很多設計都用NPN三極管驅動繼電器,不可以用PNP驅動嗎,為什麼?

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三極管驅動繼電器的電路中,很多都選用NPN型三極管來驅動繼電器,是因為選用NPN型三極管驅動時,對前級電路輸出信號的幅度要求很低,對於NPN型硅三極管,只要前級電路的輸出幅度略大於0.7V,即可使NPN型三極管飽和導通,並驅動繼電器工作,而選用PNP型三極管則要求前級電路輸出足夠幅度的電壓,才能很好的控制PNP型三極管的導通與截止,故電路中驅動繼電器時,大都選用NPN型三極管,使用PNP型三極管的較少。我們來看下面的兩個繼電器驅動電路。




上圖是一個NPN型三極管驅動繼電器的電路圖。我們知道,雙極型三極管是一種電流驅動器件,對於NPN型硅管,只要加在其發射結兩端的電壓略大於0.7V,流過管子的基極電流足夠大(一般基極電流達到幾mA即可),管子便可以飽和導通,驅動繼電器工作。由於採用NPN型三極管驅動繼電器,只要前級電路的輸出幅度略大於0.7V,輸出電流達到幾mA,即可驅動一般的小功率繼電器工作,故很多電路都選用NPN型三極管來驅動繼電器工作。

像圖1電路,即使單片機的工作電壓低至1.8V,只要調整基極電阻Rb的阻值,使三極管獲得合適的基極電流,便可以驅動繼電器工作。下面我們再來看一下下圖所示的PNP型三極管驅動繼電器的電路。

圖中是採用PNP型三極管8550來驅動繼電器工作,電路的工作電壓為12V,只要Vin為低電平,三極管即可飽和導通,驅動繼電器工作,但是若想讓這個PNP型三極管充分截止,在不加4.7KΩ電阻時,要求前級電路輸出高電平的幅度達到12V,才可以使該PNP型三極管充分截止,若前級電路輸出幅度略低於12V,三極管將不能充分截止,此時會有一定的電流流過繼電器,雖然此電流較小,不會使繼電器工作,但會增加電路的靜態耗電,故採用PNP型三極管驅動繼電器時,為了使管子能夠充分截止,一般要在PNP型三極管的發射結兩端並聯一個阻值合適的電阻,來保證管子能夠充分截止。


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理論上NPN三極管和PNP三極管都可以作為開關管驅動繼電器,但是為什麼絕大部分設計都喜歡使用NPN三極管驅動繼電器呢?下面很多人的回答並沒有說到點子上。因為使用NPN三極管驅動簡單,在很多場合下若使用PNP三極管驅動繼電器並不是這麼簡單可以實現的。

我們先來看一下NPN三極管和PNP三極管當開關管的原理,下圖為基本驅動原理,左邊為NPN三極管控制原理,右邊為PNP三極管控制原理。三極管導通的條件是基極有電流,假設三極管BE壓降為0.6V,對於NPN三極管來說輸入電壓必須高於0.6V,基極才會有電流,而對PNP三極管來說基極輸入端電壓必須比VCC小0.6V以上才會有電流。

▲三極管驅動繼電器原理

三極管驅動輸入端一般為微處理器的I/O口,比如單片機、DSP、ARM、CPLD、FPGA等,下面以單片機3.3V的I/O口為例。

對於NPN三極管,高電平時三極管導通(飽和),繼電器工作,低電平時三極管截止,繼電器不工作。只要計算選擇合適的限流電阻使三極管工作於飽和區即可,原理簡單。

若是使用PNP三極管驅動就沒這麼簡單了,如果VCC的電壓是3.3V沒問題(即繼電器工作電源為3.3V),可選擇合適的限流電阻使I/O口為高電平時三極管截止,低電平時三極管導通(飽和)。但是一般繼電器的工作電壓比較高有5V、12V、24V等,也就是說繼電器的工作電壓與I/O口高電平的電壓不相等時這麼設計就會出問題了,並沒這麼簡單。假如24V的繼電器,無論使用3.3V或5V的I/O口控制PNP三極管,低電平時PNP三極管導通,高電平(3.3V或5V)時,發射極與基極的壓差仍然很大,基極有電流,PNP三極管也導通,根本無法控制繼電器,而直接使用NPN三極管就不一樣了,不會受到VCC電壓的影響,無論VCC電壓多少一樣能控制。

所以,若使用PNP三極管驅動繼電器,前端還得加一級電路,可以是NPN三極管、光耦等,多此一舉還不如直接使用NPN三極管方便,明白了吧?

總結:繼電器的工作電壓比I/O口控制端高電平電壓高時,只使用一個PNP三極管無法實現控制繼電器,所以一般採用NPN三極管驅動,原理簡單,易實現。

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技術閒聊


無論是NPN還是PNP三極管,都可以用來驅動繼電器,在技術上沒有什麼問題,剩下的就是一個習慣性的問題。

在半導體中,構成放大電路的是三極管,在最一開始的時候用的是鍺管,由於工藝上的原因,鍺管一般都是PNP(就是在P型鍺半導體材料製作),由於鍺對溫度敏感,所以它逐漸被硅替代,也就是用硅管,同樣的原因,硅管一般都是NPN管。

如果一定要用鍺NPN或者硅PNP管,價格上差出一大截。

就題主的問題而言,還有一個原因,就是邏輯習慣。

從邏輯上來說,我們一般把高電平看成成立或者是,把低電平看成失敗或者否定,用NPN管子驅動繼電器,正好是輸入高電平的時候繼電器吸合,低電平的時候繼電器放開,與邏輯相通。



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我想結合設計產品時的考量說明一下為什麼不用PNP而是NPN三極管來驅動繼電器。

理論上,PNP和NPN都可以用於驅動繼電器。

我在設計控制器時,主要做了以下幾點考慮,並最終選擇由NPN三極管組成的達林頓芯片ULN2003。

1)可以實現控制器與繼電器驅動電源的隔離

如果選擇PNP三極管,所有繼電器的驅動電源都需要用控制器提供,控制器需要同時驅動16個繼電器,按照繼電器的規格書,繼電器的線圈電阻為650歐@24v,電流大概為36mA,當16個繼電器同時吸合時,總的線圈電流大概為0.567A,也就是給控制器供電的電源需要額外給繼電器線圈提供0.5A的電流。

當繼電器的線圈電壓為12V或者9V時,所需要的電流更大,達到幾安。

由控制器提供電源給繼電器,無疑會增加控制器的發熱量。而且控制器如果是內置電源,無疑會增加內置電源的功耗,並導致散熱問題,可靠性下降。

不採用PNP三極管驅動的原因是,沒有辦法將控制器的電源和繼電器的線圈電源分開,繼電器只能由控制器的電源供電,而無法由其它電源供電。

2)可以驅動不同線圈電壓的繼電器

如果是PNP三極管驅動,而驅動的繼電器的線圈電壓需要和控制器提供的電壓一致。

而如果採用NPN三極管驅動,控制器只提供地端,電源端可以根據線圈電壓選擇不同的供電電源。

可以實現同一控制器驅動不同線圈電壓的繼電器。

3)降低發生短路故障的概率

為了安全考慮,一般情況下,控制系統中的地會與大地接在一起。對於繼電器的驅動輸出有時並不會做短路保護,在發生短路故障時可能會損壞驅動的三極管。

當從控制器接線到繼電器時,控制器的接線接觸到大地的概率遠遠大於接觸到其它導線的概率。

如果是PNP三極管驅動,導線接觸到大地,就會發生短路故障,而NPN三極管驅動,導線觸碰到電源才會發生短路故障。

4)便於實現通過檢測輸出電流進行短路保護

當通過檢測輸出電流來實現輸出的短路、過載保護時,如果是PNP驅動,通過專用的運放,在高端採集電流並送入單片機進行檢測,而如果是NPN驅動,只需要在低端串入採樣電阻,通過簡單的 R、C濾波之後接入到單片機,不需要差分運放進行檢測。

更簡單的做法,只需要將NPN三極管的C極電壓通過 R、C濾波之後接入到單片機,通過C、E極的飽和導通電壓判斷是否發生短路故障。

5)有些大功率的中間繼電器,線圈驅動電流可能高達數百mA。一個三極管的C極電流放大倍數在高溫時可能僅為30倍左右,單片機直接控制單個三極管驅動繼電器,可能繼電器的線圈電流達不大要求,無法驅動。

比如下圖的驅動電路:


當三極管B極電阻選擇為1k,單片機輸出高電平為3.3V,那麼三極管B極電流大概為2.6mA。

以功率三極管2SD313為例,其電流放大倍數與C極電流的關係曲線如下:

可見,當三極管C極電流增大時,其電流放大倍數急劇下降,最低到30左右。

所以我們考慮溫度、電流極限情況以及初始誤差,將電流放大倍數定為30。

此時,C極的電流僅為2.6*30=78mA,無法驅動線圈電流為幾百mA的繼電器。

所以,我們不選用NPN單管或者PNP單管驅動繼電器。

而是選擇由兩個NPN三極管組成的達林頓管進行驅動。

達林頓管電路如下:


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NPN三極管和PNP三極管都是可以用來驅動繼電器的,兩者的設計電路不同。三極管控制繼電器的通斷時工作在截止和飽和狀態,下面來詳細介紹控制原理。

1 NPN三極管控制繼電器

使用NPN三極管來控制繼電器的通斷時,有幾個特別需要注意的地方。首先,繼電器要接在三極管的集電極上,如果接在發射極的話,可能會導致三極管不能完全飽和,導致繼電器吸合不牢或者不工作;其次,要在繼電器的線圈兩端加一個反向的續流二極管,這個二極管在線圈失電的時候用來保護三極管不被反向感應電動勢所擊穿。如下圖所示。

當基極上是低電平時,NPN三極管截止,繼電器不工作;當基極上是高電平時,NPN三極管導通,繼電器工作。如果用PNP三極管來控制繼電器的話其控制邏輯正好相反。

2 PNP三極管用來控制繼電器

使用PNP三極管用來控制繼電器時,需要將繼電器接在集電極上。控制原理如下圖所示。

當基極為高電平時,PNP三極管截止,繼電器不能工作;當NPN三極管為低電平時,三極管導通,繼電器工作。

由此可以看出,不管是NPN還是PNP在控制繼電器時都存在相似之處,但是兩者的控制邏輯相反。但是都能實現繼電器的控制。

以上就是這個問題的回答,感謝留言、評論、轉發。更多電子設計、硬件設計、單片機等內容請關注本頭條號:玩轉嵌入式。感謝大家。

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三極管有NPN和PNP兩種,其實都是可以用於驅動繼電器

三極管是電流控制型的元件,有截止區、放大區和飽和導通三個工作區。讓三極管工作在截止區和飽和導通區,可以實現電子開關的功能,可以用於驅動繼電器、直流電機、LED等一些小功率的直流負載。三極管由兩個PN結組成,可以排列成NPN型的,也可以排列為PNP型的。

NPN和PNP型三極管電流流向

NPN三極管:基極控制電流(Ib)從基極(b)流入,負載工作電流從集電極(c)流入,從發射極(e)流出

PNP三極管:基極控制電流(Ib)從基極(b)流出,負載工作電流從發射極(e)流入,從集電極(c流出

由此可見,NPN和PNP三極管只是電流的流向不同,其實都是可以用於控制負載(繼電器)的。

NPN和PNP型三極管驅動繼電器電路分析

三極管的負載工作電流Ic=Ib * β;只要在基極注入適當的控制電流,就可以讓三極管導通。

NPN三極管:驅動電流(Ib)需要從基極(b)流入,所以,基極(b)驅動(DR)為高電平時才可以讓NPN三極管導通,NPN三極管工作在飽和導通區時,BE之間的PN結正偏(Vbc大約為0.7V),BC之間的PN結正偏(Vb>=Vc)。

使用NPN三極管驅動繼電器時,三極管的發射極需要連接到GND,繼電器需要連接在三極管的集電極

PNP三極管:驅動電流(Ib)需要從基極(b)流出,所以,基極(b)驅動(DR)為低電平時才可以讓PNP三極管導通,PNP三極管工作在飽和導通區時,BE之間的PN結正偏(Vbc大約為0.7V),BC之間的PN結反偏(Vb>=Vc)。

使用PNP三極管驅動繼電器時,三極管的發射極需要連接到VCC,繼電器需要連接在三極管的集電極

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因為幾乎所有的半導體元件都是硅基的,共地是電源負極,也就是NPN的發射極。如果用PNP,發射極接電源正極,在驅動級電壓和控制級電壓不一致時,會出現開關管一直導通的情況。比如一個3伏的單片機驅動5伏繼電器,用PNP時發射極是5位,基極接單片機輸出,最高只有3V,基極電位低於發射極,三極管將會一直處於導通狀態。

以前很古老的單片機,有些IO口只有開漏輸出,只能灌入電流,這時候就要用PNP管,否則就要用上拉電阻,增加電源消耗。現在的單片IO口都能通過寄存器設置輸出模式,用NPN管要設置成推輓模式。


光明右使8787


在繼電器驅動電路中大部分都用三極管作為驅動元件,不管是NPN三極管還是PNP三極管都是可以用來驅動繼電器的。我們設計繼電器驅動電路到底用那種型號的三極管是根據所設計的電路來確定的。

例如上圖,我們要用單片機來控制繼電器,由於眾所周知的原因,單片機的輸入與輸出引腳驅動能力差,必須要用三極管或者驅動芯片來驅動繼電器。上圖中我們就是用的PNP三極管作為驅動元件的,當單片機P1.0口輸出低電平的時候,PNP型三極管2N5401就會飽和導通,繼電器K就會吸合;若單片機P1.0口“吐出”高電平1時,PNP型三極管截止,繼電器就不吸合。為了保護三極管一般會在繼電器的線圈上反向並聯一個續流二極管。

另外NPN三極管也可以進行繼電器驅動的,比如上圖中就是用了NPN型三極管對繼電器進行驅動的。它也是用單片機進行控制的,只不過為了增強抗干擾能力在兩者之間增加了一個光電耦合器。當單片機P1.0口“吐出”低電平時光電耦合器裡的發光二極管導通,使三極管的基極得到高電平,因此三極管就會飽和導通繼電器吸合;當P1.0“吐出”高電平時繼電器就會不吸合。

由此可見採用NPN還是採用PNP三極管是根據設計電路的原理要求來確定的,並不只有NPN三極管才能驅動繼電器,實際上在很多繼電器驅動電路中經常可以看到用繼電器專用集成驅動芯片來驅動繼電器的,比如常見的專用驅動芯片有75468。下圖就是起應用的案例。

以上就是我對這個問題的看法,歡迎朋友們參與討論這個話題,敬請關注電子及工控技術。


電子及工控技術


ok。我認為:

使用npn三極管是集成電路的設計造成的。

集成電路設計時往往輸出電流較大,吸收電流不大,具體看說明書!

使用npn型三極管,對應的集成電路是輸出電流。

如果使用pnp型就要求集成電路吸收電流。

所以一定要看集成電路的輸出電流或吸收電流能力!


流量扶貧踐行者


也是由電源決定的。

通常電路電源都是負極接地的。正極接集電極,這種電路放大係數高。如果運用PNP三極管,電源則需要反向供電——負極連接集電極,會與前後其他電路、尤其是集成電路模塊,不融合的。


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