集電極開路輸出在大電流負(fù)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(jì)、運(yùn)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(fù)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(jì)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(biāo)識為Emitter、Base和Collector。

我們可以使用雙極晶體管作為放大器運(yùn)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(dāng)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(fù)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(dāng) V BE遠(yuǎn)小于 0.7 伏(零基極電流)或遠(yuǎn)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?yàn)楫?dāng)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(dāng)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(fù)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(dāng) NPN 雙極晶體管在集電極開路(OC 或 o/c)配置下運(yùn)行時，它在完全開啟或完全關(guān)閉之間運(yùn)行，因此充當(dāng)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(dāng)施加合適的基極偏置電壓時，晶體管將完全導(dǎo)通。因此，當(dāng)晶體管在其截止區(qū) (OFF) 和飽和區(qū) (ON) 之間運(yùn)行時，它不會像在其有源區(qū)受控時那樣作為放大器件運(yùn)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(fù)載的能力，這些負(fù)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(shí)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(diǎn)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(dú)的電源軌為負(fù)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(diǎn)是，當(dāng)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?yàn)閷τ? 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(dāng)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(dāng)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(fù)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。