中心論題：

• 介紹FET型半導體繼電器和光電元件內置式控制電路的結構特點以及性能比較
• 介紹PhotoMOS繼電器中新開發(fā)的控制電路原理及性能
• 詳細介紹PhotoMOS繼電器的使用注意事項

解決方案：

• 利用與輸入LED進行光耦合的光電二極管陣列實現導通時間的有效減少
• 通過采用N.C.元件增強抗外來干擾能力
• 通過旁路元件使光電流高效率流入電路中

機械式繼電器的缺陷是靈敏度差、存在動作噪聲以及開關次數多影響壽命等問題，本文介紹PhotoMOS繼電器控制電路的特點、結構和典型電路，以及確保可靠使用的注意事項。

圖1  FET型半導體繼電器的基本電路

圖1表示FET型半導體繼電器是一種最基本的電路。該電路因輸出元件的功率MOSFET是電壓驅動型元件，因此，由于光電二極管陣列(P.D.A)供給的電壓，而柵極電容被充電，通過使柵極電壓上升到開啟電壓值(門檻電壓)，就可使繼電器動作。

但是，要想使繼電器復位，就必須相反地使柵極所充的電荷盡快放電。在圖1所示的電路中，恢復時間過長，因此不可能被繼電器使用。

光電元件內置式控制電路
PhotoMOS繼電器通過圖2所示的光電元件中內置的控制電路來解決上述問題。該控制電路對于達到動作時間與恢復時間保持良好平衡的開關特性、以及對輸入LED電流的高靈敏度特性，起到了最重要的作用。
 
圖2  PhotoMOS繼電器的等效電路

光電元件內置式控制電路如圖3(a)到(c)所示。這些電路的簡單說明如下：

圖3  FET型半導體繼電器的控制電路示例

(a) 圖的控制電路
該控制電路是基本型控制電路。為了加快關斷時間，關斷時要使輸出MOS的柵極電容放電，在柵極和源極間連接固定電阻。但在導通時，為對輸出MOS的柵極電容進行充電，來自它的光電二極管(P.D.A)的光電流通過該電阻而泄漏，因此，導通時間就會變長。

另外，如圖4所示，輸出電流對輸入電流的變化也在平穩(wěn)地發(fā)生變化，因此，存在著切換元件要求的速動性較差、而溫度變化造成的特性變動也較大等缺點。
 
圖4  繼電器的切換特性
 

(b)圖的控制電路

該電路的速動性與(a)電路相比較好一些，但輸出MOS的柵極和源極間插入的晶體管是常開型的，因此，抗外來干擾的能力變弱。

(c)圖的控制電路

該電路作為放電電路，使用了常閉型(N.C.)的元件，因此，關斷時輸出MOS的電荷可以快速放電。另外，導通時該元件通過第2光電二極管陣列被偏置到處于開放狀態(tài)，由于第1光電二極管陣列的光電流高效率地傳送到輸出MOS的柵極上，因此與(a)的電路相比，導通時間也會變短。

通過該N.C.元件，速動性也得到大幅度改善。但是，需要2列光電二極管陣列是它的缺點。
 
新控制電路的原理
上述電路各有利弊，為了制造出高性能(高靈敏度、快速、抗干擾)且低成本的繼電器，在PhotoMOS繼電器中配置了如圖5所示的新開發(fā)的電路結構的光電元件。

圖5  新開發(fā)的控制電路

在該電路中，與輸入LED進行光耦合的光電二極管陣列，接受輸入信號發(fā)光產生的光電流，通過偏置電阻使N.C.元件處于開放狀態(tài)。這樣同時具備(c)電路中第2光電二極管陣列的作用。

另外，與圖3(c)的電路相同，通過采用N.C.元件，當無輸入信號時，功率MOS的柵極源極間出現短路，抗外來干擾能力較強，同時如圖4所示，也可進一步達到良好的速動性。

通過旁路元件，使偏置電阻兩端的電位下降控制在一定閾值以下，與偏置電阻的大小無關，起到使光電流高效率流入電路的作用。該旁路元件插入電路的情況及相反的情況下的輸入電流-動作時間的特性如圖6所示。

圖6  繼電器的動作時間的輸入電流特性

由圖6得知，無旁路元件時，即使增加輸入電流，光電流也受偏置電阻限制，動作時間可處于飽和狀態(tài)。對此，當有分路元件時，出現動作時間跟隨輸入電流量的情況，也可適應高速動作的需求。

PhotoMOS繼電器的使用注意事項
PhotoMOS繼電器的可靠性，是由元件自身具有的應力耐性，如對電應力、熱應力、機械性應力、濕氣侵入等外部應力的承受程度來決定的。因此，如果元件結構即使有一部分較薄弱，應力造成的反應也會使該部分運行異常，造成重大故障。

為了確保PhotoMOS繼電器的可靠使用，要考慮會加速引發(fā)故障的外部應力---環(huán)境因素。環(huán)境因素通常是錯綜復雜的。例如：腐蝕造成斷線就是因溫度和濕度兩種因素引起的。應力可分為自然環(huán)境因素和人為因素兩種情況。自然環(huán)境因素有溫度、濕度、氣壓、鹽份、雷擊造成的過電壓沖擊等。其中溫度和濕度是最重要的因素。下面是使用過程應該注意的事項。

1. 一般情況下，溫度升高會使化學反應速度加快，因此，作為主要故障的機械性故障會由于升溫而加速。實際使用中，除該環(huán)境溫度外，也需要考慮到電力消耗帶來的自身發(fā)熱和因此而造成的溫度變化。溫度變化使熱膨脹率不同的物質的接合部上發(fā)生畸變應力，反復出現會引起疲勞，造成氣體密封部位密封不良、芯片焊接接合不良、焊絲斷開等。另外，斷斷續(xù)續(xù)使用時，必須考慮使用器械或元件自身的發(fā)熱施加在元件上的溫度變化造成的影響。

2.濕度主要是吸附在物體表面而提高表面的電導率，增大漏泄電流，引起產品特性不良、動作不良，同時，還促進化學及電化學的反應而產生金屬腐蝕。PhotoMOS繼電器采用了改良樹脂材料進行封裝，已達到不遜色于氣體密封的狀態(tài)，通常使用中幾乎不會出現濕度變化引起的問題。

3. 人為因素造成的損壞也要注意。例如要避免在搬運裝載過程中、電路板的超聲波清洗中、發(fā)生摔落過程中、安裝時的掉落沖擊的振動引起的破壞。印刷電路板焊錫時的加熱和焊錫過程也要按照規(guī)定的工藝進行。

4. 超出產品規(guī)格的最大額定是使用不當的一種常見情況。例如：超過額定電壓使用、超過額定負載使用等等。建議在使用之前，認真閱讀廠家提供的PhotoMOS繼電器使用中的事故與故障模式。