什么是固態(tài)繼電器？

固態(tài)繼電器是不需要使用任何機械部件的開關(guān)繼電器。這通常使它們具有比普通機電繼電器壽命更長的優(yōu)勢，然而，盡管固態(tài)繼電器速度快且耐用，但仍具有某些設(shè)計規(guī)定。

固態(tài)繼電器風靡全球，徹底改變了從農(nóng)業(yè)自動化到航空航天等各個行業(yè)的配電。但您可能想知道-----“固態(tài)繼電器到底是如何工作的？”本文將涵蓋從固態(tài)繼電器基礎(chǔ)知識到光隔離器和光耦合器、光電二極管和PN結(jié)的所有內(nèi)容。

固態(tài)繼電器設(shè)計說明

固態(tài)繼電器設(shè)計通常非常簡單，就像帶有電源端子和負載端子的通斷開關(guān)一樣，當外部控制信號通過另一個端子傳遞到繼電器時，該開關(guān)會進行切換。當這種情況發(fā)生時，開關(guān)發(fā)生得非常快，通常通過MOSFET功率晶體管為負載供電。

繼電器可以設(shè)計和用于交流或直流開關(guān)容量，但必須修改內(nèi)部配置才能適用于這兩種情況。直流繼電器可以使用單個MOSFET進行操作，源極和漏極連接到主電路的電源和負載，控制信號連接到傳輸門?？刂菩盘柕墓β士梢苑浅５?，這使得繼電器（和大負載電路）可以由像Arduino這樣小的東西來控制。固態(tài)繼電器可以具有多個并聯(lián)的晶體管，以允許更高的電流流動電勢，其額定電流可以達到數(shù)百安培。交流開關(guān)至少需要兩個晶體管，因為當繼電器處于斷開狀態(tài)時，一個MOSFET無法抑制兩個方向的電流。兩個源極相連的晶體管用于在關(guān)閉時阻止電流，然后在繼電器內(nèi)的控制信號打開時傳遞功率。

固態(tài)繼電器如何工作？

什么樣的開關(guān)可以使控制信號提供數(shù)百安培的電流？固態(tài)繼電器設(shè)計與機電繼電器設(shè)計的真正美妙之處最終在于開關(guān)機制之間的差異。固態(tài)繼電器使用業(yè)界所說的光隔離器或光耦合器。這意味著“光分離器”。沒錯-----固態(tài)繼電器內(nèi)部的開關(guān)只是一束光束！一般來說，功率非常低的LED會將一束光照射到光電二極管上，光電二極管幾乎可以立即讓功率通過它傳輸，或者“打開”。

光隔離器在固態(tài)繼電器設(shè)計中至關(guān)重要，因為它們將繼電器的兩個或多個電路分開。由于繼電器使用小電壓信號來控制非常大的電壓信號，因此保持這些信號分離非常重要。光隔離器的優(yōu)點和革命性特征在于沒有移動部件。例如，在機電繼電器中，這種電路分離是通過電磁場實現(xiàn)的，這也是最終完成大負載電路的原因。

在固態(tài)繼電器中，光電二極管使負載電路內(nèi)的連接完成。那么光電二極管到底是什么？它是一種非常專業(yè)的晶體管，使用光子而不是典型的電信號為柵極供電。這到底是如何運作的？它使用高度專業(yè)化的硅P-N結(jié)。

什么是P-N結(jié)及其工作原理？

N結(jié)出現(xiàn)在各種不同應用的各種不同硅元件中，它本質(zhì)上允許“硅”充當半導體。作為一種獨立的元素，硅的電導率非常低。然而，當硅中摻雜有磷和硼等其他元素時，p型和n型硅的導電性會變得更好。p型n型硅相遇的硅區(qū)域稱為P-N結(jié)。在光隔離器電路中，這種P-N結(jié)稱為光電二極管，其最終的主要目的是在有光的情況下產(chǎn)生電流

光由光子或攜帶能量的粒子組成，它們是光電二極管物理學的“面包和黃油”。通常，光電二極管最能響應的光約為200nm（紫外線）或1100nm（紅外線）。這些光子在硅光電二極管的耗盡區(qū)中產(chǎn)生電子空穴對。當p型摻雜硅與n型硅接觸并且電子和空穴流入較低電勢區(qū)域時，形成耗盡區(qū)。當光照射到硅上時，光子被吸收，產(chǎn)生電子空穴對。當電子空穴對開始漂移分開時，它們被耗盡區(qū)的電場掃走。只要PN結(jié)以反向偏壓方向工作，電子空穴對的這種移動就會在光電二極管中產(chǎn)生電流。

現(xiàn)在光隔離器的輸出端產(chǎn)生了信號，可以使用一個晶體管或一系列晶體管來放大該信號，最終輸出非常大的信號，這是本文前面提到的一種方法。固態(tài)繼電器設(shè)計的最終目的是能夠使用非常低功率的信號作為光隔離器的輸入，并反過來將該信號轉(zhuǎn)換為非常大的輸出信號。

審核編輯 黃宇