專利名稱：一種快速放電的光電繼電器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電子技術(shù)領(lǐng)域，涉及光電繼電器。
背景技術(shù)：
光電繼電器是一種電子控制器件，用光電隔離器件實現(xiàn)控制端與負載端隔離。光電繼電器的工作原理是通過光電二極管陣列PDA(Photo Diode Array)將發(fā)光二極管LED (LightEmitting Diode)的光信號轉(zhuǎn)化成電信號，通過控制電路來控制輸出級功率MOSFET(MetalOxide Semiconductor Field Effect Transistor)的導(dǎo)通與關(guān)斷，實現(xiàn)對負載的驅(qū)動。光電繼電器的輸出電路通常由功率MOSFET構(gòu)成，通過MOSFET的開啟和關(guān)斷對負載進行驅(qū)動。但是為使得繼電器復(fù)位，功率MOSFET的柵電極需要盡快泄放電荷。于是，業(yè)界研制出多種內(nèi)置控制電路，使得負載的柵極快速泄放電荷，達到快速放電目的。在目前的內(nèi)置光電控制電路中，多采用柵極和源極之間連接電阻、晶體管或者電阻與晶體管的結(jié)合，這些電路的成功研制，使得繼電器能夠快速的復(fù)位，但是仍然存在以下缺陷1、柵極和源極之間連接電阻36作為控制電路，如圖1(a)所示。在對MOS柵極充電時，光電二極管陣列PDA的光電流通過該電阻(36)而泄漏，使得MOSFET的開啟時間變長。2、柵極和源極插入結(jié)型場效應(yīng)晶體管37作為控制電路，如圖1(b)所示，由于插入的場效應(yīng)晶體管(37)是常開型，因此抗外來干擾能力變?nèi)酢?、單個晶體管31 作為內(nèi)控制電路，如圖1(c)所示，在放電回路中隨著基極電流的降低，晶體管31的電流放大倍數(shù)也會降低，導(dǎo)致放電慢，影響其在高頻下的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種快速放電的光電繼電器，采用雙級或多級三極管級聯(lián)作為控制電路，級聯(lián)后放大倍數(shù)增大，電路放電能力增強，使得功率MOSFET關(guān)斷速度提高，可以解決傳統(tǒng)光電繼電器的放電速度慢等問題。本發(fā)明技術(shù)方案如下一種快速放電的光電繼電器，如圖2所示，包括輸入端光控信號產(chǎn)生電路、光控信號接收及光電轉(zhuǎn)換電路、控制電路和輸出電路。所述輸入端光控信號產(chǎn)生電路由一個發(fā)光二極管LEDll構(gòu)成，用于產(chǎn)生光控制信號。所述光控信號接收及光電轉(zhuǎn)換電路由一個光電二極管陣列PDA22 (22(1)、22⑵、……22ω )構(gòu)成，用于接收發(fā)光二極管LEDll所產(chǎn)生的光控信號并將該光控信號轉(zhuǎn)換成電信號。所述控制電路包括一個級聯(lián)三極管、三個二極管，用于為輸出電路的功率MOSFET器件提供充放電通道；其中第一二極管33和第二二極管34反向并聯(lián)后一端接光電二極管陣列PDA22的正極和級聯(lián)三極管的集電極，另一端作為控制電路的輸出端，級聯(lián)三極管的發(fā)射極接第三二極管35的陽極，級聯(lián)三極管的基極接光電二極管陣列PDA22的負極和第三二極管35的陰極。所述輸出電路包括一對功率MOSFET器件，其中NM0SFET器件41和PM0SFET器件42的柵極共同接控制電路的輸出端，NM0SFET器件41的源極和PM0SFET器件42的漏極互連并接控制電路中級聯(lián)三極管的發(fā)射極。上述技術(shù)方案中所述級聯(lián)三極管由兩個或多個三極管級聯(lián)而成，級聯(lián)三極管的功率提供主要依賴于后級三極管，前級三極管也要具備足夠?qū)捰嗔康尿?qū)動電流、功率、開關(guān)速度。另外級聯(lián)三極管的電流增益變大，是前級三極管31的電流增益與后級三極管32的電流增益之積。輸出電路在電路分析時等效為一個柵極電容43，柵極電容43在觸發(fā)信號的控制下，實現(xiàn)光電繼電器的通斷切換。本發(fā)明提供的快速放電的光電繼電器，由于其控制電路采用了兩個或多個三級管的級聯(lián)，級聯(lián)后的三極管電流放大倍數(shù)增大，抽取電荷的速度顯著加快，因而比現(xiàn)有的光電繼電器具有更快的放電速度，能夠適應(yīng)更高頻率繼電場合。


圖1是幾種常規(guī)光電繼電器的電路原理圖。其中，(a)為電阻作為光電繼電器的控制電路；(b)為常開型晶體管作為光電繼電器的控制電路；(c)為單個晶體管作為光電繼電器的控制電路。圖2是本發(fā)明提供的快速放電的光電繼電器的電路結(jié)構(gòu)圖。圖3是本發(fā)明提供的快速放電的光電繼電器的充電和放電電路原理圖。圖4是本發(fā)明提供的快速放電的光電繼電器與傳統(tǒng)光電繼電器放電時間比較圖。
具體實施例方式下面將結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明作進一步說明，附圖中本專利的電路原理圖參見圖2。圖中包括一對輸入端I和2, —對輸出端3和4。其工作原理如下給輸入電路提供外加電壓，電壓降在LED11的PN結(jié)兩端，LED11產(chǎn)生光子發(fā)光。光電二極管陣列22接收光信號，光照產(chǎn)生電壓，驅(qū)動電路，實現(xiàn)控制電路和負載電路的隔離控制。根據(jù)電路性能要求的不同，改變光電二極管陣列的數(shù)目，可以達到提供不同電壓的目的，保證電路在電壓變化范圍內(nèi)可靠工作。控制電路為兩個或多個三極管級聯(lián)，本專利以兩個NPN三極管31和32級聯(lián)為例，前級三極管31的基極接PDA22的負極，前級三極管31的發(fā)射極接下后級三極管32的基極，即前級三極管31的輸出電流為后級三極管32提供輸入電流，兩個三極管31和32的集電極相接，電流放大倍數(shù)是兩個三極管放大倍數(shù)的乘積。輸出電路由功率MOSFET組成，在電路分析時可以簡化成一個柵極電容43，柵極電容43在觸發(fā)信號的控制下，實現(xiàn)光電繼電器的通斷切換。其中，35是提供放電通路的二極管，33、34是一對限流二極管，41、42是MOSFET功率開關(guān)。這種快速放電光電繼電器與常規(guī)的光電繼電器不同之處，就在于同常規(guī)繼電器相比(見圖1)，控制電路由兩級或多級三極管31和32級聯(lián)而成，級聯(lián)三極管的連接方式?jīng)Q定通過級聯(lián)三極管電流的放大倍數(shù)非常高，電流的響應(yīng)非常快，電路將會快速泄放負載的電荷。當輸入電路外加電壓后，電壓降在LEDll的PN結(jié)兩端，LEDll產(chǎn)生光子發(fā)光。光電二極管PDA22接收光信號，將光信號轉(zhuǎn)換成電信號，產(chǎn)生電動勢。若PDA22有16個光電二極管，假設(shè)每個光電二極管的開路電壓為O. 5V，則光照后PDA22陣列產(chǎn)生8V電動勢，從而驅(qū)動電路，電路進入正向充電階段，參見圖3(a)。第一二極管33和第三二極管35導(dǎo)通，輸出端口之間簡化成一個柵極電容43,電路對負載充電，由于第三二極管35正偏,三極管31的發(fā)射極電位比基極電位高，BE結(jié)反偏，級聯(lián)三級管31和32截止。假設(shè)第一二極管33的正向?qū)▔航禐镺. 7V，則輸出端口(41、42)之間的電動勢為7. 3V。當輸入電路不加電壓，即LEDll無光子發(fā)出，光電二極管陣列PDA22不能接受光信號，從而光電二極管陣列PDA22相當于普通二極管，電路進入放電過程，輸出電路等效的柵極電容43泄放電荷，參見圖3(b)。由于輸出端(41、42)之間有7. 3V電動勢，所以第二二級管34導(dǎo)通，電流首先經(jīng)過PDA22到達前級三極管31的基極，使得前級三極管31開啟，前級三極管31的發(fā)射極電流流入后級三極管32的基極，繼而后級三極管32開啟。電流流過級聯(lián)三極管(31、32)后被放大β31Χ β32倍，是普通光電繼電器的β32倍，所以電路抽取電
荷的速度比傳統(tǒng)光電繼電器速度快。如圖4所示，傳統(tǒng)光電繼電器在I微秒內(nèi)僅放電至4V左右，要充分放電則需要更長時間，這限制了其在高頻下的應(yīng)用；而本發(fā)明光電繼電器可在I微秒內(nèi)快速放電至接近0V，從而達到快速泄放電荷的目的，其應(yīng)用頻率范圍也更加廣闊。
權(quán)利要求
1.一種快速放電的光電繼電器，包括輸入端光控信號產(chǎn)生電路、光控信號接收及光電轉(zhuǎn)換電路、控制電路和輸出電路； 所述輸入端光控信號產(chǎn)生電路由一個發(fā)光二極管LED (11)構(gòu)成，用于產(chǎn)生光控制信號; 所述光控信號接收及光電轉(zhuǎn)換電路由一個光電二極管陣列PDA (22)構(gòu)成，用于接收發(fā)光二極管LED (11)所產(chǎn)生的光控信號并將該光控信號轉(zhuǎn)換成電信號； 所述控制電路包括一個級聯(lián)三極管、三個二極管，用于為輸出電路的功率MOSFET器件提供充放電通道；其中第一二極管(33)和第二二極管(34)反向并聯(lián)后一端接光電二極管陣列PDA (22)的正極和級聯(lián)三極管的集電極，另一端作為控制電路的輸出端，級聯(lián)三極管的發(fā)射極接第三二極管(35)的陽極，級聯(lián)三極管的基極接光電二極管陣列PDA (22)的負極和第三二極管(35)的陰極； 所述輸出電路包括一對功率MOSFET器件，其中NM0SFET器件(41)和PM0SFET器件(42 )的柵極共同接控制電路的輸出端，NM0SFET器件(41)的源極和PM0SFET器件(42)的漏極互連并接控制電路中級聯(lián)三極管的發(fā)射極。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的快速放電的光電繼電器，其特征在于，所述控制電路中的級聯(lián)三極管由兩個或多個三級管級聯(lián)而成。
全文摘要
一種快速放電的光電繼電器，屬于電子技術(shù)領(lǐng)域。包括輸入端光控信號產(chǎn)生電路、光控信號接收及光電轉(zhuǎn)換電路、控制電路和輸出電路；輸入端光控信號產(chǎn)生電路由一個發(fā)光二極管LED(11)構(gòu)成，光控信號接收及光電轉(zhuǎn)換電路由一個光電二極管陣列PDA構(gòu)成，控制電路包括一個級聯(lián)三極管、三個二極管，用于為輸出電路的功率MOSFET器件提供充放電通道；輸出電路包括一對功率MOSFET器件。本發(fā)明提供的快速放電的光電繼電器，由于其控制電路采用了兩個或多個三級管的級聯(lián)，級聯(lián)后的三極管電流放大倍數(shù)增大，抽取電荷的速度顯著加快，因而比現(xiàn)有的光電繼電器具有更快的放電速度，能夠適應(yīng)更高頻率的繼電場合。
文檔編號H03K17/78GK103036550SQ20121052944
公開日2013年4月10日 申請日期2012年12月11日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月11日
發(fā)明者喬明, 許琬, 蔡林希, 李燕妃, 吳浩然, 張昕, 吳文杰, 張有潤, 張波 申請人:電子科技大學(xué)