輸出接口電路

電子電路、PIC和微控制器的輸出接口使它們能夠通過(guò)使物體移動(dòng)或閃爍一些燈光來(lái)控制現(xiàn)實(shí)世界。

正如我們?cè)谥暗妮斎虢涌诮坛讨兴吹降模涌陔娐吩试S一種類型的電路連接到另一種可能具有不同電壓或電流等級(jí)的電路。

除了可以連接輸入設(shè)備（如開(kāi)關(guān)和傳感器）外，我們還可以連接輸出設(shè)備（如繼電器、電磁線圈和燈光）。將輸出設(shè)備連接到電子電路通常被稱為：輸出接口。

電子電路和微控制器的輸出接口使它們能夠通過(guò)使物體移動(dòng)（例如，機(jī)器人的電機(jī)或手臂等）來(lái)控制現(xiàn)實(shí)世界。但輸出接口電路也可以用于開(kāi)關(guān)設(shè)備，如指示燈或燈光。輸出接口電路可以具有數(shù)字輸出或模擬輸出信號(hào)。

直流電機(jī)輸出設(shè)備

直流電機(jī)是一種輸出設(shè)備。

數(shù)字邏輯輸出是最常見(jiàn)的輸出接口信號(hào)類型，也是最容易控制的。數(shù)字輸出接口使用繼電器將微控制器輸出端口或數(shù)字電路的信號(hào)轉(zhuǎn)換為開(kāi)關(guān)接觸輸出，通過(guò)控制器軟件實(shí)現(xiàn)。

模擬輸出接口電路使用放大器產(chǎn)生變化的電壓或電流信號(hào)，用于速度或位置控制類型的輸出。脈沖輸出開(kāi)關(guān)是另一種輸出控制類型，它通過(guò)改變輸出信號(hào)的占空比來(lái)實(shí)現(xiàn)燈光的調(diào)光或直流電機(jī)的速度控制。

雖然輸入接口電路設(shè)計(jì)用于接受來(lái)自不同類型傳感器的不同電壓水平，但輸出接口電路需要產(chǎn)生更大的電流驅(qū)動(dòng)能力和/或電壓水平。輸出信號(hào)的電壓水平可以通過(guò)提供開(kāi)集電極（或開(kāi)漏極）輸出配置來(lái)增加。即晶體管的集電極端子（或MOSFET的漏極端子）通常連接到負(fù)載。

幾乎所有微控制器、PIC或數(shù)字邏輯電路的輸出級(jí)都可以吸收或提供有用的輸出電流，用于開(kāi)關(guān)和控制各種輸出接口設(shè)備以控制現(xiàn)實(shí)世界。當(dāng)我們談?wù)撐蘸吞峁╇娏鲿r(shí)，輸出接口既可以“提供”（源）開(kāi)關(guān)電流，也可以“吸收”（吸收）開(kāi)關(guān)電流。這意味著根據(jù)負(fù)載如何連接到輸出接口，高電平或低電平輸出將激活它。

也許所有輸出接口設(shè)備中最簡(jiǎn)單的是那些用于產(chǎn)生光的設(shè)備，無(wú)論是作為單個(gè)開(kāi)關(guān)指示燈還是作為多段或條形圖顯示的一部分。但與可以直接連接到電路輸出的普通燈泡不同，LED作為二極管需要一個(gè)串聯(lián)電阻來(lái)限制其正向電流。

輸出接口電路
發(fā)光二極管，簡(jiǎn)稱LED，作為許多電子電路的輸出設(shè)備是一個(gè)極好的低功耗選擇，因?yàn)樗鼈兛梢蕴娲咄邤?shù)、高溫的燈絲燈泡作為狀態(tài)指示器。LED通常由低電壓、低電流電源驅(qū)動(dòng)，這使得它們成為數(shù)字電路中非常有吸引力的組件。此外，作為固態(tài)器件，它們的使用壽命可以超過(guò)100,000小時(shí)，使其成為一個(gè)非常適合且無(wú)需維護(hù)的組件。

單個(gè)LED接口電路

單個(gè)LED接口電路

我們?cè)诎l(fā)光二極管教程中看到，LED是一種單向半導(dǎo)體器件，當(dāng)正向偏置時(shí)，即當(dāng)其陰極（K）相對(duì)于陽(yáng)極（A）足夠負(fù)時(shí)，可以產(chǎn)生各種顏色的輸出光和亮度。

根據(jù)用于構(gòu)建LED的pn結(jié)的半導(dǎo)體材料，將決定發(fā)出的光的顏色及其開(kāi)啟正向電壓。最常見(jiàn)的LED顏色是紅色、綠色、琥珀色或黃色光。

與傳統(tǒng)的信號(hào)二極管（硅的正向電壓降約為0.7伏，鍺的正向電壓降約為0.3伏）不同，發(fā)光二極管的正向電壓降比普通信號(hào)二極管更大。但當(dāng)正向偏置時(shí)會(huì)產(chǎn)生可見(jiàn)光。

典型的LED在點(diǎn)亮?xí)r可能具有恒定的正向電壓降VLED，約為1.2至1.6伏，其發(fā)光強(qiáng)度與LED的正向電流成正比。但由于LED實(shí)際上是一個(gè)“二極管”（其箭頭符號(hào)類似于二極管，但在LED符號(hào)旁邊有小箭頭表示它發(fā)光），它需要一個(gè)限流電阻以防止在正向偏置時(shí)短路電源。

LED可以直接從大多數(shù)輸出接口端口驅(qū)動(dòng)，因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)LED可以在5mA至25mA的正向電流下工作。典型的彩色LED需要大約10mA的正向電流以提供合理明亮的顯示。因此，如果我們假設(shè)單個(gè)紅色LED在點(diǎn)亮?xí)r的正向電壓降為1.6伏，并且將由提供10mA的5伏微控制器的輸出端口操作。那么所需的限流串聯(lián)電阻RS的值計(jì)算如下：

led串聯(lián)電阻

然而，在E24（5%）系列的首選電阻值中，沒(méi)有340Ω電阻，因此選擇的最接近的首選值為330Ω或360Ω。實(shí)際上，根據(jù)電源電壓（VS）和所需的正向電流（IF），任何150Ω至750Ω之間的串聯(lián)電阻值都可以很好地工作。

還要注意，由于是串聯(lián)電路，電阻和LED的連接方式無(wú)關(guān)緊要。然而，由于是單向的，LED必須正確連接。如果LED連接錯(cuò)誤，它不會(huì)損壞，只是不會(huì)點(diǎn)亮。

多LED接口電路

多LED接口電路

除了使用單個(gè)LED（或燈）作為輸出接口電路外，我們還可以將兩個(gè)或多個(gè)LED連接在一起，并從相同的輸出電壓供電，用于光電電路和顯示器。

將兩個(gè)或多個(gè)LED串聯(lián)連接與使用單個(gè)LED沒(méi)有什么不同，但這次我們需要考慮串聯(lián)組合中額外LED的正向電壓降VLED。

例如，在我們上面的簡(jiǎn)單LED輸出接口示例中，我們說(shuō)LED的正向電壓降為1.6伏。如果我們使用三個(gè)LED串聯(lián)，那么所有三個(gè)LED的總電壓降將為4.8（3 x 1.6）伏。然后我們的5伏電源勉強(qiáng)可以使用，但最好使用更高的6伏或9伏電源來(lái)為三個(gè)LED供電。

假設(shè)電源為9.0伏，電流為10mA（如前所述），所需的串聯(lián)限流電阻RS的值計(jì)算為：RS = (9 – 4.8)/10mA = 420Ω。同樣，在E24（5%）系列的首選電阻值中，沒(méi)有420Ω電阻，因此選擇的最接近的首選值為430Ω。

作為低電壓、低電流設(shè)備，LED非常適合作為狀態(tài)指示器，可以直接從微控制器和數(shù)字邏輯門或系統(tǒng)的輸出端口驅(qū)動(dòng)。微控制器端口和TTL邏輯門具有吸收或提供電流的能力，因此可以通過(guò)將陰極接地（如果陽(yáng)極連接到+5v）或通過(guò)適當(dāng)?shù)拇?lián)電阻將+5v施加到陽(yáng)極（如果陰極接地）來(lái)點(diǎn)亮LED。

數(shù)字輸出接口LED

輸出接口LED

上述輸出接口電路適用于一個(gè)或多個(gè)串聯(lián)LED，或任何其他電流要求小于25mA（最大LED正向電流）的設(shè)備。但如果輸出驅(qū)動(dòng)電流不足以操作LED，或者我們希望操作或切換具有更高電壓或電流等級(jí)的負(fù)載（如12v燈絲燈），該怎么辦？答案是使用額外的開(kāi)關(guān)設(shè)備，如晶體管、MOSFET或繼電器，如圖所示。

輸出接口高電流負(fù)載

輸出接口高電流

常見(jiàn)的輸出接口設(shè)備，如電機(jī)、電磁線圈和燈，需要大電流，因此最好通過(guò)晶體管開(kāi)關(guān)裝置進(jìn)行控制或驅(qū)動(dòng)，如圖所示。這樣，負(fù)載（燈或電機(jī)）不會(huì)過(guò)載開(kāi)關(guān)接口或控制器的輸出電路。

晶體管開(kāi)關(guān)非常常見(jiàn)，對(duì)于切換高功率負(fù)載或不同電源的輸出接口非常有用。如果需要，它們還可以每秒多次切換“開(kāi)”和“關(guān)”，如在脈寬調(diào)制PWM電路中。但在使用晶體管作為開(kāi)關(guān)之前，我們需要考慮一些事情。

流入基極-發(fā)射極結(jié)的電流用于控制從集電極到發(fā)射極的較大電流。因此，如果沒(méi)有電流流入基極端子，那么就沒(méi)有電流從集電極流向發(fā)射極（或通過(guò)連接到集電極的負(fù)載），那么晶體管被稱為完全關(guān)閉（截止）。

將晶體管完全打開(kāi)（飽和），晶體管開(kāi)關(guān)有效地充當(dāng)閉合開(kāi)關(guān)，即其集電極電壓與發(fā)射極電壓相同。但作為固態(tài)器件，即使飽和時(shí)，晶體管的端子之間也總是會(huì)有小的電壓降，稱為VCE(SAT)。該電壓范圍約為0.1至0.5伏，具體取決于晶體管。

此外，由于晶體管將完全打開(kāi)，負(fù)載電阻將限制晶體管的集電極電流IC到負(fù)載實(shí)際所需的電流（在我們的例子中，通過(guò)燈的電流）。然后過(guò)多的基極電流可能會(huì)過(guò)熱并損壞開(kāi)關(guān)晶體管，這在一定程度上違背了使用晶體管的目的，即用較小的電流控制較大的負(fù)載電流。因此，需要一個(gè)電阻來(lái)限制基極電流IB。

使用單個(gè)開(kāi)關(guān)晶體管控制負(fù)載的基本輸出接口電路如下所示。請(qǐng)注意，通常連接一個(gè)自由輪二極管，也稱為飛輪二極管或反電動(dòng)勢(shì)抑制二極管，如1N4001或1N4148，以保護(hù)晶體管免受由感性負(fù)載（如繼電器、電機(jī)和電磁線圈等）在電流被晶體管關(guān)閉時(shí)產(chǎn)生的任何反電動(dòng)勢(shì)電壓的影響。

基本晶體管開(kāi)關(guān)電路

晶體管開(kāi)關(guān)電路

假設(shè)我們希望使用TTL 5.0v數(shù)字邏輯門的輸出通過(guò)適當(dāng)?shù)妮敵鼋涌诰w管開(kāi)關(guān)電路控制連接到12伏電源的5瓦燈絲燈的操作。如果晶體管的直流電流增益（集電極（輸出）和基極（輸入）電流之間的比率），β為100（您可以從您使用的晶體管的數(shù)據(jù)表中找到此Beta或hFE值），并且其VCE飽和電壓在完全打開(kāi)時(shí)為0.3伏，那么所需的基極電阻RB的值是多少。

晶體管的集電極電流IC將與通過(guò)燈絲燈的電流相同。如果燈的額定功率為5瓦，則完全打開(kāi)時(shí)的電流為：

燈絲燈電流

由于IC等于燈（負(fù)載）電流，晶體管的基極電流將與晶體管的電流增益相關(guān)，即IB = IC/β。電流增益先前給出為：β = 100，因此最小基極電流IB(MIN)計(jì)算為：

晶體管基極電流

找到所需的基極電流值后，我們現(xiàn)在需要計(jì)算基極電阻RB(MAX)的最大值。給定的信息指出，晶體管的基極將由數(shù)字邏輯門的5.0v輸出電壓（Vo）控制。如果基極-發(fā)射極正向偏置電壓為0.7伏，則RB的值計(jì)算為：

晶體管基極電阻

然后當(dāng)邏輯門的輸出信號(hào)為低電平（0v）時(shí)，沒(méi)有基極電流流動(dòng)，晶體管完全關(guān)閉，即沒(méi)有電流流過(guò)1kΩ電阻。當(dāng)邏輯門的輸出信號(hào)為高電平（+5v）時(shí)，基極電流為4.27mA并打開(kāi)晶體管，將11.7V施加到燈絲燈上。基極電阻RB在傳導(dǎo)4.27mA時(shí)將耗散小于18mW，因此1/4W電阻將工作。

請(qǐng)注意，在輸出接口電路中使用晶體管作為開(kāi)關(guān)時(shí)，一個(gè)好的經(jīng)驗(yàn)法則是選擇基極電阻RB值，使基極驅(qū)動(dòng)電流IB約為所需負(fù)載電流IC的5%甚至10%，以幫助將晶體管驅(qū)動(dòng)到其飽和區(qū)域，從而最小化VCE和功率損耗。

此外，為了更快地計(jì)算電阻值并減少一些數(shù)學(xué)計(jì)算，您可以在計(jì)算中忽略集電極-發(fā)射極結(jié)的0.1至0.5伏電壓降和基極-發(fā)射極結(jié)的0.7伏電壓降。最終的近似值將足夠接近實(shí)際計(jì)算值。

單功率晶體管開(kāi)關(guān)電路對(duì)于控制低功率設(shè)備（如燈絲燈）或用于切換繼電器（可用于切換更高功率設(shè)備，例如電機(jī)和電磁線圈）非常有用。

但繼電器是大型、笨重的機(jī)電設(shè)備，當(dāng)用于輸出接口8端口微控制器時(shí)，可能會(huì)很昂貴或在電路板上占用大量空間。

克服這一點(diǎn)并直接從微控制器、PIC或數(shù)字電路的輸出引腳切換大電流設(shè)備的一種方法是使用由兩個(gè)晶體管組成的達(dá)林頓對(duì)配置。

功率晶體管用作輸出接口設(shè)備時(shí)的主要缺點(diǎn)之一是它們的電流增益（β），特別是在切換高電流時(shí)，可能太低。低至10。為了克服這個(gè)問(wèn)題并減少所需的基極電流值，可以使用兩個(gè)晶體管組成達(dá)林頓配置。

達(dá)林頓晶體管配置

達(dá)林頓晶體管配置

達(dá)林頓晶體管配置可以由兩個(gè)NPN或兩個(gè)PNP晶體管連接在一起組成，或者作為現(xiàn)成的達(dá)林頓設(shè)備，如2N6045或TIP100，它們?cè)趩蝹€(gè)TO-220封裝中集成了兩個(gè)晶體管和一些電阻，以幫助快速關(guān)閉，用于開(kāi)關(guān)應(yīng)用。

在這種達(dá)林頓配置中，晶體管TR1是控制晶體管，用于控制功率開(kāi)關(guān)晶體管TR2的導(dǎo)通。施加到晶體管TR1基極的輸入信號(hào)控制晶體管TR2的基極電流。達(dá)林頓配置，無(wú)論是單個(gè)晶體管還是單個(gè)封裝，都具有相同的三個(gè)引線：發(fā)射極（E）、基極（B）和集電極（C）。

達(dá)林頓晶體管配置可以具有數(shù)百到數(shù)千的直流電流增益（即集電極（輸出）和基極（輸入）電流之間的比率），具體取決于所使用的晶體管。然后，我們可以僅用幾微安（uA）的基極電流控制我們上面的燈絲燈示例，因?yàn)榈谝粋€(gè)晶體管的集電極電流β1IB1成為第二個(gè)晶體管的基極電流。

然后TR2的電流增益將為β1β2IB1，因?yàn)閮蓚€(gè)增益相乘為βT = β1×β2。換句話說(shuō)，一對(duì)雙極晶體管組合在一起形成一個(gè)達(dá)林頓晶體管對(duì)，它們的電流增益將相乘。

因此，通過(guò)選擇合適的雙極晶體管并正確偏置，雙發(fā)射極跟隨器達(dá)林頓配置可以被視為具有非常高β值和高輸入阻抗（數(shù)千歐姆）的單個(gè)晶體管。

幸運(yùn)的是，有人已經(jīng)將幾個(gè)達(dá)林頓晶體管配置放入單個(gè)16引腳IC封裝中，使我們能夠輕松地輸出接口各種設(shè)備。

ULN2003A 達(dá)林頓晶體管陣列 

ULN2003A 是一種低成本、高效率且低功耗的單極達(dá)林頓晶體管陣列，非常適合作為輸出接口電路，用于直接驅(qū)動(dòng)各種負(fù)載，包括電磁線圈、繼電器、直流電機(jī)、LED 顯示器或燈絲燈等。它可以直接連接微控制器、PIC 或數(shù)字電路的端口。

達(dá)林頓陣列系列包括 ULN2002A、ULN2003A 和 ULN2004A，它們都是高電壓、高電流的達(dá)林頓陣列，每個(gè) IC 封裝內(nèi)包含七個(gè)開(kāi)集電極達(dá)林頓對(duì)。ULN2803 達(dá)林頓驅(qū)動(dòng)器也可用，它包含八個(gè)達(dá)林頓對(duì)，而不是七個(gè)。

陣列的每個(gè)獨(dú)立通道額定電流為 500mA，可承受高達(dá) 600mA 的峰值電流，非常適合控制小型電機(jī)、燈具或高功率晶體管的柵極和基極。陣列還包含額外的抑制二極管，用于驅(qū)動(dòng)感性負(fù)載，并且輸入引腳與輸出引腳相對(duì)排列，以簡(jiǎn)化連接和電路板布局。

ULN2003 達(dá)林頓晶體管陣列 

ULN2003A 達(dá)林頓驅(qū)動(dòng)器具有極高的輸入阻抗和電流增益，可以直接由 TTL 或 +5V CMOS 邏輯門驅(qū)動(dòng)。對(duì)于 +15V CMOS 邏輯，可以使用 ULN2004A；對(duì)于高達(dá) 100V 的更高開(kāi)關(guān)電壓，最好使用 SN75468 達(dá)林頓陣列。

如果需要更高的開(kāi)關(guān)電流能力，可以將達(dá)林頓對(duì)的輸入和輸出并聯(lián)以實(shí)現(xiàn)更高的電流能力。例如，將輸入引腳 1 和 2 連接在一起，輸出引腳 16 和 15 連接在一起以切換負(fù)載。

功率 MOSFET 接口電路 

除了使用單個(gè)晶體管或達(dá)林頓對(duì)外，功率 MOSFET 也可用于切換中等功率設(shè)備。與雙極結(jié)型晶體管（BJT）不同，BJT 需要基極電流來(lái)驅(qū)動(dòng)晶體管進(jìn)入飽和狀態(tài)，而 MOSFET 開(kāi)關(guān)幾乎不需要電流，因?yàn)闁艠O端子與主電流通道是隔離的。

基本 MOSFET 開(kāi)關(guān)電路 

N 溝道增強(qiáng)型（常關(guān)型）功率 MOSFET（eMOSFET）具有正閾值電壓和極高的輸入阻抗，使其成為直接連接微控制器、PIC 和數(shù)字邏輯電路的理想器件，這些電路能夠產(chǎn)生正輸出，如圖所示。

MOSFET 開(kāi)關(guān)由柵極輸入信號(hào)控制，由于 MOSFET 的輸入（柵極）電阻極高，我們可以幾乎無(wú)限制地將多個(gè)功率 MOSFET 并聯(lián)，直到滿足連接負(fù)載的功率處理能力。

在 N 溝道增強(qiáng)型 MOSFET 中，當(dāng)器件截止（Vgs = 0）時(shí)，通道關(guān)閉，類似于常開(kāi)開(kāi)關(guān)。當(dāng)柵極施加正偏置電壓時(shí)，電流流過(guò)通道。電流的大小取決于柵極偏置電壓 Vgs。換句話說(shuō)，要使 MOSFET 在其飽和區(qū)工作，柵極-源極電壓必須足以維持所需的漏極電流，從而維持負(fù)載電流。

如前所述，N 溝道 eMOSFET 由施加在柵極和源極之間的電壓驅(qū)動(dòng)，因此在 MOSFET 的柵極-源極結(jié)之間添加一個(gè)齊納二極管（如圖所示），可以保護(hù)晶體管免受過(guò)高的正或負(fù)輸入電壓（例如，由飽和運(yùn)算放大器比較器輸出產(chǎn)生的電壓）的影響。齊納二極管鉗位正柵極電壓，并充當(dāng)常規(guī)二極管，當(dāng)柵極電壓達(dá)到 -0.7V 時(shí)開(kāi)始導(dǎo)通，使柵極端子遠(yuǎn)離其反向擊穿電壓極限。

MOSFET 和開(kāi)集電極門電路 

當(dāng)使用具有開(kāi)集電極輸出的門電路和驅(qū)動(dòng)器時(shí)，從 TTL 輸出接口功率 MOSFET 會(huì)帶來(lái)一個(gè)問(wèn)題，因?yàn)檫壿嬮T可能無(wú)法始終提供所需的 VGS 輸出。解決此問(wèn)題的一種方法是使用上拉電阻，如圖所示。

上拉電阻連接在 TTL 電源軌和邏輯門輸出之間，邏輯門輸出連接到 MOSFET 的柵極端子。當(dāng) TTL 邏輯門輸出為邏輯電平“0”（低電平）時(shí)，MOSFET 關(guān)閉；當(dāng)邏輯門輸出為邏輯電平“1”（高電平）時(shí)，電阻將柵極電壓拉至 +5V 電源軌。

通過(guò)這種上拉電阻配置，我們可以通過(guò)將柵極電壓連接到上電源軌來(lái)完全打開(kāi) MOSFET。

電機(jī)輸出接口 

我們已經(jīng)看到，可以使用雙極結(jié)型晶體管或 MOSFET 作為輸出接口電路的一部分來(lái)控制各種設(shè)備。直流電機(jī)是一種常見(jiàn)的輸出設(shè)備，它產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)可以通過(guò)單個(gè)晶體管、達(dá)林頓晶體管或 MOSFET 以數(shù)百種方式連接到微控制器、PIC 和數(shù)字電路。

問(wèn)題是電機(jī)是機(jī)電設(shè)備，使用磁場(chǎng)、電刷和線圈來(lái)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，因此電機(jī)（尤其是廉價(jià)玩具或電腦風(fēng)扇電機(jī)）會(huì)產(chǎn)生大量“電氣噪聲”和“電壓尖峰”，這些可能會(huì)損壞開(kāi)關(guān)晶體管。

通過(guò)在電機(jī)端子之間連接一個(gè)自由輪二極管或非極化抑制電容，可以減少電機(jī)產(chǎn)生的電氣噪聲和過(guò)電壓。但防止電氣噪聲和反向電壓影響半導(dǎo)體晶體管開(kāi)關(guān)或微控制器輸出端口的一種簡(jiǎn)單方法是通過(guò)合適的繼電器為控制和電機(jī)使用單獨(dú)的電源。

下圖顯示了將機(jī)電繼電器輸出接口到直流電機(jī)的典型連接圖。

直流電機(jī)開(kāi)關(guān)控制 

NPN 晶體管用作開(kāi)關(guān)，為繼電器線圈提供所需電流。與上述相同，自由輪二極管是必需的，因?yàn)楫?dāng)線圈斷電時(shí)，流過(guò)感性線圈的電流不能瞬間降為零。當(dāng)基極輸入設(shè)置為高電平時(shí)，晶體管打開(kāi)，電流流過(guò)繼電器線圈，其觸點(diǎn)閉合，驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

當(dāng)基極輸入為低電平時(shí)，晶體管關(guān)閉，電機(jī)停止，因?yàn)槔^電器觸點(diǎn)現(xiàn)在斷開(kāi)。斷電線圈產(chǎn)生的任何反電動(dòng)勢(shì)通過(guò)自由輪二極管流動(dòng)并緩慢衰減至零，從而防止晶體管損壞。此外，晶體管（或 MOSFET）是隔離的，不受電機(jī)運(yùn)行產(chǎn)生的任何噪聲或電壓尖峰的影響。

我們已經(jīng)看到，可以通過(guò)電機(jī)和電源之間的一對(duì)繼電器觸點(diǎn)來(lái)打開(kāi)和關(guān)閉直流電機(jī)。但如果我們希望電機(jī)在機(jī)器人或其他形式的電機(jī)項(xiàng)目中雙向旋轉(zhuǎn)，則可以使用兩個(gè)繼電器來(lái)控制電機(jī)，如圖所示。

可逆直流電機(jī)控制 

通過(guò)簡(jiǎn)單地改變電源連接的極性，可以反轉(zhuǎn)直流電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向。通過(guò)使用兩個(gè)晶體管開(kāi)關(guān)，電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向可以通過(guò)兩個(gè)繼電器控制，每個(gè)繼電器具有單刀雙擲（SPDT）觸點(diǎn)，由單個(gè)電壓電源供電。通過(guò)一次操作其中一個(gè)晶體管開(kāi)關(guān)，可以使電機(jī)朝任一方向（正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)）旋轉(zhuǎn)。

雖然通過(guò)繼電器的電機(jī)輸出接口允許我們啟動(dòng)和停止電機(jī)或控制旋轉(zhuǎn)方向，但使用繼電器會(huì)阻止我們控制旋轉(zhuǎn)速度，因?yàn)槔^電器的觸點(diǎn)會(huì)不斷打開(kāi)和關(guān)閉。

然而，直流電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度與其電源電壓值成正比。直流電機(jī)的速度可以通過(guò)調(diào)整其直流電源電壓的平均值或使用脈寬調(diào)制來(lái)控制。即通過(guò)將其電源電壓的占空比從低至 5% 調(diào)整到超過(guò) 95%，許多電機(jī) H 橋控制器正是這樣做的。

交流負(fù)載輸出接口 

我們之前已經(jīng)看到，繼電器可以將一個(gè)電路與另一個(gè)電路電氣隔離，即它們?cè)试S一個(gè)較小功率的電路控制另一個(gè)可能較大功率的電路。繼電器同時(shí)還可以保護(hù)較小電路免受電氣噪聲、過(guò)電壓尖峰和瞬態(tài)的影響，這些可能會(huì)損壞精密的半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)設(shè)備。

但繼電器還允許具有不同電壓和接地電路的輸出接口，例如 5 伏微控制器或 PIC 與市電電壓電源之間的接口。除了使用晶體管（或 MOSFET）開(kāi)關(guān)和繼電器來(lái)控制交流電機(jī)、100W 燈或加熱器等市電設(shè)備外，我們還可以使用光耦和功率電子設(shè)備來(lái)控制它們。

光耦的主要優(yōu)勢(shì)在于它在輸入和輸出端子之間提供了高度的電氣隔離，因?yàn)樗枪怦詈系?，因此需要最小的輸入電流（通常僅為 5mA）和電壓。這意味著光耦可以輕松地從微控制器端口或數(shù)字電路接口，只要其輸出具有足夠的 LED 驅(qū)動(dòng)能力。

光耦的基本設(shè)計(jì)包括一個(gè)產(chǎn)生紅外光的 LED 和一個(gè)用于檢測(cè)發(fā)射紅外光束的半導(dǎo)體光敏器件。LED 和光敏器件（可以是單個(gè)光晶體管、光達(dá)林頓或光三端雙向可控硅）都封裝在一個(gè)不透光的殼體或封裝中，并帶有金屬引腳用于電氣連接，如圖所示。

不同類型的光耦 

由于輸入是 LED，因此可以按照上述方法計(jì)算所需的限流串聯(lián)電阻 RS 的值。兩個(gè)或多個(gè)光耦的 LED 也可以串聯(lián)連接，以同時(shí)控制多個(gè)輸出設(shè)備。

光耦三端雙向可控硅允許控制交流供電設(shè)備和市電燈。光耦三端雙向可控硅（如 MOC 3020）的額定電壓約為 400 伏，非常適合直接連接市電，最大電流約為 100mA。對(duì)于更高功率的負(fù)載，光耦三端雙向可控硅可以通過(guò)限流電阻為另一個(gè)更大的三端雙向可控硅提供柵極脈沖，如圖所示。

固態(tài)繼電器 

這種光耦配置構(gòu)成了一個(gè)非常簡(jiǎn)單的固態(tài)繼電器應(yīng)用的基礎(chǔ)，它可以直接從微控制器、PIC 或數(shù)字電路的輸出接口控制任何交流市電負(fù)載，如燈和電機(jī)。

輸出接口總結(jié) 

使用微控制器、PIC、數(shù)字電路和其他基于微處理器的固態(tài)軟件控制系統(tǒng)需要能夠連接到現(xiàn)實(shí)世界，以控制電機(jī)或開(kāi)關(guān) LED 指示燈和燈。在本電子教程中，我們已經(jīng)看到可以使用不同類型的輸出接口電路來(lái)實(shí)現(xiàn)這一目的。

最簡(jiǎn)單的接口電路是發(fā)光二極管（LED）作為簡(jiǎn)單的開(kāi)關(guān)指示燈。但通過(guò)使用標(biāo)準(zhǔn)晶體管或 MOSFET 接口電路作為固態(tài)開(kāi)關(guān)，即使控制器的輸出引腳只能提供（或吸收）非常小的電流，我們也可以控制更大的電流。通常，對(duì)于許多控制器，其輸出接口電路可能是電流吸收輸出，其中負(fù)載通常連接在電源電壓和開(kāi)關(guān)設(shè)備的輸出端子之間。

例如，如果我們希望在項(xiàng)目或機(jī)器人應(yīng)用中控制多個(gè)不同的輸出設(shè)備，則使用 ULN2003 達(dá)林頓驅(qū)動(dòng)器 IC 可能更方便，它在一個(gè)封裝中包含多個(gè)晶體管開(kāi)關(guān)。或者，如果我們希望控制交流執(zhí)行器，我們可以輸出接口繼電器或光耦（光隔離器）。

因此，我們可以看到，輸入和輸出接口電路為電子設(shè)計(jì)師或?qū)W生提供了靈活性，使他們能夠使用基于小信號(hào)或微處理器的軟件系統(tǒng)通過(guò)其輸入/輸出端口控制和與現(xiàn)實(shí)世界通信，無(wú)論是小型學(xué)校項(xiàng)目還是大型工業(yè)應(yīng)用。