繼電器是一種機電設(shè)備，它使用電磁鐵將一對可移動觸點從打開位置操作到關(guān)閉位置。

繼電器的優(yōu)點是操作繼電器線圈需要相對較小的功率。然而，繼電器開關(guān)電路可用于控制電機、加熱器、燈或 AC 電路，它們本身會消耗更多的電壓、電流和功率。

機電繼電器是一種輸出設(shè)備（執(zhí)行器），具有多種形狀、尺寸和設(shè)計，在電子電路中具有多種用途和應用。但是，雖然繼電器可用于允許低功率電子或計算機類型的電路將相對較高的電流或電壓“打開”或“關(guān)閉”，但需要某種形式的繼電器開關(guān)電路來控制它。

繼電器開關(guān)電路的設(shè)計和類型非常龐大，但許多小型電子項目使用晶體管和 MOSFET 作為其主要開關(guān)器件，因為晶體管可以從各種輸入源提供對繼電器線圈的快速直流開關(guān)（ON-OFF）控制，因此這是一些更常見的繼電器切換方式的一小部分。

NPN繼電器開關(guān)電路

典型的繼電器開關(guān)電路具有由 NPN 晶體管開關(guān)TR1驅(qū)動的線圈，如圖所示，具體取決于輸入電壓電平。當晶體管的基極電壓為零（或負）時，晶體管截止并充當斷開開關(guān)。在這種情況下，沒有集電極電流流動并且繼電器線圈斷電，因為作為電流設(shè)備，如果沒有電流流入基極，則沒有電流流過繼電器線圈。

如果現(xiàn)在將足夠大的正電流驅(qū)動到基極以使 NPN 晶體管飽和，則從基極流向發(fā)射極（B到E）的電流控制從集電極流經(jīng)晶體管到發(fā)射極的較大繼電器線圈電流。

對于大多數(shù)雙極開關(guān)晶體管，流入集電極的繼電器線圈電流量將是驅(qū)動晶體管進入飽和所需的基極電流的 50 到 800 倍之間。?顯示的通用 BC109的電流增益或 beta 值 (??β ) 在 2mA 時通常約為 290（數(shù)據(jù)表）。

NPN繼電器開關(guān)電路

請注意，繼電器線圈不僅是電磁鐵，還是電感器。當由于晶體管的開關(guān)動作而將電源施加到線圈時，根據(jù)歐姆定律 ( I = V/R?)定義的線圈直流電阻，將流過最大電流。部分電能儲存在繼電器線圈的磁場中。

當晶體管“關(guān)斷”時，流過繼電器線圈的電流減少，磁場消失。然而，磁場中存儲的能量必須到達某個位置，并且在線圈試圖維持繼電器線圈中的電流時會在線圈上產(chǎn)生反向電壓。此操作會在繼電器線圈上產(chǎn)生高電壓尖峰，如果任其累積，可能會損壞開關(guān) NPN 晶體管。

所以為了防止半導體晶體管損壞，在繼電器線圈兩端接了一個“續(xù)流二極管”，也叫續(xù)流二極管。這個續(xù)流二極管將線圈兩端的反向電壓鉗位到 0.7V 左右，消耗存儲的能量并保護開關(guān)晶體管。續(xù)流二極管僅在電源為極化直流電壓時適用。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(guān)電路

以前的 NPN 晶體管繼電器開關(guān)電路非常適合切換 LED 和微型繼電器等小負載。但有時需要切換更大的繼電器線圈或電流超出 BC109 通用晶體管的范圍，這可以使用達林頓晶體管來實現(xiàn)。

通過使用一對達林頓晶體管代替單個開關(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。達林頓晶體管對可以由兩個單獨連接的雙極晶體管制成，如圖所示，---關(guān)注公眾號：電路一點通也可以作為具有標準的單個設(shè)備提供：基極、發(fā)射極和集電極連接引線。

兩個 NPN 晶體管如圖所示連接，以便第一個晶體管TR1的集電極電流成為第二個晶體管TR2的基極電流。對TR1施加正基極電流會自動“導通”開關(guān)晶體管TR2。

NPN 達林頓配置

如果兩個單獨的晶體管配置為達林頓開關(guān)對，則通常在主開關(guān)晶體管TR2的基極和發(fā)射極之間放置一個小值電阻器（100 至 1,000Ω）以確保它完全關(guān)閉。同樣，續(xù)流二極管用于保護TR2免受繼電器線圈斷電時產(chǎn)生的反電動勢的影響。

射極跟隨器繼電器開關(guān)電路

除了繼電器開關(guān)電路的標準共發(fā)射極配置外，繼電器線圈還可以連接到晶體管的發(fā)射極端子以形成射極跟隨器電路。輸入信號直接連接到基極，而輸出則取自發(fā)射極負載，如圖所示。

射極跟隨器繼電器開關(guān)電路

公共集電極或發(fā)射極跟隨器配置對于阻抗匹配應用非常有用，因為輸入阻抗非常高，在數(shù)十萬歐姆的范圍內(nèi)，同時具有相對較低的輸出阻抗來切換繼電器線圈。與前面的 NPN 繼電器開關(guān)電路一樣，開關(guān)是通過向晶體管的基極施加正電流來實現(xiàn)的。

發(fā)射極達林頓繼電器開關(guān)電路

這是以前的發(fā)射極跟隨器電路的達林頓晶體管版本。由于兩個 Beta 值相乘，施加到TR1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(fā)射器達林頓配置

共發(fā)射極達林頓繼電器開關(guān)電路可用于提供電流增益和功率增益，而電壓增益大約等于 1。這種類型的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型繼電器線圈進行阻抗匹配。

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，它確實需要不同極性的工作電壓。例如，對于 PNP 類型，集電極-發(fā)射極電壓Vce必須為負，才能使電流從發(fā)射極流向集電極。

PNP 晶體管配置

PNP晶體管電路的工作原理與NPN繼電器開關(guān)電路相反。當基極正向偏置且電壓比發(fā)射極負時，負載電流從發(fā)射極流向集電極。為了使繼電器負載電流通過發(fā)射極流向集電極，基極和集電極都必須相對于發(fā)射極為負。

換句話說，當Vin為高電平時，PNP 晶體管被切換為“OFF”，繼電器線圈也是如此。當Vin為低電平時，基極電壓小于發(fā)射極電壓（更負），PNP 晶體管變?yōu)椤癘N”。基極電阻值設(shè)置基極電流，基極電流設(shè)置驅(qū)動繼電器線圈的集電極電流。

當開關(guān)信號與 NPN 晶體管相反時，可以使用 PNP 晶體管開關(guān)，例如 CMOS NAND 門或其他此類邏輯器件的輸出。CMOS 邏輯輸出具有邏輯 0 的驅(qū)動強度，以吸收足夠的電流以將 PNP 晶體管“導通”。然后可以通過使用 PNP 晶體管和相反極性的電源將電流吸收器變成電流源。

PNP 集電極繼電器開關(guān)電路

該電路的工作原理與前面的繼電器開關(guān)電路相同。在該繼電器開關(guān)電路中，繼電器負載已連接到 PNP 三極管的集電極。當Vin為低電平時，晶體管“導通”，當Vin為高電平時，晶體管“關(guān)斷”，晶體管和線圈的開關(guān)動作發(fā)生。

PNP 收集器配置

我們已經(jīng)看到，無論是 NPN 雙極晶體管還是 PNP 雙極晶體管都可以作為用于繼電器切換的開關(guān)，或與此相關(guān)的任何其他負載。但是當電流流向兩個不同的方向時，---關(guān)注電路一點通需要理解兩種不同的條件。

因此，在 NPN 晶體管中，相對于發(fā)射極的高電壓被施加到基極，電流從集電極流向發(fā)射極，NPN 晶體管“導通”。對于 PNP 晶體管，將相對于發(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 晶體管切換為“導通”。

N溝道MOSFET繼電器開關(guān)電路

MOSFET 繼電器開關(guān)操作與上面看到的雙極結(jié)型晶體管 (BJT) 開關(guān)操作非常相似，之前的任何電路都可以使用 MOSFET 來實現(xiàn)。然而，MOSFET 電路的操作存在一些主要差異，主要差異在于 MOSFET 是電壓操作器件，并且由于柵極與漏源溝道電氣隔離，因此它們具有非常高的輸入阻抗，因此柵極電流對于 MOSFET 為零，因此不需要基極電阻。

MOSFET 通過導電通道傳導，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緩慢增加，該溝道的導電寬度逐漸增加。換句話說，隨著柵極電壓的增加，晶體管通過增強溝道來工作，因此這種類型的 MOSFET 被稱為增強型 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會將 MOSFET 切換為“ON”，而柵極上的零電壓或負電壓會將其切換為“OFF”，非常適合用作 MOSFET 繼電器轉(zhuǎn)變。互補的 P 溝道增強型 MOSFET 也可用，它們與 PNP BJT 一樣在相反的電壓下工作。

N 溝道 MOSFET 配置

上述 MOSFET 繼電器開關(guān)電路采用共源配置連接。在零電壓輸入、低電平條件下，V?GS的值，柵極驅(qū)動不足以打開通道，晶體管處于“關(guān)斷”狀態(tài)。但是，當V?GS增加到 MOSFET 下閾值電壓V?T以上時，通道打開，電流流動，繼電器線圈開始工作。

然后，增強型 MOSFET 作為常開開關(guān)運行，使其成為開關(guān)繼電器等小型負載的理想選擇。E 型 MOSFET 具有高“關(guān)斷”電阻和中等“導通”電阻（適合大多數(shù)應用），因此在為特定開關(guān)應用選擇一個時，需要考慮其R?DS值。

P溝道MOSFET繼電器開關(guān)電路

P 溝道增強型 MOSFET (PMOS) 的構(gòu)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，才能通過如圖所示的正向偏置來“導通”晶體管。

P溝道MOSFET繼電器開關(guān)電路

在此配置中，P 溝道源極端子連接到+Vdd，漏極端子通過繼電器線圈接地。當高電平施加到柵極時，P 溝道 MOSFET 將“關(guān)閉”。“關(guān)斷”的 E-MOSFET 將具有非常高的溝道電阻，幾乎就像開路一樣。

當柵極施加低電平時，P 溝道 MOSFET 將“導通”。這將導致電流流過操作繼電器線圈的 e-MOSFET 通道的低電阻路徑。N 溝道和 P 溝道 e-MOSFET 都可以構(gòu)成出色的低壓繼電器開關(guān)電路，并且可以輕松連接到各種數(shù)字邏輯門和微處理器應用。

邏輯控制繼電器開關(guān)電路

N 溝道增強型 MOSFET 作為晶體管開關(guān)非常有用，因為在其“關(guān)斷”狀態(tài)（柵極偏置為零）時，其溝道具有非常高的阻斷電流的電阻。然而，在其高阻抗柵極上大于閾值電壓V?T的相對較小的正電壓會導致其開始將電流從其漏極端子傳導至其源極端子。---關(guān)注電路一點通

與需要基極電流將其“導通”的雙極結(jié)型晶體管不同，e-MOSFET 僅需要柵極上的電壓，因為其絕緣柵極結(jié)構(gòu)，零電流流入柵極。然后這使得 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(qū)動，如圖所示。

邏輯控制繼電器開關(guān)電路

這里的 N 溝道 E-MOSFET 由數(shù)字邏輯門驅(qū)動。大多數(shù)邏輯門的輸出引腳只能提供有限量的電流，通常不超過約 20 mA。由于 e-MOSFET 是電壓操作器件并且不消耗柵極電流，我們可以使用 MOSFET 繼電器開關(guān)電路來控制大功率負載。

微控制器繼電器開關(guān)電路

除了數(shù)字邏輯門，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(guān)連接繼電器。

微控制器繼電器開關(guān)電路

教程總結(jié)

在本教程中，我們了解了如何使用雙極結(jié)型晶體管（NPN 或 PNP）和增強型 MOSFET（N 溝道或 P 溝道）作為晶體管開關(guān)電路。

有時，在構(gòu)建電子或微控制器電路時，我們希望使用晶體管開關(guān)來控制大功率設(shè)備，例如電機、燈、加熱元件或交流電路。通常這些設(shè)備需要比單個功率晶體管可以處理的更大的電流或更高的電壓，然后我們可以使用繼電器開關(guān)電路來做到這一點。---關(guān)注公眾號：電路一點通

雙極晶體管 (BJT) 是非常好的和便宜的繼電器開關(guān)電路，但 BJT 是電流操作設(shè)備，因為它們將小的基極電流轉(zhuǎn)換為更大的負載電流以為繼電器線圈供電。

然而，MOSFET 開關(guān)是理想的電氣開關(guān)，因為它幾乎不需要柵極電流即可“導通”，將柵極電壓轉(zhuǎn)換為負載電流。因此，MOSFET 可以用作壓控開關(guān)。

在許多應用中，雙極晶體管可以用增強型 MOSFET 代替，從而提供更快的開關(guān)動作、更高的輸入阻抗和可能更低的功耗。非常高的柵極阻抗、“關(guān)斷”狀態(tài)下的極低功耗和非常快的開關(guān)能力相結(jié)合，使 MOSFET 適用于許多數(shù)字開關(guān)應用。同樣，在零門電流的情況下，其開關(guān)動作不會使數(shù)字門或微控制器的輸出電路過載。

但是，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。然后，在處理組件或使用組件時應特別小心，并且任何使用 e-MOSFET 的電路都包括適當?shù)撵o電和電壓尖峰保護。

此外，為了對 BJT 或 MOSFET 提供額外保護，始終使用跨接續(xù)流二極管和繼電器線圈來安全地耗散晶體管開關(guān)動作產(chǎn)生的反電動勢。

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