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[经验]

输入和输出设备系列——输出接口电路

2020-10-10 10:10:38  229 发光二极管 电路设计 接口 开关电路
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正如我们在前面的输入接口教程中所看到的,接口电路允许一种类型的电路连接到另一种可能具有不同额定电压或电流的电路。
除了连接诸如开关传感器之类的输入设备外,我们还可以连接诸如继电器,电磁螺线管和照明灯之类的输出设备。然后,将输出设备连接到电子电路通常称为:输出接口
电子电路和微控制器的输出接口使他们能够通过使物体移动(例如机器人的电机或机械臂等)来控制现实世界。但是输出接口电路也可以用于接通或断开物体(例如指示器)或灯光。然后,输出接口电路可以具有数字输出或模拟输出信号。

直流电动机
输出设备

数字逻辑输出是最常见的输出接口信号类型,并且最容易控制。数字输出接口使用控制器软件使用继电器将来自微控制器输出端口或数字电路的信号转换为ON / OFF触点输出。
模拟输出接口电路使用放大器为速度或位置控制类型的输出产生变化的电压或电流信号。脉冲输出开关是另一种类型的输出控制,它可以改变输出信号的占空比,以进行灯的调光或直流电动机的速度控制。
虽然输入接口电路被设计为接受来自不同类型传感器的不同电压电平,但是需要输出接口电路以产生更大的电流驱动能力和/或电压电平。通过提供集电极开路(或漏极开路)输出配置,可以提高输出信号的电压电平。也就是说,晶体管的集电极端子(或MOSFET的漏极端子)通常连接到负载。
几乎所有微控制器,PIC或数字逻辑电路的输出级都可以吸收或提供有用的输出电流,以切换和控制大范围的输出接口设备以控制现实世界。当我们谈论吸收电流和拉电流时,输出接口既可以“发出”(源)开关电流,也可以“吸收”(吸收)开关电流。这意味着根据负载如何连接到输出接口,HIGH或LOW输出将激活它。
在所有输出接口设备中,最简单的也许是那些用于发光的设备,它们既可以用作单个ON / OFF指示器,也可以用作多段显示器或条形图显示器的一部分。但是与可以直接连接到电路输出的普通灯泡不同,作为二极管LED需要一个串联电阻来限制其正向电流。
输出接口电路发光二极管(简称LED)是许多电子电路的输出设备,是一种出色的低功耗选择,因为它们可用来代替高功率,高温灯丝灯泡作为状态指示器。LED通常由低压,低电流源驱动,使其成为用于数字电路的极具吸引力的组件。而且,作为固态设备,它们的预期使用寿命可以超过100,000小时,因此非常适合安装和忘记使用。
单LED接口电路
我们在《发光二极管教程》中看到,LED是一种单向半导体器件,当正向偏置时,即当其阴极(K)相对于其阳极(A)足够负时,它可以产生整个范围的彩色输出光线和亮度。
取决于用于构造LED pn结的半导体材料,将确定所发射光的颜色以及它们的开启正向电压。最常见的LED颜色是红色,绿色,琥珀色或黄色。
与常规信号二极管的硅的正向电压降为约0.7伏或锗的正向电压降为不同,发光二极管的正向电压降比普通信号二极管大。但是当向前偏置时会产生可见光。
典型的LED发光时会具有恒定的正向压降,V LED约为1.2至1.6伏,其发光强度直接随正向LED电流变化。但是,由于LED实际上是一个“二极管”(其箭头符号类似于二极管,但在LED符号旁边带有小箭头表示它发光),因此它需要一个限流电阻来防止它在电源短路时短路。向前偏见。
可以直接从大多数输出​​接口端口驱动LED,因为标准LED可以在5mA至25mA之间的正向电流下工作。典型的彩色LED需要约10 mA的正向电流才能提供合理的亮度显示。因此,如果我们假设单个红色LED在被照明为1.6伏时具有正向压降,并且将由提供10mA电流的5伏微控制器的输出端口进行操作。然后,所需的限流串联电阻R S的值计算如下:

但是,在E24(5%)的首选电阻值系列中,没有340Ω电阻,因此选择的最接近的首选值将是330Ω或360Ω。实际上,取决于电源电压(  V S  )和所需的正向电流(  I F  ),任何介于150Ω和750Ω之间的串联电阻值都可以很好地工作。
还要注意,作为串联电路,电阻与LED的连接方式无关紧要。但是,单向的LED必须正确连接。如果您以错误的方式连接LED,则不会损坏它,只会使其不亮。
多LED接口电路
除了将单个LED(或灯)用于输出接口电路之外,我们还可以将两个或多个LED连接在一起,并从相同的输出电压为它们供电,以用于光电电路和显示器。
将两个或多个LED串联在一起与使用单个LED没什么不同,但是这次我们需要考虑串联组合中其他LED的额外正向压降,V LED。
例如,在上面的简单LED输出接口示例中,我们说过LED的正向压降为1.6伏。如果我们串联使用三个LED,则这三个LED的总压降将为4.8(3 x 1.6)伏。这样就可以使用5伏电源了,但是最好使用更高的6伏或9伏电源来为三个LED供电。
假设在10mA时提供9.0伏的电压(如前所述),则所需的串联限流电阻R S的值计算如下:R S  =(9-4.8)/ 10mA =420Ω。同样,在E24(5%)的首选电阻值系列中,没有420Ω电阻,因此选择的最接近的首选值为430Ω。
作为低电压,低电流设备,LED非常适合作为状态指示器,可以直接从微控制器和数字逻辑门或系统的输出端口驱动。微控制器端口和TTL逻辑门具有吸收或拉电流的能力,因此可以通过将阴极接地(如果阳极连接到+ 5v)或通过向阳极施加+ 5v(如果阴极)来点亮LED。如图所示,通过适当的串联电阻接地。
连接LED的数字输出

以上的输出接口电路对于一个或多个串联LED或电流要求小于25 mA(最大LED正向电流)的任何其他设备都可以正常工作。但是,如果输出驱动电流不足以操作LED,或者我们希望操作或切换额定电压或电流较高的负载(例如12v灯丝灯),会发生什么情况。答案是使用附加的开关设备,例如所示的晶体管,mosfet或继电器。
输出接口高电流负载
常见的输出接口设备,例如电动机,螺线管和灯,需要大电流,因此最好由所示的晶体管开关装置控制或驱动。这样,负载(灯或电动机)不会使开关接口或控制器的输出电路过载。
晶体管开关非常普遍,对于切换高功率负载或不同电源的输出接口非常有用。如需要,它们也可以每秒进行几次“ ON”和“ OFF”切换,例如在脉宽调制,PWM电路中。但是,关于使用晶体管作为开关,我们首先需要考虑一些事项。
流入基极-发射极结的电流用于控制从集电极流向发射极的较大电流。因此,如果没有电流流入基极端子,则没有电流从集电极流向发射极(或流经连接到集电极的负载),则该晶体管被称为完全截止(截止)。
将晶体管完全导通(饱和)时,晶体管开关有效地用作闭合开关,即其集电极电压与发射极电压相同。但是作为固态设备,即使处于饱和状态,在晶体管端子之间始终会有很小的电压降,称为V CE(SAT)。取决于晶体管,该电压范围为约0.1至0.5伏。
同样,由于晶体管将被完全导通,因此负载电阻会将晶体管的集电极电流I C限制为负载所需的实际电流(在我们的情况下为通过灯的电流)。然后,太多的基极电流会过热并损坏开关晶体管,这在某种程度上无法实现使用一种晶体管来控制较小的负载电流的目的。因此,电阻器是必需的,以限制基极电流,予乙。
下面显示了使用单个开关晶体管控制负载的基本输出接口电路。请注意,通常会连接一个续流二极管,也称为飞轮二极管或反电动势抑制二极管,例如1N4001或1N4148,以保护晶体管免受跨电感负载(如继电器,电动机和电动机)产生的反电动势电压的影响。电磁阀等通过晶体管关闭电流时。
基本晶体管开关电路

假设我们希望通过适当的输出接口晶体管开关电路,使用TTL 5.0v数字逻辑门的输出来控制连接到12伏电源的5瓦灯丝灯的工作。如果直流电流增益(集电极(输出)和基极(输入)电流之间的比率)的晶体管的beta(β)为100(您可以从所用晶体管的数据表中找到此Beta或h FE值),并且完全导通时,其V CE饱和电压为0.3伏,这是限制集电极电流所需的基极电阻R B的值。
晶体管集电极电流I C将与流经灯丝灯的电流相同。如果灯泡的额定功率为5瓦,则完全开启时的电流为:

由于I C等于灯(负载)电流,所以晶体管的基极电流将相对于晶体管的电流增益,因为I B  = I C /β。先前给出的电流增益为:β= 100,因此最小基极电流I B(MIN)的计算公式为:

找到所需的基极电流值后,我们现在需要计算基极电阻的最大值R B(MAX)。给出的信息表明,晶体管的基极将由数字逻辑门的5.0v输出电压(Vo)控制。如果基极-发射极的正向偏置电压为0.7伏,则R B的值计算如下:

然后,当逻辑门的输出信号为LOW(0v)时,没有基极电流流过,晶体管完全截止,也就是说,没有电流流过1kΩ电阻。当逻辑门的输出信号为高电平(+ 5v)时,基极电流为4.27mA,并使晶体管导通,在灯丝灯两端施加11.7V电压。当导通4.27mA时,基极电阻R B的耗散小于18mW,因此1 / 4W电阻将起作用。
请注意,在输出接口电路中使用晶体管作为开关时,一个好的经验法则是选择一个基极电阻R B值,以使基极驱动电流I B约为所需负载的5%甚至10%目前,我ç帮助推动晶体管顺利进入其饱和区,从而最小化V CE和功率损耗。
另外,为了更快地计算电阻值并稍微减少数学运算,如果要计算,可以忽略集电极发射极结两端的0.1至0.5压降以及基极发射极结两端的0.7伏压。无论如何,所得的近似值将足够接近实际的计算值。
单个功率晶体管开关电路对于控制低功率设备(例如白炽灯)或开关继电器(可用于开关更高功率的设备,例如电动机和螺线管)非常有用。
但是继电器是大型,笨重的机电设备,例如,当用于输出8端口微控制器的接口时,它们可能很昂贵,或者在电路板上占据了很大的空间。
解决此问题并直接从微控制器,PIC或数字电路的输出引脚切换大电流设备的一种方法是使用由两个晶体管形成的达林顿对配置。
功率晶体管用作输出接口设备时的主要缺点之一是其电流增益(β)可能太低,尤其是在切换大电流时。低至10。要克服此问题并减少所需的基极电流值,是在达林顿配置中使用两个晶体管。
达林顿晶体管配置
达林顿晶体管配置可以由连接在一起的两个NPN或两个PNP晶体管制成,也可以作为现成的达林顿器件(例如2N6045或tiP100)集成,该器件将晶体管和一些电阻器集成在一起,以在单个TO-内实现快速关断。 220封装,用于开关应用。
在这种达林顿配置中,晶体管TR 1是控制晶体管,并且用于控制功率开关晶体管TR 2的导通。施加到晶体管TR 1的基极的输入信号控制晶体管TR 2的基极电流。达林顿装置,无论是单个晶体管还是单个封装,都具有相同的三根引线:发射极(E),基极(B)和集电极(C)。
达林顿晶体管配置的直流电流增益(即集电极(输出)和基极(输入)电流之比)可以达到数百至数千,这取决于所使用的晶体管。那么这将是可以控制上述我们的灯丝灯的实施例只有几个微安的基极电流,(UA),其集电极电流,β 1我B1的第一晶体管变为所述第二晶体管的基极电流。
然后的电流增益TR 2将β 1 β 2我B1作为两个增益作为相乘β Ť  =β 1 ×β 2。换句话说,将一对双极型晶体管组合在一起以组成一对达林顿晶体管,它们的电流增益将相乘。
因此,通过选择合适的双极型晶体管并具有正确的偏置,双发射极跟随器达林顿配置可以被视为具有非常高的β值并因此具有数千欧姆的高输入阻抗的单个晶体管。
对我们来说幸运的是,已经有人将几种达林顿晶体管配置放入一个16引脚IC封装中,这使我们能够轻松输出整个设备范围的接口。
ULN2003A达林顿晶体管阵列ULN2003A是一种廉价的单极达林顿晶体管阵列,具有高效率和低功耗,使其成为非常有用的输出接口电路,可直接从微控制器的端口驱动各种负载,包括螺线管,继电器,直流电动机和LED显示器或灯丝灯,PIC或数字电路。
达林顿阵列系列由ULN2002A,ULN2003A和ULN2004A组成,它们都是高电压,大电流达林顿阵列,每个阵列在单个IC封装中包含七个开路集电极达林顿对。还提供ULN2803达林顿驱动程序,其中包含八对达林顿而不是七对。
阵列的每个隔离通道的额定电流为500mA,可承受高达600mA的峰值电流,因此非常适合控制小型电动机或灯或大功率晶体管的栅极和基极。包括附加的抑制二极管,用于感应负载驱动,输入引脚固定在输出引脚的对面,以简化连接和电路板布局。
ULN2003达灵顿晶体管阵列

ULN2003A达林顿驱动器具有极高的输入阻抗和电流增益,可以直接从TTL或+ 5V CMOS逻辑门驱动。对于+ 15V CMOS逻辑,请使用ULN2004A;对于高达100V的更高开关电压,最好使用SN75468达林顿阵列。
如果需要更高的开关电流能力,则达林顿对的输入和输出都可以并联在一起以获得更高的电流能力。例如,输入引脚1和2连接在一起,输出引脚16和15连接在一起以切换负载。
功率MOSFET接口电路除了使用单个晶体管或达林顿对,功率MOSFET还可用于开关中功率器件。与双极结型晶体管BJT不同,后者需要基极电流来驱动该晶体管达到饱和状态,而MOSFET开关实际上不消耗任何电流,因为其栅极端子与主载流通道隔离了。
基本MOSFET开关电路
具有正阈值电压和极高输入阻抗的N沟道增强模式(常关)功率MOSFET(eMOSFET)使其成为直接连接具有能力的微控制器,PIC和数字逻辑电路的理想设备如图所示产生正输出。
MOSFET开关由栅极输入信号控制,由于MOSFET的极高输入(栅极)电阻,我们可以几乎无限制地将许多功率MOSFET并联在一起,直到我们达到所连接负载的功率处理能力为止。
在N沟道增强型MOSFET中,该器件处于截止状态(Vgs = 0),并且该沟道闭合,就像常开开关一样。当向栅极施加正偏置电压时,电流流过沟道。电流量取决于栅极偏置电压Vgs。换句话说,为了使MOSFET在其饱和区工作,栅极至源极的电压必须足以维持所需的漏极和负载电流。
如前所述,n沟道eMOSFETS由施加在栅极和源极之间的电压驱动,因此,如图所示,在MOSFET的栅极-源极结之间增加一个齐纳二极管,可保护晶体管免受过多的正或负输入电压的影响,例如例如,它们是由饱和运算放大器比较器输出产生的。齐纳管钳位正栅极电压,并用作常规二极管,该二极管开始导通,栅极电压达到–0.7V,使栅极端子远离其反向击穿电压极限。
MOSFET和集电极开路
当我们使用带有集电极开路输出的栅极和驱动器时,从TTL到功率MOSFET的输出接口构成了一个问题,因为逻辑门可能并不总是为我们提供所需的V GS输出。解决此问题的一种方法是使用所示的上拉电阻。
上拉电阻器连接在TTL电源轨和逻辑门输出之间,逻辑门输出连接到MOSFET的门极端。当TTL逻辑门输出为逻辑电平“ 0”(低)时,MOSFET为“关”;当逻辑门输出为逻辑电平“ 1”(高)时,电阻器将门电压上拉至+ 5v导轨。
通过这种上拉电阻器的布置,我们可以通过将其栅极电压连接到上部电源轨来完全将MOSFET设为“ ON”,如图所示。
输出接口电机我们已经看到,我们可以将双极结型晶体管或MOSFET都用作输出接口电路的一部分,以控制整个设备范围。一种常见的输出设备是产生旋转运动的直流电动机。使用单个晶体管,达林顿晶体管或MOSFET,可以通过多种方式将电动机和步进电动机连接到微控制器,PIC和数字电路。
问题在于,电动机是使用磁场,电刷和线圈来产生旋转运动的机电设备,因此,电动机,尤其是廉价的玩具或计算机风扇电动机会产生大量的“电气噪声”和“电压尖峰”,会损坏开关晶体管。
通过在电机端子之间连接续流二极管或无极性抑制电容器,可以减少电机产生的电气噪声和过电压。但是,防止电噪声和反向电压影响半导体晶体管开关或微控制器的输出端口的一种简单方法是,通过合适的继电器将单独的电源用于控制和电动机。
下方显示了用于将机电式继电器与直流电动机连接的输出的典型连接图。
开/关直流电机控制

NPN晶体管用作tn的ON-OFF开关,以向继电器线圈提供所需的电流。与上述相同,需要续流二极管,因为在断电时流过电感线圈的电流不能瞬间减小到零。当基极的输入设置为高电平时,晶体管被切换为“ ON”。电流流经继电器线圈,其触点闭合,从而驱动电动机。
当晶体管基极的输入为LOW时,晶体管将被“关闭”,并且由于继电器触点现在断开,电动机将停止。通过停用线圈产生的任何反电动势都流经续流二极管,并缓慢衰减至零,从而防止损坏晶体管。同样,晶体管(或MOSFET)也被隔离,不受电动机运行所产生的任何噪声或电压尖峰的影响。
我们已经看到,可以通过在电动机及其电源之间使用一对继电器触点来接通和断开直流电动机。但是,如果我们希望电动机在两个方向上旋转以用于机器人或其他形式的机动项目,该怎么办?然后,可以使用两个继电器控制电动机,如图所示。
可逆直流电动机控制

只需更改其电源连接的极性,即可反转直流电动机的旋转方向。通过使用两个晶体管开关,可以通过两个继电器控制电机的旋转方向,每个继电器都具有一个单刀双掷(SPDT)触点,该触点由单电源供电。通过一次操作一个晶体管开关,可以使电动机沿任一方向(正向或反向)旋转。
通过继电器的电动机输出接口使我们可以启动和停止电动机,或者控制旋转方向。继电器的使用使我们无法控制旋转速度,因为继电器触点将不断打开和闭合。
但是,DC电动机的转速与其电源电压的值成正比。可以通过调整直流电源电压的平均值或使用脉冲宽度调制来控制直流电动机的速度。这是通过将其电源电压的标记空间比从最小的5%更改为超过95%的,许多电机H桥控制器正是这样做的。
输出接口干线连接负载以前我们已经看到,继电器可以使一个电路与另一个电路电气隔离,也就是说,它们允许一个较小的通电电路控制另一个可能较大的通电电路。同时,继电器还可以为较小的电路提供保护,使其免受电气噪声,过电压尖峰和瞬变的影响,这些瞬变可能损坏精密的半导体开关器件。
但是继电器还允许具有不同电压和接地的电路的输出接口,例如5伏微控制器或PIC与电源之间的接地。但是,除了使用晶体管(或MOSFET)开关和继电器来控制由市电供电的设备(例如交流电动机,100W灯或加热器)外,我们还可以使用光隔离器电力电子设备来控制它们。
隔离器的主要优点是,由于它是光合的,因此需要最小的输入电流(通常只有5mA)和电压,因此在输入和输出端子之间提供了高度的电隔离。这意味着可以从微控制器端口或数字电路轻松连接光隔离器,该微控制器端口或数字电路在其输出上提供足够的LED驱动能力。
光电隔离器的基本设计包括产生红外光的LED和用于检测发出的红外光束的半导体光敏器件。如图所示,可以将LED和光敏设备(可以是单个光电晶体管,光达林顿或光三端双向可控硅开关元件)封装在不透光的主体或封装中,并用金属脚进行电气连接。
不同类型的光电隔离器

由于输入是LED,因此可以与上述相同的方式来计算限制LED电流所需的串联电阻R S的值。两个或多个光隔离器的LED也可以串联在一起,以同时控制多个输出设备。
光电三端双向可控硅开关隔离器允许控制交流供电的设备和市电灯。诸如MOC 3020之类的光耦合三端双向可控硅开关元件具有约400伏的额定电压,使其非常适合直接电源连接以及约100mA的最大电流。对于更高功率的负载,可以使用光三端双向可控硅开关元件通过所示的限流电阻器将栅极脉冲提供给另一个更大的三端双向可控硅开关元件。
固态继电器

这种类型的光耦合器配置构成了非常简单的固态继电器应用程序的基础,该固态继电器应用程序可用于直接从微控制器,PIC或数字电路的输出接口控制任何交流电源供电的负载,例如灯和电动机。
输出接口摘要使用微控制器,PIC,数字电路和其他此类基于微处理器的系统的固态软件控制系统需要能够连接到现实世界以控制电动机或打开或关闭LED指示灯和灯,在这种情况下,电子教程我们已经看到,不同类型的输出接口电路可用于此目的。
到目前为止,最简单的接口电路是用作简单的ON / OFF指示器的发光二极管或LED。但是,通过使用标准的晶体管或MOSFET接口电路作为固态开关,即使控制器的输出引脚只能提供(或吸收)非常少量的电流,我们也可以控制更大的电流。通常,对于许多控制器而言,它们的输出接口电路可以是电流吸收输出,其中负载通常连接在电源电压和开关设备的输出端子之间。
例如,如果我们希望在项目或机器人应用中控制许多不同的输出设备,那么使用ULN2003 Darlington驱动器IC会更方便,该IC由单个封装中的多个晶体管开关组成。或者我们希望控制交流致动器,我们可以输出继电器或光隔离器(光耦合器)的接口。
然后,我们可以看到输入和输出接口电路使电子设计人员或学生可以灵活地使用基于小信号或微处理器的软件系统,通过其输入/输出端口控制现实世界并与之通信,无论是小型学校项目或大型工业应用。

王栋春 2020-10-10 21:48:17
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