繼電器開關電路

繼電器是一種機電設備，利用電磁鐵將一對可動觸點從斷開位置移動到閉合位置。

繼電器的優點是操作繼電器線圈所需的功率相對較小。然而，繼電器開關電路可用于控制電機、加熱器、燈具或交流電路，這些設備本身可能會消耗更多的電壓、電流和功率。

機電繼電器是一種輸出設備（執行器），有各種形狀、尺寸和設計，廣泛應用于電子電路中。雖然繼電器可用于讓低功率電子或計算機類型電路切換相對較高的電流或電壓（“開”或“關”），但需要某種形式的繼電器開關電路來控制它。

繼電器開關電路的設計和類型非常多，但許多小型電子項目使用晶體管和MOSFET作為主要開關設備，因為晶體管可以從各種輸入源提供快速的直流開關（開-關）控制繼電器線圈。以下是一些常見的繼電器開關方式。

NPN繼電器開關電路

典型的繼電器開關電路由NPN晶體管開關驅動線圈，TR1如圖所示，具體取決于輸入電壓水平。當晶體管的基極電壓為零（或負）時，晶體管截止，充當開路開關。在這種情況下，沒有集電極電流流動，繼電器線圈斷電，因為作為電流設備，如果沒有電流流入基極，則不會有電流流過繼電器線圈。

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

對于大多數雙極開關晶體管，流入集電極的繼電器線圈電流量將比驅動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時通常約為290（數據表）。

NPN繼電器開關電路

npn繼電器開關電路

注意，繼電器線圈不僅是一個電磁鐵，而且還是一個電感器。當由于晶體管的開關動作向線圈施加電源時，根據歐姆定律（I = V / R），由于線圈的直流電阻，將流過最大電流。一些電能存儲在繼電器線圈的磁場中。

當晶體管“關閉”時，流過繼電器線圈的電流減小，磁場崩潰。然而，存儲在磁場中的能量必須去某個地方，并且當它試圖維持繼電器線圈中的電流時，線圈兩端會產生反向電壓。此操作在繼電器線圈兩端產生高電壓尖峰，如果允許其累積，可能會損壞開關NPN晶體管。

因此，為了防止半導體晶體管損壞，在繼電器線圈兩端連接了一個“飛輪二極管”，也稱為續流二極管。該飛輪二極管將線圈兩端的反向電壓鉗位在約0.7V，耗散存儲的能量并保護開關晶體管。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方法，為此使用RC緩沖電路。

NPN達林頓繼電器開關電路

先前的NPN晶體管繼電器開關電路非常適合切換小負載，例如LED和微型繼電器。但有時需要切換超出BC109通用晶體管范圍的大繼電器線圈或電流，這可以使用達林頓晶體管實現。

通過使用達林頓對晶體管代替單個開關晶體管，可以大大提高繼電器開關電路的靈敏度和電流增益。達林頓晶體管對可以由兩個單獨連接的雙極晶體管組成，如圖所示，或者作為一個具有標準基極、發射極和集電極連接引線的單一設備。

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

NPN達林頓配置

npn達林頓繼電器開關電路

如果兩個單獨的晶體管配置為達林頓開關對，則通常在主開關晶體管TR2的基極和發射極之間放置一個小值電阻（100至1,000Ω），以確保其完全關閉。再次使用飛輪二極管來保護TR2免受繼電器線圈斷電時產生的反電動勢的影響。

發射極跟隨器繼電器開關電路

除了用于繼電器開關電路的標準共發射極配置外，繼電器線圈也可以連接到晶體管的發射極端子以形成發射極跟隨器電路。輸入信號直接連接到基極，而輸出從發射極負載中取出，如圖所示。

發射極跟隨器繼電器開關電路

發射極跟隨器繼電器開關電路

共集電極或發射極跟隨器配置對于阻抗匹配應用非常有用，因為其輸入阻抗非常高，在數十萬歐姆的范圍內，同時具有相對較低的輸出阻抗來切換繼電器線圈。與先前的NPN繼電器開關電路一樣，通過向晶體管的基極施加正電流來發生開關。

發射極達林頓繼電器開關電路

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

發射極達林頓配置

發射極達林頓繼電器開關電路

共發射極達林頓繼電器開關電路對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。這種發射極跟隨器電路的另一個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行阻抗匹配。

PNP繼電器開關電路

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繼電器開關電路在控制繼電器線圈的能力方面與NPN繼電器開關電路沒有什么不同。然而，它確實需要不同的工作電壓極性。例如，PNP類型的集電極-發射極電壓Vce必須為負，以導致電流從發射極流向集電極。

PNP晶體管配置

pnp繼電器開關電路

PNP晶體管電路的工作方式與NPN繼電器開關電路相反。當基極被正向偏置時，負載電流從發射極流向集電極，電壓比發射極更負。為了使繼電器的負載電流從發射極流向集電極，基極和集電極都必須相對于發射極為負。

換句話說，當Vin為高電平時，PNP晶體管“關閉”，繼電器線圈也關閉。當Vin為低電平時，基極電壓小于發射極電壓（更負），PNP晶體管“打開”。基極電阻值設置基極電流，基極電流設置驅動繼電器線圈的集電極電流。

當開關信號與NPN晶體管相反時，可以使用PNP晶體管開關，例如CMOS NAND門或其他此類邏輯設備的輸出。CMOS邏輯輸出在邏輯0時具有足夠的驅動強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換為電流源。

PNP集電極繼電器開關電路

該電路的操作與先前的繼電器開關電路相同。在該繼電器開關電路中，繼電器負載已連接到PNP晶體管的集電極。當Vin為低電平時，晶體管“打開”，當Vin為高電平時，晶體管“關閉”，晶體管和線圈的開關動作發生。

PNP集電極配置

pnp集電極繼電器開關電路

我們已經看到，無論是NPN雙極晶體管還是PNP雙極晶體管都可以作為繼電器開關或任何其他負載的開關。但是需要理解兩種不同的條件，因為電流在兩個不同的方向上流動。

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

N溝道MOSFET繼電器開關電路

MOSFET繼電器開關操作與上述雙極結型晶體管（BJT）開關操作非常相似，任何先前的電路都可以使用MOSFET實現。然而，MOSFET電路的操作有一些主要區別，主要區別在于MOSFET是電壓操作設備，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通過導電通道導通，通道最初關閉，晶體管“關閉”。隨著施加到柵極端子的電壓逐漸增加，該通道的導電寬度逐漸增加。換句話說，晶體管通過隨著柵極電壓增加而增強通道來操作，因此這種類型的MOSFET稱為增強型MOSFET或E-MOSFET。

N溝道增強型MOSFET（NMOS）是最常用的MOSFET類型，因為柵極端子上的正電壓將MOSFET“打開”，柵極上的零或負電壓將其“關閉”，使其成為理想的MOSFET繼電器開關。互補的P溝道增強型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mosfet繼電器開關電路

上述MOSFET繼電器開關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，沒有足夠的柵極驅動來打開通道，晶體管“關閉”。但是當VGS增加到MOSFET的較低閾值電壓VT以上時，通道打開，電流流動，繼電器線圈工作。

然后增強型MOSFET作為常開開關操作，使其非常適合切換小負載，例如繼電器。E型MOSFET具有高“關閉”電阻但中等“打開”電阻（適用于大多數應用），因此在為特定開關應用選擇時，需要考慮其RDS值。

P溝道MOSFET繼電器開關電路

P溝道增強型MOSFET（PMOS）的構造與N溝道增強型MOSFET相同，只是它僅在負柵極電壓下工作。換句話說，P溝道MOSFET以相同的方式工作，但極性相反，因為柵極必須比源極更負才能通過正向偏置“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。當高電壓電平施加到柵極時，P溝道MOSFET將“關閉”。關閉的E-MOSFET將具有非常高的通道電阻，并且幾乎像開路一樣工作。

當低電壓電平施加到柵極時，P溝道MOSFET將“打開”。這將導致電流通過E-MOSFET通道的低電阻路徑流動，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電路，并且可以輕松地與各種數字邏輯門和微處理器應用接口。

邏輯控制繼電器開關電路

N溝道增強型MOSFET作為晶體管開關非常有用，因為在其“關閉”狀態（零柵極偏置）下，其通道具有非常高的電阻，阻止電流流動。然而，在其高阻抗柵極上施加相對較小的正電壓（大于閾值電壓VT）會導致其開始從其漏極端子到其源極端子導通電流。

與需要基極電流來“打開”的雙極結型晶體管不同，E-MOSFET只需要柵極上的電壓，因為由于其絕緣柵極結構，零電流流入柵極。這使得E-MOSFET，無論是N溝道還是P溝道，都非常適合由典型的TTL或CMOS邏輯門直接驅動，如圖所示。

邏輯控制繼電器開關電路

邏輯控制

這里，N溝道E-MOSFET由數字邏輯門驅動。大多數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是電壓操作設備并且不消耗柵極電流，我們可以使用MOSFET繼電器開關電路來控制高功率負載。

微控制器繼電器開關電路

除了數字邏輯門外，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控制外部世界。下面的電路顯示了如何使用MOSFET開關接口繼電器。

微控制器繼電器開關電路

微控制器

教程總結

在本教程中，我們已經看到如何使用雙極結型晶體管（無論是NPN還是PNP）和增強型MOSFET（無論是N溝道還是P溝道）作為晶體管開關電路。

有時在構建電子或微控制器電路時，我們希望使用晶體管開關來控制高功率設備，例如電機、燈具、加熱元件或交流電路。通常這些設備需要比單個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電路來實現這一點。

雙極晶體管（BJT）是非常好且便宜的繼電器開關電路，但BJT是電流操作設備，因為它們將小基極電流轉換為更大的負載電流以激勵繼電器線圈。

然而，MOSFET開關作為電氣開關是理想的，因為它幾乎不需要柵極電流來“打開”，將柵極電壓轉換為負載電流。因此，MOSFET可以作為電壓控制開關操作。

在許多應用中，雙極晶體管可以被增強型MOSFET替代，提供更快的開關動作，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“關閉”狀態功耗以及非常快的開關能力的結合使得MOSFET適用于許多數字開關應用。此外，由于零柵極電流，其開關動作不會使數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，因此它對靜電特別敏感，靜電可能會破壞柵極上的薄氧化層。因此，在處理組件或在使用時應特別小心，并且任何使用E-MOSFET的電路都應包括適當的靜電和電壓尖峰保護。

此外，為了進一步保護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動作產生的反電動勢。