【分享】7种继电器开关电路总结（双极晶体管可用增强型 MOSFET 代替）

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继电器是一种机电设备，它使用电磁铁将一对可移动触点从打开位置操作到关闭位置。

继电器的优点是操作继电器线圈需要相对较小的功率。然而，继电器开关电路可用于控制电机、加热器、灯或 AC 电路，它们本身会消耗更多的电压、电流和功率。

机电继电器是一种输出设备（执行器），具有多种形状、尺寸和设计，在电子电路中具有多种用途和应用。但是，虽然继电器可用于允许低功率电子或计算机类型的电路将相对较高的电流或电压“打开”或“关闭”，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非常庞大，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，因为晶体管可以从各种输入源提供对继电器线圈的快速直流开关（ON-OFF）控制，因此这是一些更常见的继电器切换方式的一小部分。

NPN继电器开关电路

典型的继电器开关电路具有由 NPN 晶体管开关TR1驱动的线圈，如图所示，具体取决于输入电压电平。当晶体管的基极电压为零（或负）时，晶体管截止并充当断开开关。在这种情况下，没有集电极电流流动并且继电器线圈断电，因为作为电流设备，如果没有电流流入基极，则没有电流流过继电器线圈。

如果现在将足够大的正电流驱动到基极以使 NPN 晶体管饱和，则从基极流向发射极（B到E）的电流控制从集电极流经晶体管到发射极的较大继电器线圈电流。

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是驱动晶体管进入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 beta 值 ( β ) 在2mA 时通常约为 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，还是电感器。当由于晶体管的开关动作而将电源施加到线圈时，根据欧姆定律 ( I = V/R )定义的线圈直流电阻，将流过最大电流。部分电能储存在继电器线圈的磁场中。

当晶体管“关断”时，流过继电器线圈的电流减少，磁场消失。然而，磁场中存储的能量必须到达某个位置，并且在线圈试图维持继电器线圈中的电流时会在线圈上产生反向电压。此操作会在继电器线圈上产生高电压尖峰，如果任其累积，可能会损坏开关 NPN 晶体管。

所以为了防止半导体晶体管损坏，在继电器线圈两端接了一个“续流二极管”，也叫续流二极管。这个续流二极管将线圈两端的反向电压钳位到 0.7V 左右，消耗存储的能量并保护开关晶体管。续流二极管仅在电源为极化直流电压时适用。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切换 LED 和微型继电器等小负载。但有时需要切换更大的继电器线圈或电流超出 BC109 通用晶体管的范围，这可以使用达林顿晶体管来实现。

通过使用一对达林顿晶体管代替单个开关晶体管，可以大大提高继电器开关电路的灵敏度和电流增益。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，---关注公众号：电路一点通也可以作为具有标准的单个设备提供：基极、发射极和集电极连接引线。

两个 NPN 晶体管如图所示连接，以便第一个晶体管TR1的集电极电流成为第二个晶体管TR2的基极电流。对TR1施加正基极电流会自动“导通”开关晶体管TR2。

NPN 达林顿配置

如果两个单独的晶体管配置为达林顿开关对，则通常在主开关晶体管TR2的基极和发射极之间放置一个小值电阻器（100 至 1,000Ω）以确保它完全关闭。同样，续流二极管用于保护TR2免受继电器线圈断电时产生的反电动势的影响。

射极跟随器继电器开关电路

除了继电器开关电路的标准共发射极配置外，继电器线圈还可以连接到晶体管的发射极端子以形成射极跟随器电路。输入信号直接连接到基极，而输出则取自发射极负载，如图所示。

射极跟随器继电器开关电路

公共集电极或发射极跟随器配置对于阻抗匹配应用非常有用，因为输入阻抗非常高，在数十万欧姆的范围内，同时具有相对较低的输出阻抗来切换继电器线圈。与前面的 NPN 继电器开关电路一样，开关是通过向晶体管的基极施加正电流来实现的。

发射极达林顿继电器开关电路

这是以前的发射极跟随器电路的达林顿晶体管版本。由于两个 Beta 值相乘，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 。

发射器达林顿配置

共发射极达林顿继电器开关电路可用于提供电流增益和功率增益，而电压增益大约等于1。这种类型的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，这使其非常适合与大型继电器线圈进行阻抗匹配。

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 双极晶体管切换它们。PNP 继电器开关电路在控制继电器线圈的能力方面与 NPN 继电器开关电路没有什么不同。然而，它确实需要不同极性的工作电压。例如，对于 PNP 类型，集电极-发射极电压Vce必须为负，才能使电流从发射极流向集电极。

PNP 晶体管配置

PNP晶体管电路的工作原理与NPN继电器开关电路相反。当基极正向偏置且电压比发射极负时，负载电流从发射极流向集电极。为了使继电器负载电流通过发射极流向集电极，基极和集电极都必须相对于发射极为负。

换句话说，当Vin为高电平时，PNP 晶体管被切换为“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”。基极电阻值设置基极电流，基极电流设置驱动继电器线圈的集电极电流。

当开关信号与 NPN 晶体管相反时，可以使用 PNP 晶体管开关，例如 CMOS NAND 门或其他此类逻辑器件的输出。CMOS 逻辑输出具有逻辑 0 的驱动强度，以吸收足够的电流以将 PNP 晶体管“导通”。然后可以通过使用 PNP 晶体管和相反极性的电源将电流吸收器变成电流源。

PNP 集电极继电器开关电路

该电路的工作原理与前面的继电器开关电路相同。在该继电器开关电路中，继电器负载已连接到 PNP 三极管的集电极。当Vin为低电平时，晶体管“导通”，当Vin为高电平时，晶体管“关断”，晶体管和线圈的开关动作发生。

PNP 收集器配置

我们已经看到，无论是 NPN 双极晶体管还是 PNP 双极晶体管都可以作为用于继电器切换的开关，或与此相关的任何其他负载。但是当电流流向两个不同的方向时，---关注电路一点通需要理解两种不同的条件。

因此，在 NPN 晶体管中，相对于发射极的高电压被施加到基极，电流从集电极流向发射极，NPN 晶体管“导通”。对于 PNP 晶体管，将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 晶体管切换为“导通”。

N沟道MOSFET继电器开关电路

MOSFET 继电器开关操作与上面看到的双极结型晶体管 (BJT) 开关操作非常相似，之前的任何电路都可以使用 MOSFET 来实现。然而，MOSFET 电路的操作存在一些主要差异，主要差异在于 MOSFET 是电压操作器件，并且由于栅极与漏源沟道电气隔离，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 通过导电通道传导，通道最初关闭，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来工作，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会将 MOSFET 切换为“ON”，而栅极上的零电压或负电压会将其切换为“OFF”，非常适合用作 MOSFET 继电器转变。互补的 P 沟道增强型 MOSFET 也可用，它们与 PNP BJT 一样在相反的电压下工作。

N 沟道 MOSFET 配置

上述 MOSFET 继电器开关电路采用共源配置连接。在零电压输入、低电平条件下，V GS的值，栅极驱动不足以打开通道，晶体管处于“关断”状态。但是，当V GS增加到 MOSFET 下阈值电压V T以上时，通道打开，电流流动，继电器线圈开始工作。

然后，增强型 MOSFET 作为常开开关运行，使其成为开关继电器等小型负载的理想选择。E 型 MOSFET 具有高“关断”电阻和中等“导通”电阻（适合大多数应用），因此在为特定开关应用选择一个时，需要考虑其R DS值。

P沟道MOSFET继电器开关电路

P 沟道增强型 MOSFET (PMOS) 的构造与 N 沟道增强型 MOSFET 相同，只是它仅在负栅极电压下工作。换句话说，P 沟道 MOSFET 以相同的方式工作，但极性相反，因为栅极必须比源极更负，才能通过如图所示的正向偏置来“导通”晶体管。

P沟道MOSFET继电器开关电路

在此配置中，P 沟道源极端子连接到+Vdd，漏极端子通过继电器线圈接地。当高电平施加到栅极时，P 沟道 MOSFET 将“关闭”。“关断”的 E-MOSFET 将具有非常高的沟道电阻，几乎就像开路一样。

当栅极施加低电平时，P 沟道 MOSFET 将“导通”。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 都可以构成出色的低压继电器开关电路，并且可以轻松连接到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的电阻。然而，在其高阻抗栅极上大于阈值电压V T的相对较小的正电压会导致其开始将电流从其漏极端子传导至其源极端子。---关注电路一点通

与需要基极电流将其“导通”的双极结型晶体管不同，e-MOSFET 仅需要栅极上的电压，因为其绝缘栅极结构，零电流流入栅极。然后这使得 e-MOSFET，无论是 N 沟道还是 P 沟道，都非常适合由典型的 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

这里的 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量的电流，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大功率负载。

微控制器继电器开关电路

除了数字逻辑门，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

教程总结

在本教程中，我们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。通常这些设备需要比单个功率晶体管可以处理的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。---关注公众号：电路一点通

双极晶体管 (BJT) 是非常好的和便宜的继电器开关电路，但 BJT 是电流操作设备，因为它们将小的基极电流转换为更大的负载电流以为继电器线圈供电。

然而，MOSFET 开关是理想的电气开关，因为它几乎不需要栅极电流即可“导通”，将栅极电压转换为负载电流。因此，MOSFET 可以用作压控开关。

在许多应用中，双极晶体管可以用增强型 MOSFET 代替，从而提供更快的开关动作、更高的输入阻抗和可能更低的功耗。非常高的栅极阻抗、“关断”状态下的极低功耗和非常快的开关能力相结合，使 MOSFET 适用于许多数字开关应用。同样，在零门电流的情况下，其开关动作不会使数字门或微控制器的输出电路过载。

但是，由于 E-MOSFET 的栅极与组件的其余部分绝缘，因此它对静电特别敏感，静电可能会破坏栅极上的薄氧化层。然后，在处理组件或使用组件时应特别小心，并且任何使用e-MOSFET 的电路都包括适当的静电和电压尖峰保护。

此外，为了对 BJT 或 MOSFET 提供额外保护，始终使用跨接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。

 

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