單片機開關量輸出接口

1．輸出口的隔離<?XML:NAMESPACE PREFIX = O />

在單片機應用系統(tǒng)中，為防止現(xiàn)場強電磁的干擾或工頻電壓通過輸出通道反串到測控系統(tǒng)，一般采用通道隔離技術。輸出通道的隔離最常用的組件是光耦合器，簡稱光耦。

光耦合器是以光為媒介傳輸信號的器件，它把一個發(fā)光二極管和一個光敏二極管封裝在一個管殼內，發(fā)光二極管加上正向輸入電壓信號（>1.1V）就會發(fā)光，光信號作用在光敏三極管基極光電流使三極管導通，輸出電信號。如圖1所示。

圖1 光耦合器                             圖2 繼電器輸出接口

光耦合器的輸入電路與輸出電路是絕緣的。一個光耦合器可以完成一路開關量的隔離，如果將光耦合器8個或16個一起使用，就能實現(xiàn)8位數(shù)據(jù)或16位數(shù)據(jù)的隔離。

光電耦合器的輸入側都是發(fā)光二極管，但是輸出側有多種結構，如光敏晶體管、達林頓型晶體管、TTL邏輯電路以及光敏可控硅等。光耦合器的具體參數(shù)可查閱有關的產品手冊，其主要特性參數(shù)有以下幾個方面：

①導通電流和截止電流：對于開關量輸出場合，光電隔離主要用其線性輸出特性。當發(fā)光二極管兩端通以一定電流時，光耦合器輸出端處于導通狀態(tài)；當流過發(fā)光二極管的電流小于某一值時，光耦合器輸出端截止。不同的光耦合器通常有不同的導通電流，一般典型值為10mA。

②頻率響應：由于受發(fā)光二極管和光敏二極管響應時間的影響，開關信號傳輸速度和頻率受光耦合器頻率特性的影響。因此，在高頻信號傳輸中要考慮其頻率特性。在開關量輸出通道中，輸出開關信號頻率一般較低，不會受光耦合器頻率特性影響。

③輸出端工作電流：是指光耦合器導通時，流過光敏三極管的額定電流。該值表示了光耦合器的驅動能力，一般為mA量級。

④輸出端暗電流：是指光耦合器處于截止狀態(tài)時輸出端流過的電流。對光耦合器來說，此值越小越好，以防止輸出端的誤觸發(fā)。

⑤輸入輸出壓降：分別指發(fā)光二極管和光敏三極管的導通壓降。

⑥隔離電壓：表示了光耦合器對電壓的隔離能力。

光耦合器二極管側的驅動可直接用門電路去驅動，一般的門電路驅動能力有限，常用帶OC門的電路（如7406、7407）進行驅動。

2．繼電器輸出接口

繼電器方式的開關量輸出，是目前最常用的一種輸出方式，一般在驅動大型設備時，往往利用繼電器作為測控系統(tǒng)輸出至輸出驅動級之間的第一級執(zhí)行機構。通過該級繼電器輸出，可完成從低壓直流到高壓直流的過度。如圖2所示，在經光耦合器光電隔離后，直流部分給繼電器控制線圈供電，而其輸出觸點則可直接于220V市電相接。由于繼電器的控制線圈有一定的電感，在關斷瞬間會產生較大的反電勢，因此在繼電器的線圈上常常反向并聯(lián)一個二極管用于電感反向放電，以保護驅動晶體管不被擊穿。不同的繼電器，允許驅動電流也不一樣。對于需要較大驅動電流的繼電器，可以采用達林頓輸出的光耦直接驅動；也可以在光耦與繼電器之間再加一級三極管驅動。

3．雙向晶閘管輸出接口

圖3為MOC3041與雙向晶閘管的接線圖。

圖3 MOC3041與雙向晶閘管的接線圖

雙向晶閘管具有雙向導通功能，能在交流、大電流場合使用，且開關無觸點，因此在工業(yè)控制領域有著極為廣泛的應用。傳統(tǒng)的雙向晶閘管隔離驅動電路的設計，是采用一般的光隔離器和三極管驅動電路?，F(xiàn)在已有與之配套的光隔離器產品。這種器件稱為光耦合雙向晶閘管驅動器，與一般的光耦不同，在于其輸出部分是一硅光敏雙向晶閘管，有的還帶有過零同負載電壓使用，如MOV3011用于110V交流，而MOV3041等可適用于220V交流使用，用MOC3000系列光電耦合器直接驅動雙向晶閘管，大大簡化了傳統(tǒng)的晶閘管隔離驅動電路的設計。

4．固態(tài)繼電器輸出接口

固態(tài)繼電器（SSR）是近年發(fā)展起來的一種新型電子繼電器，其輸入控制電流小，用TTL、HTL、CMOS等集成電路或加簡單的輔助電路就可直接驅動，因此適宜于在微機測控系統(tǒng)中作為輸出信道的控制組件。其輸出利用晶體管或晶閘管驅動，無觸點。與普通的電磁式繼電器和磁力開關相比，具有無機械噪聲、無抖動和回跳、開關速度快、體積小、重量輕、壽命長、工作可靠等特點，并且耐沖力、抗潮濕、抗腐蝕、因此在微機測控等領域中，已逐步取代傳統(tǒng)的電磁式繼電器和磁力開關作為開關量輸出控制器件。

圖4 固態(tài)繼電器內部邏輯圖

圖4是固態(tài)繼電器的內部邏輯框圖。它由光電耦合電路、觸發(fā)電路、開關電路、過零控制電路和吸收電路五部分構成。這5部分被封裝在一個六面體外殼內，成為一個整體，外面有四個引腳(圖中A、B、C、D)。如果是過零型SSR就包括“過零控制電路”部分，而非過零型SSR則沒有這部分電路。

固態(tài)繼電器按其負載類型分類，可分為直流型和交流型兩類：

1．直流型固態(tài)繼電器

直流型固態(tài)繼電器主要用于直流大功率控制場合。其輸入端為一光耦合電路，因此可用OC門或晶體管直接驅動，驅動電流一般3～30mA，輸入電壓為5～30V，因此在電路設計時可選用適當?shù)碾妷汉拖蘖麟娮鑂。其輸出端為晶體管輸出，輸出電壓30～180V。注意在輸出端為感性負載時，要接保護二極管用于防止直流固態(tài)繼電器由于突然截止所引起的高電壓。

2．交流型固態(tài)繼電器

交流型固態(tài)繼電器分為非過零型和過零型，兩者都是用雙向晶閘管作為開關器件，用于交流大功率驅動場合。圖5為交流型固態(tài)繼電器的控制波形圖。

（a）  過零型交流固態(tài)繼電器                     （b）非過零型交流固態(tài)繼電器

圖5 交流型固態(tài)繼電器的控制波形圖

對于非過零型SSR，在輸入信號時，不管負載電源電壓相位如何，負載端立即導通；而過零型必須在負載電源電壓接近零且輸入控制信號有效時，輸出端負載電源才導通，可以抑制射頻干擾。當輸入端的控制電壓撤銷后，流過雙向晶閘管負載電流為零時才關斷。

對與交流型SSR，其輸入電壓為3～32V，輸入電流3～32mA，輸出工作電壓為交流140～400V。幾種交流型SSR的接口電路如圖6所示，其中（a）為基本控制方式，（b）為TTL邏輯控制方式。對于CMOS控制要再加一級晶體管電路進行驅動。

（a）基本控制方式                               （b）TTL邏輯控制方式

圖6  SSR的驅動方式

編輯：admin  最后修改時間：2018-05-08