集電極開路晶體管電路

下圖顯示了集電極開路開關(guān)電路的典型布置，該電路可用于驅(qū)動(dòng)機(jī)電型設(shè)備以及許多其他開關(guān)應(yīng)用。NPN晶體管基極驅(qū)動(dòng)電路可以是任何合適的模擬或數(shù)字電路。晶體管的集電極連接到要切換的負(fù)載，晶體管的發(fā)射極端子直接接地。

對(duì)于 NPN 型集電極開路輸出，當(dāng)控制信號(hào)施加到晶體管的基極時(shí)，它會(huì)導(dǎo)通，并且連接到集電極端子的輸出通過現(xiàn)在導(dǎo)通的晶體管結(jié)點(diǎn)被下拉到地電位連接的負(fù)載并將其打開。因此，晶體管開關(guān)并傳遞負(fù)載電流 I L，其使用歐姆定律確定為：

負(fù)載電流，I load = 負(fù)載電壓 / 負(fù)載電阻

當(dāng)晶體管正基極驅(qū)動(dòng)被移除(關(guān)閉)時(shí)，NPN 晶體管停止導(dǎo)通，負(fù)載(可能是繼電器線圈、螺線管、小型直流電機(jī)、燈等)斷電并關(guān)閉。然后輸出晶體管可用于控制外部連接的負(fù)載，因?yàn)?NPN 晶體管集電極開路的電流吸收開關(guān)動(dòng)作可作為開路 (OFF) 或短路 (ON)。

這里的優(yōu)點(diǎn)是集電極負(fù)載不需要連接到與晶體管驅(qū)動(dòng)電路相同的電壓電位，因?yàn)樗梢允褂幂^低或較高的電壓電位，例如 12 伏或 30 伏直流電。

同樣簡(jiǎn)單的數(shù)字或模擬電路也可用于通過簡(jiǎn)單地改變輸出晶體管來切換許多不同的負(fù)載。例如，10mA 時(shí)為 6 VDC(2N3904 晶體管)，或 3 安培時(shí)為 40 VDC(2N3506 晶體管)，甚至使用集電極開路達(dá)林頓晶體管。

集電極開路輸出示例 No1

作為學(xué)校項(xiàng)目的一部分，需要來自 Arduino 板的 +5 伏數(shù)字輸出引腳來驅(qū)動(dòng)機(jī)電繼電器。如果繼電器線圈的額定電壓為 12 VDC、100Ω，并且在其集電極開路配置中使用的 NPN 晶體管的直流電流增益 (Beta) 值為 50，則計(jì)算操作繼電器線圈所需的基極電阻。

通過線圈的電流可以使用歐姆定律計(jì)算為：I = V/R

因此，對(duì)于直流電流增益為 50 的 NPN 晶體管，需要 2.4mA 的基極電流，忽略約 0.2 伏的集電極-發(fā)射極飽和電壓 (V CE(sat) )?；叵胍幌拢w管的直流電流增益是指產(chǎn)生集電極電流需要多少基極電流。

當(dāng)晶體管完全導(dǎo)通時(shí)，基極-發(fā)射極結(jié) (V BE )兩端的壓降將為 0.7 伏。因此，所需的基極電阻 R B的值計(jì)算如下：

那么集電極開路晶體管電路將是：

集電極開路

雖然 NPN 集電極開路晶體管電路產(chǎn)生“電流吸收”輸出，即 NPN 晶體管集電極開路端子會(huì)將電流吸收到地 (0V)，PNP 型晶體管也可用于集電極開路配置以產(chǎn)生所謂的“電流源”輸出。

PNP 集電極開路輸出

上面我們已經(jīng)看到，集電極開路輸出的主要特點(diǎn)是負(fù)載信號(hào)在完全導(dǎo)通時(shí)通過 NPN 雙極晶體管的開關(guān)動(dòng)作主動(dòng)“下拉”到地電平，在關(guān)斷時(shí)再次被動(dòng)拉回產(chǎn)生電流吸收輸出。

但是我們可以創(chuàng)建相反的開關(guān)條件，方法是使用 PNP 雙極晶體管的集電極開路輸出主動(dòng)將其輸出切換到電源軌，并使用外部連接的“下拉”電阻器在關(guān)斷時(shí)再次將輸出被動(dòng)拉低。

對(duì)于 PNP 型集電極開路輸出，晶體管只能將輸出高電平切換到電源軌，因此其輸出端必須通過外部連接的“下拉”電阻器再次被動(dòng)拉低，如圖所示。

集電極開路 PNP 晶體管電路

然后我們可以看到，NPN 型或 PNP 型集電極開路輸出配置只能在 ON 時(shí)主動(dòng)將其輸出拉低至地，或拉高至電源軌(取決于晶體管類型)，但其集電極端必須拉高如果連接的負(fù)載無法做到這一點(diǎn)，則通過使用連接到其輸出端子的上拉或下拉電阻被動(dòng)地向上或向下。所用輸出晶體管的類型及其開關(guān)動(dòng)作會(huì)產(chǎn)生電流吸收或電流源條件。

除了在集電極開路配置中使用雙極晶體管外，還可以在其開源配置中使用 n 溝道和 p 溝道增強(qiáng)型 MOSFET 或IGBT。

與雙極結(jié)型晶體管 (BJT) 需要基極電流來驅(qū)動(dòng)晶體管進(jìn)入飽和狀態(tài)不同，常開(增強(qiáng)型)MOSFET 需要在其柵極 (G) 端子上施加合適的電壓。MOSFET 的源極 (S) 端子直接連接到地或電源軌，而開漏 (D) 端子連接到外部負(fù)載。

將 MOSFET(或 IGBT)用作漏極開路(OD)器件時(shí)，在驅(qū)動(dòng)功率負(fù)載或連接到更高電壓電源的負(fù)載時(shí)，遵循與集電極開路輸出(OC)相同的要求，因?yàn)槭褂蒙侠蛳吕娮柽m用。唯一的區(qū)別是 MOSFET 通道熱功率額定值和靜態(tài)電壓保護(hù)。

開漏增強(qiáng) MOSFET 配置

教程總結(jié)

我們已經(jīng)在本教程中看到關(guān)于集電極開路輸出的信息，它可以提供電流吸收器或電流源輸出，具體取決于所使用的雙極晶體管的類型，NPN 型或 PNP 型。

當(dāng) NPN 型晶體管處于“導(dǎo)通”狀態(tài)時(shí)，它將提供或“吸收”一條接地路徑。當(dāng)處于“OFF”狀態(tài)時(shí)，其輸出端可能浮動(dòng)，除非集電極開路輸出通過上拉電阻連接到正電源電壓。

PNP 型晶體管的反之亦然。當(dāng)它處于“ON”狀態(tài)時(shí)，它將提供或“提供”來自電源軌的路徑。當(dāng)處于“OFF”狀態(tài)時(shí)，其輸出端可能懸空，除非集電極開路輸出通過下拉電阻接地(0V)。

集電極開路輸出或漏極開路輸出的優(yōu)點(diǎn)是要切換或控制的負(fù)載可以連接到獨(dú)立的電壓源，和/或不同于控制電路使用的電源電壓，并且它們可以“吸收”或“源”外部提供的電壓取決于它是接地還是源。唯一的限制是輸出開關(guān)晶體管或 e-MOSFET 的最大允許電壓和電流額定值。