繼電器開關(guān)電路

繼電器是一種機(jī)電設(shè)備，利用電磁鐵將一對(duì)可動(dòng)觸點(diǎn)從斷開位置移動(dòng)到閉合位置。

繼電器的優(yōu)點(diǎn)是操作繼電器線圈所需的功率相對(duì)較小。然而，繼電器開關(guān)電路可用于控制電機(jī)、加熱器、燈具或交流電路，這些設(shè)備本身可能會(huì)消耗更多的電壓、電流和功率。

機(jī)電繼電器是一種輸出設(shè)備（執(zhí)行器），有各種形狀、尺寸和設(shè)計(jì)，廣泛應(yīng)用于電子電路中。雖然繼電器可用于讓低功率電子或計(jì)算機(jī)類型電路切換相對(duì)較高的電流或電壓（“開”或“關(guān)”），但需要某種形式的繼電器開關(guān)電路來(lái)控制它。

繼電器開關(guān)電路的設(shè)計(jì)和類型非常多，但許多小型電子項(xiàng)目使用晶體管和MOSFET作為主要開關(guān)設(shè)備，因?yàn)榫w管可以從各種輸入源提供快速的直流開關(guān)（開-關(guān)）控制繼電器線圈。以下是一些常見的繼電器開關(guān)方式。

NPN繼電器開關(guān)電路

典型的繼電器開關(guān)電路由NPN晶體管開關(guān)驅(qū)動(dòng)線圈，TR1如圖所示，具體取決于輸入電壓水平。當(dāng)晶體管的基極電壓為零（或負(fù)）時(shí)，晶體管截止，充當(dāng)開路開關(guān)。在這種情況下，沒有集電極電流流動(dòng)，繼電器線圈斷電，因?yàn)樽鳛殡娏髟O(shè)備，如果沒有電流流入基極，則不會(huì)有電流流過繼電器線圈。

如果現(xiàn)在向基極注入足夠大的正電流以使NPN晶體管飽和，則從基極到發(fā)射極（B到E）的電流控制通過晶體管從集電極到發(fā)射極的較大繼電器線圈電流。

對(duì)于大多數(shù)雙極開關(guān)晶體管，流入集電極的繼電器線圈電流量將比驅(qū)動(dòng)晶體管飽和所需的基極電流大50到800倍。通用BC109的電流增益或β值（β）在2mA時(shí)通常約為290（數(shù)據(jù)表）。

NPN繼電器開關(guān)電路

npn繼電器開關(guān)電路

注意，繼電器線圈不僅是一個(gè)電磁鐵，而且還是一個(gè)電感器。當(dāng)由于晶體管的開關(guān)動(dòng)作向線圈施加電源時(shí)，根據(jù)歐姆定律（I = V / R），由于線圈的直流電阻，將流過最大電流。一些電能存儲(chǔ)在繼電器線圈的磁場(chǎng)中。

當(dāng)晶體管“關(guān)閉”時(shí)，流過繼電器線圈的電流減小，磁場(chǎng)崩潰。然而，存儲(chǔ)在磁場(chǎng)中的能量必須去某個(gè)地方，并且當(dāng)它試圖維持繼電器線圈中的電流時(shí)，線圈兩端會(huì)產(chǎn)生反向電壓。此操作在繼電器線圈兩端產(chǎn)生高電壓尖峰，如果允許其累積，可能會(huì)損壞開關(guān)NPN晶體管。

因此，為了防止半導(dǎo)體晶體管損壞，在繼電器線圈兩端連接了一個(gè)“飛輪二極管”，也稱為續(xù)流二極管。該飛輪二極管將線圈兩端的反向電壓鉗位在約0.7V，耗散存儲(chǔ)的能量并保護(hù)開關(guān)晶體管。飛輪二極管僅適用于電源為極化直流電壓的情況。交流線圈需要不同的保護(hù)方法，為此使用RC緩沖電路。

NPN達(dá)林頓繼電器開關(guān)電路

先前的NPN晶體管繼電器開關(guān)電路非常適合切換小負(fù)載，例如LED和微型繼電器。但有時(shí)需要切換超出BC109通用晶體管范圍的大繼電器線圈或電流，這可以使用達(dá)林頓晶體管實(shí)現(xiàn)。

通過使用達(dá)林頓對(duì)晶體管代替單個(gè)開關(guān)晶體管，可以大大提高繼電器開關(guān)電路的靈敏度和電流增益。達(dá)林頓晶體管對(duì)可以由兩個(gè)單獨(dú)連接的雙極晶體管組成，如圖所示，或者作為一個(gè)具有標(biāo)準(zhǔn)基極、發(fā)射極和集電極連接引線的單一設(shè)備。

兩個(gè)NPN晶體管如圖所示連接，使得第一個(gè)晶體管TR1的集電極電流成為第二個(gè)晶體管TR2的基極電流。向TR1施加正基極電流會(huì)自動(dòng)“打開”開關(guān)晶體管TR2。

NPN達(dá)林頓配置

npn達(dá)林頓繼電器開關(guān)電路

如果兩個(gè)單獨(dú)的晶體管配置為達(dá)林頓開關(guān)對(duì)，則通常在主開關(guān)晶體管TR2的基極和發(fā)射極之間放置一個(gè)小值電阻（100至1,000Ω），以確保其完全關(guān)閉。再次使用飛輪二極管來(lái)保護(hù)TR2免受繼電器線圈斷電時(shí)產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)的影響。

發(fā)射極跟隨器繼電器開關(guān)電路

除了用于繼電器開關(guān)電路的標(biāo)準(zhǔn)共發(fā)射極配置外，繼電器線圈也可以連接到晶體管的發(fā)射極端子以形成發(fā)射極跟隨器電路。輸入信號(hào)直接連接到基極，而輸出從發(fā)射極負(fù)載中取出，如圖所示。

發(fā)射極跟隨器繼電器開關(guān)電路

發(fā)射極跟隨器繼電器開關(guān)電路

共集電極或發(fā)射極跟隨器配置對(duì)于阻抗匹配應(yīng)用非常有用，因?yàn)槠漭斎胱杩狗浅８?，在?shù)十萬(wàn)歐姆的范圍內(nèi)，同時(shí)具有相對(duì)較低的輸出阻抗來(lái)切換繼電器線圈。與先前的NPN繼電器開關(guān)電路一樣，通過向晶體管的基極施加正電流來(lái)發(fā)生開關(guān)。

發(fā)射極達(dá)林頓繼電器開關(guān)電路

這是先前發(fā)射極跟隨器電路的達(dá)林頓晶體管版本。由于兩個(gè)β值的倍增，向TR1施加的非常小的正基極電流會(huì)導(dǎo)致更大的集電極電流流過TR2。

發(fā)射極達(dá)林頓配置

發(fā)射極達(dá)林頓繼電器開關(guān)電路

共發(fā)射極達(dá)林頓繼電器開關(guān)電路對(duì)于提供電流增益和功率增益非常有用，電壓增益大約等于1。這種發(fā)射極跟隨器電路的另一個(gè)重要特性是它具有高輸入阻抗和低輸出阻抗，這使其非常適合與大繼電器線圈進(jìn)行阻抗匹配。

PNP繼電器開關(guān)電路

除了使用NPN雙極晶體管切換繼電器線圈和其他此類負(fù)載外，我們還可以使用PNP雙極晶體管切換它們。PNP繼電器開關(guān)電路在控制繼電器線圈的能力方面與NPN繼電器開關(guān)電路沒有什么不同。然而，它確實(shí)需要不同的工作電壓極性。例如，PNP類型的集電極-發(fā)射極電壓Vce必須為負(fù)，以導(dǎo)致電流從發(fā)射極流向集電極。

PNP晶體管配置

pnp繼電器開關(guān)電路

PNP晶體管電路的工作方式與NPN繼電器開關(guān)電路相反。當(dāng)基極被正向偏置時(shí)，負(fù)載電流從發(fā)射極流向集電極，電壓比發(fā)射極更負(fù)。為了使繼電器的負(fù)載電流從發(fā)射極流向集電極，基極和集電極都必須相對(duì)于發(fā)射極為負(fù)。

換句話說，當(dāng)Vin為高電平時(shí)，PNP晶體管“關(guān)閉”，繼電器線圈也關(guān)閉。當(dāng)Vin為低電平時(shí)，基極電壓小于發(fā)射極電壓（更負(fù)），PNP晶體管“打開”?；鶚O電阻值設(shè)置基極電流，基極電流設(shè)置驅(qū)動(dòng)繼電器線圈的集電極電流。

當(dāng)開關(guān)信號(hào)與NPN晶體管相反時(shí)，可以使用PNP晶體管開關(guān)，例如CMOS NAND門或其他此類邏輯設(shè)備的輸出。CMOS邏輯輸出在邏輯0時(shí)具有足夠的驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度以吸收足夠的電流以“打開”PNP晶體管。然后通過使用PNP晶體管和相反極性的電源，可以將電流吸收器轉(zhuǎn)換為電流源。

PNP集電極繼電器開關(guān)電路

該電路的操作與先前的繼電器開關(guān)電路相同。在該繼電器開關(guān)電路中，繼電器負(fù)載已連接到PNP晶體管的集電極。當(dāng)Vin為低電平時(shí)，晶體管“打開”，當(dāng)Vin為高電平時(shí)，晶體管“關(guān)閉”，晶體管和線圈的開關(guān)動(dòng)作發(fā)生。

PNP集電極配置

pnp集電極繼電器開關(guān)電路

我們已經(jīng)看到，無(wú)論是NPN雙極晶體管還是PNP雙極晶體管都可以作為繼電器開關(guān)或任何其他負(fù)載的開關(guān)。但是需要理解兩種不同的條件，因?yàn)殡娏髟趦蓚€(gè)不同的方向上流動(dòng)。

因此，在NPN晶體管中，相對(duì)于發(fā)射極的高電壓施加到基極，電流從集電極流向發(fā)射極，NPN晶體管“打開”。對(duì)于PNP晶體管，相對(duì)于發(fā)射極的低電壓施加到基極，電流從發(fā)射極流向集電極，PNP晶體管“打開”。

N溝道MOSFET繼電器開關(guān)電路

MOSFET繼電器開關(guān)操作與上述雙極結(jié)型晶體管（BJT）開關(guān)操作非常相似，任何先前的電路都可以使用MOSFET實(shí)現(xiàn)。然而，MOSFET電路的操作有一些主要區(qū)別，主要區(qū)別在于MOSFET是電壓操作設(shè)備，并且由于柵極與漏極-源極通道電隔離，它們具有非常高的輸入阻抗，因此MOSFET的柵極電流為零，因此不需要基極電阻。

MOSFET通過導(dǎo)電通道導(dǎo)通，通道最初關(guān)閉，晶體管“關(guān)閉”。隨著施加到柵極端子的電壓逐漸增加，該通道的導(dǎo)電寬度逐漸增加。換句話說，晶體管通過隨著柵極電壓增加而增強(qiáng)通道來(lái)操作，因此這種類型的MOSFET稱為增強(qiáng)型MOSFET或E-MOSFET。

N溝道增強(qiáng)型MOSFET（NMOS）是最常用的MOSFET類型，因?yàn)闁艠O端子上的正電壓將MOSFET“打開”，柵極上的零或負(fù)電壓將其“關(guān)閉”，使其成為理想的MOSFET繼電器開關(guān)。互補(bǔ)的P溝道增強(qiáng)型MOSFET也可用，與PNP BJT一樣，它們使用相反的電壓工作。

N溝道MOSFET配置

n溝道m(xù)osfet繼電器開關(guān)電路

上述MOSFET繼電器開關(guān)電路連接在共源配置中。在零電壓輸入，低電平條件下，VGS的值，沒有足夠的柵極驅(qū)動(dòng)來(lái)打開通道，晶體管“關(guān)閉”。但是當(dāng)VGS增加到MOSFET的較低閾值電壓VT以上時(shí)，通道打開，電流流動(dòng)，繼電器線圈工作。

然后增強(qiáng)型MOSFET作為常開開關(guān)操作，使其非常適合切換小負(fù)載，例如繼電器。E型MOSFET具有高“關(guān)閉”電阻但中等“打開”電阻（適用于大多數(shù)應(yīng)用），因此在為特定開關(guān)應(yīng)用選擇時(shí)，需要考慮其RDS值。

P溝道MOSFET繼電器開關(guān)電路

P溝道增強(qiáng)型MOSFET（PMOS）的構(gòu)造與N溝道增強(qiáng)型MOSFET相同，只是它僅在負(fù)柵極電壓下工作。換句話說，P溝道MOSFET以相同的方式工作，但極性相反，因?yàn)闁艠O必須比源極更負(fù)才能通過正向偏置“打開”晶體管，如圖所示。

P溝道MOSFET繼電器開關(guān)電路

p溝道電路

在此配置中，P溝道的源極端子連接到+Vdd，漏極端子通過繼電器線圈連接到地。當(dāng)高電壓電平施加到柵極時(shí)，P溝道MOSFET將“關(guān)閉”。關(guān)閉的E-MOSFET將具有非常高的通道電阻，并且?guī)缀跸耖_路一樣工作。

當(dāng)?shù)碗妷弘娖绞┘拥綎艠O時(shí)，P溝道MOSFET將“打開”。這將導(dǎo)致電流通過E-MOSFET通道的低電阻路徑流動(dòng)，操作繼電器線圈。N溝道和P溝道E-MOSFET都成為出色的低電壓繼電器開關(guān)電路，并且可以輕松地與各種數(shù)字邏輯門和微處理器應(yīng)用接口。

邏輯控制繼電器開關(guān)電路

N溝道增強(qiáng)型MOSFET作為晶體管開關(guān)非常有用，因?yàn)樵谄洹瓣P(guān)閉”狀態(tài)（零柵極偏置）下，其通道具有非常高的電阻，阻止電流流動(dòng)。然而，在其高阻抗柵極上施加相對(duì)較小的正電壓（大于閾值電壓VT）會(huì)導(dǎo)致其開始從其漏極端子到其源極端子導(dǎo)通電流。

與需要基極電流來(lái)“打開”的雙極結(jié)型晶體管不同，E-MOSFET只需要柵極上的電壓，因?yàn)橛捎谄浣^緣柵極結(jié)構(gòu)，零電流流入柵極。這使得E-MOSFET，無(wú)論是N溝道還是P溝道，都非常適合由典型的TTL或CMOS邏輯門直接驅(qū)動(dòng)，如圖所示。

邏輯控制繼電器開關(guān)電路

邏輯控制

這里，N溝道E-MOSFET由數(shù)字邏輯門驅(qū)動(dòng)。大多數(shù)邏輯門的輸出引腳只能提供有限的電流，通常不超過約20 mA。由于E-MOSFET是電壓操作設(shè)備并且不消耗柵極電流，我們可以使用MOSFET繼電器開關(guān)電路來(lái)控制高功率負(fù)載。

微控制器繼電器開關(guān)電路

除了數(shù)字邏輯門外，我們還可以使用微控制器、PIC和處理器的輸出引腳和通道來(lái)控制外部世界。下面的電路顯示了如何使用MOSFET開關(guān)接口繼電器。

微控制器繼電器開關(guān)電路

微控制器

教程總結(jié)

在本教程中，我們已經(jīng)看到如何使用雙極結(jié)型晶體管（無(wú)論是NPN還是PNP）和增強(qiáng)型MOSFET（無(wú)論是N溝道還是P溝道）作為晶體管開關(guān)電路。

有時(shí)在構(gòu)建電子或微控制器電路時(shí)，我們希望使用晶體管開關(guān)來(lái)控制高功率設(shè)備，例如電機(jī)、燈具、加熱元件或交流電路。通常這些設(shè)備需要比單個(gè)功率晶體管可以處理的更大電流或更高電壓，然后我們可以使用繼電器開關(guān)電路來(lái)實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。

雙極晶體管（BJT）是非常好且便宜的繼電器開關(guān)電路，但BJT是電流操作設(shè)備，因?yàn)樗鼈儗⑿』鶚O電流轉(zhuǎn)換為更大的負(fù)載電流以激勵(lì)繼電器線圈。

然而，MOSFET開關(guān)作為電氣開關(guān)是理想的，因?yàn)樗鼛缀醪恍枰獤艠O電流來(lái)“打開”，將柵極電壓轉(zhuǎn)換為負(fù)載電流。因此，MOSFET可以作為電壓控制開關(guān)操作。

在許多應(yīng)用中，雙極晶體管可以被增強(qiáng)型MOSFET替代，提供更快的開關(guān)動(dòng)作，更高的輸入阻抗，并且可能更少的功率耗散。非常高的柵極阻抗，非常低的“關(guān)閉”狀態(tài)功耗以及非?？斓拈_關(guān)能力的結(jié)合使得MOSFET適用于許多數(shù)字開關(guān)應(yīng)用。此外，由于零柵極電流，其開關(guān)動(dòng)作不會(huì)使數(shù)字門或微控制器的輸出電路過載。

然而，由于E-MOSFET的柵極與組件的其余部分絕緣，因此它對(duì)靜電特別敏感，靜電可能會(huì)破壞柵極上的薄氧化層。因此，在處理組件或在使用時(shí)應(yīng)特別小心，并且任何使用E-MOSFET的電路都應(yīng)包括適當(dāng)?shù)撵o電和電壓尖峰保護(hù)。

此外，為了進(jìn)一步保護(hù)BJT或MOSFET，始終在繼電器線圈兩端使用飛輪二極管，以安全地耗散由晶體管開關(guān)動(dòng)作產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)。