繼電器是使用電磁鐵從打開位置到關(guān)閉位置操作一對可動觸點的機(jī)電設(shè)備。

繼電器的優(yōu)點是它需要相對少量的用于操作繼電器線圈的電源，但繼電器本身可用于控制電機(jī)，加熱器，燈或交流電路，它們本身可以消耗更多的電力。

機(jī)電繼電器是一種輸出設(shè)備（致動器）具有各種形狀，尺寸和設(shè)計，并且在電子電路中具有許多用途和應(yīng)用。但是，雖然電氣繼電器可用于允許低功率電子或計算機(jī)類型電路切換相對較高的電流或電壓“開”或“關(guān)”，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)計和類型是巨大的，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，因為晶體管可以提供繼電器的快速直流開關(guān)（ON-OFF）控制來自各種輸入源的線圈，所以這里有一些比較常見的開關(guān)繼電器的方法。

NPN繼電器開關(guān)電路

典型的繼電器開關(guān)電路有線圈由NPN晶體管開關(guān)驅(qū)動， TR1 ，如圖所示，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，晶體管截止并用作開路開關(guān)。在這種情況下，沒有集電極電流流過，繼電器線圈因為是電流裝置而斷電，如果沒有電流流入基極，則沒有電流流過繼電器線圈。

如果足夠大的正極電流現(xiàn)在被驅(qū)動到基極以使NPN晶體管飽和，從基極流到發(fā)射極的電流（ B 到 E ）控制流過晶體管的更大的繼電器線圈電流收集器到發(fā)射器。

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介于驅(qū)動晶體管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β值（β）通常在2mA時約為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，而且也是電感器。當(dāng)由于晶體管的開關(guān)動作對線圈供電時，由于歐姆定律所規(guī)定的線圈的直流電阻，最大電流將流動（ I = V / R ）。其中一些電能存儲在繼電器線圈的磁場中。

當(dāng)晶體管“關(guān)閉”時，流經(jīng)繼電器線圈的電流減小，磁場坍塌。然而，磁場中存儲的能量必須在某處，并且當(dāng)線圈試圖保持繼電器線圈中的電流時，在線圈上產(chǎn)生反向電壓。這個動作會在繼電器線圈上產(chǎn)生高電壓尖峰，如果允許建立，可能會損壞開關(guān)NPN晶體管。

因此，為了防止損壞半導(dǎo)體晶體管，一個“飛輪二極管”，也稱為作為續(xù)流二極管，連接在繼電器線圈兩端。該續(xù)流二極管將線圈兩端的反向電壓鉗位至約0.7V，消耗存儲的能量并保護(hù)開關(guān)晶體管。飛輪二極管僅適用于電源為極化直流電壓的情況。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)電路非常適合小型開關(guān)LED和微型繼電器等負(fù)載。但有時需要切換較大的繼電器線圈或電流超出BC109通用晶體管的范圍，這可以通過達(dá)林頓晶體管來實現(xiàn)。

繼電器開關(guān)電路的靈敏度和電流增益可以大大提高通過使用達(dá)林頓晶體管代替單個開關(guān)晶體管來增加。達(dá)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，也可作為單個器件提供標(biāo)準(zhǔn)：基極，發(fā)射極和集電極連接引線。

如圖所示連接兩個NPN晶體管，使得第一晶體管的集電極電流 TR1 成為第二晶體管 TR2 的基極電流。向 TR1 施加正基極電流會自動將開關(guān)晶體管“接通”， TR2 。

NPN達(dá)林頓繼電器開關(guān)電路

如果將兩個單獨的晶體管配置為達(dá)林頓開關(guān)對，則通常使用小值電阻（100至1,000Ω）放置在主開關(guān)晶體管的基極和發(fā)射極之間， TR2 ，以確保其完全關(guān)斷。同樣，續(xù)流二極管用于保護(hù)繼電器線圈斷電時產(chǎn)生的反電動勢的 TR2 。

發(fā)射極跟隨器繼電器開關(guān)電路

As作為繼電器開關(guān)電路的標(biāo)準(zhǔn)公共發(fā)射極配置，繼電器線圈也可以連接到晶體管的發(fā)射極端子，以形成發(fā)射極跟隨器電路。輸入信號直接連接到Base，輸出取自發(fā)射器負(fù)載，如圖所示。

發(fā)射器跟隨器繼電器開關(guān)電路

Common Collector或Emitter Follower配置對阻抗匹配應(yīng)用非常有用，因為它具有很高的輸入阻抗，在數(shù)十萬歐姆的范圍內(nèi)，而且相對較低輸出阻抗來切換繼電器線圈。與之前的NPN繼電器開關(guān)電路一樣，通過向晶體管的基極施加正電流來進(jìn)行開關(guān)。

發(fā)射極達(dá)林頓繼電器開關(guān)電路

這是達(dá)林頓晶體管版本的以前的Emitter Follower電路。施加到 TR1 的非常小的正基極電流會導(dǎo)致更大的集電極電流流過 TR2 ，因為兩個Beta值相乘。

發(fā)射器達(dá)林頓繼電器開關(guān)電路

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公共發(fā)射器達(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電壓增益近似等于1。這種類型的發(fā)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，這使其成為大型繼電器線圈阻抗匹配的理想選擇。

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雙極晶體管進(jìn)行切換。 PNP繼電器開關(guān)電路在控制繼電器線圈方面與NPN繼電器開關(guān)電路沒有區(qū)別。但是，它確實需要不同極性的工作電壓。例如，集電極 - 發(fā)射極電壓 Vce 對于PNP類型必須為負(fù)，以使電流從發(fā)射極流向集電極。

PNP繼電器開關(guān)電路

PNP晶體管電路與NPN繼電器開關(guān)電路相反。當(dāng)Base正向偏置時，負(fù)載電流從發(fā)射器流向收集器，其電壓比發(fā)射器的電壓更負(fù)。對于繼電器負(fù)載電流流過發(fā)射器到集電極，基極和集電極相對于發(fā)射極必須為負(fù)。

換句話說，當(dāng) Vin 時HIGH PNP晶體管切換為“OFF”，繼電器線圈也是如此。當(dāng) Vin 為低電平時，基極電壓小于發(fā)射極電壓（更負(fù)），PNP晶體管變?yōu)椤癘N”。 Base電阻值設(shè)置Base電流，用于設(shè)置驅(qū)動繼電器線圈的集電極電流。

當(dāng)切換信號與NPN晶體管相反時，例如CMOS與非門的輸出或其他這樣的邏輯器件，可以使用PNP晶體管開關(guān)。 CMOS邏輯輸出具有邏輯0的驅(qū)動強(qiáng)度以吸收足夠的電流以使PNP晶體管“導(dǎo)通”。然后通過使用PNP晶體管和相反極性的電源將電流吸收器轉(zhuǎn)換為電流源。

PNP集電極繼電器開關(guān)電路

該電路的操作與以前的繼電器開關(guān)電路在該繼電器開關(guān)電路中，繼電器負(fù)載已連接到PNP晶體管集電極。晶體管和線圈的ON-OFF開關(guān)動作發(fā)生在 Vin 為低電平，晶體管為“ON”且 Vin 為高電平時，晶體管為“OFF”。

PNP集電極繼電器開關(guān)電路

我們已經(jīng)看到NPN雙極晶體管或PNP雙極晶體管晶體管可以作為繼電器開關(guān)的開關(guān)，或任何其他負(fù)載。但是有兩個不同的條件需要理解，因為電流在兩個不同的方向流動。

因此在NPN晶體管中，相對于發(fā)射極的高電壓施加到基極，電流流動從集電極到發(fā)射極和NPN晶體管開關(guān)“接通”。對于PNP晶體管，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晶體管開關(guān)“接通”。

N溝道MOSFET繼電器開關(guān)電路

MOSFET繼電器開關(guān)操作非常類似于上面所見的雙極結(jié)型晶體管（BJT）開關(guān)操作，并且任何先前的電路都可以使用MOSFET實現(xiàn)。然而，MOSFET電路的操作存在一些主要差異，主要是MOSFET是電壓操作器件，并且由于柵極與漏極 - 源極通道電隔離，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(dǎo)電溝道導(dǎo)通，溝道最初閉合，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，隨著柵極電壓的增加，晶體管通過增強(qiáng)溝道工作，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，因為柵極端子上的正電壓將MOSFET“接通”并且柵極上的零或負(fù)電壓將其“關(guān)閉”，從而成為MOSFET繼電器開關(guān)的理想選擇。還提供互補(bǔ)P溝道增強(qiáng)型MOSFET，與PNP BJT一樣，工作電壓相反。

N溝道MOSFET繼電器開關(guān)電路

上述MOSFET繼電器開關(guān)電路采用共源配置。在零電壓輸入，LOW條件下， V GS 的值時，沒有足夠的柵極驅(qū)動來打開通道而晶體管處于“OFF”狀態(tài)。但當(dāng) V GS 增加到高于MOSFET的下閾值電壓 V T 時，通道打開，電流流過繼電器線圈工作。

然后增強(qiáng)型MOSFET作為常開開關(guān)工作，非常適合切換繼電器等小負(fù)載。 E型MOSFET具有高“OFF”電阻但具有中等“ON”電阻（對于大多數(shù)應(yīng)用來說都是正常的），因此在為特定開關(guān)應(yīng)用選擇一個時，其 R DS 值得考慮。

P溝道MOSFET繼電器開關(guān)電路

P溝道增強(qiáng)型MOSFET（PMOS）的結(jié)構(gòu)與N溝道增強(qiáng)型MOSFET除了僅使用負(fù)柵極電壓工作外。換句話說，P溝道MOSFET以相同的方式工作但具有相反的極性，因為柵極必須比源極更負(fù)，以通過正向偏置來使晶體管“導(dǎo)通”，如圖所示。

P溝道MOSFET繼電器開關(guān)電路

在此配置中，P通道源端子連接到 + Vdd ，漏極端子通過繼電器線圈接地。當(dāng)向柵極施加高電壓電平時，P溝道MOSFET將變?yōu)椤癘FF”。轉(zhuǎn)為“OFF”的E-MOSFET將具有非常高的溝道電阻，幾乎就像開路一樣。

當(dāng)向柵極施加低電壓電平時，P溝道MOSFET將“轉(zhuǎn)向”上”。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均可提供出色的低壓繼電器開關(guān)電路，并可輕松連接各種數(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阻抗。然而，在其高阻抗柵極上的大于閾值電壓 V T 的相對小的正電壓使其開始從其漏極端子向其源極端子傳導(dǎo)電流。 / p>

與需要基極電流將其“導(dǎo)通”的雙極結(jié)型晶體管不同，由于其絕緣柵極結(jié)構(gòu)，e-MOSFET僅需要柵極上的電壓，零電流流入柵極。然后，這使得n溝道或P溝道的e-MOSFET理想地由典型的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

此處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)電路來控制高功率負(fù)載。

微控制器繼電器開關(guān)電路

作為數(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

繼電器開關(guān)電路概述

在本教程中，我們已經(jīng)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(jī)，燈，加熱元件或交流電路。一般來說，這些器件需要比單個功率晶體管可以處理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。

雙極晶體管（BJT）制造非常好且便宜的繼電器開關(guān)電路，但是BJT是電流操作設(shè)備，因為它們將較小的基極電流轉(zhuǎn)換為較大的負(fù)載電流，以激勵繼電器線圈。

然而，MOSFET開關(guān)非常適合用作電氣開關(guān)，因為它幾乎不需要柵極電流“ON”，將柵極電壓轉(zhuǎn)換為負(fù)載電流。因此，MOSFET可以作為壓控開關(guān)工作。

在許多應(yīng)用中，雙極晶體管可以用增強(qiáng)型MOSFET代替，提供更快的開關(guān)動作，更高的輸入阻抗和更低的功耗。柵極阻抗非常高，“關(guān)斷”狀態(tài)下功耗極低，開關(guān)能力非?？欤虼诉m用于許多數(shù)字開關(guān)應(yīng)用。此外，柵極電流為零時，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。

然而，由于E-MOSFET的柵極與元件的其余部分絕緣，因此它對靜電特別敏感，這可能會破壞柵極上的薄氧化層。然后在處理元件或使用時應(yīng)特別小心，并且任何使用e-MOSFET的電路都應(yīng)包含適當(dāng)?shù)撵o電和電壓尖峰保護(hù)。

還可以對BJT或BJT進(jìn)行額外保護(hù)。 MOSFET總是使用續(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。