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什么是固態繼電器？如何工作?

發布時間：2023-12-12 08:26:12 瀏覽：1870

　　固態繼電器風靡全球，徹底改變了從農業自動化到航空航天等各行各業的配電方式。但你可能想知道......“它們究竟是如何工作的?”本文將介紹從固態繼電器基礎知識到光隔離器和光耦合器、光電二極管和PN結的所有內容。

　　固態繼電器設計

　　固態繼電器通常設計為一個簡單的開關，帶有電源端子和負載端子，當外部控制信號通過另一個端子傳遞到繼電器時，負載端子會切換。當這種情況發生時，開關發生得非常快，負載通常通過MOSFET功率晶體管供電。

　　繼電器可以在交流或直流開關容量下設計和使用，但必須修改內部配置才能適用于這兩種情況。直流繼電器可以采用單個MOSFET工作，源極和漏極連接到主電路的電源和負載，控制信號連接到導通柵極?？刂菩盘柨梢允欠浅５偷墓β?，這使得繼電器(和大型負載電路)可以由像Arduino這樣小的東西控制。固態繼電器可以將多個晶體管并聯排列，以允許更高的電流電位，額定電流可達 100 安培。交流開關至少需要兩個晶體管，因為當繼電器處于關斷狀態時，一個MOSFET無法抑制兩個方向的電流。兩個連接了電源的晶體管用于在關閉時阻斷電流，然后在繼電器內的控制信號打開時傳遞電源。

　　固態繼電器如何工作?

　　您可能想知道 – 什么樣的開關能夠為數百安培的控制信號供電?固態繼電器與機電繼電器的真正美在于開關機制之間的差異。固態繼電器使用業界稱為光隔離器或光耦合器的產品。用人類的話來說，這意味著“光分離器”。沒錯，固態繼電器內部的開關只是一束光!通常，有一種非常低功率的 LED 將一束光照射到光電二極管上，這幾乎可以立即允許電力通過它傳輸或“打開”。

光電二極管的示例圖

　　圖 1：這是典型光電二極管的示例圖。該圖描繪了一個 LED 照射到光電二極管晶體管上。這個動作是允許電流流過晶體管的原因。

　　光隔離器在固態繼電器中至關重要，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，因此將這些信號分開非常重要。光隔離器的美感和革命性的特點是沒有活動部件。例如，在機電繼電器中，這種電路分離是通過電磁場實現的，這也是用于最終完成大負載電路的原因。

　　在固態繼電器中，光電二極管使負載電路內的連接完成。那么光電二極管到底是什么呢?它是一種非常專業的晶體管，它使用光子為柵極供電，而不是典型的電信號。這到底是怎么回事?它使用高度專業化的硅PN結。

　　什么是PN結，它是如何工作的?

　　PN結存在于各種不同的硅元件中，用于各種應用，并且基本上允許“硅”用作半導體。作為一種獨立元件，硅的電導率非常低。然而，當硅摻雜其他元素(如磷和硼)時，p型和n型硅的導電性要強得多。p型和n型硅相交的硅區域稱為P-N結。在光隔離器電路中，這種PN結被稱為光電二極管，其最終有一個主要目的——在有光的情況下產生電流。

該圖像是 PN 結的藝術描繪，說明了光電二極管的耗盡區。

　　圖 2：該圖像是 PN 結的藝術描繪，說明了光電二極管的耗盡區。

　　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，光電二極管對光的反應最好的光約為 200nm(紫外線)或 1100nm(紅外線)。這些光子在硅光電二極管的耗盡區產生電子-空穴對。當p型摻雜硅與n型硅接觸，電子和空穴流入低電位區時，就會形成耗盡區。當光線照射到硅上時，光子被吸收，形成電子-空穴對。當電子-空穴對開始漂移分開時，它們會被耗盡區的電場掃走。只要PN結以反向偏置方向運行，電子-空穴對的這種運動就會在光電二極管中產生電流。

　　現在，光隔離器的輸出端正在產生信號，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。使用非常低功率的信號作為光隔離器的輸入，然后將該信號轉換為非常大的輸出信號的能力是固態繼電器的最終目的。

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