集電極開路開關電路詳解

集電極開路晶體管電路

下圖顯示了集電極開路開關電路的典型布置，該電路可用于驅動機電型設備以及許多其他開關應用。NPN晶體管基極驅動電路可以是任何合適的模擬或數字電路。晶體管的集電極連接到要切換的負載，晶體管的發射極端子直接接地。

對于 NPN 型集電極開路輸出，當控制信號施加到晶體管的基極時，它會導通，并且連接到集電極端子的輸出通過現在導通的晶體管結點被下拉到地電位連接的負載并將其打開。因此，晶體管開關并傳遞負載電流 I L，其使用歐姆定律確定為：

負載電流，I load = 負載電壓 / 負載電阻

當晶體管正基極驅動被移除(關閉)時，NPN 晶體管停止導通，負載(可能是繼電器線圈、螺線管、小型直流電機、燈等)斷電并關閉。然后輸出晶體管可用于控制外部連接的負載，因為 NPN 晶體管集電極開路的電流吸收開關動作可作為開路 (OFF) 或短路 (ON)。

這里的優點是集電極負載不需要連接到與晶體管驅動電路相同的電壓電位，因為它可以使用較低或較高的電壓電位，例如 12 伏或 30 伏直流電。

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

集電極開路輸出示例 No1

作為學校項目的一部分，需要來自 Arduino 板的 +5 伏數字輸出引腳來驅動機電繼電器。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算為：I = V/R

因此，對于直流電流增益為 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-發射極飽和電壓 (V CE(sat) )。回想一下，晶體管的直流電流增益是指產生集電極電流需要多少基極電流。

當晶體管完全導通時，基極-發射極結 (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生“電流吸收”輸出，即 NPN 晶體管集電極開路端子會將電流吸收到地 (0V)，PNP 型晶體管也可用于集電極開路配置以產生所謂的“電流源”輸出。

PNP 集電極開路輸出

上面我們已經看到，集電極開路輸出的主要特點是負載信號在完全導通時通過 NPN 雙極晶體管的開關動作主動“下拉”到地電平，在關斷時再次被動拉回產生電流吸收輸出。

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

對于 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 時主動將其輸出拉低至地，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載無法做到這一點，則通過使用連接到其輸出端子的上拉或下拉電阻被動地向上或向下。所用輸出晶體管的類型及其開關動作會產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 溝道增強型 MOSFET 或IGBT。

與雙極結型晶體管 (BJT) 需要基極電流來驅動晶體管進入飽和狀態不同，常開(增強型)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) 端子連接到外部負載。

將 MOSFET(或 IGBT)用作漏極開路(OD)器件時，在驅動功率負載或連接到更高電壓電源的負載時，遵循與集電極開路輸出(OC)相同的要求，因為使用上拉或下拉電阻適用。唯一的區別是 MOSFET 通道熱功率額定值和靜態電壓保護。

開漏增強 MOSFET 配置

教程總結

我們已經在本教程中看到關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 NPN 型晶體管處于“導通”狀態時，它將提供或“吸收”一條接地路徑。當處于“OFF”狀態時，其輸出端可能浮動，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。當它處于“ON”狀態時，它將提供或“提供”來自電源軌的路徑。當處于“OFF”狀態時，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點是要切換或控制的負載可以連接到獨立的電壓源，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晶體管或 e-MOSFET 的最大允許電壓和電流額定值。

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