继电器的优点是操作继电器线圈需要相对少量的电力。然而，继电器开关电路可用于控制电机、加热器、灯或交流电路，这些电路本身可以消耗更多的电压、电流，从而消耗更多的功率。
　　机电继电器是一种输出设备（执行器），具有多种形状、尺寸和设计，在电子电路中具有多种用途和应用。但是，虽然继电器可用于允许低功率电子或计算机类型电路将相对高的电流或电压切换为“开”或“关”，但需要某种形式的继电器开关电路来控制它。
　　继电器开关电路的设计和类型多种多样，但许多小型电子项目使用晶体管和 MOSFET 作为主要开关器件，因为晶体管可以从各种输入源提供继电器线圈的快速直流开关（ON-OFF）控制，因此以下是一些更常见的继电器切换方法的一小部分。
　　NPN继电器开关电路
　　典型的继电器开关电路具有由 NPN 晶体管开关TR1驱动的线圈，如图所示，具体取决于输入电压电平。当晶体管的基极电压为零（或负）时，晶体管截止并充当打开的开关。在这种情况下，集电极没有电流流动，并且继电器线圈断电，因为作为电流器件，如果没有电流流入基极，则没有电流流过继电器线圈。
　　如果现在有足够大的正电流被驱动到基极以使 NPN 晶体管饱和，则从基极流到发射极（B到E）的电流将控制从集电极流经晶体管到发射极的较大继电器线圈电流。

　　对于大多数双极开关晶体管，流入集电极的继电器线圈电流量将是驱动晶体管饱和所需基极电流的 50 到 800 倍之间。 所示通用 BC109 的电流增益或贝塔值 (  β ) 在 2mA 时通常约为 290（数据表）。

　　NPN继电器开关电路
　　npn继电器开关电路
　　请注意，继电器线圈不仅是电磁体，而且也是电感器。当由于晶体管的开关动作而向线圈施加功率时，根据欧姆定律（I = V/R）定义的线圈的直流电阻，将流过电流。其中一些电能存储在继电器线圈的磁场内。
　　当晶体管切换为“OFF”时，流经继电器线圈的电流减少，磁场消失。然而，磁场内存储的能量必须到达某个地方，并且当线圈试图维持继电器线圈中的电流时，会在线圈上产生反向电压。此动作会在继电器线圈上产生高压尖峰，如果允许该高压尖峰累积，可能会损坏开关 NPN 晶体管。
　　所以为了防止损坏半导体晶体管，在继电器线圈两端连接了一个“续流二极管”，也称为续流二极管。该续流二极管将线圈两端的反向电压钳位至约 0.7V，从而消耗存储的能量并保护开关晶体管。续流二极管仅适用于电源为极化直流电压的情况。交流线圈需要不同的保护方法，为此使用 RC 缓冲电路。

　　NPN达林顿继电器开关电路

　　以前的 NPN 晶体管继电器开关电路非常适合开关 LED 和微型继电器等小负载。但有时需要切换更大的继电器线圈或超出 BC109 通用晶体管范围的电流，这可以使用达林顿晶体管来实现。
　　通过使用达林顿晶体管对代替单个开关晶体管，可以大大提高继电器开关电路的灵敏度和电流增益。达林顿晶体管对可由两个单独连接的双极晶体管制成，如图所示，或作为具有标准的单个器件提供：基极、发射极和集电极连接引线。

　　两个NPN晶体管如图所示连接，使得晶体管TR1的集电极电流变成第二晶体管TR2的基极电流。向TR??1施加正基极电流会自动打开开关晶体管TR2。

　　NPN 达林顿配置

　　npn达林顿继电器开关电路

　　如果将两个单独的晶体管配置为达林顿开关对，则通常在主开关晶体管TR2的基极和发射极之间放置一个小阻值电阻（100 至 1,000Ω） ，以确保其完全关闭。同样，续流二极管用于保护TR2免受继电器线圈断电时产生的反电动势的影响。
　　射极跟随器继电器开关电路
　　除了继电器开关电路的标准共射极配置外，继电器线圈还可以连接到晶体管的发射极端子以形成射极跟随器电路。输入信号直接连接到基极，而输出则取自发射极负载，如图所示。

　　射极跟随器继电器开关电路

　　射极跟随器继电器开关电路
　　公共集电极或射极跟随器配置对于阻抗匹配应用非常有用，因为输入阻抗非常高，在数十万欧姆范围内，同时具有相对较低的输出阻抗来切换继电器线圈。与之前的 NPN 继电器开关电路一样，通过向晶体管的基极施加正电流来发生开关。
　　发射极达林顿继电器开关电路
　　这是之前的射极跟随器电路的达林顿晶体管版本。由于两个 Beta 值相乘，施加到TR1的非常小的正基极电流会导致流过TR2 的集电极电流大得多。

　　发射器达林顿配置

　　发射极达林顿继电器开关电路
　　共发射极达林顿继电器开关电路可用于提供电流增益和功率增益，并且电压增益近似等于1。此类射极跟随器电路的另一个重要特性是它具有高输入阻抗和低输出阻抗，这使其非常适合大型继电器线圈的阻抗匹配。
　　PNP继电器开关电路
　　除了使用 NPN 双极晶体管切换继电器线圈和其他此类负载外，我们还可以使用 PNP 双极晶体管切换它们。PNP继电器开关电路在控制继电器线圈的能力方面与NPN继电器开关电路没有什么不同。然而，它确实需要不同极性的工作电压。例如，对于 PNP 类型，集电极-发射极电压Vce必须为负，才能导致电流从发射极流向集电极。

　　PNP 晶体管配置

　　pnp继电器开关电路
　　PNP晶体管电路的工作原理与NPN继电器开关电路相反。当基极正向偏置电压比发射极电压更负时，负载电流从发射极流向集电极。为了使继电器负载电流通过发射极流向集电极，基极和集电极相对于发射极都必须为负。
　　换句话说，当Vin为高电平时，PNP 晶体管被切换为“OFF”，继电器线圈也被切换为“OFF”。当Vin为低电平时，基极电压小于发射极电压（负值更大），PNP 晶体管“导通”。基极电阻值设置基极电流，基极电流设置驱动继电器线圈的集电极电流。
　　当开关信号与 NPN 晶体管相反时，例如 CMOS NAND 门或其他此类逻辑器件的输出，可以使用 PNP 晶体管开关。CMOS 逻辑输出在逻辑 0 时具有驱动强度，可吸收足够的电流以将 PNP 晶体管“导通”。然后，通过使用 PNP 晶体管和相反极性的电源，可以将电流吸收器变成电流源。
　　PNP集电极继电器开关电路
　　该电路的操作与前面的继电器开关电路相同。在该继电器开关电路中，继电器负载已连接到PNP晶体管的集电极。当Vin为低电平时，晶体管“ON”，当Vin为高电平时，晶体管“OFF” ，晶体管和线圈的开关动作发生。
　　PNP 收集器配置
　　pnp集电极继电器开关电路
　　我们已经看到，NPN 双极晶体管或 PNP 双极晶体管都可以用作继电器开关或任何其他负载的开关。但是，当电流沿两个不同方向流动时，需要理解两种不同的条件。
　　因此，在 NPN 晶体管中，相对于发射极的高电压被施加到基极，电流从集电极流向发射极，并且 NPN 晶体管切换为“ON”。对于 PNP 晶体管，相对于发射极的低电压被施加到基极，电流从发射极流向集电极，并且 PNP 晶体管切换为“ON”。

　　N沟道MOSFET继电器开关电路

　　MOSFET 继电器开关操作与上面看到的双极结型晶体管 (BJT) 开关操作非常相似，并且之前的任何电路都可以使用 MOSFET 来实现。然而，MOSFET 电路的操作存在一些主要差异，主要是 MOSFET 是电压操作器件，并且由于栅极与漏源通道电隔离，因此它们具有非常高的输入阻抗，因此栅极电流对于 MOSFET 来说为零，因此不需要基极电阻。
　　MOSFET 通过导电沟道进行导电，沟道初是关闭的，晶体管“OFF”。随着施加到栅极端子的电压缓慢增加，该沟道的导电宽度逐渐增加。换句话说，随着栅极电压的增加，晶体管通过增强沟道来工作，因此这种类型的 MOSFET 被称为增强型 MOSFET 或 E-MOSFET。
　　N 沟道增强型 MOSFET (NMOS) 是常用的 MOSFET 类型，因为栅极端子上的正电压会将 MOSFET 切换为“ON”，栅极端子上的零电压或负电压会将其切换为“OFF”，非常适合用作 MOSFET 继电器转变。还提供互补 P 沟道增强型 MOSFET，与 PNP BJT 一样，它们可以在相反的电压下工作。
　　N 沟道 MOSFET 配置
　　n沟道MOSFET继电器开关电路
　　上述MOSFET继电器开关电路采用共源配置连接。在零电压输入、低电平条件下， V GS的值，没有足够的栅极驱动来打开通道，并且晶体管处于“关闭”状态。但是，当V GS增加到 MOSFET 下阈值电压V T以上时，通道打开，电流流动并且继电器线圈工作。
　　然后，增强型 MOSFET 作为常开开关运行，非常适合开关继电器等小负载。E 型 MOSFET 具有较高的“关断”电阻，但具有中等的“导通”电阻（适合大多数应用），因此在为特定开关应用选择 E 型 MOSFET 时，需要考虑其R DS值。

　　P沟道MOSFET继电器开关电路

　　P 沟道增强型 MOSFET (PMOS) 的构造与 N 沟道增强型 MOSFET 相同，只是它仅在负栅极电压下工作。换句话说，P 沟道 MOSFET 以相同的方式工作，但极性相反，因为栅极必须比源极更负，才能通过如图所示的正向偏置来“导通”晶体管。
　　P沟道MOSFET继电器开关电路
　　p沟道电路
　　在此配置中，P 沟道源极端子连接到+Vdd，漏极端子通过继电器线圈连接到地。当高电压电平施加到栅极时，P 沟道 MOSFET 将“截止”。关闭的 E-MOSFET 将具有非常高的沟道电阻，并且几乎像开路一样工作。
　　当低电压电平施加到栅极时，P 沟道 MOSFET 将“导通”。这将导致电流流过操作继电器线圈的 e-MOSFET 通道的低电阻路径。N 沟道和 P 沟道 e-MOSFET 均可构成出色的低压继电器开关电路，并且可以轻松连接到各种数字逻辑门和微处理器应用。

　　逻辑控制继电器开关电路

　　N 沟道增强型 MOSFET 作为晶体管开关非常有用，因为在“OFF”状态（栅极偏置为零），其沟道具有非常高的电阻，可阻止电流流动。然而，在其高阻抗栅极上大于阈值电压V T 的相对较小的正电压导致其开始从其漏极端子传导电流到其源极端子。
　　与需要基极电流才能“导通”的双极结型晶体管不同，e-MOSFET 仅需要栅极上的电压，因为其绝缘栅极结构，零电流流入栅极。然后，这使得 e-MOSFET（N 沟道或 P 沟道）非常适合由典型 TTL 或 CMOS 逻辑门直接驱动，如图所示。
　　逻辑控制继电器开关电路
　　逻辑控制
　　此处，N 沟道 E-MOSFET 由数字逻辑门驱动。大多数逻辑门的输出引脚只能提供有限的电流，通常不超过约 20 mA。由于 e-MOSFET 是电压驱动器件，不消耗栅极电流，因此我们可以使用 MOSFET 继电器开关电路来控制高功率负载。
　　微控制器继电器开关电路
　　除了数字逻辑门之外，我们还可以使用微控制器、PIC 和处理器的输出引脚和通道来控制外部世界。下面的电路显示了如何使用 MOSFET 开关连接继电器。

　　微控制器继电器开关电路

　　微控制器
　　教程总结
　　在本教程中，我们了解了如何使用双极结型晶体管（NPN 或 PNP）和增强型 MOSFET（N 沟道或 P 沟道）作为晶体管开关电路。
　　有时，在构建电子或微控制器电路时，我们希望使用晶体管开关来控制大功率设备，例如电机、灯、加热元件或交流电路。通常，这些设备需要比单个功率晶体管能够处理的更大的电流或更高的电压，那么我们可以使用继电器开关电路来做到这一点。
　　双极晶体管 (BJT) 构成非常好的且廉价的继电器开关电路，但 BJT 是电流操作器件，因为它们将小基极电流转换为较大的负载电流，为继电器线圈供电。
　　然而，MOSFET 开关是理想的电气开关，因为它几乎不需要栅极电流即可“导通”，将栅极电压转换为负载电流。因此，MOSFET可以作为压控开关来操作。
　　在许多应用中，双极晶体管可以用增强型 MOSFET 替代，从而提供更快的开关动作、更高的输入阻抗以及可能更低的功耗。极高的栅极阻抗、“关闭”状态下的极低功耗以及极快的开关能力相结合，使得 MOSFET 适合许多数字开关应用。此外，在栅极电流为零的情况下，其开关动作不会使数字门或微控制器的输出电路过载。
　　然而，由于 E-MOSFET 的栅极与组件的其余部分绝缘，因此它对静电特别敏感，静电可能会破坏栅极上的薄氧化层。然后，在处理该组件或使用该组件时应特别小心，并且任何使用 e-MOSFET 的电路都应包括适当的静电和电压尖峰保护。
　　此外，为了对 BJT 或 MOSFET 提供额外保护，请始终在继电器线圈上使用续流二极管，以安全地耗散晶体管开关动作产生的反电动势。