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繼電器是一種機(jī)電設(shè)備，它使用電磁鐵將一對(duì)可移動(dòng)觸點(diǎn)從打開位置操作到關(guān)閉位置。
繼電器的優(yōu)點(diǎn)是操作繼電器線圈需要相對(duì)較小的功率。然而，繼電器開關(guān)電路可用于控制電機(jī)、加熱器、燈或 AC 電路，它們本身會(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），具有多種形狀、尺寸和設(shè)計(jì)，在電子電路中具有多種用途和應(yīng)用。但是，雖然繼電器可用于允許低功率電子或計(jì)算機(jī)類型的電路將相對(duì)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(lái)控制它。
繼電器開關(guān)電路的設(shè)計(jì)和類型非常龐大，但許多小型電子項(xiàng)目使用晶體管和 MOSFET 作為其主要開關(guān)器件，因?yàn)榫w管可以從各種輸入源提供對(duì)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(dòng)的線圈，如圖所示，具體取決于輸入電壓電平。當(dāng)晶體管的基極電壓為零（或負(fù)）時(shí)，晶體管截止并充當(dāng)斷開開關(guān)。在這種情況下，沒有集電極電流流動(dòng)并且繼電器線圈斷電，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(dòng)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(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是驅(qū)動(dòng)晶體管進(jìn)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(shí)通常約為 290（數(shù)據(jù)表）。
NPN繼電器開關(guān)電路
請(qǐng)注意，繼電器線圈不僅是電磁鐵，還是電感器。當(dāng)由于晶體管的開關(guān)動(dòng)作而將電源施加到線圈時(shí)，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(chǔ)存在繼電器線圈的磁場(chǎng)中。
當(dāng)晶體管“關(guān)斷”時(shí)，流過繼電器線圈的電流減少，磁場(chǎng)消失。然而，磁場(chǎng)中存儲(chǔ)的能量必須到達(dá)某個(gè)位置，并且在線圈試圖維持繼電器線圈中的電流時(shí)會(huì)在線圈上產(chǎn)生反向電壓。此操作會(huì)在繼電器線圈上產(chǎn)生高電壓尖峰，如果任其累積，可能會(huì)損壞開關(guān) NPN 晶體管。
所以為了防止半導(dǎo)體晶體管損壞，在繼電器線圈兩端接了一個(gè)“續(xù)流二極管”，也叫續(xù)流二極管。這個(gè)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(chǔ)的能量并保護(hù)開關(guān)晶體管。續(xù)流二極管僅在電源為極化直流電壓時(shí)適用。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
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(fù)載。但有時(shí)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(dá)林頓晶體管來(lái)實(shí)現(xiàn)。
通過使用一對(duì)達(dá)林頓晶體管代替單個(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)連接的雙極晶體管制成，如圖所示，---關(guān)注公眾號(hào)：電路一點(diǎn)通也可以作為具有標(biāo)準(zhǔn)的單個(gè)設(shè)備提供：基極、發(fā)射極和集電極連接引線。
兩個(gè) NPN 晶體管如圖所示連接，以便第一個(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。對(duì)TR1施加正基極電流會(huì)自動(dòng)“導(dǎo)通”開關(guān)晶體管TR2。
NPN 達(dá)林頓配置
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(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。
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(biāo)準(zhǔn)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(hào)直接連接到基極，而輸出則取自發(fā)射極負(fù)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(duì)于阻抗匹配應(yīng)用非常有用，因?yàn)檩斎胱杩狗浅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(lái)實(shí)現(xiàn)的。
發(fā)射極達(dá)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(dá)林頓晶體管版本。由于兩個(gè) Beta 值相乘，施加到TR1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)射器達(dá)林頓配置
共發(fā)射極達(dá)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(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型繼電器線圈進(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)需要不同極性的工作電壓。例如，對(duì)于 PNP 類型，集電極-發(fā)射極電壓Vce必須為負(fù)，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(dāng)基極正向偏置且電壓比發(fā)射極負(fù)時(shí)，負(fù)載電流從發(fā)射極流向集電極。為了使繼電器負(fù)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(duì)于發(fā)射極為負(fù)。
換句話說(shuō)，當(dāng)Vin為高電平時(shí)，PNP 晶體管被切換為“OFF”，繼電器線圈也是如此。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 晶體管變?yōu)椤癘N”?；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 門或其他此類邏輯器件的輸出。CMOS 邏輯輸出具有邏輯 0 的驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度，以吸收足夠的電流以將 PNP 晶體管“導(dǎo)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(fù)載已連接到 PNP 三極管的集電極。當(dāng)Vin為低電平時(shí)，晶體管“導(dǎo)通”，當(dāng)Vin為高電平時(shí)，晶體管“關(guān)斷”，晶體管和線圈的開關(guān)動(dòng)作發(fā)生。
PNP 收集器配置
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用于繼電器切換的開關(guān)，或與此相關(guān)的任何其他負(fù)載。但是當(dāng)電流流向兩個(gè)不同的方向時(shí)，---關(guān)注電路一點(diǎn)通需要理解兩種不同的條件。
因此，在 NPN 晶體管中，相對(duì)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(dǎo)通”。對(duì)于 PNP 晶體管，將相對(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 晶體管切換為“導(dǎo)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(lái)實(shí)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(duì)于 MOSFET 為零，因此不需要基極電阻。
MOSFET 通過導(dǎo)電通道傳導(dǎo)，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(dǎo)電寬度逐漸增加。換句話說(shuō)，隨著柵極電壓的增加，晶體管通過增強(qiáng)溝道來(lái)工作，因此這種類型的 MOSFET 被稱為增強(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端子上的正電壓會(huì)將 MOSFET 切換為“ON”，而柵極上的零電壓或負(fù)電壓會(huì)將其切換為“OFF”，非常適合用作 MOSFET 繼電器轉(zhuǎn)變?；パa(bǔ)的 P 溝道增強(qiáng)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(dòng)不足以打開通道，晶體管處于“關(guān)斷”狀態(tài)。但是，當(dāng)V?GS增加到 MOSFET 下閾值電壓V?T以上時(shí)，通道打開，電流流動(dòng)，繼電器線圈開始工作。
然后，增強(qiáng)型 MOSFET 作為常開開關(guān)運(yùn)行，使其成為開關(guān)繼電器等小型負(fù)載的理想選擇。E 型 MOSFET 具有高“關(guān)斷”電阻和中等“導(dǎo)通”電阻（適合大多數(shù)應(yīng)用），因此在為特定開關(guān)應(yīng)用選擇一個(gè)時(shí)，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(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(shuō)，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)，才能通過如圖所示的正向偏置來(lái)“導(dǎo)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(dāng)高電平施加到柵極時(shí)，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(dāng)柵極施加低電平時(shí)，P 溝道 MOSFET 將“導(dǎo)通”。這將導(dǎo)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(yīng)用。
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)斷”狀態(tài)（柵極偏置為零）時(shí)，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(duì)較小的正電壓會(huì)導(dǎo)致其開始將電流從其漏極端子傳導(dǎo)至其源極端子。---關(guān)注電路一點(diǎn)通
與需要基極電流將其“導(dǎo)通”的雙極結(jié)型晶體管不同，e-MOSFET 僅需要柵極上的電壓，因?yàn)槠浣^緣柵極結(jié)構(gòu)，零電流流入柵極。然后這使得 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
這里的 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(lái)控制大功率負(fù)載。
微控制器繼電器開關(guān)電路
除了數(shù)字邏輯門，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)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(qiáng)型 MOSFET（N 溝道或 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)控制大功率設(shè)備，例如電機(jī)、燈、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(lái)做到這一點(diǎn)。---關(guān)注公眾號(hào)：電路一點(diǎn)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?yàn)樗鼈儗⑿〉幕鶚O電流轉(zhuǎn)換為更大的負(fù)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?yàn)樗鼛缀醪恍枰獤艠O電流即可“導(dǎo)通”，將柵極電壓轉(zhuǎn)換為負(fù)載電流。因此，MOSFET 可以用作壓控開關(guān)。
在許多應(yīng)用中，雙極晶體管可以用增強(qiáng)型 MOSFET 代替，從而提供更快的開關(guān)動(dòng)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(yīng)用。同樣，在零門電流的情況下，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。
但是，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。然后，在處理組件或使用組件時(shí)應(yīng)特別小心，并且任何使用 e-MOSFET 的電路都包括適當(dāng)?shù)撵o電和電壓尖峰保護(hù)。
此外，為了對(duì) BJT 或 MOSFET 提供額外保護(hù)，始終使用跨接續(xù)流二極管和繼電器線圈來(lái)安全地耗散晶體管開關(guān)動(dòng)作產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)。
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