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1 光耦合器
光耦合器是一类独特的半导体器件。这类新型的光敏半导体器件虽然早在1966年就问世了，但在近十几年才获得长足发展和广泛应用。
1.1 光耦合器的基本结构与工作原理
光耦合器也称为光电耦合器，它主要由发光器件和光接收器件组成，如图1所示。光发送器件与光接收器件之间保持一个合适的距离，组装在同一个密闭的封装内，彼此用透明绝缘体隔离。在应用中把发光器件的引脚作为输入端，而把光接收器件的引脚作为输出端。常用的发光器件是红外LED，光接收器件有光敏二极管、光敏三极管、光控晶闸管等。当在输入端加电信号时，发光器件就会发光，光接收器件在受到光照射后因光敏效应而产生电流并从输出端输出。因此，光耦合器是以光为媒介传输电信号的电—光—电转换器件。由于这类器件的输入与输出之间是互相绝缘的，因此人们常将这类器件称为光电隔离器。光隔离型器件以在电路之间传送信息为目的，可实现电路间的电气隔离并消除噪声的影响。还有一类光传感型的光耦合器被用作检测物体的位置或存在。
1.2 光耦合器的分类与封装
按用途不同，光耦合器可分为光隔离型和光传感型两类。
按输入信号的性质不同，光耦合器可分为直流输入光耦合器和交流输入光耦合器两种类型。直流输入光耦合器中的发光器件只有一个红外LED，而交流输入光耦合器中的发光器件含有两个反并联在一起的LED，并且一个LED的极性与另一个LED的极性相反，如图2所示。
按光接收器件(即光敏元器件)的种类不同，光耦合器可分为光敏电阻型、光电池型、光敏二极管型、光敏晶体管型、达林顿型、结型场效应管（JFET）型、光控晶闸管型、集成电路型等若干类，典型电路形式如图3所示。
具体到某一类型的光耦合器，其电路形式并不只是一种，例如光敏晶体管型光耦合器，除图3(d)所示以外，还有其他一些电路形式，如图4所示。每一种电路形式的器件往往又含有几十种甚至数百种型号。
光耦合器至少需要4个引脚，有单列直插式、双列直插式(DIP)和表面贴装等多种封装形式，图5所示为摩托罗拉公司的部分光耦合器产品的外形。
1.3 光耦合器的特点
光耦合器的主要特点如下：
(1)光耦合器以光为媒介对电信号进行单向传输，光强度取决于激励电流的大小，而光敏接收器件的输出电流取决于红外LED的发光强度，在信号传输过程中输入与输出之间在电气和磁场上被完全绝缘和隔离，其绝缘电阻一般都大于1010Ω，耐压都能高于AC 7500V(峰值)。
(2)在信号单向传输过程中，不会出现反馈现象，其输出信号也不会影响到输入端，并且其共模抑制比非常大，因此具有非常强的抗干扰能力并能消除噪声。
(3)能传输模拟和数字信号，容易与逻辑电路匹配。
(4)信号传输失真小，响应速度快，时间常数通常在μs甚至在ns数量级。
(5)体积小，无触点，寿命长，可靠性高。
1.4 光耦合器的主要参数
(1)输入参数
光耦合器的输入参数是指输入侧发光器件的参数，一般就是红外LED的参数，主要有正向电流IF和正向电压降UF。绝大多数光耦合器中的LED工作电流为10~20mA，在额定电流IF下的正向电压降UF≤2V，并且多数器件的UF约为1.5V。
(2)输出参数
光耦合器的输出参数与输出侧采用的光敏器件有关，以普通光敏晶体管型光耦合器为例，其主要输出参数有：
①光电流。在输入侧通以一定的工作电流(如10mA)，使LED发光(红外光)，在输出侧接上一定的负载并加上一定的电压(如10V)时，输出侧所产生的电流即为光电流，其值大于几个mA。若输入侧不通电，在输出侧流出的漏电流称为暗电流，其值一般不到1mA。
②饱和压降。在输入侧一定的注入电流(如IF=20mA)下，输出侧加上一定的电压(如10V)，调节负载电阻，使输出电流为一定值(如IC=2mA)时两个输出端之间的电压降称为饱和电压降[UCE（sat）]，其值一般低于0.4V。
③电流传输比。在光耦合器输出电压(UCE)保持恒定时，光敏晶体管集电极电流与LED的注入电流之比(即IC/IF)称为电流传输比(CTR)。无基极连接晶体管输出的光耦合器，CTR值有的仅为20%(如MOC8111)，有的达160%~256%(如MOC8140)。
④输入与输出间绝缘电阻。光耦合器中LED与光敏晶体管之间的隔离电阻即为绝缘电阻，其值一般大于1010Ω
⑤输入与输出间绝缘电压。光耦合器输入端与输出端之间的击穿电压值称为绝缘电压，通常用交流峰值电压表示[如8kVac(pk)]。器件的绝缘电阻越大，其电压隔离能力也就越强。
⑥响应时间。光耦合器的响应时间包括上升时间tr、存储时间ts、下降时间tf和延迟时间td，有的器件只提供tr与tf参数(其值均小于5μs)。
光敏晶体管输出型光耦合器的其他参数还有共模抑制比、输入与输出间电容、最高工作频率及光敏晶体管的击穿电压等。
1.5 光耦合器的应用与检测
由于光耦合器具有体积小、使用寿命长、工作温度范围宽、抗干扰能力强、无触点、无噪声、输入与输出间在电气上完全隔离等特点，故其可以取代继电器、变压器、斩波器等，用于隔离电路、开关电路、D/A转换电路、逻辑电路以及长线传输、高压控制、负载接口、电平匹配、线性放大等单元电路中。
(1)作为固体继电器和变压器使用
光耦合器作为固体继电器使用，具有体积小、耦合紧密、驱动功率小，动作速度快和温度范围宽等优点。图6所示为一个光耦合器用作固体继电器的实际电路。图中的光耦合器电流传输比为20%，驱动电流为8~20mA，其作用是实现电—光—电转换。由于光耦合器不存在一般电磁继电器常见的实际触点，因此不会出现接触不良和燃弧打火等现象，也不会因受外力或机械冲击而引起误动作。
(2)用于开关电源电路
在彩色电视机、监视器、计算机等的开关电源中，从高频变压器二次侧到一次侧的反馈环路中，都广泛使用了光耦合器来实现反馈信号的传输和电气隔离。表1所列为家用电器中常用的光耦合器。
图7所示为一种采用光电隔离反馈放大器TPS5904的开关电源DC/DC变换器电路。采用8引脚DIP封装，内部不仅集成了GaAs发光二极管和光敏晶体管，而且还内置了TL431三端精密基准稳压器。TL431是一个可作为误差参考放大器使用的三端器件，在TPS5904④脚(FB脚)上的内部基准电压为2.5(1±0.01)V。砷化镓LED的发射波长是940nm，正向压降UF=1.2V；TPS5904的输入电流 Iin≤50mA，输入电压Uin≤37V；光敏晶体管无光照时的暗电流ICED≤100μA，击穿电压BUCED≥35V，BUCBO≤7V，最大集电极电流ICM=50mA，饱和压降UCE(sat)≤0.2V；光电隔离器电流传输比CTR=100%~400%，直流隔离电压为3.5kV，交流峰值绝缘电压为7.5kV(1min)。
当开关电源输出电压升高或降低时，TPS5904将输出电压取样信号放大并反馈到PWM控制器IC，通过控制PWM驱动信号和MOSFET的占空因数，最终使输出电压保持稳定。
(3)用于晶闸管驱动电路
图8所示为由单向晶闸管型光耦合器构成的半波高压小功率开关电路。当红外发光二极管通过约10mA的电流时，光耦合器内的光控晶闸管可在交流电压的正半周导通接通负载；如果切断输入电流，在交流电过零时将使光控晶闸管关断，负载不工作。光控晶闸管阳极与阴极(即④、⑤脚)间的最高电压为600V，通过的最大电流为200mA。
图9所示为采用双向晶闸管型光耦合器的大功率高压开关电路。当5～15mA的输入电流通过MOC3061的LED时，光控双向晶闸管在交流电过零时导通，于是触发外部的大功率双向晶闸管，使交流负载通电工作。R4、C1组成缓冲网络，用作吸收噪声。
2 固态继电器(SSR)
2.1 固态继电器的组成及工作原理
固态继电器(Solid State Relay，SSR)是一种由半导体器件组成的无触点电子开关。不同类型的SSR，其内部电路和封装形式也就不同。但是，大多数SSR为四端器件，其中两端为输入控制端，另外两端为输出受控端。按输入电压和输出电压的类别不同，SSR的输入和输出电路可分为直流、交流或交直流几种形式。
图10所示为一种SSR的内部电路组成。无论何种类型的SSR，几乎全部都有一个光耦合器触发前置级电路。事实上，光耦合器就是一种SSR，只是大多数光耦合器驱动负载的电流较小，主要用于信号隔离传输。这里所讲的SSR，可视为是一种输出功率较大的光耦合器。
像JGG型这类SSR的内部电路稍显复杂一些，如图11所示。图中，①、②脚为两个DC输入端，③、④脚为两个AC输出端。JGG型SSR的③、④端分为动合型和动断型两类。JGG型SSR的输入端控制电压为1～150V，控制电流为1～500μA；输出端额定AC电压为220(1±20%)V(50Hz)，输出端额定工作电流为1，3，5，8，12，16，25A和40A。
有一种采用6引脚DIP或SO封装的结构最简单的SSR，含有两个光电MOSFET，被称为光电MOS型SSR。图12所示是这种SSR在直流工作时的电路。输出在直流模式工作，当红外LED发光时，两个并联的N沟道光电MOSFET都被触发导通，负载RL得电工作。当红外LED熄灭时，两个光电MOSFET都截止，RL失电。光电MOSFET的导通电阻RDS(ON)可低至几个毫欧，工作在直流时两个MOSFET的总电阻为RDS(ON)/2。
图13所示为光电MOS型SSR工作于交流电路。在交流下工作时，两个MOSFET是串联的，总导通电阻为2RDS(ON)。
2.2 固态继电器的主要参数
(1)输入参数
① 输入电压范围(V)。在规定的环境温度下，施加在输入端，使输出端维持导通状态的电压范围。一般情况下直流输入型有3～32V DC恒流输入型和3~14V DC、10～40V DC阻性输入型。交流输入有90～280V AC输入型等。输入电压的下限即为保证接通电压，输入电压的上限即为反极性电压(仅适用于直流输入)。
② 保证接通电压(V)。在规定的环境温度下，施加于输入端，当输入在该值或该值之上时能保证输出端处于导通状态的电压。
③ 保证关断电压(V)。在规定的环境温度下，施加于输入端，当输入在该值或该值以下时能保证输出端处于关断状态的电压。
④ 输入电流(mA)。在规定的环境温度下，施加规定的输入电压于固体继电器输入端，流入其输入回路的电流值。
⑤ 反极性电压(仅适用于直流输入)(V)。在规定的环境温度下，能够加在固体继电器输入端上而不致造成固体继电器永久损坏的最大允许反向电压。该值一般确定为输入电压的上限值。
⑥ 最小输入阻抗(Ω)。在给定电压下的最小阻抗。作为输入电流的替代或补充，它确定输入功率要求。
(2)输出参数
① 输出电压范围(V)。在规定的环境温度下，施加于输出端的电压范围，在该范围固体继电器继续处于关断或切换状态，换句话说就是执行规定的状态。线路的频率值或包括在内，或单独指明(交流)。
② 最大负载电流(A)。在规定的环境温度下，固体继电器的最大稳态负载电流能力，它还受散热器和环境温度条件的散热限制。
③ 最小负载电流(mA)。固体继电器执行规定工作所必需的最小负载电流。它一般与最大负载电流一并作为“工作电流范围”列出。
④ 最大过流(A)。在规定持续时间不允许流过的最大瞬时电流；持续时间的典型值为交流电的一个周期(10ms)，通常规定为峰值以及电流对时间的曲线。
⑤ 最大浪涌电流(非重复性)(A)。在规定持续时间不允许流过的最大瞬时电流，通常以1s的有效值来表述。
⑥ 功耗(在额定电流下)(W)。主要由于输出半导体有效电压降(功耗)而产生的最大平均耗。
⑦ 最大过零导通电压也称过零电压(URMS)。在施加导通控制信号之后，在每一后续半周即要导通之前，跨于输出端两端所呈现的最大(峰值)断态电压。
⑧ 最大重复性导通电压峰值(URMS)。在施加导通控制信号半周之后，在每一后续半周即要导通之前，跨于输出端两端所呈现的最大(峰值)断态电压。这一参数对具有或不具有“零导通”特点的固体继电器同样适用。
⑨ 最小断态du/dt(静态)(V/μs)。在没有施加导通控制信号时，固体继电器输出端(交流)能够承受不致导通的电压上升率。通常表达为最大额定电压下的最小电压上升率。
⑩ 瞬态过压(V)。固体继电器在维持其关断状态的同时，能够承受而不致造成损坏或失误的允许施加电压的最大偏离。超过该瞬态电压可以使固体继电器导通，若满足电流条件则是非破坏性的。瞬态持续时间一般不做规定，可以在几秒的数量级，受内部偏置网络功耗或电容器额定值的限制。
11 最大通态电压降(V)。在规定的环境温度下，输出端满负载电流跨于输出端两端所呈现的最大(峰值)电压降。
12 输出端漏电流(mA)。在输入端没有施加导通控制信号的情况下，流过输出端之间的最大(有效值)断态漏电流。通常是指整个温度范围内在最大的输出额定电压下的值。该值主要是输出端缓冲器产生。
13 导通时间(ms)。从施加于动合型固体继电器输入端电压达到保证接通电压开始至输出端电压达到其电压最终变化的90%为止的时间间隔。
14 关断时间(ms)。从切除动合型固体继电器输入端电压达到保证关断电压开始至输出端电压达到其电压最终变化的90%为止的时间间隔。
15 电气系统峰值(V)。在规定的环境条件下，固体继电器输入端开路，在输出端的额定输出电压之上叠加特定波形和能量的电压，试验1min，试验后固体继电器仍符合规定。
(3)常规参数
①绝缘电阻(MΩ)。固体继电器输入端与输出端及输入端、输出端散热底板之间施加500V DC的电压时测得的电阻值。注意：不允许测量同一输入(或输出)电路引出端之间的绝缘电阻，测量之前应先将它们短路。
②介质耐压(V)。固体继电器输入端与输出端及输入端、输出端散热底板之间能承受的最大电压值。注意：不允许测量同一输入(或输出)电路引出端之间的介质耐压，测量之前应先将它们短路。
③环境温度范围。固体继电器正常工作时周围空气温度极限，通常给出工作和储存两种条件下的温度值，最大温度还受散热器和功率因数的限制。
2.3 固态继电器的特点
传统继电器是机电式(也称为电磁式)继电器，它是以通电线圈产生的磁场吸引两导体来实现开关通断的。机电式继电器虽然具有导通电阻较小、产品成熟、价格低廉等优点，但也存在若干致命的缺点，如线圈产生的磁场会对其他元器件产生EMI和RFI；通电时簧片会在开关瞬间产生“火花”，有可能将触点烧毁等。
与电磁式继电器相比，SSR具有以下特点：
(1)SSR无可动部件，无触点，使用寿命长，可靠性高。
(2)SSR不产生“火花”，可用于对防火有严格要求的场所。
(3)SSR隔离性能好，不产生干扰和串扰，抗干扰能力强，可用于通信等需防干扰的一些领域。
(4)SSR驱动功率小，功耗低。例如有些光电MOS型SSR，MOSFET的导通电阻仅约为3mΩ，漏电流仅约为30pA，红外LED供电电流可小到0.3mA。
(5)SSR开关速度快，有些SSR的转换时间仅约为0.1ms。
(6)SSR体积小，质量轻，例如CPC103N系列小型SSR，尺寸仅为3.8mm×4.09mm×2mm(引线长2.0mm)，为同性能机电式继电器尺寸的15%。SE系列SSR的质量仅为4g。
(7)SSR集成化/片式化，能与逻辑电路兼容，为计算机提供直接接口。
2.4 固态继电器的应用电路
SSR在工业自动化控制、通信、电力、航空航天、照明控制及各种信息电子产品等领域和控制场合有着广泛的应用。
图14所示为一种SSR作为开关的路灯或航标灯自动控制电路。由于白天非密封型光敏电阻RH受光照呈现低电阻值，晶体管VT截止，SSR输入电路不导通，SSR不工作。夜晚RH因无较强光线照射呈现较高的电阻值，晶体管VT因得到偏置而导通，SSR被触发，输出电路导通，灯被点亮。
图15所示为一种由单片机控制直流SSR驱动12V直流电动机的电路。5V供电的单片机在I/O接口输出高电平时约5V，由于SSR中红外LED的UF约为1.2V，所以通过LED的电流IF=(5V-1.2V)/Rin=3.8V/720Ω=5.28mA。一旦红外LED导通，光敏晶体管因LED发光随之导通，在R1上产生电压降使SSR内的MOSFET(VT)导通，电动机得电而运转。当单片机I/O口输出低电平时，电动机则停止运转。并接在直流电动机上的二极管VD，是为防止电动机在断电瞬间产生的感应电势与Udd叠加损坏MOSFET而设置的。电路的负载电流IR可达5A，此时MOSFET(VT)的管耗PD=I2RRDS(ON)=(5A)2×0.022Ω=0.55W，VT管压降UDS=IRRDS(ON)=5A×0.022Ω=0.11V。(今年元件讲座完)
光耦合器是一类独特的半导体器件。这类新型的光敏半导体器件虽然早在1966年就问世了，但在近十几年才获得长足发展和广泛应用。
1.1 光耦合器的基本结构与工作原理
光耦合器也称为光电耦合器，它主要由发光器件和光接收器件组成，如图1所示。光发送器件与光接收器件之间保持一个合适的距离，组装在同一个密闭的封装内，彼此用透明绝缘体隔离。在应用中把发光器件的引脚作为输入端，而把光接收器件的引脚作为输出端。常用的发光器件是红外LED，光接收器件有光敏二极管、光敏三极管、光控晶闸管等。当在输入端加电信号时，发光器件就会发光，光接收器件在受到光照射后因光敏效应而产生电流并从输出端输出。因此，光耦合器是以光为媒介传输电信号的电—光—电转换器件。由于这类器件的输入与输出之间是互相绝缘的，因此人们常将这类器件称为光电隔离器。光隔离型器件以在电路之间传送信息为目的，可实现电路间的电气隔离并消除噪声的影响。还有一类光传感型的光耦合器被用作检测物体的位置或存在。
1.2 光耦合器的分类与封装
按用途不同，光耦合器可分为光隔离型和光传感型两类。
按输入信号的性质不同，光耦合器可分为直流输入光耦合器和交流输入光耦合器两种类型。直流输入光耦合器中的发光器件只有一个红外LED，而交流输入光耦合器中的发光器件含有两个反并联在一起的LED，并且一个LED的极性与另一个LED的极性相反，如图2所示。
按光接收器件(即光敏元器件)的种类不同，光耦合器可分为光敏电阻型、光电池型、光敏二极管型、光敏晶体管型、达林顿型、结型场效应管（JFET）型、光控晶闸管型、集成电路型等若干类，典型电路形式如图3所示。
具体到某一类型的光耦合器，其电路形式并不只是一种，例如光敏晶体管型光耦合器，除图3(d)所示以外，还有其他一些电路形式，如图4所示。每一种电路形式的器件往往又含有几十种甚至数百种型号。
光耦合器至少需要4个引脚，有单列直插式、双列直插式(DIP)和表面贴装等多种封装形式，图5所示为摩托罗拉公司的部分光耦合器产品的外形。
1.3 光耦合器的特点
光耦合器的主要特点如下：
(1)光耦合器以光为媒介对电信号进行单向传输，光强度取决于激励电流的大小，而光敏接收器件的输出电流取决于红外LED的发光强度，在信号传输过程中输入与输出之间在电气和磁场上被完全绝缘和隔离，其绝缘电阻一般都大于1010Ω，耐压都能高于AC 7500V(峰值)。
(2)在信号单向传输过程中，不会出现反馈现象，其输出信号也不会影响到输入端，并且其共模抑制比非常大，因此具有非常强的抗干扰能力并能消除噪声。
(3)能传输模拟和数字信号，容易与逻辑电路匹配。
(4)信号传输失真小，响应速度快，时间常数通常在μs甚至在ns数量级。
(5)体积小，无触点，寿命长，可靠性高。
1.4 光耦合器的主要参数
(1)输入参数
光耦合器的输入参数是指输入侧发光器件的参数，一般就是红外LED的参数，主要有正向电流IF和正向电压降UF。绝大多数光耦合器中的LED工作电流为10~20mA，在额定电流IF下的正向电压降UF≤2V，并且多数器件的UF约为1.5V。
(2)输出参数
光耦合器的输出参数与输出侧采用的光敏器件有关，以普通光敏晶体管型光耦合器为例，其主要输出参数有：
①光电流。在输入侧通以一定的工作电流(如10mA)，使LED发光(红外光)，在输出侧接上一定的负载并加上一定的电压(如10V)时，输出侧所产生的电流即为光电流，其值大于几个mA。若输入侧不通电，在输出侧流出的漏电流称为暗电流，其值一般不到1mA。
②饱和压降。在输入侧一定的注入电流(如IF=20mA)下，输出侧加上一定的电压(如10V)，调节负载电阻，使输出电流为一定值(如IC=2mA)时两个输出端之间的电压降称为饱和电压降[UCE（sat）]，其值一般低于0.4V。
③电流传输比。在光耦合器输出电压(UCE)保持恒定时，光敏晶体管集电极电流与LED的注入电流之比(即IC/IF)称为电流传输比(CTR)。无基极连接晶体管输出的光耦合器，CTR值有的仅为20%(如MOC8111)，有的达160%~256%(如MOC8140)。
④输入与输出间绝缘电阻。光耦合器中LED与光敏晶体管之间的隔离电阻即为绝缘电阻，其值一般大于1010Ω
⑤输入与输出间绝缘电压。光耦合器输入端与输出端之间的击穿电压值称为绝缘电压，通常用交流峰值电压表示[如8kVac(pk)]。器件的绝缘电阻越大，其电压隔离能力也就越强。
⑥响应时间。光耦合器的响应时间包括上升时间tr、存储时间ts、下降时间tf和延迟时间td，有的器件只提供tr与tf参数(其值均小于5μs)。
光敏晶体管输出型光耦合器的其他参数还有共模抑制比、输入与输出间电容、最高工作频率及光敏晶体管的击穿电压等。
1.5 光耦合器的应用与检测
由于光耦合器具有体积小、使用寿命长、工作温度范围宽、抗干扰能力强、无触点、无噪声、输入与输出间在电气上完全隔离等特点，故其可以取代继电器、变压器、斩波器等，用于隔离电路、开关电路、D/A转换电路、逻辑电路以及长线传输、高压控制、负载接口、电平匹配、线性放大等单元电路中。
(1)作为固体继电器和变压器使用
光耦合器作为固体继电器使用，具有体积小、耦合紧密、驱动功率小，动作速度快和温度范围宽等优点。图6所示为一个光耦合器用作固体继电器的实际电路。图中的光耦合器电流传输比为20%，驱动电流为8~20mA，其作用是实现电—光—电转换。由于光耦合器不存在一般电磁继电器常见的实际触点，因此不会出现接触不良和燃弧打火等现象，也不会因受外力或机械冲击而引起误动作。
(2)用于开关电源电路
在彩色电视机、监视器、计算机等的开关电源中，从高频变压器二次侧到一次侧的反馈环路中，都广泛使用了光耦合器来实现反馈信号的传输和电气隔离。表1所列为家用电器中常用的光耦合器。
图7所示为一种采用光电隔离反馈放大器TPS5904的开关电源DC/DC变换器电路。采用8引脚DIP封装，内部不仅集成了GaAs发光二极管和光敏晶体管，而且还内置了TL431三端精密基准稳压器。TL431是一个可作为误差参考放大器使用的三端器件，在TPS5904④脚(FB脚)上的内部基准电压为2.5(1±0.01)V。砷化镓LED的发射波长是940nm，正向压降UF=1.2V；TPS5904的输入电流 Iin≤50mA，输入电压Uin≤37V；光敏晶体管无光照时的暗电流ICED≤100μA，击穿电压BUCED≥35V，BUCBO≤7V，最大集电极电流ICM=50mA，饱和压降UCE(sat)≤0.2V；光电隔离器电流传输比CTR=100%~400%，直流隔离电压为3.5kV，交流峰值绝缘电压为7.5kV(1min)。
当开关电源输出电压升高或降低时，TPS5904将输出电压取样信号放大并反馈到PWM控制器IC，通过控制PWM驱动信号和MOSFET的占空因数，最终使输出电压保持稳定。
(3)用于晶闸管驱动电路
图8所示为由单向晶闸管型光耦合器构成的半波高压小功率开关电路。当红外发光二极管通过约10mA的电流时，光耦合器内的光控晶闸管可在交流电压的正半周导通接通负载；如果切断输入电流，在交流电过零时将使光控晶闸管关断，负载不工作。光控晶闸管阳极与阴极(即④、⑤脚)间的最高电压为600V，通过的最大电流为200mA。
图9所示为采用双向晶闸管型光耦合器的大功率高压开关电路。当5～15mA的输入电流通过MOC3061的LED时，光控双向晶闸管在交流电过零时导通，于是触发外部的大功率双向晶闸管，使交流负载通电工作。R4、C1组成缓冲网络，用作吸收噪声。
2 固态继电器(SSR)
2.1 固态继电器的组成及工作原理
固态继电器(Solid State Relay，SSR)是一种由半导体器件组成的无触点电子开关。不同类型的SSR，其内部电路和封装形式也就不同。但是，大多数SSR为四端器件，其中两端为输入控制端，另外两端为输出受控端。按输入电压和输出电压的类别不同，SSR的输入和输出电路可分为直流、交流或交直流几种形式。
图10所示为一种SSR的内部电路组成。无论何种类型的SSR，几乎全部都有一个光耦合器触发前置级电路。事实上，光耦合器就是一种SSR，只是大多数光耦合器驱动负载的电流较小，主要用于信号隔离传输。这里所讲的SSR，可视为是一种输出功率较大的光耦合器。
像JGG型这类SSR的内部电路稍显复杂一些，如图11所示。图中，①、②脚为两个DC输入端，③、④脚为两个AC输出端。JGG型SSR的③、④端分为动合型和动断型两类。JGG型SSR的输入端控制电压为1～150V，控制电流为1～500μA；输出端额定AC电压为220(1±20%)V(50Hz)，输出端额定工作电流为1，3，5，8，12，16，25A和40A。
有一种采用6引脚DIP或SO封装的结构最简单的SSR，含有两个光电MOSFET，被称为光电MOS型SSR。图12所示是这种SSR在直流工作时的电路。输出在直流模式工作，当红外LED发光时，两个并联的N沟道光电MOSFET都被触发导通，负载RL得电工作。当红外LED熄灭时，两个光电MOSFET都截止，RL失电。光电MOSFET的导通电阻RDS(ON)可低至几个毫欧，工作在直流时两个MOSFET的总电阻为RDS(ON)/2。
图13所示为光电MOS型SSR工作于交流电路。在交流下工作时，两个MOSFET是串联的，总导通电阻为2RDS(ON)。
2.2 固态继电器的主要参数
(1)输入参数
① 输入电压范围(V)。在规定的环境温度下，施加在输入端，使输出端维持导通状态的电压范围。一般情况下直流输入型有3～32V DC恒流输入型和3~14V DC、10～40V DC阻性输入型。交流输入有90～280V AC输入型等。输入电压的下限即为保证接通电压，输入电压的上限即为反极性电压(仅适用于直流输入)。
② 保证接通电压(V)。在规定的环境温度下，施加于输入端，当输入在该值或该值之上时能保证输出端处于导通状态的电压。
③ 保证关断电压(V)。在规定的环境温度下，施加于输入端，当输入在该值或该值以下时能保证输出端处于关断状态的电压。
④ 输入电流(mA)。在规定的环境温度下，施加规定的输入电压于固体继电器输入端，流入其输入回路的电流值。
⑤ 反极性电压(仅适用于直流输入)(V)。在规定的环境温度下，能够加在固体继电器输入端上而不致造成固体继电器永久损坏的最大允许反向电压。该值一般确定为输入电压的上限值。
⑥ 最小输入阻抗(Ω)。在给定电压下的最小阻抗。作为输入电流的替代或补充，它确定输入功率要求。
(2)输出参数
① 输出电压范围(V)。在规定的环境温度下，施加于输出端的电压范围，在该范围固体继电器继续处于关断或切换状态，换句话说就是执行规定的状态。线路的频率值或包括在内，或单独指明(交流)。
② 最大负载电流(A)。在规定的环境温度下，固体继电器的最大稳态负载电流能力，它还受散热器和环境温度条件的散热限制。
③ 最小负载电流(mA)。固体继电器执行规定工作所必需的最小负载电流。它一般与最大负载电流一并作为“工作电流范围”列出。
④ 最大过流(A)。在规定持续时间不允许流过的最大瞬时电流；持续时间的典型值为交流电的一个周期(10ms)，通常规定为峰值以及电流对时间的曲线。
⑤ 最大浪涌电流(非重复性)(A)。在规定持续时间不允许流过的最大瞬时电流，通常以1s的有效值来表述。
⑥ 功耗(在额定电流下)(W)。主要由于输出半导体有效电压降(功耗)而产生的最大平均耗。
⑦ 最大过零导通电压也称过零电压(URMS)。在施加导通控制信号之后，在每一后续半周即要导通之前，跨于输出端两端所呈现的最大(峰值)断态电压。
⑧ 最大重复性导通电压峰值(URMS)。在施加导通控制信号半周之后，在每一后续半周即要导通之前，跨于输出端两端所呈现的最大(峰值)断态电压。这一参数对具有或不具有“零导通”特点的固体继电器同样适用。
⑨ 最小断态du/dt(静态)(V/μs)。在没有施加导通控制信号时，固体继电器输出端(交流)能够承受不致导通的电压上升率。通常表达为最大额定电压下的最小电压上升率。
⑩ 瞬态过压(V)。固体继电器在维持其关断状态的同时，能够承受而不致造成损坏或失误的允许施加电压的最大偏离。超过该瞬态电压可以使固体继电器导通，若满足电流条件则是非破坏性的。瞬态持续时间一般不做规定，可以在几秒的数量级，受内部偏置网络功耗或电容器额定值的限制。
11 最大通态电压降(V)。在规定的环境温度下，输出端满负载电流跨于输出端两端所呈现的最大(峰值)电压降。
12 输出端漏电流(mA)。在输入端没有施加导通控制信号的情况下，流过输出端之间的最大(有效值)断态漏电流。通常是指整个温度范围内在最大的输出额定电压下的值。该值主要是输出端缓冲器产生。
13 导通时间(ms)。从施加于动合型固体继电器输入端电压达到保证接通电压开始至输出端电压达到其电压最终变化的90%为止的时间间隔。
14 关断时间(ms)。从切除动合型固体继电器输入端电压达到保证关断电压开始至输出端电压达到其电压最终变化的90%为止的时间间隔。
15 电气系统峰值(V)。在规定的环境条件下，固体继电器输入端开路，在输出端的额定输出电压之上叠加特定波形和能量的电压，试验1min，试验后固体继电器仍符合规定。
(3)常规参数
①绝缘电阻(MΩ)。固体继电器输入端与输出端及输入端、输出端散热底板之间施加500V DC的电压时测得的电阻值。注意：不允许测量同一输入(或输出)电路引出端之间的绝缘电阻，测量之前应先将它们短路。
②介质耐压(V)。固体继电器输入端与输出端及输入端、输出端散热底板之间能承受的最大电压值。注意：不允许测量同一输入(或输出)电路引出端之间的介质耐压，测量之前应先将它们短路。
③环境温度范围。固体继电器正常工作时周围空气温度极限，通常给出工作和储存两种条件下的温度值，最大温度还受散热器和功率因数的限制。
2.3 固态继电器的特点
传统继电器是机电式(也称为电磁式)继电器，它是以通电线圈产生的磁场吸引两导体来实现开关通断的。机电式继电器虽然具有导通电阻较小、产品成熟、价格低廉等优点，但也存在若干致命的缺点，如线圈产生的磁场会对其他元器件产生EMI和RFI；通电时簧片会在开关瞬间产生“火花”，有可能将触点烧毁等。
与电磁式继电器相比，SSR具有以下特点：
(1)SSR无可动部件，无触点，使用寿命长，可靠性高。
(2)SSR不产生“火花”，可用于对防火有严格要求的场所。
(3)SSR隔离性能好，不产生干扰和串扰，抗干扰能力强，可用于通信等需防干扰的一些领域。
(4)SSR驱动功率小，功耗低。例如有些光电MOS型SSR，MOSFET的导通电阻仅约为3mΩ，漏电流仅约为30pA，红外LED供电电流可小到0.3mA。
(5)SSR开关速度快，有些SSR的转换时间仅约为0.1ms。
(6)SSR体积小，质量轻，例如CPC103N系列小型SSR，尺寸仅为3.8mm×4.09mm×2mm(引线长2.0mm)，为同性能机电式继电器尺寸的15%。SE系列SSR的质量仅为4g。
(7)SSR集成化/片式化，能与逻辑电路兼容，为计算机提供直接接口。
2.4 固态继电器的应用电路
SSR在工业自动化控制、通信、电力、航空航天、照明控制及各种信息电子产品等领域和控制场合有着广泛的应用。
图14所示为一种SSR作为开关的路灯或航标灯自动控制电路。由于白天非密封型光敏电阻RH受光照呈现低电阻值，晶体管VT截止，SSR输入电路不导通，SSR不工作。夜晚RH因无较强光线照射呈现较高的电阻值，晶体管VT因得到偏置而导通，SSR被触发，输出电路导通，灯被点亮。
图15所示为一种由单片机控制直流SSR驱动12V直流电动机的电路。5V供电的单片机在I/O接口输出高电平时约5V，由于SSR中红外LED的UF约为1.2V，所以通过LED的电流IF=(5V-1.2V)/Rin=3.8V/720Ω=5.28mA。一旦红外LED导通，光敏晶体管因LED发光随之导通，在R1上产生电压降使SSR内的MOSFET(VT)导通，电动机得电而运转。当单片机I/O口输出低电平时，电动机则停止运转。并接在直流电动机上的二极管VD，是为防止电动机在断电瞬间产生的感应电势与Udd叠加损坏MOSFET而设置的。电路的负载电流IR可达5A，此时MOSFET(VT)的管耗PD=I2RRDS(ON)=(5A)2×0.022Ω=0.55W，VT管压降UDS=IRRDS(ON)=5A×0.022Ω=0.11V。(今年元件讲座完)