不同继电器开关电路

继电器是使用电磁铁从打开位置到关闭位置操作一对可动触点的机电设备。

继电器的优点是它需要相对少量的用于操作继电器线圈的电源，但继电器本身可用于控制电机，加热器，灯或交流电路，它们本身可以消耗更多的电力。

机电继电器是一种输出设备（致动器）具有各种形状，尺寸和设计，并且在电子电路中具有许多用途和应用。但是，虽然电气继电器可用于允许低功率电子或计算机类型电路切换相对较高的电流或电压“开”或“关”，但需要某种形式的继电器开关电路来控制它。

继电器开关电路的设计和类型是巨大的，但许多小型电子项目使用晶体管和MOSFET作为其主要开关器件，因为晶体管可以提供继电器的快速直流开关（ON-OFF）控制来自各种输入源的线圈，所以这里有一些比较常见的开关继电器的方法。

NPN继电器开关电路

典型的继电器开关电路有线圈由NPN晶体管开关驱动， TR1 ，如图所示，取决于输入电压电平。当晶体管的基极电压为零（或负）时，晶体管截止并用作开路开关。在这种情况下，没有集电极电流流过，继电器线圈因为是电流装置而断电，如果没有电流流入基极，则没有电流流过继电器线圈。

如果足够大的正极电流现在被驱动到基极以使NPN晶体管饱和，从基极流到发射极的电流（ B 到 E ）控制流过晶体管的更大的继电器线圈电流收集器到发射器。

对于大多数双极开关晶体管，流入集电极的继电器线圈电流量将介于驱动晶体管饱和所需的基极电流的50到800倍之间。显示的通用BC109的电流增益或β值（β）通常在2mA时约为290（数据表）。

NPN继电器开关电路

请注意，继电器线圈不仅是电磁铁，而且也是电感器。当由于晶体管的开关动作对线圈供电时，由于欧姆定律所规定的线圈的直流电阻，最大电流将流动（ I = V / R ）。其中一些电能存储在继电器线圈的磁场中。

当晶体管“关闭”时，流经继电器线圈的电流减小，磁场坍塌。然而，磁场中存储的能量必须在某处，并且当线圈试图保持继电器线圈中的电流时，在线圈上产生反向电压。这个动作会在继电器线圈上产生高电压尖峰，如果允许建立，可能会损坏开关NPN晶体管。

因此，为了防止损坏半导体晶体管，一个“飞轮二极管”，也称为作为续流二极管，连接在继电器线圈两端。该续流二极管将线圈两端的反向电压钳位至约0.7V，消耗存储的能量并保护开关晶体管。飞轮二极管仅适用于电源为极化直流电压的情况。交流线圈需要不同的保护方法，为此使用RC缓冲电路。

NPN达林顿继电器开关电路

以前的NPN晶体管继电器开关电路非常适合小型开关LED和微型继电器等负载。但有时需要切换较大的继电器线圈或电流超出BC109通用晶体管的范围，这可以通过达林顿晶体管来实现。

继电器开关电路的灵敏度和电流增益可以大大提高通过使用达林顿晶体管代替单个开关晶体管来增加。达林顿晶体管对可以由两个单独连接的双极晶体管制成，如图所示，也可作为单个器件提供标准：基极，发射极和集电极连接引线。

如图所示连接两个NPN晶体管，使得第一晶体管的集电极电流 TR1 成为第二晶体管 TR2 的基极电流。向 TR1 施加正基极电流会自动将开关晶体管“接通”， TR2 。

NPN达林顿继电器开关电路

如果将两个单独的晶体管配置为达林顿开关对，则通常使用小值电阻（100至1,000Ω）放置在主开关晶体管的基极和发射极之间， TR2 ，以确保其完全关断。同样，续流二极管用于保护继电器线圈断电时产生的反电动势的 TR2 。

发射极跟随器继电器开关电路

As作为继电器开关电路的标准公共发射极配置，继电器线圈也可以连接到晶体管的发射极端子，以形成发射极跟随器电路。输入信号直接连接到Base，输出取自发射器负载，如图所示。

发射器跟随器继电器开关电路

Common Collector或Emitter Follower配置对阻抗匹配应用非常有用，因为它具有很高的输入阻抗，在数十万欧姆的范围内，而且相对较低输出阻抗来切换继电器线圈。与之前的NPN继电器开关电路一样，通过向晶体管的基极施加正电流来进行开关。

发射极达林顿继电器开关电路

这是达林顿晶体管版本的以前的Emitter Follower电路。施加到 TR1 的非常小的正基极电流会导致更大的集电极电流流过 TR2 ，因为两个Beta值相乘。

发射器达林顿继电器开关电路

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公共发射器达林顿继电器开关电路可用于提供电流增益和功率增益电压增益近似等于1。这种类型的发射极跟随器电路的另一个重要特性是它具有高输入阻抗和低输出阻抗，这使其成为大型继电器线圈阻抗匹配的理想选择。

PNP继电器开关电路

除了使用NPN双极晶体管切换继电器线圈和其他此类负载外，我们还可以使用PNP双极晶体管进行切换。 PNP继电器开关电路在控制继电器线圈方面与NPN继电器开关电路没有区别。但是，它确实需要不同极性的工作电压。例如，集电极 - 发射极电压 Vce 对于PNP类型必须为负，以使电流从发射极流向集电极。

PNP继电器开关电路

PNP晶体管电路与NPN继电器开关电路相反。当Base正向偏置时，负载电流从发射器流向收集器，其电压比发射器的电压更负。对于继电器负载电流流过发射器到集电极，基极和集电极相对于发射极必须为负。

换句话说，当 Vin 时HIGH PNP晶体管切换为“OFF”，继电器线圈也是如此。当 Vin 为低电平时，基极电压小于发射极电压（更负），PNP晶体管变为“ON”。 Base电阻值设置Base电流，用于设置驱动继电器线圈的集电极电流。

当切换信号与NPN晶体管相反时，例如CMOS与非门的输出或其他这样的逻辑器件，可以使用PNP晶体管开关。 CMOS逻辑输出具有逻辑0的驱动强度以吸收足够的电流以使PNP晶体管“导通”。然后通过使用PNP晶体管和相反极性的电源将电流吸收器转换为电流源。

PNP集电极继电器开关电路

该电路的操作与以前的继电器开关电路在该继电器开关电路中，继电器负载已连接到PNP晶体管集电极。晶体管和线圈的ON-OFF开关动作发生在 Vin 为低电平，晶体管为“ON”且 Vin 为高电平时，晶体管为“OFF”。

PNP集电极继电器开关电路

我们已经看到NPN双极晶体管或PNP双极晶体管晶体管可以作为继电器开关的开关，或任何其他负载。但是有两个不同的条件需要理解，因为电流在两个不同的方向流动。

因此在NPN晶体管中，相对于发射极的高电压施加到基极，电流流动从集电极到发射极和NPN晶体管开关“接通”。对于PNP晶体管，相对于发射极的低电压施加到基极，电流从发射极流向集电极，PNP晶体管开关“接通”。

N沟道MOSFET继电器开关电路

MOSFET继电器开关操作非常类似于上面所见的双极结型晶体管（BJT）开关操作，并且任何先前的电路都可以使用MOSFET实现。然而，MOSFET电路的操作存在一些主要差异，主要是MOSFET是电压操作器件，并且由于栅极与漏极 - 源极通道电隔离，因此它们具有非常高的输入阻抗，因此栅极电流对于MOSFET为零，因此不需要基极电阻。

MOSFET通过导电沟道导通，沟道最初闭合，晶体管“关闭”。随着施加到栅极端子的电压缓慢增加，该沟道的导电宽度逐渐增加。换句话说，随着栅极电压的增加，晶体管通过增强沟道工作，因此这种类型的MOSFET被称为增强型MOSFET或E-MOSFET。

N沟道增强型MOSFET（NMOS） ）是最常用的MOSFET类型，因为栅极端子上的正电压将MOSFET“接通”并且栅极上的零或负电压将其“关闭”，从而成为MOSFET继电器开关的理想选择。还提供互补P沟道增强型MOSFET，与PNP BJT一样，工作电压相反。

N沟道MOSFET继电器开关电路

上述MOSFET继电器开关电路采用共源配置。在零电压输入，LOW条件下， V GS 的值时，没有足够的栅极驱动来打开通道而晶体管处于“OFF”状态。但当 V GS 增加到高于MOSFET的下阈值电压 V T 时，通道打开，电流流过继电器线圈工作。

然后增强型MOSFET作为常开开关工作，非常适合切换继电器等小负载。 E型MOSFET具有高“OFF”电阻但具有中等“ON”电阻（对于大多数应用来说都是正常的），因此在为特定开关应用选择一个时，其 R DS 值得考虑。

P沟道MOSFET继电器开关电路

P沟道增强型MOSFET（PMOS）的结构与N沟道增强型MOSFET除了仅使用负栅极电压工作外。换句话说，P沟道MOSFET以相同的方式工作但具有相反的极性，因为栅极必须比源极更负，以通过正向偏置来使晶体管“导通”，如图所示。

P沟道MOSFET继电器开关电路

在此配置中，P通道源端子连接到 + Vdd ，漏极端子通过继电器线圈接地。当向栅极施加高电压电平时，P沟道MOSFET将变为“OFF”。转为“OFF”的E-MOSFET将具有非常高的沟道电阻，几乎就像开路一样。

当向栅极施加低电压电平时，P沟道MOSFET将“转向”上”。这将导致电流流过操作继电器线圈的e-MOSFET通道的低电阻路径。 N沟道和P沟道e-MOSFET均可提供出色的低压继电器开关电路，并可轻松连接各种数字逻辑门和微处理器应用。

逻辑控制继电器开关电路

N沟道增强型MOSFET作为晶体管开关非常有用，因为在其“关断”状态（栅极偏置为零）时，其沟道具有非常高的阻断电流阻抗。然而，在其高阻抗栅极上的大于阈值电压 V T 的相对小的正电压使其开始从其漏极端子向其源极端子传导电流。 / p>

与需要基极电流将其“导通”的双极结型晶体管不同，由于其绝缘栅极结构，e-MOSFET仅需要栅极上的电压，零电流流入栅极。然后，这使得n沟道或P沟道的e-MOSFET理想地由典型的TTL或CMOS逻辑门直接驱动，如图所示。

逻辑控制继电器开关电路

此处N沟道E-MOSFET由数字逻辑门驱动。大多数逻辑门的输出引脚只能提供有限的电流，通常不超过约20 mA。由于e-MOSFET是电压操作器件并且不消耗栅极电流，我们可以使用MOSFET继电器开关电路来控制高功率负载。

微控制器继电器开关电路

作为数字逻辑门，我们还可以使用微控制器，PIC和处理器的输出引脚和通道来控制外部世界。下面的电路显示了如何使用MOSFET开关连接继电器。

微控制器继电器开关电路

继电器开关电路概述

在本教程中，我们已经了解了如何使用双极结型晶体管，NPN或PNP和增强型MOSFET，N沟道或P沟道作为晶体管开关电路。

有时在构建电子或微控制器电路时，我们希望使用晶体管开关来控制大功率设备，例如电机，灯，加热元件或交流电路。一般来说，这些器件需要比单个功率晶体管可以处理更大的电流或更高的电压，然后我们可以使用继电器开关电路来做到这一点。

双极晶体管（BJT）制造非常好且便宜的继电器开关电路，但是BJT是电流操作设备，因为它们将较小的基极电流转换为较大的负载电流，以激励继电器线圈。

然而，MOSFET开关非常适合用作电气开关，因为它几乎不需要栅极电流“ON”，将栅极电压转换为负载电流。因此，MOSFET可以作为压控开关工作。

在许多应用中，双极晶体管可以用增强型MOSFET代替，提供更快的开关动作，更高的输入阻抗和更低的功耗。栅极阻抗非常高，“关断”状态下功耗极低，开关能力非常快，因此适用于许多数字开关应用。此外，栅极电流为零时，其开关动作不会使数字门或微控制器的输出电路过载。

然而，由于E-MOSFET的栅极与元件的其余部分绝缘，因此它对静电特别敏感，这可能会破坏栅极上的薄氧化层。然后在处理元件或使用时应特别小心，并且任何使用e-MOSFET的电路都应包含适当的静电和电压尖峰保护。

还可以对BJT或BJT进行额外保护。 MOSFET总是使用续流二极管和继电器线圈来安全地耗散晶体管开关动作产生的反电动势。