介紹
本文章的目的是傳達有關接通和斷開電路的裝置的規範和應用的普遍關注的訊息，例如繼電器、開關、接觸器等。主要是機械類型，但也有固態，用於交流和/或直流用途，用於訊號應用，用於電力應用，用於電阻負載，用於電抗負載，… 等等。
它不包含所有資訊。遠非如此。相反，我們的目標是為那些將會深入研究有關產品運作時電流的開和關的人提供技術分享，及提供一些處理問題的建議。
特別排除的是基本開關術語和功能的討論，以及製造商特定的任何內容；建議想要了解極和擲、瞬時與持續或尋找同功能但不同顏色版本的人員查閱以下資源或感興趣的產品系列的相關文件。
輕鬆找到開關替換教學
開關電路的種類與功能
E-Switch 開關術語詞彙表
建議有興趣在不同類型的開關設備之間做出更明智選擇的人繼續閱讀。
圖 1. 由於施加電壓過高而導致電晶體失效。
導致開關壽命困難的負載特性
湧浪電流和電容性負載
初次通電時，許多（也許是大多數）負載會暫時吸收比正常運作期間大得多的電流，這種現象稱為「湧浪電流」。白熾燈就是一個典型的例子。冷時，其細絲的電阻通常約為熱時的十分之一。許多電子設備中存在的輸入濾波電容也會產生大量湧浪，眾所周知，電動機會消耗高啟動電流。儘管變壓器具有明確的電感性質，但由於飽和及剩磁的影響，變壓器有可能吸收大量湧浪電流，甚至長電纜中導體之間存在的寄生電容在極端情況下也可能變得很大。
具有這種行為的負載帶來的困難在於，當開關元件處於斷開（OFF）和閉合（ON）狀態之間轉換的過程中時，會出現這些高峰值電流。與這些電流在裝置穩定在閉合狀態之後發生的情況相比，這對開關元件施加了更大的應力。
圖 2. 60W 白熾燈泡的電壓（藍色）和電流（綠色）波形，連接在輸入波形的峰值（左）和零（右）部分附近。測得的湧浪峰值範圍為 3 至 6A，持續時間為幾毫秒，而運行中的 RMS 電流略小於 0.5A。
圖 3. 與 60W 白熾燈相當的 LED 燈啟動時的交流線路電壓（藍色）和電流消耗（綠色）。右圖是時間尺度較短的波形，以突顯湧浪事件。
圖 4. CFL 燈的線路電壓和電流消耗與 60W 白熾燈相當。與圖 2 相比，圖 2 和圖 3 的電流湧浪比它們所取代的白熾燈持續時間更短（約 0.5ms），強度更大（10 至 15A）。
感性負載
電感器的本質是抵抗電流的變化，而開關的本質是造成電流的變化。很容易理解將兩者混合可能會導致某種程度的衝突……事實確實如此。由於與電流相關的應力，容性負載在開關閉合時往往會出現問題，而感性負載在開關打開期間由於產生的電壓應力而導致問題。電感器兩端電壓的基本公式為 V=L* di/dt；電感 (L) 與流過電感的電流瞬時變化率 (di/dt) 的乘積。因為開關的全部目的是產生電流變化（通常相當快），所以當開關打開時，方程中的di/dt 項變得非常大，從而導致電感器兩端產生大電壓，該電壓往往是相加的無論開關中斷的來源為何。
圖 5 顯示了當所使用的（機械）開關打開時與圖 6 所示的測試電路相關的電壓（黃色）和電流（綠色，1A/V）波形。儘管電路中只有 3V 電源，但隨著電流衰減，開關上會出現約 10V 的電壓，持續 5us 左右，在電壓波形穩定至最終穩定值之前，會短暫上升 30V；電路中增加的電壓是由電路中的電感產生的； 18uH*2A/5us=7.2V；將其加到來源開發的 3V 左右，就可以得到影像中所示的 10 左右。
機械開關的使用壽命正是在幾微秒的時間內被消耗掉的。好奇是什麼產生了這樣的波形，為什麼是 10V 而不是 3、7 或 147，以及那個有彈性的小東西最後在做什麼？請繼續閱讀…
圖 5. 收集參考波形的測試電路原理圖
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開關已開始開啟。接觸壓力的降低和傳導面積的縮小會導致接觸電阻增加，並且電流（相對）緩慢地從穩態時的約 3A 下降到放大區域開始時的 2A 以下。
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歐姆傳導停止，電路中的電感使開關兩端的電壓增加，直到在幾乎不分離的接點之間點燃電弧。
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開關上的電弧電壓穩定但略有增加，以響應仍然分離的觸點上電弧長度的增加和電弧電流的減少。
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通過電弧的電流已降至無法維持接點之間穩定電弧的程度；當電弧熄滅時，會發生短暫的閃爍，然後由於電弧電阻的增加而導致仍然分離的觸點上的電壓增加，因此會重新點燃
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觸點已充分分離，電路電感中儲存的能量已耗盡，直到電弧停止。電路電感中最後一點剩餘能量的作用是敲響串聯 LC 諧振電路的警鈴，該串聯 LC 諧振電路由電路電感與開關觸點和電壓探頭的組合電容建立而成。
圖 6. 收集圖 5 波形的測試電路原理圖
機械開關
電弧、火花和電火簡介
對機械開關觸點及其應用的討論如果不提及它們的「奇特現象」，例如電弧、火花或任何其他人們願意稱之為電流穿過大氣的火焰狀傳輸的東西，那就是相當不完整了。
圖 7. 使用 7.5kV 氣管訊號變壓器產生的兩根間隔大約一公分的電線之間的低電流 (~30mA) 電弧。請注意向上形狀的曲線，這是由電弧加熱的空氣上升並拉伸電弧電流流經的電離氣體體引起的。電極附近和通過電弧中心的較亮區域反映了這些區域中較高的能量密度。
在空氣中，當兩個導體之間的電壓差足夠高，足以撕裂組成空氣的（通常）電中性和絕緣氣體分子時，就會產生電弧和火花，這個過程隨著氣體的初始溫度和溫度的升高而更容易發生。部分分解（「電離」）的氣體分子碎片各自帶電，能夠獨立移動，因此能夠 A）攜帶電流 B）像射彈一樣，對物體造成損壞當它們被加速並被最初撕裂物體的相同靜電力拋來拋去時，就會遇到這種情況。有點像暴風雨中的碎片…
結果，剛才還是電絕緣體的氣隙變成了具有負微分電阻的相當好的導體；電流的增加確實會增加對介入空氣分子的暴力，並且通常會增加所有相關物體的溫度，從而提供更多的電荷載子並降低電弧的有效電阻。電阻越小，電流越大，電阻越小，電流越大，依此類推，直到出現其他限制因素，形成電弧的兩點之間的距離越小，獲得電弧所需的電壓就越低。順便問一下，那個弧線有多熱？有幾千攝氏度吧,！確切的數字會隨著條件的不同而變化，而且所提供的猜測也有很大的差異，這是有道理的——測量足夠熱的物體的溫度來融化大多數你想用作溫度計的東西是很棘手的…
除了關閉引起電弧的電源之外，熄滅已形成的電弧通常需要增加穿過大氣的電離路徑的有效長度，直到驅動電源不再足以維持電弧。增加攜帶電弧電流的導體之間的距離是最常用的方法，有時會自動發生，憑藉電弧汽化所述導體…穿過大氣的電離路徑也可以通過非電離的流動來拉伸氣體（術語「電弧」的使用源於…）並且它也可以通過磁性來操縱。
機械接觸和破壞電弧
現在考慮一下，當兩個物理物件在某個時間點彼此接觸並在一段時間後物理上分開時，在過程的某個階段它們之間的距離幾乎消失。如果這些物體是一組開關觸點，那麼當它們分離時在它們之間引發電弧所需的電壓也會很小。那麼，對於所有類型的機械開關觸點來說，只要開關電路超過某個最小電壓和電流水平（通常在 10V 和幾百 mA 附近），開關事件期間觸點之間就會形成電弧。即使有一點點雜散電感，這也不難實現，如下面的捕獲序列所示。使用圖 6 所示的相同測試電路，使用 3 個不同量的添加串聯電感和 2 個不同的電源電壓在開關打開期間捕獲波形。發現電路的寄生電感足以在電源電壓僅為 3V 的情況下產生明顯的接觸電弧證據。
圖 8. 零附加電感和電源電壓 0.9V（左）和 3V（右）的開關斷開測試電路。
圖 9. 加入 18uH 電感、電源電壓為 0.9V（左）和 3V（右）的開關打開。
圖 10. 增加 130uH 電感和 0.9V（左）和 3V（右）電源電壓時的開關打開。
用於捕捉此資料中的開關的觸點移動如圖 11 所示，僅在幾個開關週期後，由於電弧放電而開始磨損，可以看作中心右上方稍微變色的表面部分。經過數十個更頻繁的開關週期後的相同接點（將充電至約 15V 的 0.1F 電容器短路，如圖 12 所示）。
圖 11. 在擷取這些圖的資料後，移動圖 8-11 中所使用的開關的觸點。
圖 12. 同一觸點在遭受更嚴重的切換後。
由於機械開關觸點的物理分離是熄滅它們之間形成的電弧的主要手段，因此該過程發生的速度與開關的壽命密切相關。緩慢的觸點移動可以延長形成的任何電弧的停留時間，這會加速觸點磨損，以致可能在第一個驅動週期出現故障。因此，大多數專為功率控制（與訊號開關相比）應用而設計的手動開關並不直接操縱開關觸點，而是透過某種機制來實現，該機制使觸點在彈簧張力下快速移動，從而產生與此類設備相關的最終點擊。
圖 13. 用於收集圖 8-10 所附波形的機械開關，已拆解…
在電力驅動機械接觸組件（繼電器、接觸器等）的情況下，接觸運動的速度會受到流經控制電路的電流變化率的影響；緩慢變化的控制電流會產生緩慢變化的機械驅動力，這通常會導致觸點運動變慢並增加電弧造成的磨損。這與驅動電路的設計密切相關，如果設計不當，可能會嚴重縮短設備的使用壽命。
圖 14. 開關中關鍵組件組裝後的 3D 模型。彈簧柱塞支撐在 V 形電樞上的基本概念被應用於不同製造商的各種開關。
彈跳
機械開關觸點容易彈起，就像混凝土上的橡皮球一樣。嗯，也許不太一樣，但概念和機制是相似的；兩個表面之間發生碰撞，所涉及材料的彈性性質導致碰撞表面在再次碰撞之前短暫分離，然後最終彼此接觸。它通常在觸點閉合期間更加明顯，就像球掉落到混凝土上時比再次撿起球時彈跳更多一樣。
在低電平訊號應用中，從功能角度來看，由觸點彈跳引起的多個電訊號轉換在很大程度上是有問題的；按一次連接到快速數位計數器的開關，計數器可能會記錄 2 次、3 次或更多次按壓，而不是 1 次。然而，當開關電路中的電壓和電流超過電弧形成的閾值時，彈跳就成為裝置可靠性的一個嚴重問題，因為它與負載吸收的任何湧浪電流同時發生，從而增加了觸點磨損和損壞的可能性。
圖 15 顯示了使用與圖 6 相同的電路（包含和不包含 18uH 串聯電感）閉合時彈跳的廉價開關的電氣行為。請注意，3V 電源會產生 20~80V 幅度的瞬變，且開關兩端的電壓在達到穩定值之前至少進行 8 次往返於零和返回的時間，其時間範圍與前面討論的各種照明劑所產生的突波電流的持續時間。
圖 15. 開關閉合期間的觸點彈跳波形：黃色 = 電壓，綠色 = 電流 @ 1A/V 標度。左側僅包含寄生電感，右側包含 18uH 串聯電感。請注意這些單獨捕獲中發現的特徵的時間相似性，這證明了建立它們的過程的一致性。
觸點（表面處理）材料
用於構造和/或表面電鍍一組機械觸點的材料對其非常適合的應用類型有影響。這裡的關鍵權衡涉及低電平訊號和電源開關應用之間的區別；一種給定的材料往往對其中之一有利，但不能同時對兩者有利。
黃金是能抵抗大氣中的氧氣、硫化合物、濕氣等造成的表面腐蝕，並能保持明亮、有光澤的表面，從而實現可靠、低電阻的電氣連接；如果切換毫伏級的小訊號，這正是人們想要的。不幸的是，它也是一種相當柔軟的材料，在受到電弧作用時會迅速腐蝕（而且價格昂貴…），這限制了它作為小信號應用的接觸材料的使用。
另一方面，銀、銀合金、鎢等材料在電弧條件下更耐用，但會受到大氣腐蝕，在接觸表面形成絕緣層，因此無法建立良好的接觸在小訊號應用中。具有此類觸點的設備依靠有限數量的電弧來清除表面腐蝕，因此更適合電源開關應用。
圖 16. 專為電源開關（上）和訊號開關（下）應用而設計的開關的比較。前者在 125VAC（電阻）下的額定開關電流高達 20A，而後者在最大 20V 交流或直流電壓下的額定開關電流僅為 0.4VA（電壓 x電流）。
機械繼電器和接觸器
有什麼分別？
「繼電器」和「接觸器」之間的區別有點模糊，因為不同的來源對這個問題提供了不同的答案，儘管在細節上有所不同，但在精神上或多或少是相同的。這兩個術語都描述了具有一極或多極的機電驅動開關，儘管術語「接觸器」通常用於指用於高功率開關（kW 及以上）的設備，這些設備通常配備有單擲、常開觸點和更有可能採用先進的電弧抑制功能。相較之下，「繼電器」更常見的是指通常配備雙擲桿的訊號級或低功率開關設備。
圖 17. （左至右）：25A/250VAC SPST 固態繼電器、25A/277VAC DPST 機械繼電器和 25A/600VAC SPST 接觸器
圖 18. 移除蓋子後的 25A/250V 繼電器（有些人可能會將其歸類為「接觸器」）與 10A/250VAC 繼電器（實際上是「繼電器」）進行比較。前者採用堅固的單擲雙斷觸點（每個電路兩個串聯接點組），每個觸點的尺寸與通用繼電器中整個雙擲觸點組件的尺寸大致相同。
閱讀細則
某種形式的資格或限制測試條件適用於大多數設備額定值。不注意這些條件遲早會困擾一個人，並且在繼電器電流額定值的背景下，由於一些基本原因，它可能會更快。如上所述，承載電流和中斷電流之間存在很大差異，其中中斷電阻性負載和電抗性（電感性或電容性）負載之間存在巨大差異，並且兩者都存在峰值額定值與連續額定值的概念。用於對待售產品進行索引和分類的標稱額定值根本無法講述完整的故事，無論是繼電器還是它們可能需要切換的負載；750W的加熱元件與 1HP (0.75 kW) 感應馬達有很大不同。
注意控制訊號
典型機電繼電器/接觸器的控制輸入是一對通往電磁體的引線，這並不像看起來那麼簡單。一方面，它具有很強的電感性，因此無論控制它的設備是什麼，都可能需要保護。如前所述，此電感負載的精確特性會隨著溫度和繼電器內移動部件的位置而變化，並且所應用的控制訊號的性質對定時和接點壽命具有顯著影響。
圖 19 顯示了在小型繼電器開啟期間捕獲的一組波形，圖 20 顯示了所使用的電路以及所示不同測量位置的示意圖。當控制訊號（黃色，CH1）無效時，電晶體（粉紅色，CH3）兩端的電壓上升，直到所使用的電晶體在約 80V 時進入雪崩擊穿模式，並繼續導通，直到電流流過線圈（綠色, CH4) 降至零，大約需要 200us。大約 1.5ms後，繼電器觸點打開，如觸點兩端的電壓所示（藍色，CH2）。
在這種情況下，雪崩期間電晶體中消耗的功率是用於控制它的超大電晶體可以承受的；尺寸較合適的設備可能會損壞。
圖 19. 與電晶體控制的繼電器斷開相關的波形。
圖 20. 用於收集圖 19 數據的電路。
圖 21. 波形捕獲與圖 19 類似，但在 FET 上使用齊納二極體，將施加在 FET 上的電壓限制為低於電晶體額定 VDS（最大值）的值。繼電器線圈電流衰減至零所需的時間加倍至約 400us，但控制訊號無效和觸點開啟之間的時間僅延長了類似的絕對量，從約 1.5ms 延長至 1.6ms 。
圖 22. 圖 21 的測試電路。
圖 23.「續流」二極體用於在電晶體關閉時透過線圈電阻重新循環來耗散儲存在繼電器線圈電感中的能量。電晶體上產生的電壓應力大約盡可能小（僅二極體壓降大於電源電壓），但控制訊號解除斷路言之間的延遲增加了大約 4 倍，達到大約 6ms。此外，當觸點開啟時，繼電器線圈中仍存在一定量的電流。由此產生的磁場雖然不足以將繼電器的電樞保持在閉合觸點位置，但仍會減慢觸點在打開時分離的速度，從而延長觸點之間發生的任何電弧的持續時間。
圖 24. 圖 23 的測試電路。
交流輸入與直流輸入？
繼電器和接觸器通常指定與交流和/或直流控制輸入一起使用。主要區別在於，支援交流輸入的設備包括一些措施，以確保在應用交流控制輸入時，設備的電樞保持在驅動位置而不會過度振動，儘管交流控制輸入（及其所使用的磁力）創建）是隨時間變化的，並且具有零或非常小的振幅週期。大多數此類設備在直流輸入下都能夠充分運行，但通常情況並非如此。指定用於直流輸入的繼電器不能在交流控制訊號下正常運作。
但請注意，簡單地用相同 RMS 幅度的交流訊號替換直流訊號會抵消繼電器線圈電感的限流作用，這可能導致電流過大，從而導致控制線圈過熱。如果由於某種原因需要使用指定為交流輸入和直流控制訊號的繼電器，建議採取措施將線圈電流限制在規定值。如果打算使用具有直流訊號的交流額定繼電器，還需要注意其他注意事項，這些因素在底部列出的建議資源中進行了更詳細的討論。
圖 25. TE 的 KRPA 系列繼電器的規格書摘錄。請注意，在指示的線圈電阻上施加額定線圈電壓會產生直流輸入設備的額定線圈功率。以 12V 版本為例，(12V)2 / 120ohm = 1.2W。對交流輸入版本進行相同的計算，得出 (12V)2 / 24ohm = 6W，幾乎是給定額定視在功率的 3 倍。這表明線圈的電感大約承擔了限制流過線圈繞組的電流的 2/3 的負擔，並說明了為什麼在此類設備上使用 12V 直流電而不是交流電是一個壞主意，除非人們喜歡繼電器燃燒的香氣… …
固態開關
這裡使用的術語「固態開關」廣義上是指執行觸點閉合功能的任何基於半導體的裝置。單一電晶體很重要，許多電晶體合併成固態繼電器或類似設備也很重要。
固態開關不是透過物理方式使導體相互接觸或脫離接觸，而是透過調製半導體材料的特性來發揮作用，這導致了它們特性的巨大差異。首先，由於在固態開關中除了電荷載流子之外沒有其他東西在物理移動，因此避免了彈跳現象並且可以實現更快速的切換。
其次，固態開關中工作的隨機/不可預測的元素相對較小且數量較多，並且趨於平均，而機械開關中的隨機/不可預測元素往往相對較少且較多。因此，與突然的、來回的「不是打開，就是機械開關」的「關」或「電弧」特徵。在「關」和「開」之間的任意工作點保持功能是許多半導體裝置的常見做法（稱為「線性」操作），甚至是那些設計為以二進位、開或關方式運行的裝置（例如閘流管系列中的大多數）在穩定狀態之間轉換時表現出類似線性的行為。
總而言之，在其他條件相同的情況下，這些因素使得固態開關明顯比機械開關更快，並且在電氣上（更不用說在聲學上）更安靜。雖然固態開關在許多情況下具有極大的優勢，但也有其自身的缺點和限制。
圖 26. 固態開關透過串聯 10ohm 負載中斷 12V 電源。所示跡線代表開關（黃色）、控制輸入（藍色）和流經開關（綠色）的電流。請注意沒有接觸反彈。
圖 27. 機械開關透過 10ohm 中斷相同的 12V，顯示完整的開關週期（左）和接點閉合期間的放大視圖以顯示觸點彈跳（右）。如上所述，黃色跡線表示開關兩端的電壓，綠色跡線表示通過開關的電流。請注意與圖 26 中的固態設備相比時間尺度的差異。
電壓限制
半導體開關具有微觀特徵尺寸，可利用原子級現象來執行其功能。由於物理尺寸較小，即使是適度的電壓也會在設備內產生非常強的電場。當這些場變得太強大時，事情就會開始破裂，而且速度很快；由於它們的尺寸很小，不需要大量的故障能量就能將設備的重要部分變成蒸汽。由於現代半導體是採用極高純度的材料和高精度的工藝製造的，因此對於給定的設備，可以以相當高的精度預測事物開始損壞的點，製造商通常用絕對最大額定值來描述。雖然這些值並沒有描述確切的破壞閾值（就像地雷警告標誌通常不會放置在最近地雷的雷管頂部一樣），但它們確實表示一個點，超過該閾值將立即被發現。因此，良好的設計實務要求設備的絕對最大額定值始終保持不變。
這與機械開關的額定電壓形成鮮明對比，機械開關往往反映實現額定使用壽命的極限值，而不是即將損壞的閾值。機械開關的介電強度額定值更好地反映了後者，該額定值通常比零件的額定開關電壓大 10 到 100 倍。
這種區別的結果是，固態開關通常需要在處理和維護期間免受瞬態過電壓事件的影響才能可靠，而機電開關通常不需要。即使是電子領域中遇到的更強大的晶體管，也被精心包裝在防靜電包裝中，並貼有標籤，警告內容物對靜電敏感，以免設備因偶然的電荷積累而損壞。然而，即使是最小、最精緻的機械開關也可能不會裝在普通的靜電產生聚乙烯袋或管中。甚至可能在泡沫塑膠床上。繼續，將地方乾燥至 10% 濕度，穿上聚酯休閒服，在沙發上撫摸您的長毛貓，同時操作機械開關。它不在乎。
圖 28. 施加過電壓後 2N7000 FET 的殘留物，如圖 1 所示。
使用透過 130uH/510uF L-C 濾波器透過機械觸點閉合施加的 90V 電源來實現這項破壞工作。
圖 29. 與圖 1 和 28 相關的漏電源電壓（黃色）和汲極電流（綠色）波形。
此元件的額定漏電源電壓最大為 60V，在出現顯著擊穿電流之前，該元件最初處於室溫狀態，可承受約 85V 的電壓。這種情況持續約百萬分之 150s，之後發生具有幾安培高瞬態峰值電流的弧狀短路事件，持續約 80us 以上，之後故障電流回落至亞安培水平。據推測，這兩個不同的故障階段對應於電晶體的內部變成液體或等離子體並試圖逸出，並在逸出後在引線框架的各部分之間產生電弧。
將此與標稱額定電壓為 48V 的小型開關進行比較，左下角所示的開關可承受 400V 以上的電壓，並且沒有任何即將發生故障的跡象。
圖 30. 小型訊號級開關可承受超過 400V 的電壓而不會故障。
熱限制
由於多種原因，熱管理和分析往往是固態開關比機械開關更受關注的議題。其一，半導體開關往往表現出比機械觸點更高的傳導損耗，特別是當裝置額定電壓增加時。除此之外，固態元件能夠承受連續高頻開關的能力導致它們以這種方式被使用。當設備在「開」和「關」狀態之間轉換時，設備會消耗一定的功率，並且當每秒重複數十、數千或數百萬次時，功率就會累積起來。出於設計目的計算功耗量並不是一個簡單的過程，建議進行實證測試來驗證估計值。
更一般地說，不同裝置系列中標稱元件額定值所附加的條件和資格並不一致。目前的趨勢似乎需要在代表可能激進用例的條件下對機電開關進行評級，而固態設備更有可能在符合行業慣例的條件下進行評級和表徵，儘管與可能的應用相比相當樂觀狀況。後一種情況值得注意，並在「熱管理範例（第二部分：規格書的重要性）」此文中進行了詳細討論。
換句話說，如果將機械開關的額定值理解為描述其安全操作的極限，那麼就不太可能犯下太嚴重的錯誤。相較之下，固態開關的額定值則較多是計算目前應用條件下操作限制的參考點；在沒有至少進行粗略熱分析的情況下僅從表面上判斷固態開關的額定值，無異於向災難發出一張刻有銘文的邀請函和一束玫瑰花。
圖 31. 25A機械繼電器（左）、25 A固態繼電器（右）和散熱器（後部），必須將固態設備連接到散熱器才能施加 25A 額定值。機械繼電器的額定值按原樣適用於設備。
洩漏
固態開關漏電；即使在開路，即電路關閉狀態下，也會有一定量的電流通過，固態開關常用的保護組件通常也會漏電。雖然表面污染可能會導致打開的機械開關端子之間出現可測量的洩漏，但通常存在幾個小數位的大小差異。儘管在許多方面都存在潛在問題，但洩漏的安全影響值得注意，並且使得固態開關通常不適合服務斷開和類似應用。
先前比較的 25A固態 （AQ-A）和機械（G7L）繼電器規格書的適用部分如圖 32 所示。在關閉狀態下，固態元件預計在 20°C/68°F 的溫度下允許高達 10mA 的電流通過。隨著設備溫度的升高，這個數字可能會增加，無論如何，成為 10mA（甚至四分之一）的導體將在很短的時間內引起人們的注意。
機械繼電器的可比較資訊不是以洩漏的形式引用的，而是以絕緣電阻的形式引用的，在本例中至少表示為千兆歐姆。在該電阻上施加 277V 的額定最大值將導致 277nA 的電流，大約比固態電阻小 36,000 倍。
圖 32. 固態繼電器和類似額定值的機械繼電器的洩漏比較。
dv/dt 和 di/dt 弱點
大多數固態開關對其兩端電壓變化的速率具有某種敏感性。固態開關上的電壓上升或下降足夠快可能會導致各種問題，這取決於所使用的設備類型；無法關閉、不必要的開啟、開關過程減慢等。由於引起這些問題的設備特性往往會隨著溫度的升高而惡化，因此如果引發最初發生的條件持續存在，則可能會出現導致迅速破壞的雪球效應。與 dv/dt 相關的問題的緩解通常是透過使用稱為緩衝器的被動元件網路來實現的，幾個建議的資源在一定程度上涵蓋了其設計和理論。
同樣，電流變化過快也會損壞裝置。最常見的問題是少數載流子元件（例如雙極電晶體和閘流管）在導通過程中出現的問題，這種情況下的問題與裝置有源區域內的電流集中有關。由於少數載流子元件的通態電壓隨著溫度的升高而下降，因此通過裝置的電流將傾向於流過裝置較熱的區域，導致它們變得更熱，並消耗更多的電流，依此類推，直到出現損壞。
這些影響的細微差別以及相關的設計考慮因素在不同的可用設備類型之間存在很大差異，並且超出了本文的範圍。更多資訊可能會在未來某個時候發布。
圖 33. 波形顯示了半橋配置中下部 FET 的 dV/dt 感應（不需要的）導通，如圖 34 的原理圖所示。當 Q2 導通時 Q1 汲極電壓增加時，Q1 汲極和閘極端之間的寄生電容會將電荷耦合到閘極端，導致 Q1 上的閘極源電壓增加到開始導通的點。
紅色波形顯示 Q1 的瞬時功耗。兩個遊標之間的波形下方的區域表示在此不需要的過程中 Q1 中耗散的能量。開啟事件：約 225uJ。如果該脈衝以 18kHz 的頻率連續重複，Q1 將消耗約 4W 的功率。
圖 34.
固態繼電器（SSR）
當使用「固態繼電器」一詞時，它通常是指旨在提供與繼電器類似功能的半導體裝置；由與受控電路電氣隔離的低功率輸入控制的低頻開/關切換。這個概念的邊界並不完全清晰，特別是沿著與電晶體或晶閘管輸出光隔離器的共享邊界，人們可以找到功能相似的裝置，分類為使用其中一個或兩個術語，沒有明確的分界線。然而，趨勢是，歸類為「固態繼電器」的設備更適合以最小輸入驅動電流進行較高輸出電流（數 100mA 或更多）的低頻開關，而「光隔離器」往往更適合用於更高速、更高精度地切換數十毫安或更小的電流，並面向資訊傳輸而不是功率控制。
固態繼電器大致可分為兩大類；基於 FET 的和基於晶閘管（SCR 或雙向可控矽）的。兩者之間的主要功能差異在於，晶閘管與 FET 不同，不能自換向；一旦透過控制訊號觸發導通，它們就不會停止導通，直到流過它們的電流減少到某個最小接近零的值。因此，基於晶閘管的固態開關幾乎專門用於切換交流電流，因為電流的自然反轉提供了週期性換向機會。此外，閘流管和 FET 具有不同的傳導損耗特性，這使得它們非常適合不同的應用空間。
與機械繼電器相比，大多數可用的固態繼電器都是單擲類型，這可能是因為建造一個基於半導體的設備來可靠地避免繼電器之間的交叉連接或短路並非易事。在許多故障情況下也是如此。多極 SSR 較為常見，但單刀、單擲、常開（A 型）樣式是迄今為止應用最廣泛的。
圖 35. 幾種不同固態繼電器的內部圖，展示了可能遇到的不同輸出配置的範例。從左到右依序是背對背 FET（允許任意中斷交流或直流負載）、單一 FET（僅適用於切換直流負載）和雙向可控矽輸出（僅適用於切換交流負載）。
圖 36. 說明在「固態繼電器」產品系列下發現的不同物理形狀因素的各種設備。從左到右，一個側面幾毫米的表面貼裝設備，一個用於三相開關的底盤安裝模組，以及一個帶有集成散熱器的 DIN 導軌安裝設備。 （照片未按比例）
建議資源
固態開關裝置與機械開關裝置
機電繼電器與固態繼電器特性比較（TE Connectivity， 1 頁）
包含一個表格，提供兩種主要繼電器類型之間的一般定性比較。
固態繼電器（SSR）與機電繼電器（EMR）（Crydom，5 頁）
重點介紹基於兩類開關技術的繼電器之間的差異。
固態繼電器相對於機電繼電器的優勢（Ixys，11 頁）
討論選擇固態設備而不是機械設計的原因。包含有效訊息，但其撰寫似乎具有強烈的影響意圖，而不僅僅是提供資訊。
緩衝器
電源電路緩衝器設計（Cornell Dubilier，29 頁）
討論一般緩衝器設計原則以及實施和組件選擇的實際注意事項。
TRIAC 的 RC 緩衝電路設計（ST，18 頁）
討論與控制交流電流的常見類型設備一起使用的緩衝器設計和應用。
AN1048/D：用於晶閘管功率控制和瞬態抑制的 RC 緩衝網路（Onsemi，22 頁）
討論適用於晶閘管裝置的緩衝器設計和應用，以及產生此類需求的這些裝置的行為和內部過程。
IGBT 應用的緩衝器注意事項（International Rectifier/Infineon，9 頁）
討論與 IGBT 裝置一起使用的緩衝器應用。
緩衝電容器（Cornell Dubilier，4 頁）
包含有關緩衝器應用中的組件選擇和尺寸設計的簡短但有用的資訊。
機械繼電器和開關資源
電弧和觸點壽命
接觸電弧現象（TE Connectivity，3 頁）
簡要討論機電繼電器中電弧和相關磨損過程的影響，也適用於機械開關。
繼電器觸點壽命（TE Connectivity，3 頁）
討論觸點材料、機械接觸磨損和防護的基本概念。適用於機械開關和繼電器。
一般資訊
繼電器技術資訊（松下電工株式會社，31 頁）
內容廣泛且資訊密集的文檔，提供機械繼電器上下文中使用的術語、應用指南、製造注意事項和其他相關主題的描述。
繼電器技術基礎（Phoenix Contact，11 頁）
討論觸點材料、開關/觸點保護、訊號與電源切換以及固態繼電器。包含很好的訊息，但組織和演示可能不太適合尚未熟悉主題的讀者。
一般應用指南（Panasonic Electric Works，11 頁）
Panasonic 機械繼電器應用的一般指南，包括觸點材料、觸點保護和線圈抑制等主題。
汽車繼電器應用說明（TE Connectivity，7 頁）
討論典型汽車用途中的繼電器應用注意事項，並提供此類用途的範例。提到的主題包括線圈抑制、接觸腐蝕的影響、線上診斷指南以及減少繼電器控制線圈功耗的先進驅動方法。
設計考慮
直流繼電器的繼電器線圈抑制應用（TE Connectivity，2 頁）
以簡潔且與供應商無關的方式討論處理機電繼電器線圈的電感特性以及由此對繼電器行為產生的影響的技術。
線圈抑制會縮短繼電器壽命（TE Connectivity，2 頁）
關於繼電器線圈抑制效果的另一個簡潔討論。
確定繼電器線圈電感（TE Connectivity， 1 頁）
描述了測量繼電器控制線圈電感的建議條件
直流繼電器線圈功耗降低選項（TE Connectivity， 1 頁）
討論使用非閉鎖控制機制降低機械繼電器功耗的技術。
線圈電壓和溫度補償（TE Connectivity，2 頁）
討論確保在不同溫度條件下正確驅動繼電器的注意事項。
直流繼電器的溫度注意事項（TE Connectivity，2 頁）
使用方程式和實際範例討論溫度對直流輸入機械繼電器操作的影響。
透過交流操作直流繼電器及相反（TE Connectivity，2 頁）
描述交流輸入和直流輸入繼電器之間結構的差異，以及嘗試將其中一種與另一種形式的控制訊號一起使用的效果。
正確的線圈驅動對於良好的繼電器和接觸器性能至關重要（TE Connectivity，3 頁）
討論實現正確的機械繼電器線圈驅動的基本注意事項。
觸點負載/壽命效能增強（TE Connectivity，3 頁）
討論使用直流驅動線圈切換交流負載時影響機械繼電器壽命的因素。
製造和生產注意事項
通風密封繼電器（TE Connectivity，2 頁）
討論有關密封/可清洗繼電器通風的注意事項
印刷電路板繼電器的安裝、端接和清潔（TE Connectivity，2 頁）
提供與 PCB 安裝電路板結合使用的組裝後清潔製程和試劑的建議、處理建議以及 PCB 設計指南（包括走線寬度）。
疑似繼電器故障的驗證和診斷（TE Connectivity，4 頁）
描述了被認為失效或不符合製造商規範的繼電器初始測試的流程和程序。
固態繼電器資源
設計考慮
AN56：固態繼電器（Vishay，2 頁）
簡要介紹該供應商的小訊號SSR產品的功能與特性。
固態繼電器常見注意事項（Omron，9頁）
對 SSR 使用注意事項進行了簡潔而廣泛的討論，其風格和視角反映了供應商對工業自動化應用的熟悉程度。
AN58：固態繼電器電流限制效能 (Vishay，2 頁）
討論小訊號 SSR 中的電流限制行為/功能。
AN59：固態繼電器輸入電阻選擇（Vishay，2 頁）
討論與具有簡單（外部調節）LED 控制輸入的 SSR 的輸入電阻選擇有關的問題。
AN61：固態繼電器並行與直流操作（Vishay，2 頁）
討論以並聯模式使用供應商的 FET 輸出 SSR 以提高輸出電流能力的注意事項；也適用於其他供應商的類似產品。
AN69：固態繼電器金屬通態突波性能（Vishay，3 頁）
從電信應用和標準化突波測試波形的角度討論 SSR 裝置的突波容限。
注意變壓器的零交叉開關（TE Connectivity，2 頁）
最直接適用於固態繼電器；討論了當連接到變壓器等電感限制負載時，在零交叉點切換交流電源時遇到的困難。
裝置保護
AN57：固態繼電器過壓保護（Vishay，4 頁）
對保護技術的簡短討論，主要從小訊號設備的角度來看，但也與其他設備類別相關。
保護交流輸出 SSR 免受電壓瞬變現象的影響（Crydom，5 頁）
討論保護 SSR 免受過電壓影響的必要性和方法，也提到了 dv/dt 相關問題。