固态继电器的选择和应用

　　相对于传统的机电式继电器和干簧管继电器，固态继电器具有功耗低、体积小和可靠性高的特点，因而越来越受到设计师的认可。本文将着重介绍固态继电器和传统机电式继电器的区别、了解固态继电器的特性以及选择和使用固态继电器的技巧。

　　固态继电器的分类

　　固态继电器有很多种，在光耦的子目录中，根据其输出级可以分为光电三极管、光电IC、光电可控硅以及光电MOSFET。本文介绍的固态继电器仅仅是指光电MOSFET，有一些设计师和供应商将Photo Triac即光电可控硅也称为固态继电器。根据固态继电器开关形式可以划分为：Form A为单刀单掷常开型继电器；Form B为单刀单掷常闭型继电器；Form C为单刀双掷型继电器，也称为SPDT继电器。Photo MOSFET Form A继电器使用了增强型场效应管，Form B固态继电器使用了耗尽型场效应管，Form C固态继电器可通过将Form A和Form B固态继电器串联得到。此外，根据封装形式分类，大多数固态继电器都是塑料封装，也有密封的陶瓷封装用作军事或者太空应用。

　　固态继电器与机电式继电器的比较

　　首先，由于固态继电器在操作中不会产生电弧，因而具有高稳定性；而对机电式继电器而言，触点闭合时会产生电弧，一段时间之后，触点的阻值会逐渐增加直到触点完全被销毁，最终使该继电器失效。这一差异使固态继电器可以进行表贴，而机电式继电器需要安放于IC插座中以便替换。其次，固态继电器只需用电阻将LED的驱动电流限制在10 mA左右；而机电式继电器则需要几百毫安的电流驱动感性线圈，由于大多数逻辑门和CMOS IC都能够直接驱动LED，因而使用固态继电器可以帮助减少方案的成本。再次，固态继电器的小封装尺寸也可以满足高密度布板的需要。最后，对机电式操作而言，得到稳定的输出需要把去反跳时间计算进去，这样EMR的有效开关时序被增加到5 ms以上，固态继电器则提供快得多的1 ms以下的开关速度，显著提高了数据的吞吐量。固态继电器也有其自身的限制，从而造成某些应用暂时无法离开机电式继电器。首先，固态继电器导通电阻范围在50m?到100?之间，导致加载电流时产生显著的热量，然而由于功耗的限制，固态继电器的电流驱动能力通常被限制在5 A以下。其次，高频信号可以在寄生的关断状态电容中形成通路而通过，关断状态电容低至0.5 pF的固态继电器可以隔离100 MHz的信号，但是如果有很多通道存在时，更低频率的信号需要被考虑是否对设计有影响。最后，需要注意的是固态继电器的关断状态漏电流。尽管这个漏电流在室温时低至pA级，然而随着工作温度的升高，漏电流可以高到10μA，这对设计也会造成问题。

　　固态继电器的特性

　　固态继电器的最基本功能是通过低功率电气隔离输入信号进行AC/DC负载电路的开关控制，其基本工作原理如图1所示。输入是一个电流驱动的LED，由于大多数芯片的输出均为电压，且很容易通过限流电阻串接到LED的阳极或阴极转换成驱动LED的电流。LED发出的光信号通过透光绝缘层被耦合到光检测器上，透光绝缘层保证了输入和输出侧的电气隔离。输出级包含有两个Power MOSFET，固态继电器关断状态的耐压能力取决于这两个崩溃电压，通过这两个MOSFET的串联，可将固态继电器接到AC/DC负载中。