集電極開路輸出在大電流負載控制電路中的應(yīng)用介紹

集電極開路輸出在數(shù)字芯片設(shè)計、運算放大器和微控制器 (Arduino) 類型應(yīng)用中越來越普遍，用于與其他電路連接或驅(qū)動可能與電氣特性不兼容的指示燈和繼電器等大電流負載控制電路。但是“集電極開路”是什么意思，我們?nèi)绾卧陔娐吩O(shè)計中使用它。

從我們之前的教程中我們知道，雙極結(jié)型晶體管，無論是NPN型還是PNP型，都是三端器件。這三個端子被標識為Emitter、Base和Collector。

我們可以使用雙極晶體管作為放大器運行，即輸出信號的幅度大于輸入信號，或者更常見的是，作為固態(tài)“開/關(guān)”型電子開關(guān)。

由于雙極結(jié)型晶體管 (BJT) 是一種 3 端子器件，因此可以在三種不同的開關(guān)模式之一中配置和操作它。它們是公共基極(CB)、公共發(fā)射極(CE) 和公共集電極(CC)。

當用于放大(有源區(qū))或開關(guān)(截止或飽和區(qū))時，“共發(fā)射極”配置是迄今為止最常見的晶體管配置。這就是我們將在本教程中看到的關(guān)于集電極開路輸出的晶體管配置。

考慮如下所示的標準共射極放大器配置。

共發(fā)射極配置

在這個單級共發(fā)射極配置中，電阻連接在晶體管的集電極端子和正電源軌 V CC之間。輸入信號施加在晶體管基極和發(fā)射結(jié)之間，發(fā)射極端子直接接地。因此，描述性術(shù)語“共發(fā)射極”(CE)。

將晶體管“導(dǎo)通”所需的偏置電流 I B通過基極電阻 R B直接饋入 NPN 晶體管的基極，輸出信號相對于輸入信號反相180 ° ，取自集電極和發(fā)射極端子。

這允許將晶體管集電極電流控制在零(截止)和某個最大值(飽和)之間。這是共發(fā)射極配置的標準配置，既可以偏置為 A 類放大器，也可以作為邏輯開/關(guān)開關(guān)。

這里的問題是晶體管及其集電極負載電阻都連接到一個公共電源電壓。此處使用集電極電阻 R C來允許集電極電壓 V C響應(yīng)施加到晶體管基極端子的輸入信號而改變值，從而允許晶體管產(chǎn)生放大的輸出信號。由于沒有 R C，集電極端子上的電壓將始終等于電源電壓。

如前所述，當 V BE遠小于 0.7 伏(零基極電流)或遠大于 0.7 伏(最大基極電流)時，雙極結(jié)型晶體管可以在其截止區(qū)和飽和區(qū)之間工作。

以這種方式，NPN 雙極晶體管可以用作執(zhí)行反相操作的電子開關(guān)，因為當晶體管處于“關(guān)斷”狀態(tài)時，其集電極端子，因此 V CE ，在 V CC電平上為“高電平” ，而當它為“ON”時，(導(dǎo)通)V CE上的輸出將為“LOW”，例如，如果我們要控制繼電器、螺線管或燈，則這是相反的開關(guān)條件。

克服晶體管開關(guān)狀態(tài)反轉(zhuǎn)的一種方法是完全移除集電極電阻 R C并使晶體管集電極端子可用于連接到某些外部負載。這種類型的設(shè)置會產(chǎn)生通常所說的集電極開路輸出配置。

NPN 集電極開路輸出

當 NPN 雙極晶體管在集電極開路(OC 或 o/c)配置下運行時，它在完全開啟或完全關(guān)閉之間運行，因此充當電子固態(tài)開關(guān)。

也就是說，在沒有施加基極偏置電壓的情況下，晶體管將完全關(guān)斷，而當施加合適的基極偏置電壓時，晶體管將完全導(dǎo)通。因此，當晶體管在其截止區(qū) (OFF) 和飽和區(qū) (ON) 之間運行時，它不會像在其有源區(qū)受控時那樣作為放大器件運行。

晶體管在截止和飽和之間的切換允許集電極開路輸出驅(qū)動外部連接負載的能力，這些負載需要比以前的共發(fā)射極配置所允許的更高的電壓和/或電流。唯一的限制是實際開關(guān)晶體管的最大允許電壓和/或電流值。

那么集電極開路輸出的優(yōu)點是，任何輸出開關(guān)電壓都可以通過像以前一樣將集電極端子上拉到單個正電源，或者通過單獨的電源軌為負載供電來簡單地獲得。例如，您可能想要驅(qū)動需要從 +5 伏邏輯門或 Arduino、Raspberry-Pi 輸出引腳的輸出提供 +12 伏電源的低電流燈或繼電器。

但其缺點是，當使用集電極開路輸出來切換數(shù)字信號、門電路或電子電路的輸入端時，由于三極管的集電極端沒有輸出驅(qū)動能力，一般需要外接上拉電阻。這是因為對于 NPN 晶體管，它只能在通電時將輸出拉低至地 (0V)，而在處于關(guān)斷狀態(tài)時無法返回或?qū)⑵湓俅瓮苹馗唠娖健?

當斷電時，必須使用連接在其集電極端子和電源電壓之間的外部“上拉電阻”將輸出再次拉高，以阻止集電極開路端子在高電平 (+V) 和低電平之間浮動 ( 0V) 當晶體管關(guān)閉時。

此上拉電阻器的值并不重要，在某種程度上取決于輸出端所需的負載電流值，電阻值的范圍通常為幾百到幾千歐姆。因此，對于 NPN 雙極晶體管，其集電極開路輸出僅為電流吸收輸出。