固態(tài)繼電器是不需要使用任何機(jī)械部件的開(kāi)關(guān)繼電器。這通常使它們具有比普通機(jī)電繼電器壽命更長(zhǎng)的優(yōu)勢(shì)，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(jì)規(guī)定。

固態(tài)繼電器風(fēng)靡全球，徹底改變了從農(nóng)業(yè)自動(dòng)化到航空航天等各個(gè)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(shí)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(jì)說(shuō)明

固態(tài)繼電器設(shè)計(jì)通常非常簡(jiǎn)單，就像帶有電源端子和負(fù)載端子的通斷開(kāi)關(guān)一樣，當(dāng)外部控制信號(hào)通過(guò)另一個(gè)端子傳遞到繼電器時(shí)，該開(kāi)關(guān)會(huì)進(jìn)行切換。當(dāng)這種情況發(fā)生時(shí)，開(kāi)關(guān)發(fā)生得非常快，通常通過(guò)MOSFET功率晶體管為負(fù)載供電。

繼電器可以設(shè)計(jì)和用于交流或直流開(kāi)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(gè)MOSFET進(jìn)行操作，源極和漏極連接到主電路的電源和負(fù)載，控制信號(hào)連接到傳輸門。控制信號(hào)的功率可以非常低，這使得繼電器（和大負(fù)載電路）可以由像Arduino這樣小的東西來(lái)控制。固態(tài)繼電器可以具有多個(gè)并聯(lián)的晶體管，以允許更高的電流流動(dòng)電勢(shì)，其額定電流可以達(dá)到數(shù)百安培。交流開(kāi)關(guān)至少需要兩個(gè)晶體管，因?yàn)楫?dāng)繼電器處于斷開(kāi)狀態(tài)時(shí)，一個(gè)MOSFET無(wú)法抑制兩個(gè)方向的電流。兩個(gè)源極相連的晶體管用于在關(guān)閉時(shí)阻止電流，然后在繼電器內(nèi)的控制信號(hào)打開(kāi)時(shí)傳遞功率。

固態(tài)繼電器如何工作？

什么樣的開(kāi)關(guān)可以使控制信號(hào)提供數(shù)百安培的電流？固態(tài)繼電器設(shè)計(jì)與機(jī)電繼電器設(shè)計(jì)的真正美妙之處最終在于開(kāi)關(guān)機(jī)制之間的差異。固態(tài)繼電器使用業(yè)界所說(shuō)的光隔離器或光耦合器。這意味著“光分離器”。沒(méi)錯(cuò)-----固態(tài)繼電器內(nèi)部的開(kāi)關(guān)只是一束光束！一般來(lái)說(shuō)，功率非常低的LED會(huì)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(guò)它傳輸，或者“打開(kāi)”。

光隔離器在固態(tài)繼電器設(shè)計(jì)中至關(guān)重要，因?yàn)樗鼈儗⒗^電器的兩個(gè)或多個(gè)電路分開(kāi)。由于繼電器使用小電壓信號(hào)來(lái)控制非常大的電壓信號(hào)，因此保持這些信號(hào)分離非常重要。光隔離器的優(yōu)點(diǎn)和革命性特征在于沒(méi)有移動(dòng)部件。例如，在機(jī)電繼電器中，這種電路分離是通過(guò)電磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)的，這也是最終完成大負(fù)載電路的原因。

在固態(tài)繼電器中，光電二極管使負(fù)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(hào)為柵極供電。這到底是如何運(yùn)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(yīng)用的各種不同硅元件中，它本質(zhì)上允許“硅”充當(dāng)半導(dǎo)體。作為一種獨(dú)立的元素，硅的電導(dǎo)率非常低。然而，當(dāng)硅中摻雜有磷和硼等其他元素時(shí)，p型和n型硅的導(dǎo)電性會(huì)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(xué)的“面包和黃油”。通常，光電二極管最能響應(yīng)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(duì)。當(dāng)p型摻雜硅與n型硅接觸并且電子和空穴流入較低電勢(shì)區(qū)域時(shí)，形成耗盡區(qū)。當(dāng)光照射到硅上時(shí)，光子被吸收，產(chǎn)生電子空穴對(duì)。當(dāng)電子空穴對(duì)開(kāi)始漂移分開(kāi)時(shí)，它們被耗盡區(qū)的電場(chǎng)掃走。只要PN結(jié)以反向偏壓方向工作，電子空穴對(duì)的這種移動(dòng)就會(huì)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(hào)，可以使用一個(gè)晶體管或一系列晶體管來(lái)放大該信號(hào)，最終輸出非常大的信號(hào)，這是本文前面提到的一種方法。固態(tài)繼電器設(shè)計(jì)的最終目的是能夠使用非常低功率的信號(hào)作為光隔離器的輸入，并反過(guò)來(lái)將該信號(hào)轉(zhuǎn)換為非常大的輸出信號(hào)。

審核編輯 黃宇