集电极开路开关电路详解

集电极开路晶体管电路

下图显示了集电极开路开关电路的典型布置，该电路可用于驱动机电型设备以及许多其他开关应用。NPN晶体管基极驱动电路可以是任何合适的模拟或数字电路。晶体管的集电极连接到要切换的负载，晶体管的发射极端子直接接地。

对于 NPN 型集电极开路输出，当控制信号施加到晶体管的基极时，它会导通，并且连接到集电极端子的输出通过现在导通的晶体管结点被下拉到地电位连接的负载并将其打开。因此，晶体管开关并传递负载电流 I L，其使用欧姆定律确定为：

负载电流，I load = 负载电压 / 负载电阻

当晶体管正基极驱动被移除(关闭)时，NPN 晶体管停止导通，负载(可能是继电器线圈、螺线管、小型直流电机、灯等)断电并关闭。然后输出晶体管可用于控制外部连接的负载，因为 NPN 晶体管集电极开路的电流吸收开关动作可作为开路 (OFF) 或短路 (ON)。

这里的优点是集电极负载不需要连接到与晶体管驱动电路相同的电压电位，因为它可以使用较低或较高的电压电位，例如 12 伏或 30 伏直流电。

同样简单的数字或模拟电路也可用于通过简单地改变输出晶体管来切换许多不同的负载。例如，10mA 时为 6 VDC(2N3904 晶体管)，或 3 安培时为 40 VDC(2N3506 晶体管)，甚至使用集电极开路达林顿晶体管。

集电极开路输出示例 No1

作为学校项目的一部分，需要来自 Arduino 板的 +5 伏数字输出引脚来驱动机电继电器。如果继电器线圈的额定电压为 12 VDC、100Ω，并且在其集电极开路配置中使用的 NPN 晶体管的直流电流增益 (Beta) 值为 50，则计算操作继电器线圈所需的基极电阻。

通过线圈的电流可以使用欧姆定律计算为：I = V/R

因此，对于直流电流增益为 50 的 NPN 晶体管，需要 2.4mA 的基极电流，忽略约 0.2 伏的集电极-发射极饱和电压 (V CE(sat) )。回想一下，晶体管的直流电流增益是指产生集电极电流需要多少基极电流。

当晶体管完全导通时，基极-发射极结 (V BE )两端的压降将为 0.7 伏。因此，所需的基极电阻 R B的值计算如下：

那么集电极开路晶体管电路将是：

集电极开路

虽然 NPN 集电极开路晶体管电路产生“电流吸收”输出，即 NPN 晶体管集电极开路端子会将电流吸收到地 (0V)，PNP 型晶体管也可用于集电极开路配置以产生所谓的“电流源”输出。

PNP 集电极开路输出

上面我们已经看到，集电极开路输出的主要特点是负载信号在完全导通时通过 NPN 双极晶体管的开关动作主动“下拉”到地电平，在关断时再次被动拉回产生电流吸收输出。

但是我们可以创建相反的开关条件，方法是使用 PNP 双极晶体管的集电极开路输出主动将其输出切换到电源轨，并使用外部连接的“下拉”电阻器在关断时再次将输出被动拉低。

对于 PNP 型集电极开路输出，晶体管只能将输出高电平切换到电源轨，因此其输出端必须通过外部连接的“下拉”电阻器再次被动拉低，如图所示。

集电极开路 PNP 晶体管电路

然后我们可以看到，NPN 型或 PNP 型集电极开路输出配置只能在 ON 时主动将其输出拉低至地，或拉高至电源轨(取决于晶体管类型)，但其集电极端必须拉高如果连接的负载无法做到这一点，则通过使用连接到其输出端子的上拉或下拉电阻被动地向上或向下。所用输出晶体管的类型及其开关动作会产生电流吸收或电流源条件。

除了在集电极开路配置中使用双极晶体管外，还可以在其开源配置中使用 n 沟道和 p 沟道增强型 MOSFET 或IGBT。

与双极结型晶体管 (BJT) 需要基极电流来驱动晶体管进入饱和状态不同，常开(增强型)MOSFET 需要在其栅极 (G) 端子上施加合适的电压。MOSFET 的源极 (S) 端子直接连接到地或电源轨，而开漏 (D) 端子连接到外部负载。

将 MOSFET(或 IGBT)用作漏极开路(OD)器件时，在驱动功率负载或连接到更高电压电源的负载时，遵循与集电极开路输出(OC)相同的要求，因为使用上拉或下拉电阻适用。唯一的区别是 MOSFET 通道热功率额定值和静态电压保护。

开漏增强 MOSFET 配置

教程总结

我们已经在本教程中看到关于集电极开路输出的信息，它可以提供电流吸收器或电流源输出，具体取决于所使用的双极晶体管的类型，NPN 型或 PNP 型。

当 NPN 型晶体管处于“导通”状态时，它将提供或“吸收”一条接地路径。当处于“OFF”状态时，其输出端可能浮动，除非集电极开路输出通过上拉电阻连接到正电源电压。

PNP 型晶体管的反之亦然。当它处于“ON”状态时，它将提供或“提供”来自电源轨的路径。当处于“OFF”状态时，其输出端可能悬空，除非集电极开路输出通过下拉电阻接地(0V)。

集电极开路输出或漏极开路输出的优点是要切换或控制的负载可以连接到独立的电压源，和/或不同于控制电路使用的电源电压，并且它们可以“吸收”或“源”外部提供的电压取决于它是接地还是源。唯一的限制是输出开关晶体管或 e-MOSFET 的最大允许电压和电流额定值。

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