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各类继电器开关电路设计精华,都在这里了!

2020-9-17 10:17:57  755 继电器 开关电路 电路设计
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继电器的优点是操作继电器线圈所需的功率相对较小,但是继电器本身可用于控制电动机,加热器,灯或交流电路,它们自身可吸收更多的电能。
机电继电器是一种输出设备(执行器),具有各种形状,尺寸和设计,并且在电子电路中有许多用途和应用。但是,尽管可以使用继电器来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都切换为“ ON”或“ OFF”,但仍需要某种形式的继电器开关电路来对其进行控制。
继电器开关电路的设计和类型非常庞大,但是许多小型电子项目使用晶体管和MOSFET作为其主要开关设备,因为晶体管可以从各种输入源提供继电器线圈的快速DC开关(ON-OFF)控制,因此这是一些更常用的继电器开关方式的一小部分。
NPN继电器开关电路典型的继电器开关电路的线圈由NPN晶体管开关TR1驱动,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,该晶体管将截止并用作开路开关。在这种情况下,没有集电极电流流动,并且继电器线圈没有电流,因为作为电流设备,如果没有电流流入基极,则没有电流将流过继电器线圈。
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的电流(B到E)将控制从集电极到发射极流经晶体管的较大的继电器线圈电流。
对于大多数双极型开关晶体管,流入集电极的继电器线圈电流将是驱动晶体管达到饱和所需基极电流的50至800倍。 所示的通用BC109 的电流增益或β值(  β)在2mA时通常约为290(数据表)。
NPN继电器开关电路

注意,继电器线圈不仅是电磁体,而且还是电感器。当由于晶体管的开关作用向线圈供电时,由于欧姆定律(I = V / R)所定义的线圈直流电阻,将流过最大电流。其中一些电能存储在继电器线圈的磁场中。
当晶体管切换到“ OFF”时,流经继电器线圈的电流减小,磁场消失。但是,磁场中存储的能量必须到达某个位置,并且在线圈上试图保持继电器线圈中的电流时会在线圈两端产生反向电压。此动作会在继电器线圈上产生一个高电压尖峰,如果堆积会损坏开关NPN晶体管。
因此,为了防止损坏半导体晶体管,在继电器线圈两端连接了一个“续流二极管”,也称为续流二极管。飞轮二极管将线圈两端的反向电压钳位到大约0.7V,从而耗散了存储的能量并保护了开关晶体管。飞轮二极管仅在电源为极化直流电压时适用。AC线圈需要不同的保护方法,为此使用了RC缓冲电路。
NPN达灵顿继电器开关电路先前的NPN晶体管继电器开关电路非常适合开关小负载,例如LED和微型继电器。但有时需要切换更大的继电器线圈或电流,使其超出BC109通用晶体管的范围,这可以使用达林顿晶体管来实现。
通过使用达林顿对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。如图所示,达林顿晶体管对可以由两个单独连接的双极晶体管制成,也可以作为具有标准配置的单个设备使用: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TR1的集电极电流变为第二晶体管TR2的基极电流。向TR1施加正基极电流会自动使开关晶体管TR2 “导通” 。
NPN达灵顿继电器开关电路

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电阻(100至1,000Ω),以确保其完全截止。再次使用续流二极管保护TR2免受继电器线圈断电时产生的反电动势的影响。
发射极跟随器继电器开关电路除了继电器开关电路的标准通用发射极配置之外,继电器线圈还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基座,而输出则从发射器负载获取,如图所示。
发射极跟随器继电器开关电路

共收集器或发射极跟随器配置对于阻抗匹配应用非常有用,因为它的输入阻抗非常高,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。与以前的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值的乘积,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经TR2。
发射极达林顿继电器开关电路

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双极晶体管开关继电器线圈和其他负载外,我们还可以使用PNP双极晶体管开关它们。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。但是,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,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。当基极正向偏置的电压比发射极的负电压大时,负载电流从发射极流向集电极。为了使继电器的负载电流通过发射极流到集电极,基极和集电极相对于发射极都必须为负。
换句话说,当Vin为高电平时,PNP晶体管被切换为“关”,继电器线圈也被切换为“关”。当Vin为LOW时,基极电压小于发射极电压(负值更大),PNP晶体管导通。基极电阻值设定基极电流,基极电流设定驱动继电器线圈的集电极电流。
当NPN晶体管的开关信号为反向时(例如CMOS NAND门或其他此类逻辑器件的输出),可以使用PNP晶体管开关。CMOS逻辑输出的驱动强度为逻辑0,以吸收足够的电流以将PNP晶体管导通。然后,通过使用PNP晶体管和相反极性的电源,可以将电流吸收器转变为电流源。
PNP集电极继电器开关电路该电路的操作与先前的继电器开关电路相同。在此继电器开关电路中,继电器负载已连接到PNP晶体管Collector。当Vin为低电平时,晶体管“ ON” ,而晶体管和线圈的ON-OFF开关动作发生;当Vin为高电平时,晶体管“ OFF”。
PNP集电极继电器开关电路

我们已经看到,NPN双极型晶体管或PNP双极型晶体管可以用作继电器开关的开关,也可以用作任何其他负载。但是当电流沿两个不同的方向流动时,有两个不同的条件需要理解。
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晶体管将“ ON”开关。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“ ON”。
N沟道MOSFET继电器开关电路MOSFET继电器的开关操作与上面看到的双极结晶体管(BJT)开关操作非常相似,并且以前的任何电路都可以使用MOSFET来实现。但是,MOSFET电路的操作存在一些主要差异,主要区别在于MOSFET是电压驱动的器件,并且由于栅极与漏极-源极通道电隔离,它们具有非常高的输入阻抗,因此栅极电流MOSFET为零,因此不需要基极电阻。
MOSFET通过一个导电通道导通,该通道最初处于关闭状态,晶体管“ OFF”。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MOSFET或E-MOSFET。
N沟道增强MOSFET(NMOS)是最常用的MOSFET类型,因为栅极端子上的正电压将MOSFET设为“ ON”,栅极上的零电压或负电压将其设为“ OFF”,因此非常适合作为MOSFET继电器开关。还提供互补的P沟道增强MOSFET,例如PNP BJT,它们在相反的电压下工作。
N沟道MOSFET继电器开关电路

上面的MOSFET继电器开关电路以共源配置连接。在零电压输入,LOW条件,V GS的值的情况下,栅极驱动不足以打开沟道,并且晶体管为“ OFF”。但是,当V GS增加到MOSFET的下阈值电压V T以上时,通道断开,电流流动,继电器线圈工作。
然后,增强模式MOSFET用作常开开关,使其非常适合于开关继电器等较小的负载。E型MOSFET具有较高的“关”电阻,但具有中等的“导通”电阻(对于大多数应用来说,是正常的),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,只不过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,以通过如图所示的正向偏置使晶体管“导通”。
P沟道MOSFET继电器开关电路

在这种配置中,P通道的Source端子通过继电器线圈连接到+ Vdd,而Drain端子通过继电器线圈连接到地。当向栅极施加高电压电平时,P沟道MOSFET将变为“ OFF”。处于关闭状态的E-MOSFET将具有很高的沟道电阻,并且几乎像开路一样工作。
将低电压电平施加到栅极时,P沟道MOSFET将变为“ ON”。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均构成出色的低压继电器开关电路,并且可以轻松地与各种数字逻辑门和微处理器应用接口
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“ OFF”状态(栅极偏置为零)下,其沟道具有非常高的电阻,阻止电流流动。但是,在其高阻抗栅极上,一个相对较小的正电压(大于阈值电压V T)会使其开始从其漏极端子向其源极端子传导电流。
与需要基极电流使其导通的双极结型晶体管不同,由于MOSFET的绝缘门结构,电子MOSFET只需要在门上施加电压,零电流流入门。然后,如图所示,理想的N沟道或P沟道电子MOSFET直接由典型的TTL或CMOS逻辑门驱动。
逻辑控制继电器开关电路

在这里,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是电压驱动的器件,并且不消耗栅极电流,因此我们可以使用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
继电器开关电路摘要在本教程中,我们了解了如何同时使用NPN或PNP的双极结型晶体管和N沟道或P沟道的增强MOSFET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,例如电动机,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能够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。
双极晶体管(BJT)构成了非常好的和便宜的继电器开关电路,但是BJT是电流操作的设备,因为它们将很小的基极电流转换成更大的负载电流,从而为继电器线圈通电。
但是,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就能将其导通,从而将栅极电压转换为负载电流。因此,可以将MOSFET用作电压控制开关。
在许多应用中,双极型晶体管可以用增强型MOSFET代替,它们具有更快的开关动作,更高的输入阻抗以及可能更少的功耗。极高的门极阻抗,“关”状态下的极低功耗以及非常快的开关能力的结合使MOSFET适合许多数字开关应用。同样,在栅极电流为零的情况下,其开关动作不会使数字栅极或微控制器的输出电路过载。
但是,由于E-MO​​SFET的栅极与其余组件绝缘,因此它对静电特别敏感,静电可能破坏栅极上的薄氧化层。然后,在处理组件或使用组件时应格外小心,任何使用e-MOSFET的电路都应包含适当的保护措施,以防静电和电压尖峰。
同样,为了进一步保护BJT或MOSFET,请始终在飞轮二极管和继电器线圈之间使用飞轮二极管,以安全地消除由晶体管开关动作产生的反电动势。

Jason 2020-9-17 12:59:11
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王栋春 2020-9-17 22:01:38
受教了  期待后续类似文章
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王有博 2020-9-25 17:51:15
受教了,谢谢老师的分享
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efans_fca342 2020-10-4 09:41:33
收获很大,谢谢
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jf_53220261 2020-10-5 14:48:36
这个设计太棒了,谢谢
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