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什么是固态继电器？如何工作?

发布时间：2023-12-12 08:26:12 浏览：545

　　固态继电器风靡全球，彻底改变了从农业自动化到航空航天等各行各业的配电方式。但你可能想知道......“它们究竟是如何工作的?”本文将介绍从固态继电器基础知识到光隔离器和光耦合器、光电二极管和PN结的所有内容。

　　固态继电器设计

　　固态继电器通常设计为一个简单的开关，带有电源端子和负载端子，当外部控制信号通过另一个端子传递到继电器时，负载端子会切换。当这种情况发生时，开关发生得非常快，负载通常通过MOSFET功率晶体管供电。

　　继电器可以在交流或直流开关容量下设计和使用，但必须修改内部配置才能适用于这两种情况。直流继电器可以采用单个MOSFET工作，源极和漏极连接到主电路的电源和负载，控制信号连接到导通栅极。控制信号可以是非常低的功率，这使得继电器(和大型负载电路)可以由像Arduino这样小的东西控制。固态继电器可以将多个晶体管并联排列，以允许更高的电流电位，额定电流可达 100 安培。交流开关至少需要两个晶体管，因为当继电器处于关断状态时，一个MOSFET无法抑制两个方向的电流。两个连接了电源的晶体管用于在关闭时阻断电流，然后在继电器内的控制信号打开时传递电源。

　　固态继电器如何工作?

　　您可能想知道 – 什么样的开关能够为数百安培的控制信号供电?固态继电器与机电继电器的真正美在于开关机制之间的差异。固态继电器使用业界称为光隔离器或光耦合器的产品。用人类的话来说，这意味着“光分离器”。没错，固态继电器内部的开关只是一束光!通常，有一种非常低功率的 LED 将一束光照射到光电二极管上，这几乎可以立即允许电力通过它传输或“打开”。

光电二极管的示例图

　　图 1：这是典型光电二极管的示例图。该图描绘了一个 LED 照射到光电二极管晶体管上。这个动作是允许电流流过晶体管的原因。

　　光隔离器在固态继电器中至关重要，因为它们将继电器的两个或多个电路分开。由于继电器使用小电压信号来控制非常大的电压信号，因此将这些信号分开非常重要。光隔离器的美感和革命性的特点是没有活动部件。例如，在机电继电器中，这种电路分离是通过电磁场实现的，这也是用于最终完成大负载电路的原因。

　　在固态继电器中，光电二极管使负载电路内的连接完成。那么光电二极管到底是什么呢?它是一种非常专业的晶体管，它使用光子为栅极供电，而不是典型的电信号。这到底是怎么回事?它使用高度专业化的硅PN结。

　　什么是PN结，它是如何工作的?

　　PN结存在于各种不同的硅元件中，用于各种应用，并且基本上允许“硅”用作半导体。作为一种独立元件，硅的电导率非常低。然而，当硅掺杂其他元素(如磷和硼)时，p型和n型硅的导电性要强得多。p型和n型硅相交的硅区域称为P-N结。在光隔离器电路中，这种PN结被称为光电二极管，其最终有一个主要目的——在有光的情况下产生电流。

该图像是 PN 结的艺术描绘，说明了光电二极管的耗尽区。

　　图 2：该图像是 PN 结的艺术描绘，说明了光电二极管的耗尽区。

　　光由光子或携带能量的粒子组成，它们是光电二极管物理学的“面包和黄油”。通常，光电二极管对光的反应最好的光约为 200nm(紫外线)或 1100nm(红外线)。这些光子在硅光电二极管的耗尽区产生电子-空穴对。当p型掺杂硅与n型硅接触，电子和空穴流入低电位区时，就会形成耗尽区。当光线照射到硅上时，光子被吸收，形成电子-空穴对。当电子-空穴对开始漂移分开时，它们会被耗尽区的电场扫走。只要PN结以反向偏置方向运行，电子-空穴对的这种运动就会在光电二极管中产生电流。

　　现在，光隔离器的输出端正在产生信号，可以使用一个晶体管或一系列晶体管来放大该信号，最终输出非常大的信号，这是本文前面提到的一种方法。使用非常低功率的信号作为光隔离器的输入，然后将该信号转换为非常大的输出信号的能力是固态继电器的最终目的。

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