原创 什么是固态继电器?

2024-5-24 16:05 215 1 1 分类: 工业电子 文集: 固态继电器

固态继电器是不需要使用任何机械部件的开关继电器。这通常使它们具有比普通机电继电器寿命更长的优势,然而,尽管固态继电器速度快且耐用,但仍具有某些设计规定。

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个行业的配电。但您可能想知道-----“固态继电器到底是如何工作的?”本文将涵盖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。

固态继电器设计说明

固态继电器设计通常非常简单,就像带有电源端子和负载端子的通断开关一样,当外部控制信号通过另一个端子传递到继电器时,该开关会进行切换。当这种情况发生时,开关发生得非常快,通常通过MOSFET功率晶体管为负载供电。

继电器可以设计和用于交流或直流开关容量,但必须修改内部配置才能适用于这两种情况。直流继电器可以使用单个MOSFET进行操作,源极和漏极连接到主电路的电源和负载,控制信号连接到传输门。控制信号的功率可以非常低,这使得继电器(和大负载电路)可以由像Arduino这样小的东西来控制。固态继电器可以具有多个并联的晶体管,以允许更高的电流流动电势,其额定电流可以达到数百安培。交流开关至少需要两个晶体管,因为当继电器处于断开状态时,一个MOSFET无法抑制两个方向的电流。两个源极相连的晶体管用于在关闭时阻止电流,然后在继电器内的控制信号打开时传递功率。

固态继电器如何工作?

什么样的开关可以使控制信号提供数百安培的电流?固态继电器设计与机电继电器设计的真正美妙之处最终在于开关机制之间的差异。固态继电器使用业界所说的光隔离器或光耦合器。意味着“光分离器”。没错-----固态继电器内部的开关只是一束光束!一般来说,功率非常低的LED会将一束光照射到光电二极管上,光电二极管几乎可以立即让功率通过它传输,或者“打开”。

光隔离器在固态继电器设计中至关重要,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,因此保持这些信号分离非常重要。光隔离器的优点和革命性特征在于没有移动部件。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?它是一种非常专业的晶体管,使用光子而不是典型的电信号为栅极供电。这到底是如何运作的?它使用高度专业化的硅P-N结。

什么是P-N结及其工作原理?

P-N结出现在各种不同应用的各种不同硅元件中,它本质上允许“硅”充当半导体。作为一种独立的元素,硅的电导率非常低。然而,当硅中掺杂有磷和硼等其他元素时,p型和n型硅的导电性会变得更好。pn型硅相遇的硅区域称为P-N结。在光隔离器电路中,这种P-N结称为光电二极管,其最终的主要目的是在有光的情况下产生电流。

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,光电二极管最能响应的光约为200nm(紫外线)或1100nm(红外线)。这些光子在硅光电二极管的耗尽区中产生电子空穴对。当p型掺杂硅与n型硅接触并且电子和空穴流入较低电势区域时,形成耗尽区。当光照射到硅上时,光子被吸收,产生电子空穴对。当电子空穴对开始漂移分开时,它们被耗尽区的电场扫走。只要PN结以反向偏压方向工作,电子空穴对的这种移动就会在光电二极管中产生电流。

现在光隔离器的输出端产生了信号,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。固态继电器设计的最终目的是能够使用非常低功率的信号作为光隔离器的输入,并反过来将该信号转换为非常大的输出信号。

作者: 腾恩科技-彭工, 来源:面包板社区

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