基于晶體管的繼電器驅(qū)動電路設(shè)計

繼電器驅(qū)動電路可以用晶體管實現(xiàn)，如圖1所示。一般來講，繼電器控制的發(fā)作源，來自于數(shù)字電路，比如處理器或者FPGA，它一定是一個邏輯高低電平，圖中用一個非門表示其為數(shù)字量，非門的供電電壓為VDD。其輸出電平中，高電平會略低于VDD，低電平會略高于0V，且其輸出電流能力有限。關(guān)于此段話，可以參考數(shù)字電子技術(shù)課本。

圖1 繼電器驅(qū)動電路模型

電路工作原理為：當(dāng)數(shù)字信號uCON為低電平，約為0~0.4V，此電壓不足以打通晶體管的發(fā)射結(jié)，晶體管處于截止?fàn)顟B(tài)，圖中的RCoil，即繼電器的線圈，沒有電流流過，則繼電器的觸點保持在自然狀態(tài)：對單刀單擲型，為常閉或者常開，對單刀雙擲型，為接到左邊或者右邊，如圖所示。當(dāng)數(shù)字信號uCON為高電平，約為2.4V以上，此電壓足以打通晶體管的發(fā)射結(jié)，且iB足夠大，使得晶體管處于飽和狀態(tài)，繼電器的線圈上會流過晶體管飽和電流，觸點就產(chǎn)生了吸合動作。

為了實現(xiàn)這個電路，我們需要知道繼電器的關(guān)鍵參數(shù)：額定電壓URT和額定電流IRT、或者線圈電阻RCoil。然后根據(jù)晶體管的β和集電極最大電流IMAX，選擇合適的電阻即可。具體方法是：

1)選擇供電電壓VCC=繼電器額定電壓URT;

2)選擇晶體管集電極最大電流IMAX遠(yuǎn)大于繼電器額定電流IRT，且C、E擊穿電壓VCEO大于供電電壓VCC;

3)計算臨界飽和基極電流IBcrt：

4)根據(jù)戴維寧等效，可將輸入控制電壓uCON和兩個電阻分壓演變成開路電壓和串聯(lián)電阻的形式，實際基極電流約為：

5)選擇合適的電阻R1、R2，實現(xiàn)如下要求：

即，迫使晶體管進(jìn)入深度飽和狀態(tài)。

對此電路，有如下幾點解釋：

第一，并聯(lián)于繼電器線圈的二極管，叫續(xù)流二極管，其作用在于線圈由通電狀態(tài)突然變?yōu)閿嚯姞顟B(tài)時，由于線圈存在較大電感，電流不能突變，如果沒有二極管，極高的di/dt會產(chǎn)生一個較大的電壓，引起空間干擾。這對電路周邊影響不好。有了這個二極管，在正常工作時，它反接不通，在突變時，能夠讓線圈中的電流，在無法流過晶體管時，從二極管流回線圈，進(jìn)而抑制線圈中的電流突變。

第二，電路中選用兩個電阻分壓驅(qū)動發(fā)射結(jié)。按說，僅使用R1就可以了。增加電阻R2，能夠保證前端控制信號脫接時，即R1左側(cè)浮空時，晶體管基極不會出現(xiàn)浮空。對晶體管來說，浮空的基極是容易引入干擾的。另外，控制器發(fā)出的低電平，有時比0V要大，比如0.4V，這樣的結(jié)構(gòu)有助于保證低電平時晶體管的完全關(guān)斷。

下面來設(shè)計一個單片機(jī)驅(qū)動電路中經(jīng)常用到的典型電路，要求如下：數(shù)字控制信號來自3.3V供電的單片機(jī)STM32F103(電賽中經(jīng)常用到的CPU)之GPIO口，繼電器為G6A單穩(wěn)標(biāo)準(zhǔn)型，5V額定電壓，為它設(shè)計一個驅(qū)動電路。

解：首先查閱STM32F103數(shù)據(jù)手冊，可知在此供電情況下，單片機(jī)輸出高電平最小值為2.4V，輸出電流不小于8mA，輸出低電平最大值為0.4V，輸出電流不小于8mA。其次，查閱G6A數(shù)據(jù)手冊，可知5V額定電壓型的額定電流為40mA，即其線圈電阻為125Ω。以下開始設(shè)計。

1)選擇供電電壓為5V。

2)由于繼電器額定電流為40mA，供電電壓為5V。對絕大多數(shù)晶體管來說，都有100mA以上的最大電流，以及幾十V的VCEO，因此幾乎無需選擇。

據(jù)此設(shè)計電路基本結(jié)構(gòu)如圖2所示，用Multisim仿真軟件仿真實現(xiàn)，把繼電器的線圈電阻設(shè)置為125Ω

圖2 驅(qū)動電路仿真圖(低電平時)

圖中用開關(guān)S1表示單片機(jī)發(fā)出的高低電平，選用的晶體管為2N2222A，這是一個小信號通用晶體管，我們實驗室經(jīng)常用，期末課設(shè)就用它。其數(shù)據(jù)手冊截圖如下：

由上面截圖可知，反向擊穿電壓50V，而供電電壓只有5V，最大電流800mA，實際額定電流為40mA，因此安全。晶體管功耗為環(huán)境溫度25℃時不超過500mW，而實際工作時，晶體管導(dǎo)通時電流為40mA，C/E壓降約為0.5V以下，功耗不超過20mW，晶體管關(guān)斷時功耗更小。因此，選擇2N2222A是合適的。

繼續(xù)查閱2N2222A數(shù)據(jù)手冊，可知其β大于100。據(jù)此可選擇電路中的電阻。

先計算臨界飽和電流：

假設(shè)兩個電阻相等，計算控制電壓高電平時的基極電流為：

要保證此電流大于2~5倍的IBcrt，即0.8mA~2mA，R需小于1250Ω，設(shè)計中選擇R=1kΩ。

圖3 高電平時的各點電流

對此電路實施仿真，測得如下結(jié)果。

1)低電平輸入時，VF1=0.4V， VF3=0V，說明繼電器觸點處于關(guān)斷狀態(tài)(常開型)，VF2=5V，A1=9.75pA，A2=88.9pA，說明晶體管處于截止?fàn)顟B(tài)。

2)高電平輸入時，VF1=2.4V， VF3=12 V，說明繼電器觸點處于導(dǎo)通狀態(tài)(常開型吸合狀態(tài))，VF2=0.125V，A1=915uA，AM2=48.8mA，說明晶體管處于飽和導(dǎo)通狀態(tài)，而繼電器線圈流過電流接近額定電流40mA(仿真模型與實際電路有略微差別)。進(jìn)一步測量控制源輸出電流，約為1.6mA，這說明本電路取用電流小于單片機(jī)能夠提供的8mA輸出電流，也是安全的。

至此，設(shè)計完畢，此類電路在單片機(jī)的驅(qū)動電路中非常常見，且R2經(jīng)常省略，現(xiàn)在來看，在實際應(yīng)用中R2還是不要省略的好，有利于提高電路的抗干擾能力!