固态继电器 是一种开关 继电器 ，不需要使用任何机械部件。这通常使固态继电器具有比普通机电继电器寿命长的优势，虽然固态继电器的速度比机电继电器快很多，但在设计上也有一些限制。
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电力分配。但您可能想知道… “固态继电器究竟是如何工作的？”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、 光电二极管以及 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很简单，只需一个 开关 ，带有一个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，该开关就会切换。当发生这种情况时，切换会非常迅速地发生，并且负载会获得电力，通常通过 MOSFET 功率晶体管来实现。
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任一情况。直流继电器可采用单个 MOSFET 进行操作，其源极和漏极连接到主电路的电源和负载，而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 一样小的东西来控制。固态继电器可以并联多个晶体管，以获得更大的潜在电流，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。两个晶体管的源极相连，用于在断开时阻断电流，然后在继电器内部接通控制信号时传递功率。
固态继电器如何工作？
您可能想知道——什么样的开关能够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称的光隔离器或光耦合器。用人类的话来说，这就是“光分离器”。没错，固态继电器内部的开关就是一束光！一般来说，有一个功率非常低的 LED，它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电力通过它进行传输，或者说“开启”。
图 1：这是典型光电二极管的示例图。图中描述的是一个发光二极管照射到一个光电二极管晶体管上的情况。此动作使得电流能够流过晶体管。
光隔离器在固态继电器设计中至关重要，因为它们可以分离继电器的两个或多个电路。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极为重要。光隔离器的优点和革命性特点是它没有活动部件。例如，在机电继电器中，这种电路分离是通过电磁场实现的，这也是最终完成大负载电路所用到的。
在固态继电器中，光电二极管使负载电路内的连接完整。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，使用光子而不是典型的电信号来为栅极供电。这到底是怎么回事？它采用高度专业化的硅 P-N 结。
什么是 P-N 结以及它如何工作？
P-N 结可见于各种不同应用的硅元件中，它本质上使“硅”能够发挥半导体的作用。作为独立元素，硅的电导率非常低。然而，当硅中掺杂了磷和硼等其他元素时，p 型和 n 型硅的导电性会大大增强。硅中 p 型硅和 n 型硅相接的区域称为 P-N 结。在光隔离器电路中，这个 P-N 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。
图 2：该图是 PN 结的艺术描绘，展示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“核心”。通常，光电二极管响应最佳的光约为 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 型硅接触时，电子和空穴会流入较低电位区域，从而形成耗尽区。当光照射到硅上时，光子被吸收，形成电子空穴对。当电子空穴对开始分离时，它们会被耗尽区的电场卷走。只要 PN 结以反向偏置方向工作，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，光隔离器的输出端产生了一个信号，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，这是文章前面提到的方法。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是固态继电器设计的最终目的。
想要了解更多信息？深入了解 固态继电器与机电继电器。
