什么是固態(tài)繼電器?如何工作?
發(fā)布時間:2023-12-12 08:26:12 瀏覽:591
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)繼電器基礎知識到光隔離器和光耦合器、光電二極管和PN結的所有內(nèi)容。
固態(tài)繼電器設計
固態(tài)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(fā)生時,開關發(fā)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(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剩@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(tài)繼電器可以將多個晶體管并聯(lián)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(tài)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(nèi)的控制信號打開時傳遞電源。
固態(tài)繼電器如何工作?
您可能想知道 – 什么樣的開關能夠為數(shù)百安培的控制信號供電?固態(tài)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(tài)繼電器使用業(yè)界稱為光隔離器或光耦合器的產(chǎn)品。用人類的話來說,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!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”。
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(tài)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(xiàn)的,這也是用于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呢?它是一種非常專業(yè)的晶體管,它使用光子為柵極供電,而不是典型的電信號。這到底是怎么回事?它使用高度專業(yè)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(qū)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(chǎn)生電流。
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(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(qū)產(chǎn)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(qū)時,就會形成耗盡區(qū)。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(qū)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(chǎn)生電流。
現(xiàn)在,光隔離器的輸出端正在產(chǎn)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(tài)繼電器的最終目的。
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