MOSFET 继电器在其他应用中的应用

　　虽然我已经在整个过程中展示了IRF540N MOSFET，但这更多的是方便而不是其他任何事情。虽然这些适用于一些低功率放大器，但它们不适合非常高的电流。声称的R DS-On是可以接受的（540为77mΩ，540N为44mΩ），但现在有更好的MOSFET，RDS-On低于20mΩ。我把它留给读者，让读者选择适合要切换的放大器提供的电压和电流的MOSFET。有很多可供选择，对我来说，试图列出所有您可能（或可能不会）能够轻松到达您居住的地方的人是毫无意义的。您可以并行使用多个较小的单元，这可能会更便宜。漏源电阻值越低，电路产生的失真越低。

　　交流SSR的一般概念如图2所示。使用两个N沟道开关MOSFET，其源极和栅极连接在一起。信号和负载连接到每个排水端子-哪个是哪个并不重要，因为“开关”是对称的。但是，请记住，有两个MOSFET串联，因此有效RDS-On是单个器件的两倍。

　　由于栅极和源极端子之间没有电压，MOSFET处于关断状态，因此没有电流流动。根据所使用的MOSFET，当栅源电压超过7 V左右时，它们将完全导通。提供10-12V栅极驱动以确保它们始终完全打开始终是一个好主意。您看到的齐纳二极管用于保护栅极和MOSFET沟道之间的精细绝缘。

　　栅极绝缘的额定电压通常约为±20V。即使是一点点杂散电容或电阻（例如PCB上的水分）也很容易使电压上升到破坏性水平，因为阻抗非常高，而齐纳二极管是强制性的。如果不包括齐纳二极管，即使是漏极栅极电容也会引起问题。

　　虽然这个概念非常简单，但实际上可能需要相当多的附加电路，因为控制电路通常必须与开关MOSFET完全隔离。立体声需要两个完整的电路，即使它们由同一个检测器驱动。这是因为两对MOSFET不能以任何方式连接在一起，只能共享一个公共控制驱动电路，如双路光耦合器或微型双极继电器。

　　每个MOSFET的额定电压应至少比无负载放大器的电源轨高25%。这是由于电路的工作方式，并且当直流故障电流突然中断时，扬声器或分频线圈可能会产生瞬时反电动势。在SSR开关端子上包括一个MOV（金属氧化物压敏电阻）可能很有用，或者使用电容器“缓冲器”来防止任何破坏性电压尖峰的可能性。

　　当MOSFET发生故障时，它们几乎总是会短路失效（就像大多数半导体一样），并且可以想象，在扬声器着火之前，故障可能会完全被忽视。必须确保故障的可能性极小，或者加入某种测试过程（当然，这会增加进一步的复杂性）。很明显，传统的继电器也可能出现故障，但它们通常非常可靠，并且其中没有敏感的电子位。但是，如果您尝试断开高直流故障电流，尤其是电压高于30V直流时，预计触点会熔化。

　　激活MOSFET继电器需要的是浮动直流电源。它必须与放大器的扬声器输出电气隔离（并且具有高阻抗），否则会被放大器损坏，或者会损坏放大器。为简单起见，直流电源显示为9V电池（下文将进一步讨论）。然后根据需要连接和断开直流电以打开和关闭继电器（如上所示）。实现开关功能的方法有很多种，包括微型继电器、光隔离器（LED+LDR或LED+光电晶体管）或通过某种方式远程打开和关闭栅极电源。齐纳二极管用于确保电压保持在可能损坏栅极敏感绝缘的电压以下。

　　图2显示了MOSFET继电器的一般形式，仅以9V电池为例。虽然显示了IRF540N MOSFET，但您必须使用适合要控制的电压和电流的器件。这种一般电路布置将适用于毫伏信号电压，一直到230/120V电源，使用正确的设备。

　　如果您有±100V电源，则MOSFET的额定电压应至少为120V，因为这可提供舒适的安全裕度。您可以为每个MOSFET并联添加电阻器，从而降低杂散电容的影响，并确保保持安全裕度。100k是一个很好的起点，但这并不是绝对必要的（尤其是下面进一步显示的继电器电路）。过高电压的可能性最有可能出现在图6中的“电荷耦合”电路中。

　　从扬声器输出到大地的电容也必须最小化，否则放大器可能会振荡。理想情况下，浮动电源应通过串联电阻与任何杂散电容隔离。这些会抑制电容的影响并使其无害。如果安装输出线圈以将放大器与扬声器电缆和其他杂散电容隔离，则SSR应位于线圈和扬声器端子之间，切勿在放大器和线圈之间。

　　请注意，MOSFET开关是完全双向的，尽管看起来它必须引入相当大的失真，但实际上并非如此。当开关闭合且MOSFET偏置导通时，该对上出现的唯一电压是由于它们的导通电阻（RDS-On）。使用合适的器件，该电阻非常低且线性合理。当“开关”关闭时，线性度就不那么好了，但这无关紧要。请记住，任何串联电阻都会降低阻尼系数，因此，如果您碰巧认为非常高的值是必不可少的，您可能不愿意添加增加电阻的电路。

　　合适的MOSFET的选择是巨大的-如此之多，以至于我只尝试几种类型供考虑。一个流行且便宜的部件是IRF540N。它的额定电流为33A，额定电压为100V，因此可以在高达约±70V的电源电压下使用。另一个值得考虑的是IRFP240，200V和20A.RDS-On高于理想水平，但可以并联2个或更多以降低这种情况。还有很多其他的，我把它留给读者找到适合目的和预算的设备。总串联电阻将是每个MOSFET的RDS-On的两倍。当安培电流（例如）20A峰值时，继电器两端将有1.76V峰值（1.25V RMS）的损耗，总功耗小于150mW。

　　请注意，虽然如上所示使用电池非常方便（且容易），但这将是一个非常糟糕的主意。即使MOSFET栅极需要的电流最小，电池最终也会放电（通过电阻，不能省略）到在MOSFET两端出现显着电压的程度，因为它们的导通不够用力，这将导致严重的过热和严重失真。例如，上图所示电路在施加28V RMS时失真为0.013%（全功率时为100W/8欧姆安培）。

　　如果MOSFET栅极偏置电压降低到5V，则最大输出将大大降低，并且在高于50-60W的任何电平下失真都会变得过大。此外，MOSFET会严重过热，因为通常它们只需要一个非常适中的散热器（如果有的话）。一旦它们两端有一个很大的电压并且它们通过电流，它们就会耗散功率。

　　在排除了使用几节9V电池的可能性（至少从纯粹的实用角度来看），我们必须找到一种替代解决方案来提供打开MOSFET所需的必要电压。关闭它们很容易-只需带走电压即可。一些选项如下将在下一节中提供。

　　请注意，如果如以下示例所示在继电器端子上使用电容，则如果MOSFET继电器用于静音，则高灵敏度扬声器将听到一个小信号电流。如果使用“钳位”二极管，则可以省略电容，或者您可以使用MOV进行保护。如果使用，MOV的RMS额定电压必须小于MOSFET的额定击穿电压，但大于放大器的RMS输出电压。鉴于MOV器件具有相当宽的容差，并且仅在有限的电压范围内可用，这使得选择相当困难。

　　最后一个问题是可能引起一些悲伤的问题，因为大多数的输出电流小于100μA，有些低于10μA。这意味着MOSFET无法快速切换（打开或关闭），因此在切换期间峰值功耗可能高得令人无法接受。请记住，所有MOSFET都有一个栅极-源极电容，当MOSFET打开和关闭时，必须对该电容进行充电和放电。尽管必须考虑这一点，但仍有可能获得几毫秒的切换时间，这通常被认为是可以接受的。

　　上面显示的布置是一般方案中相当典型的，只要能够以合理的价格找到最佳的光伏光耦合器，就可以很好地工作。理想情况下，您需要一个能够提供至少50μA的光伏光电，否则开关时间就会变得非常慢。在一些数据手册（如上所示）中，您将看到用于加快MOSFET栅极放电和关断时间的JFET。如图所示，关断几乎是瞬时的。

　　注意连接到放大器电源轨的一对“箝位”二极管（D2和D3）。（这些二极管也包含在其他图纸中，因为它们包含在内非常重要。

　　如果您查看Vishay VO1263AB数据手册，也可以看到这种安排，但它们使用P沟道JFET。如果选择使用光伏隔离器电路，则几乎必须包括JFET，除非您使用图10所示的电路。在您可能遇到的其他电路中，隔离器输出端放置一个高阻值电阻（~10MΩ），但这具有更长的关断时间（可能为100ms甚至更长，具体取决于MOSFET栅极-源极电容）。这几乎肯定会导致MOSFET中的峰值耗散过大并导致故障。

　　光电的LED通常需要以大约10-50mA的电流驱动才能工作，具体取决于所使用的器件。该电流很容易由扬声器直流检测器电路提供。项目33可以轻松完成这项工作。

　　如果您想知道，当没有来自光电的电流时，JFET电路会将MOSFET栅极短路到源极。当光电工作（提供电流）时，R2两端产生一个电压，使JFET偏置关闭，因此它不会吸收任何电流。采用50μA电流和一个2.2M电阻时，JFET完全偏置关断。由于JFET和光伏隔离器的参数分布很广，您可能需要试验R2的值以确保可靠的开关。

　　重要的是要了解R2两端会有一些压降，足以使JFET偏置关闭。MOSFET的栅极无法获得该电压，因此耦合器已经有限的电压会进一步降低。这可能足以使MOSFET无法完全导电，这是一个非常不希望的结果。额外的电阻还意味着MOSFET的导通速度比其他方式慢。差异不是很大，但很容易衡量。

　　先进光半导体由南方先进联合日本归国华侨杨振林博士团队合资成立，以南方先进为主要投资方、杨博士团队为技术核心的一家专业从事光电器件、光耦合器、光耦继电器等光电集成电路以及光电驱动等产品，研发团队涵盖设计、制造、销售和服务的高新技术企业，先进光半导体拥有先进的光电器件全自动生产线，具有年产8000万只光电光耦器件的生产能力。现阶段先进光半导体的光耦继电器、光耦合器等主要产品用于：蓄电系统．智能电表．自动检测设备．电信设备．测量仪器．医疗设备．通信设备．PC端．安防监控．O/A设备．PLC控制器．I/O控制板等，依托于光半导体综合的设计技术和芯片制造技术优势，先进光半导体期望在有广阔发展前景的光电控制领域深耕，逐步提升产品的技术附加值，扩充技术含量更高的产品线。

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