繼電器的優(yōu)點(diǎn)是操作繼電器線圈需要相對少量的電力。然而，繼電器開關(guān)電路可用于控制電機(jī)、加熱器、燈或交流電路，這些電路本身可以消耗更多的電壓、電流，從而消耗更多的功率。
　　機(jī)電繼電器是一種輸出設(shè)備（執(zhí)行器），具有多種形狀、尺寸和設(shè)計(jì)，在電子電路中具有多種用途和應(yīng)用。但是，雖然繼電器可用于允許低功率電子或計(jì)算機(jī)類型電路將相對高的電流或電壓切換為“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(jì)和類型多種多樣，但許多小型電子項(xiàng)目使用晶體管和 MOSFET 作為主要開關(guān)器件，因?yàn)榫w管可以從各種輸入源提供繼電器線圈的快速直流開關(guān)（ON-OFF）控制，因此以下是一些更常見的繼電器切換方法的一小部分。
　　NPN繼電器開關(guān)電路
　　典型的繼電器開關(guān)電路具有由 NPN 晶體管開關(guān)TR1驅(qū)動(dòng)的線圈，如圖所示，具體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(shí)，晶體管截止并充當(dāng)打開的開關(guān)。在這種情況下，集電極沒有電流流動(dòng)，并且繼電器線圈斷電，因?yàn)樽鳛殡娏髌骷?，如果沒有電流流入基極，則沒有電流流過繼電器線圈。
　　如果現(xiàn)在有足夠大的正電流被驅(qū)動(dòng)到基極以使 NPN 晶體管飽和，則從基極流到發(fā)射極（B到E）的電流將控制從集電極流經(jīng)晶體管到發(fā)射極的較大繼電器線圈電流?！　τ诖蠖鄶?shù)雙極開關(guān)晶體管，流入集電極的繼電器線圈電流量將是驅(qū)動(dòng)晶體管飽和所需基極電流的 50 到 800 倍之間。 所示通用 BC109 的電流增益或貝塔值 (  β ) 在 2mA 時(shí)通常約為 290（數(shù)據(jù)表）。

　　NPN繼電器開關(guān)電路
　　npn繼電器開關(guān)電路
　　請注意，繼電器線圈不僅是電磁體，而且也是電感器。當(dāng)由于晶體管的開關(guān)動(dòng)作而向線圈施加功率時(shí)，根據(jù)歐姆定律（I = V/R）定義的線圈的直流電阻，將流過最大電流。其中一些電能存儲在繼電器線圈的磁場內(nèi)。
　　當(dāng)晶體管切換為“OFF”時(shí)，流經(jīng)繼電器線圈的電流減少，磁場消失。然而，磁場內(nèi)存儲的能量必須到達(dá)某個(gè)地方，并且當(dāng)線圈試圖維持繼電器線圈中的電流時(shí)，會在線圈上產(chǎn)生反向電壓。此動(dòng)作會在繼電器線圈上產(chǎn)生高壓尖峰，如果允許該高壓尖峰累積，可能會損壞開關(guān) NPN 晶體管。
　　所以為了防止損壞半導(dǎo)體晶體管，在繼電器線圈兩端連接了一個(gè)“續(xù)流二極管”，也稱為續(xù)流二極管。該續(xù)流二極管將線圈兩端的反向電壓鉗位至約 0.7V，從而消耗存儲的能量并保護(hù)開關(guān)晶體管。續(xù)流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)電路非常適合開關(guān) LED 和微型繼電器等小負(fù)載。但有時(shí)需要切換更大的繼電器線圈或超出 BC109 通用晶體管范圍的電流，這可以使用達(dá)林頓晶體管來實(shí)現(xiàn)。
　　通過使用達(dá)林頓晶體管對代替單個(gè)開關(guān)晶體管，可以大大提高繼電器開關(guān)電路的靈敏度和電流增益。達(dá)林頓晶體管對可由兩個(gè)單獨(dú)連接的雙極晶體管制成，如圖所示，或作為具有標(biāo)準(zhǔn)的單個(gè)器件提供：基極、發(fā)射極和集電極連接引線。　　兩個(gè)NPN晶體管如圖所示連接，使得第一晶體管TR1的集電極電流變成第二晶體管TR2的基極電流。向TR??1施加正基極電流會自動(dòng)打開開關(guān)晶體管TR2。

　　NPN 達(dá)林頓配置　　npn達(dá)林頓繼電器開關(guān)電路

　　如果將兩個(gè)單獨(dú)的晶體管配置為達(dá)林頓開關(guān)對，則通常在主開關(guān)晶體管TR2的基極和發(fā)射極之間放置一個(gè)小阻值電阻（100 至 1,000Ω） ，以確保其完全關(guān)閉。同樣，續(xù)流二極管用于保護(hù)TR2免受繼電器線圈斷電時(shí)產(chǎn)生的反電動(dòng)勢的影響。
　　射極跟隨器繼電器開關(guān)電路
　　除了繼電器開關(guān)電路的標(biāo)準(zhǔn)共射極配置外，繼電器線圈還可以連接到晶體管的發(fā)射極端子以形成射極跟隨器電路。輸入信號直接連接到基極，而輸出則取自發(fā)射極負(fù)載，如圖所示?！　∩錁O跟隨器繼電器開關(guān)電路

　　射極跟隨器繼電器開關(guān)電路
　　公共集電極或射極跟隨器配置對于阻抗匹配應(yīng)用非常有用，因?yàn)檩斎胱杩狗浅８撸跀?shù)十萬歐姆范圍內(nèi)，同時(shí)具有相對較低的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發(fā)生開關(guān)。
　　發(fā)射極達(dá)林頓繼電器開關(guān)電路
　　這是之前的射極跟隨器電路的達(dá)林頓晶體管版本。由于兩個(gè) Beta 值相乘，施加到TR1的非常小的正基極電流會導(dǎo)致流過TR2 的集電極電流大得多?！　“l(fā)射器達(dá)林頓配置

　　發(fā)射極達(dá)林頓繼電器開關(guān)電路
　　共發(fā)射極達(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，并且電壓增益近似等于1。此類射極跟隨器電路的另一個(gè)重要特性是它具有高輸入阻抗和低輸出阻抗，這使其非常適合大型繼電器線圈的阻抗匹配。
　　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 雙極晶體管切換它們。PNP繼電器開關(guān)電路在控制繼電器線圈的能力方面與NPN繼電器開關(guān)電路沒有什么不同。然而，它確實(shí)需要不同極性的工作電壓。例如，對于 PNP 類型，集電極-發(fā)射極電壓Vce必須為負(fù)，才能導(dǎo)致電流從發(fā)射極流向集電極?！　NP 晶體管配置

　　pnp繼電器開關(guān)電路
　　PNP晶體管電路的工作原理與NPN繼電器開關(guān)電路相反。當(dāng)基極正向偏置電壓比發(fā)射極電壓更負(fù)時(shí)，負(fù)載電流從發(fā)射極流向集電極。為了使繼電器負(fù)載電流通過發(fā)射極流向集電極，基極和集電極相對于發(fā)射極都必須為負(fù)。
　　換句話說，當(dāng)Vin為高電平時(shí)，PNP 晶體管被切換為“OFF”，繼電器線圈也被切換為“OFF”。當(dāng)Vin為低電平時(shí)，基極電壓小于發(fā)射極電壓（負(fù)值更大），PNP 晶體管“導(dǎo)通”。基極電阻值設(shè)置基極電流，基極電流設(shè)置驅(qū)動(dòng)繼電器線圈的集電極電流。
　　當(dāng)開關(guān)信號與 NPN 晶體管相反時(shí)，例如 CMOS NAND 門或其他此類邏輯器件的輸出，可以使用 PNP 晶體管開關(guān)。CMOS 邏輯輸出在邏輯 0 時(shí)具有驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度，可吸收足夠的電流以將 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，可以將電流吸收器變成電流源。
　　PNP集電極繼電器開關(guān)電路
　　該電路的操作與前面的繼電器開關(guān)電路相同。在該繼電器開關(guān)電路中，繼電器負(fù)載已連接到PNP晶體管的集電極。當(dāng)Vin為低電平時(shí)，晶體管“ON”，當(dāng)Vin為高電平時(shí)，晶體管“OFF” ，晶體管和線圈的開關(guān)動(dòng)作發(fā)生。
　　PNP 收集器配置
　　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 雙極晶體管都可以用作繼電器開關(guān)或任何其他負(fù)載的開關(guān)。但是，當(dāng)電流沿兩個(gè)不同方向流動(dòng)時(shí)，需要理解兩種不同的條件。
　　因此，在 NPN 晶體管中，相對于發(fā)射極的高電壓被施加到基極，電流從集電極流向發(fā)射極，并且 NPN 晶體管切換為“ON”。對于 PNP 晶體管，相對于發(fā)射極的低電壓被施加到基極，電流從發(fā)射極流向集電極，并且 PNP 晶體管切換為“ON”。　　N溝道MOSFET繼電器開關(guān)電路

　　MOSFET 繼電器開關(guān)操作與上面看到的雙極結(jié)型晶體管 (BJT) 開關(guān)操作非常相似，并且之前的任何電路都可以使用 MOSFET 來實(shí)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，并且由于柵極與漏源通道電隔離，因此它們具有非常高的輸入阻抗，因此柵極電流對于 MOSFET 來說為零，因此不需要基極電阻。
　　MOSFET 通過導(dǎo)電溝道進(jìn)行導(dǎo)電，溝道最初是關(guān)閉的，晶體管“OFF”。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)溝道來工作，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?yàn)闁艠O端子上的正電壓會將 MOSFET 切換為“ON”，柵極端子上的零電壓或負(fù)電壓會將其切換為“OFF”，非常適合用作 MOSFET 繼電器轉(zhuǎn)變。還提供互補(bǔ) P 溝道增強(qiáng)型 MOSFET，與 PNP BJT 一樣，它們可以在相反的電壓下工作。
　　N 溝道 MOSFET 配置
　　n溝道MOSFET繼電器開關(guān)電路
　　上述MOSFET繼電器開關(guān)電路采用共源配置連接。在零電壓輸入、低電平條件下， V GS的值，沒有足夠的柵極驅(qū)動(dòng)來打開通道，并且晶體管處于“關(guān)閉”狀態(tài)。但是，當(dāng)V GS增加到 MOSFET 下閾值電壓V T以上時(shí)，通道打開，電流流動(dòng)并且繼電器線圈工作。
　　然后，增強(qiáng)型 MOSFET 作為常開開關(guān)運(yùn)行，非常適合開關(guān)繼電器等小負(fù)載。E 型 MOSFET 具有較高的“關(guān)斷”電阻，但具有中等的“導(dǎo)通”電阻（適合大多數(shù)應(yīng)用），因此在為特定開關(guān)應(yīng)用選擇 E 型 MOSFET 時(shí)，需要考慮其R DS值?！　溝道MOSFET繼電器開關(guān)電路

　　P 溝道增強(qiáng)型 MOSFET (PMOS) 的構(gòu)造與 N 溝道增強(qiáng)型 MOSFET 相同，只是它僅在負(fù)柵極電壓下工作。換句話說，P 溝道 MOSFET 以相同的方式工作，但極性相反，因?yàn)闁艠O必須比源極更負(fù)，才能通過如圖所示的正向偏置來“導(dǎo)通”晶體管。
　　P溝道MOSFET繼電器開關(guān)電路
　　p溝道電路
　　在此配置中，P 溝道源極端子連接到+Vdd，漏極端子通過繼電器線圈連接到地。當(dāng)高電壓電平施加到柵極時(shí)，P 溝道 MOSFET 將“截止”。關(guān)閉的 E-MOSFET 將具有非常高的溝道電阻，并且?guī)缀跸耖_路一樣工作。
　　當(dāng)?shù)碗妷弘娖绞┘拥綎艠O時(shí)，P 溝道 MOSFET 將“導(dǎo)通”。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 均可構(gòu)成出色的低壓繼電器開關(guān)電路，并且可以輕松連接到各種數(shù)字邏輯門和微處理器應(yīng)用?！　∵壿嬁刂评^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?yàn)樵凇癘FF”狀態(tài)（柵極偏置為零），其溝道具有非常高的電阻，可阻止電流流動(dòng)。然而，在其高阻抗柵極上大于閾值電壓V T 的相對較小的正電壓導(dǎo)致其開始從其漏極端子傳導(dǎo)電流到其源極端子。
　　與需要基極電流才能“導(dǎo)通”的雙極結(jié)型晶體管不同，e-MOSFET 僅需要柵極上的電壓，因?yàn)槠浣^緣柵極結(jié)構(gòu)，零電流流入柵極。然后，這使得 e-MOSFET（N 溝道或 P 溝道）非常適合由典型 TTL 或 CMOS 邏輯門直接驅(qū)動(dòng)，如圖所示。
　　邏輯控制繼電器開關(guān)電路
　　邏輯控制
　　此處，N 溝道 E-MOSFET 由數(shù)字邏輯門驅(qū)動(dòng)。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 是電壓驅(qū)動(dòng)器件，不消耗柵極電流，因此我們可以使用 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
　　除了數(shù)字邏輯門之外，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?！　∥⒖刂破骼^電器開關(guān)電路

　　微控制器
　　教程總結(jié)
　　在本教程中，我們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(shí)，在構(gòu)建電子或微控制器電路時(shí)，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。通常，這些設(shè)備需要比單個(gè)功率晶體管能夠處理的更大的電流或更高的電壓，那么我們可以使用繼電器開關(guān)電路來做到這一點(diǎn)。
　　雙極晶體管 (BJT) 構(gòu)成非常好的且廉價(jià)的繼電器開關(guān)電路，但 BJT 是電流操作器件，因?yàn)樗鼈儗⑿』鶚O電流轉(zhuǎn)換為較大的負(fù)載電流，為繼電器線圈供電。
　　然而，MOSFET 開關(guān)是理想的電氣開關(guān)，因?yàn)樗鼛缀醪恍枰獤艠O電流即可“導(dǎo)通”，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)來操作。
　　在許多應(yīng)用中，雙極晶體管可以用增強(qiáng)型 MOSFET 替代，從而提供更快的開關(guān)動(dòng)作、更高的輸入阻抗以及可能更低的功耗。極高的柵極阻抗、“關(guān)閉”狀態(tài)下的極低功耗以及極快的開關(guān)能力相結(jié)合，使得 MOSFET 適合許多數(shù)字開關(guān)應(yīng)用。此外，在柵極電流為零的情況下，其開關(guān)動(dòng)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 的柵極與組件的其余部分絕緣，因此它對靜電特別敏感，靜電可能會破壞柵極上的薄氧化層。然后，在處理該組件或使用該組件時(shí)應(yīng)特別小心，并且任何使用 e-MOSFET 的電路都應(yīng)包括適當(dāng)?shù)撵o電和電壓尖峰保護(hù)。
　　此外，為了對 BJT 或 MOSFET 提供額外保護(hù)，請始終在繼電器線圈上使用續(xù)流二極管，以安全地耗散晶體管開關(guān)動(dòng)作產(chǎn)生的反電動(dòng)勢。