什么是固態(tài)繼電器？如何工作?
發(fā)布時(shí)間：2023-12-12 08:26:12 瀏覽：670
固態(tài)繼電器風(fēng)靡全球，徹底改變了從農(nóng)業(yè)自動(dòng)化到航空航天等各行各業(yè)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(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)
固態(tài)繼電器通常設(shè)計(jì)為一個(gè)簡(jiǎn)單的開(kāi)關(guān)，帶有電源端子和負(fù)載端子，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)，負(fù)載端子會(huì)切換。當(dāng)這種情況發(fā)生時(shí)，開(kāi)關(guān)發(fā)生得非?？?，負(fù)載通常通過(guò)MOSFET功率晶體管供電。
繼電器可以在交流或直流開(kāi)關(guān)容量下設(shè)計(jì)和使用，但必須修改內(nèi)部配置才能適用于這兩種情況。直流繼電器可以采用單個(gè)MOSFET工作，源極和漏極連接到主電路的電源和負(fù)載，控制信號(hào)連接到導(dǎo)通柵極。控制信號(hào)可以是非常低的功率，這使得繼電器(和大型負(fù)載電路)可以由像Arduino這樣小的東西控制。固態(tài)繼電器可以將多個(gè)晶體管并聯(lián)排列，以允許更高的電流電位，額定電流可達(dá)
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安培。交流開(kāi)關(guān)至少需要兩個(gè)晶體管，因?yàn)楫?dāng)繼電器處于關(guān)斷狀態(tài)時(shí)，一個(gè)MOSFET無(wú)法抑制兩個(gè)方向的電流。兩個(gè)連接了電源的晶體管用于在關(guān)閉時(shí)阻斷電流，然后在繼電器內(nèi)的控制信號(hào)打開(kāi)時(shí)傳遞電源。
固態(tài)繼電器如何工作?
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什么樣的開(kāi)關(guān)能夠?yàn)閿?shù)百安培的控制信號(hào)供電?固態(tài)繼電器與機(jī)電繼電器的真正美在于開(kāi)關(guān)機(jī)制之間的差異。固態(tài)繼電器使用業(yè)界稱(chēng)為光隔離器或光耦合器的產(chǎn)品。用人類(lèi)的話來(lái)說(shuō)，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!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(guò)它傳輸或“打開(kāi)”。
圖 1：這是典型光電二極管的示例圖。該圖描繪了一個(gè) LED 照射到光電二極管晶體管上。這個(gè)動(dòng)作是允許電流流過(guò)晶體管的原因。
光隔離器在固態(tài)繼電器中至關(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)，因此將這些信號(hào)分開(kāi)非常重要。光隔離器的美感和革命性的特點(diǎn)是沒(méi)有活動(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，這也是用于最終完成大負(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呢?它是一種非常專(zhuān)業(yè)的晶體管，它使用光子為柵極供電，而不是典型的電信號(hào)。這到底是怎么回事?它使用高度專(zhuān)業(yè)化的硅PN結(jié)。
什么是PN結(jié)，它是如何工作的?
PN結(jié)存在于各種不同的硅元件中，用于各種應(yīng)用，并且基本上允許“硅”用作半導(dǎo)體。作為一種獨(dú)立元件，硅的電導(dǎo)率非常低。然而，當(dāng)硅摻雜其他元素(如磷和硼)時(shí)，p型和n型硅的導(dǎo)電性要強(qiáng)得多。p型和n型硅相交的硅區(qū)域稱(chēng)為P-N結(jié)。在光隔離器電路中，這種PN結(jié)被稱(chēng)為光電二極管，其最終有一個(gè)主要目的——在有光的情況下產(chǎn)生電流。
圖 2：該圖像是 PN 結(jié)的藝術(shù)描繪，說(shuō)明了光電二極管的耗盡區(qū)。
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，光電二極管對(duì)光的反應(yīng)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(qū)產(chǎn)生電子-空穴對(duì)。當(dāng)p型摻雜硅與n型硅接觸，電子和空穴流入低電位區(qū)時(shí)，就會(huì)形成耗盡區(qū)。當(dāng)光線照射到硅上時(shí)，光子被吸收，形成電子-空穴對(duì)。當(dāng)電子-空穴對(duì)開(kāi)始漂移分開(kāi)時(shí)，它們會(huì)被耗盡區(qū)的電場(chǎng)掃走。只要PN結(jié)以反向偏置方向運(yùn)行，電子-空穴對(duì)的這種運(yùn)動(dòng)就會(huì)在光電二極管中產(chǎn)生電流。
現(xiàn)在，光隔離器的輸出端正在產(chǎn)生信號(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。使用非常低功率的信號(hào)作為光隔離器的輸入，然后將該信號(hào)轉(zhuǎn)換為非常大的輸出信號(hào)的能力是固態(tài)繼電器的最終目的。
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