基于集电极开路输出的大电流负载控制电路设计

集电极开路输出在数字芯片设计、运算放大器和微控制器 (Arduino) 类型应用中越来越普遍，用于与其他电路连接或驱动可能与电气特性不兼容的指示灯和继电器等大电流负载控制电路。但是“集电极开路”是什么意思，我们如何在电路设计中使用它。

从我们之前的教程中我们知道，双极结型晶体管，无论是NPN型还是PNP型，都是三端器件。这三个端子被标识为Emitter、Base和Collector。

我们可以使用双极晶体管作为放大器运行，即输出信号的幅度大于输入信号，或者更常见的是，作为固态“开/关”型电子开关。

由于双极结型晶体管 (BJT) 是一种 3 端子器件，因此可以在三种不同的开关模式之一中配置和操作它。它们是公共基极(CB)、公共发射极(CE) 和公共集电极(CC)。

当用于放大(有源区)或开关(截止或饱和区)时，“共发射极”配置是迄今为止最常见的晶体管配置。这就是我们将在本教程中看到的关于集电极开路输出的晶体管配置。

考虑如下所示的标准共射极放大器配置。

共发射极配置

在这个单级共发射极配置中，电阻连接在晶体管的集电极端子和正电源轨 V CC之间。输入信号施加在晶体管基极和发射结之间，发射极端子直接接地。因此，描述性术语“共发射极”(CE)。

将晶体管“导通”所需的偏置电流 I B通过基极电阻 R B直接馈入 NPN 晶体管的基极，输出信号相对于输入信号反相180 ° ，取自集电极和发射极端子。

这允许将晶体管集电极电流控制在零(截止)和某个最大值(饱和)之间。这是共发射极配置的标准配置，既可以偏置为 A 类放大器，也可以作为逻辑开/关开关。

这里的问题是晶体管及其集电极负载电阻都连接到一个公共电源电压。此处使用集电极电阻 R C来允许集电极电压 V C响应施加到晶体管基极端子的输入信号而改变值，从而允许晶体管产生放大的输出信号。由于没有 R C，集电极端子上的电压将始终等于电源电压。

如前所述，当 V BE远小于 0.7 伏(零基极电流)或远大于 0.7 伏(最大基极电流)时，双极结型晶体管可以在其截止区和饱和区之间工作。

以这种方式，NPN 双极晶体管可以用作执行反相操作的电子开关，因为当晶体管处于“关断”状态时，其集电极端子，因此 V CE ，在 V CC电平上为“高电平” ，而当它为“ON”时，(导通)V CE上的输出将为“LOW”，例如，如果我们要控制继电器、螺线管或灯，则这是相反的开关条件。

克服晶体管开关状态反转的一种方法是完全移除集电极电阻 R C并使晶体管集电极端子可用于连接到某些外部负载。这种类型的设置会产生通常所说的集电极开路输出配置。

NPN 集电极开路输出

当 NPN 双极晶体管在集电极开路(OC 或 o/c)配置下运行时，它在完全开启或完全关闭之间运行，因此充当电子固态开关。

也就是说，在没有施加基极偏置电压的情况下，晶体管将完全关断，而当施加合适的基极偏置电压时，晶体管将完全导通。因此，当晶体管在其截止区 (OFF) 和饱和区 (ON) 之间运行时，它不会像在其有源区受控时那样作为放大器件运行。

晶体管在截止和饱和之间的切换允许集电极开路输出驱动外部连接负载的能力，这些负载需要比以前的共发射极配置所允许的更高的电压和/或电流。唯一的限制是实际开关晶体管的最大允许电压和/或电流值。

那么集电极开路输出的优点是，任何输出开关电压都可以通过像以前一样将集电极端子上拉到单个正电源，或者通过单独的电源轨为负载供电来简单地获得。例如，您可能想要驱动需要从 +5 伏逻辑门或 Arduino、Raspberry-Pi 输出引脚的输出提供 +12 伏电源的低电流灯或继电器。

但其缺点是，当使用集电极开路输出来切换数字信号、门电路或电子电路的输入端时，由于三极管的集电极端没有输出驱动能力，一般需要外接上拉电阻。这是因为对于 NPN 晶体管，它只能在通电时将输出拉低至地 (0V)，而在处于关断状态时无法返回或将其再次推回高电平。

当断电时，必须使用连接在其集电极端子和电源电压之间的外部“上拉电阻”将输出再次拉高，以阻止集电极开路端子在高电平 (+V) 和低电平之间浮动 ( 0V) 当晶体管关闭时。

此上拉电阻器的值并不重要，在某种程度上取决于输出端所需的负载电流值，电阻值的范围通常为几百到几千欧姆。因此，对于 NPN 双极晶体管，其集电极开路输出仅为电流吸收输出。