基于晶体管的继电器驱动电路设计

继电器驱动电路可以用晶体管实现，如图1所示。一般来讲，继电器控制的发作源，来自于数字电路，比如处理器或者FPGA，它一定是一个逻辑高低电平，图中用一个非门表示其为数字量，非门的供电电压为VDD。其输出电平中，高电平会略低于VDD，低电平会略高于0V，且其输出电流能力有限。关于此段话，可以参考数字电子技术课本。

图1 继电器驱动电路模型

电路工作原理为：当数字信号uCON为低电平，约为0~0.4V，此电压不足以打通晶体管的发射结，晶体管处于截止状态，图中的RCoil，即继电器的线圈，没有电流流过，则继电器的触点保持在自然状态：对单刀单掷型，为常闭或者常开，对单刀双掷型，为接到左边或者右边，如图所示。当数字信号uCON为高电平，约为2.4V以上，此电压足以打通晶体管的发射结，且iB足够大，使得晶体管处于饱和状态，继电器的线圈上会流过晶体管饱和电流，触点就产生了吸合动作。

为了实现这个电路，我们需要知道继电器的关键参数：额定电压URT和额定电流IRT、或者线圈电阻RCoil。然后根据晶体管的β和集电极最大电流IMAX，选择合适的电阻即可。具体方法是：

1)选择供电电压VCC=继电器额定电压URT;

2)选择晶体管集电极最大电流IMAX远大于继电器额定电流IRT，且C、E击穿电压VCEO大于供电电压VCC;

3)计算临界饱和基极电流IBcrt：

4)根据戴维宁等效，可将输入控制电压uCON和两个电阻分压演变成开路电压和串联电阻的形式，实际基极电流约为：

5)选择合适的电阻R1、R2，实现如下要求：

即，迫使晶体管进入深度饱和状态。

对此电路，有如下几点解释：

第一，并联于继电器线圈的二极管，叫续流二极管，其作用在于线圈由通电状态突然变为断电状态时，由于线圈存在较大电感，电流不能突变，如果没有二极管，极高的di/dt会产生一个较大的电压，引起空间干扰。这对电路周边影响不好。有了这个二极管，在正常工作时，它反接不通，在突变时，能够让线圈中的电流，在无法流过晶体管时，从二极管流回线圈，进而抑制线圈中的电流突变。

第二，电路中选用两个电阻分压驱动发射结。按说，仅使用R1就可以了。增加电阻R2，能够保证前端控制信号脱接时，即R1左侧浮空时，晶体管基极不会出现浮空。对晶体管来说，浮空的基极是容易引入干扰的。另外，控制器发出的低电平，有时比0V要大，比如0.4V，这样的结构有助于保证低电平时晶体管的完全关断。

下面来设计一个单片机驱动电路中经常用到的典型电路，要求如下：数字控制信号来自3.3V供电的单片机STM32F103(电赛中经常用到的CPU)之GPIO口，继电器为G6A单稳标准型，5V额定电压，为它设计一个驱动电路。

解：首先查阅STM32F103数据手册，可知在此供电情况下，单片机输出高电平最小值为2.4V，输出电流不小于8mA，输出低电平最大值为0.4V，输出电流不小于8mA。其次，查阅G6A数据手册，可知5V额定电压型的额定电流为40mA，即其线圈电阻为125Ω。以下开始设计。

1)选择供电电压为5V。

2)由于继电器额定电流为40mA，供电电压为5V。对绝大多数晶体管来说，都有100mA以上的最大电流，以及几十V的VCEO，因此几乎无需选择。

据此设计电路基本结构如图2所示，用Multisim仿真软件仿真实现，把继电器的线圈电阻设置为125Ω

图2 驱动电路仿真图(低电平时)

图中用开关S1表示单片机发出的高低电平，选用的晶体管为2N2222A，这是一个小信号通用晶体管，我们实验室经常用，期末课设就用它。其数据手册截图如下：

由上面截图可知，反向击穿电压50V，而供电电压只有5V，最大电流800mA，实际额定电流为40mA，因此安全。晶体管功耗为环境温度25℃时不超过500mW，而实际工作时，晶体管导通时电流为40mA，C/E压降约为0.5V以下，功耗不超过20mW，晶体管关断时功耗更小。因此，选择2N2222A是合适的。

继续查阅2N2222A数据手册，可知其β大于100。据此可选择电路中的电阻。

先计算临界饱和电流：

假设两个电阻相等，计算控制电压高电平时的基极电流为：

要保证此电流大于2~5倍的IBcrt，即0.8mA~2mA，R需小于1250Ω，设计中选择R=1kΩ。

图3 高电平时的各点电流

对此电路实施仿真，测得如下结果。

1)低电平输入时，VF1=0.4V， VF3=0V，说明继电器触点处于关断状态(常开型)，VF2=5V，A1=9.75pA，A2=88.9pA，说明晶体管处于截止状态。

2)高电平输入时，VF1=2.4V， VF3=12 V，说明继电器触点处于导通状态(常开型吸合状态)，VF2=0.125V，A1=915uA，AM2=48.8mA，说明晶体管处于饱和导通状态，而继电器线圈流过电流接近额定电流40mA(仿真模型与实际电路有略微差别)。进一步测量控制源输出电流，约为1.6mA，这说明本电路取用电流小于单片机能够提供的8mA输出电流，也是安全的。

至此，设计完毕，此类电路在单片机的驱动电路中非常常见，且R2经常省略，现在来看，在实际应用中R2还是不要省略的好，有利于提高电路的抗干扰能力!