電渦流I2，I2又產(chǎn)生新的交又產(chǎn)生新的交變磁場變磁場H2。根據(jù)愣次定律，根據(jù)愣次定律， H2的作用將反抗原的作用將反抗原磁場磁場H1，由于磁場，由于磁場H2的作用，渦流要消耗的作用，渦流要消耗一部分能量，導致傳感器線圈的等效阻抗一部分能量，導致傳感器線圈的等效阻抗發(fā)生變化。發(fā)生變化。 線圈阻抗的變化完全取決于被測金線圈阻抗的變化完全取決于被測金屬導體的電渦流效應。屬導體的電渦流效應。電渦流效應演示電渦流效應演示 當電渦流線當電渦流線圈與金屬板的距圈與金屬板的距離離x 減小時，電減小時，電渦流線圈的等效渦流線圈的等效電感電感L 減小，等減小，等效電阻效電阻R 增大。增

6、大。感抗感抗XL 的變化比的變化比 R 的變化的變化 大大 得得 多，流過電渦流多，流過電渦流線圈的電流線圈的電流 i1 增增大。大。 根據(jù)電渦流效應制成的傳感器稱為根據(jù)電渦流效應制成的傳感器稱為電渦電渦流式傳感器流式傳感器。 電渦流式傳感器最大的特點是能對位移電渦流式傳感器最大的特點是能對位移、厚度、表面溫度、速度、厚度、表面溫度、速度、 應力、材料損應力、材料損傷等進行非接觸式連續(xù)測量。傷等進行非接觸式連續(xù)測量。 另外還具有體積小另外還具有體積小, 靈敏度高靈敏度高, 頻率響應頻率響應寬等特點寬等特點, 應用極其廣泛。應用極其廣泛。 渦流傳感器應用渦流傳感器應用無損探傷無損探傷原理裂紋檢測

7、，缺陷造成渦流變化?；疖囕啓z測火車輪檢測油管檢測油管檢測安檢門演示安檢門演示當有金屬物體穿當有金屬物體穿越安檢門時報警越安檢門時報警測量封口機工作間隙測量封口機工作間隙間隙越大，間隙越大，電渦流越小電渦流越小背景知識背景知識2：正弦波振蕩電路：正弦波振蕩電路振蕩電路振蕩電路被測物體被測物體 感應電極感應電極被測電容被測電容測量頭構成電容器的一個極板，測量頭構成電容器的一個極板，另一個極板是物體本身，當物體另一個極板是物體本身，當物體移向接近開關時，物體和接近開移向接近開關時，物體和接近開關的介電常數(shù)發(fā)生變化，使得和關的介電常數(shù)發(fā)生變化，使得和測量頭相連的電路狀態(tài)也隨之發(fā)測量頭相連的電路狀態(tài)也隨

8、之發(fā)生變化生變化. .接近開關的檢測物體，接近開關的檢測物體，并不限于金屬導體，也可以是絕并不限于金屬導體，也可以是絕緣的液體或粉狀物體。緣的液體或粉狀物體。電容式接近開關電容式接近開關接近開關的符號接近開關的符號 光電開關是一種利用感光元件對光電開關是一種利用感光元件對變化的變化的入射光入射光加以接收，并進行光電轉(zhuǎn)換，同時加加以接收，并進行光電轉(zhuǎn)換，同時加以某種形式的放大和控制，從而以某種形式的放大和控制，從而獲得最終的獲得最終的控制輸出控制輸出“開開”、 “關關”信號信號的器件。的器件。 三、光電開關三、光電開關光電開關的結(jié)構和分類光電開關的結(jié)構和分類 光電開關可分為：光電開關可分為： 遮

9、斷型遮斷型和和反射型反射型兩大類。兩大類。 發(fā)光元件發(fā)光元件窗窗接收元件接收元件殼體殼體導線導線(a)當不透明的物體位于當不透明的物體位于或經(jīng)過它們之間時，或經(jīng)過它們之間時， 會阻斷光路，使接收會阻斷光路，使接收元件接收不到來自發(fā)元件接收不到來自發(fā)光元件的光。光元件的光。 遮斷式的光電開關遮斷式的光電開關它的發(fā)光元件和接收元件的光軸是重合的。它的發(fā)光元件和接收元件的光軸是重合的。 發(fā)光元件和接收元件的光軸在同一平發(fā)光元件和接收元件的光軸在同一平面且以某一角度相交，交點一般即為待測面且以某一角度相交，交點一般即為待測物所在處。物所在處。反射式的光電開關接收元件接收元件發(fā)光元件發(fā)光元件殼體殼體導線

10、導線反射物反射物當有物體經(jīng)過時當有物體經(jīng)過時, , 接接收元件將接收到從物收元件將接收到從物體表面反射的光體表面反射的光, , 沒沒有物體時則接收不到。有物體時則接收不到。 光電開關外形光電開關外形遮斷型光電開關示意圖遮斷型光電開關示意圖遮斷報警遮斷報警遮斷式光電開關原理遮斷式光電開關原理ObjectReceiver 遮斷式光電開關遮斷式光電開關由相互分離且相對安由相互分離且相對安裝的光發(fā)射器和光接裝的光發(fā)射器和光接受器組成。當被檢測受器組成。當被檢測物體位于發(fā)射器和接物體位于發(fā)射器和接受器之間時，光線被受器之間時，光線被阻斷，接受器接受不阻斷，接受器接受不到紅外線而產(chǎn)生開關到紅外線而產(chǎn)生開關

11、信號。信號。被檢測物體光發(fā)射器光接收器光電開關在流水線上光電開關在流水線上的應用的應用送料器定區(qū)域式光電開關定區(qū)域式光電開關咖啡罐咖啡罐流水線運行方向流水線運行方向罐裝高度檢測罐裝高度檢測儲料倉儲料倉落料口落料口遮斷式光電開關遮斷式光電開關（計數(shù)）（計數(shù)）被測物漫反射型光電開關原理被測物漫反射型光電開關原理漫反射光線反射光線被檢測物體光發(fā)射器和光接受器發(fā)射光線 當被測物當被測物體經(jīng)過該光電體經(jīng)過該光電開關時，發(fā)射開關時，發(fā)射器發(fā)出的光線器發(fā)出的光線經(jīng)被測物體表經(jīng)被測物體表面反射由接受面反射由接受器接受，于是器接受，于是產(chǎn)生開關信號。產(chǎn)生開關信號。額定距離額定距離漫反射型漫反射型光電開關的應用光

12、電開關的應用反射型光電開關外形反射型光電開關外形電源電源指示指示信號信號指示指示反射型光電開關外形反射型光電開關外形（續(xù)）（續(xù)）靈敏度調(diào)節(jié)電位器靈敏度調(diào)節(jié)電位器觸發(fā)器按邏輯功能可分為：觸發(fā)器按邏輯功能可分為：雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、無穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器（多諧振蕩器）。無穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器（多諧振蕩器）。雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器有：雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器有：RS觸發(fā)器觸發(fā)器、JK觸發(fā)器觸發(fā)器、D觸發(fā)器、觸發(fā)器、T觸發(fā)器觸發(fā)器等。等。 四、雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器四、雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器DRDS低電平有效低電平有效QQ直接置直接置“0”或置或置“1”不管觸發(fā)器原來的不管觸發(fā)器原來的狀態(tài)如何。狀態(tài)如何。常用的觸發(fā)方式有兩類：

13、常用的觸發(fā)方式有兩類：一、置位復位方式一、置位復位方式邏邏 輯輯 符符 號號DRDSSRCQQSDRDJKC邏輯符號邏輯符號邏輯狀態(tài)表邏輯狀態(tài)表J0011K0101Qn+1Qn+1 0 1QnQQ二、計數(shù)觸發(fā)方式二、計數(shù)觸發(fā)方式觸發(fā)器邏輯功能的轉(zhuǎn)換觸發(fā)器邏輯功能的轉(zhuǎn)換1. JK觸發(fā)器轉(zhuǎn)換為觸發(fā)器轉(zhuǎn)換為D觸發(fā)器觸發(fā)器DSDRDJKCQQ1Dn Qn+1 0 0 1 12. JK觸發(fā)器轉(zhuǎn)換為觸發(fā)器轉(zhuǎn)換為T觸發(fā)器觸發(fā)器SDRDJKCQQT T Qn+1 0 Qn 1 QnCDQQ3. D觸發(fā)器轉(zhuǎn)換為觸發(fā)器轉(zhuǎn)換為 觸發(fā)器觸發(fā)器T每來一個脈沖每來一個脈沖Q翻轉(zhuǎn)一次翻轉(zhuǎn)一次五、固態(tài)繼電器 固態(tài)繼電器固態(tài)繼

14、電器SSR（Solid State Relay）是一種新型的無觸點開關的電）是一種新型的無觸點開關的電子繼電器。子繼電器。 它利用電子技術實現(xiàn)了它利用電子技術實現(xiàn)了控制回路與負控制回路與負載回路載回路之間的之間的電隔離電隔離和和信號耦合信號耦合，而且沒，而且沒有任何可動部件或觸點，卻能實現(xiàn)電磁繼有任何可動部件或觸點，卻能實現(xiàn)電磁繼電器的功能，故稱為固態(tài)繼電器。電器的功能，故稱為固態(tài)繼電器。 特點：特點： 它具有體積小、開關速度快、無機它具有體積小、開關速度快、無機械噪聲、無抖動和回跳、壽命長等傳統(tǒng)械噪聲、無抖動和回跳、壽命長等傳統(tǒng)繼電器無法比擬的優(yōu)點，在計算機控制繼電器無法比擬的優(yōu)點，在計算機

15、控制系統(tǒng)中得到廣泛的應用，大有取代電磁系統(tǒng)中得到廣泛的應用，大有取代電磁繼電器之勢繼電器之勢。 固體繼電器是一種能實現(xiàn)固體繼電器是一種能實現(xiàn)無觸頭通斷無觸頭通斷的電器的電器開關。開關。 當控制端無信號時，其主回路呈阻斷狀態(tài)；當控制端無信號時，其主回路呈阻斷狀態(tài)；當施加控制信號時，主回路呈導通狀態(tài)。當施加控制信號時，主回路呈導通狀態(tài)。 它利用信號光電耦合方式使控制回路與負載它利用信號光電耦合方式使控制回路與負載回路之間沒有任何電磁關系，從而實現(xiàn)了電隔離?；芈分g沒有任何電磁關系，從而實現(xiàn)了電隔離。 從其外部狀態(tài)看，固體繼電器具有與電磁式從其外部狀態(tài)看，固體繼電器具有與電磁式繼電器一樣的功能。因此

16、，在有些場合，尤其在繼電器一樣的功能。因此，在有些場合，尤其在惡劣的工況下固體繼電器可取代電磁式繼電器。惡劣的工況下固體繼電器可取代電磁式繼電器。 SSR的輸入端與晶體管、的輸入端與晶體管、TTL、CMOS電電路兼容，輸出端利用器件內(nèi)的電子開關來接通和路兼容，輸出端利用器件內(nèi)的電子開關來接通和斷開負載。工作時只要在斷開負載。工作時只要在輸入端施加一定的弱電輸入端施加一定的弱電信號信號，就可以，就可以控制輸出端大電流負載的通斷控制輸出端大電流負載的通斷。 SSR的輸出端可以是直流也可以是交流，分別稱的輸出端可以是直流也可以是交流，分別稱為為直流型直流型SSR和和交流型交流型SSR。直流型。直流型

17、SSR內(nèi)部的開關組件為功率三極管，交流型內(nèi)部的開關組件為功率三極管，交流型SSR內(nèi)部的開關組件為雙向晶閘管。內(nèi)部的開關組件為雙向晶閘管。交流型交流型SSR按控制觸發(fā)方式不同又可分為：按控制觸發(fā)方式不同又可分為：過零型過零型和和移相型移相型兩種，其中應用最廣泛的是兩種，其中應用最廣泛的是過零型。過零型。 過零型過零型AC-SSR是指當輸入端加入控制是指當輸入端加入控制信號后，需等待負載電源電壓過零時，信號后，需等待負載電源電壓過零時，SSR才為導通狀態(tài)；而斷開控制信號后，也要等才為導通狀態(tài)；而斷開控制信號后，也要等待交流電壓過零時，待交流電壓過零時，SSR才為斷開狀態(tài)。才為斷開狀態(tài)。 移相型移相

18、型AC-SSR的斷開條件同過零型的斷開條件同過零型AC-SSR，但其導通條件簡單，只要加入控，但其導通條件簡單，只要加入控制信號，不管負載電流相位如何，立即導通。制信號，不管負載電流相位如何，立即導通。直流式固態(tài)繼電器直流式固態(tài)繼電器固態(tài)繼電器固態(tài)繼電器SSR是一個四端組件，有兩個輸入端、兩是一個四端組件，有兩個輸入端、兩個輸出端。個輸出端。VPC光電耦合器光電耦合器的作用是在輸入與輸出之間起信號傳的作用是在輸入與輸出之間起信號傳遞作用，同時使兩端在電氣上完全隔離。遞作用，同時使兩端在電氣上完全隔離。電子開關電路電子開關電路用來接通或關斷直流或交流負載電源。用來接通或關斷直流或交流負載電源。交

19、流式固態(tài)繼電器交流式固態(tài)繼電器 固態(tài)繼電器固態(tài)繼電器SSR是一個四端組件，有是一個四端組件，有兩個輸入端、兩個輸出端。兩個輸入端、兩個輸出端。光耦隔離電路的作用是在輸入與輸出之間起信號傳光耦隔離電路的作用是在輸入與輸出之間起信號傳遞作用，同時使兩端在電氣上完全隔離。遞作用，同時使兩端在電氣上完全隔離。控制觸發(fā)電路是為后級提供一個觸發(fā)信號，使電子控制觸發(fā)電路是為后級提供一個觸發(fā)信號，使電子開關（三極管或晶閘管）能可靠地導通開關（三極管或晶閘管）能可靠地導通電子開關電路用來接通或關斷直流或交流負載電源電子開關電路用來接通或關斷直流或交流負載電源。吸收保護電路的功能是為了防止電源的尖峰和浪涌吸收保護電路的功能是為了防止電源的尖峰和浪涌對開關電路產(chǎn)生干擾造成開關的誤動作或損害，一對開關電路產(chǎn)生干擾造成開關的誤動作或損