固態(tài)繼電器是不需要使用任何機械部件的開關繼電器。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)繼電器設計說明

固態(tài)繼電器設計通常非常簡單，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，該開關會進行切換。當這種情況發(fā)生時，開關發(fā)生得非常快，通常通過MOSFET功率晶體管為負載供電。

繼電器可以設計和用于交流或直流開關容量，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。控制信號的功率可以非常低，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？

什么樣的開關可以使控制信號提供數(shù)百安培的電流？固態(tài)繼電器設計與機電繼電器設計的真正美妙之處最終在于開關機制之間的差異。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)繼電器設計中至關重要，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