功率接口設計課件

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功率接口設計11功率接口設計12

功率接口設計1 單片機與外圍集成數(shù)字驅動電路的接口2 單片機與光電耦合器的接口

2.1.晶體管輸出型光電耦合器驅動接口

2.2.晶閘管輸出型光電耦合器驅動接口3單片機與繼電器的接口

3.1單片機與直流電磁式繼電器功率接口

3.2單片機與交流電磁式接觸器的接口4單片機與晶閘管的接口

4.1單向晶閘管

4.2雙向晶閘管

4.3光耦合雙向可控硅驅動器2功率接口設計35單片機與集成功率電子開關輸出接口

5.1集成功率電子開關TWH8751簡介

5.2集成功率電子開關TWH8751的典型應用6單片機與固態(tài)繼電器的接口

6.1固態(tài)繼電器的特性與分類

6.2固態(tài)繼電器的應用7低壓開關量信號輸出技術35單片機與集成功率電子開關輸出接口4內容概要在應用系統(tǒng)設計中，有時需用單片機控制各種各樣的高壓、大電流負載，如電動機、電磁鐵、繼電器、燈泡等，顯然不能直接用單片機的I/O線來驅動，單片機必須通過各種驅動電路和開關電路來驅動。此外，為了使單片機與強電隔離和抗干擾，有時需加接光電耦合器。我們稱上述各類接口為單片機的功率接口。本章將介紹單片機功率接口用到的各種器件以及功率接口設計。

4內容概要51 單片機與外圍集成數(shù)字驅動電路的接口在工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場，有不少被控對象是電磁繼電器、電磁開關或可控硅、固態(tài)繼電器和功率電子開關，其控制信號都是開關電平量。由于AT89S52片內的I/O口驅動能力有限，需要經(jīng)過外圍集成數(shù)字驅動電路來驅動。表13-1給出了常用的外圍集成數(shù)字驅動電路的參數(shù)。這些驅動電路只要加接合適的限流電阻和偏置電阻，即可直接由TTL、MOS以及CMOS電路來驅動。當它們用于驅動感性負51 單片機與外圍集成數(shù)字驅動電路的接口667載時，必須加接限流電阻或箝位二極管。此外，有些驅動器內部還設有邏輯門電路，可以完成與、與非、或以及或非的邏輯功能。下面舉例說明外圍集成數(shù)字驅動電路的應用。【例13-1】慢開啟的白熾燈驅動電路圖13-1為慢開啟白熾燈驅動電路，白熾燈的延時開啟時間長短取決于時間常數(shù)RC。此電路能直接驅動工作電壓小于30V、額定電流小于500mA的任何燈泡。注意：在設計此電路的印刷電路板時，驅動器要加裝散熱板，以便散熱。SN75401芯片性能參數(shù)見表13-1。7載時，必須加接限流電阻或箝位二極管。此外，有些驅動器內部還8圖13-1

慢開啟白熾燈驅動電路8圖13-1慢開啟白熾燈驅動電路9【例13-2】大功率音頻振蕩器

圖13-2給出的電路能直接驅動一個大功率的揚聲器，可用于報警系統(tǒng)，改變電路中的電阻或電容的值便能改變電路的振蕩頻率。電路中的兩個齊納二極管IN751A用于輸入端的保護。SN75447芯片性能參數(shù)請見表13-1?！纠?3-3】驅動大電流負載單片機驅動大電流負的電路如圖13-3所示。ULN2068芯片具有四個大電流達林頓開關，能驅動電流高達1.5A的負載。由于ULN2068在25℃時功耗達2075mW，因而使用時一定要加散熱板。ULN2068芯片性能參數(shù)請見表13-1。99【例13-2】大功率音頻振蕩器910圖13-2

大功率音頻振蕩器10圖13-2大功率音頻振蕩器11圖13-3

使用ULN2068的大電流驅動電路11圖13-3使用ULN2068的大電流驅動電路12

2單片機與光電耦合器的接口光電耦合器因其良好的性能和抗干擾能力而被廣泛地應用于單片機系統(tǒng)輸入和輸出信號的電氣隔離。但是，在利用光電耦合器的線性耦合直接對模擬信號進行隔離傳輸時，由于光電耦合器內部發(fā)光二極管和光敏三極管的伏安特性，使得光電耦合器的“線性區(qū)”實際上比較小并且存在一定程度的非線性失真。由于光電耦合器件非線性的輸入輸出特性所限，一般來講，光耦器件主要應用于數(shù)字信號的隔離，而較少用于模擬信號的隔離。常用的光電耦合器為晶體管輸出型、晶閘管輸出型。122單片機與光電耦合器的接口13132.1.晶體管輸出型光電耦合器驅動接口晶體管輸出型光電耦合器作為開關使用，其受光器是光電晶體管。光電晶體管除了沒有使用基極外，跟普通晶體管一樣。取代基極電流的是以光作為晶體管的輸入。當光電耦合器的發(fā)光二極管發(fā)光時，光電晶體管受光的影響在cb間和ce間有電流流過，這兩個電流基本上受光的照度控制，常用ce極間的電流作為輸出電流，輸出電流受Vce的電壓影響很小，在Vce增加時，稍有增加。光電晶體管的集電極電流Ic與發(fā)光二極管的電流IF之比稱為光電耦合器的電流傳輸比。13132.1.晶體管輸出型光電耦合器驅動接口14不同結構的光電耦合器的電流傳輸比相差很大。如輸出端是單個晶體管的光電耦合器4N25的電流傳輸比≥20%。輸出端使用達林頓管的光電耦合器4N33的電流傳輸比≥500%。電流傳輸比受發(fā)光二極管的工作電流大小影響，電流為10～20mA時，電流傳輸比最大，電流小于10mA或大于20mA，傳輸比都下降。溫度升高，傳輸比也會下降，因此在使用時要留一些余量。光電耦合器在傳輸脈沖信號時，對不同結構的光電耦合器的輸入輸出延遲時間相差很大。4N25的導通延遲ton是2.8μs，關斷延遲toff是4.5μs，4N33的導通延遲ton是0.6μs，關斷延遲toff是45μs。14不同結構的光電耦合器的電流傳輸比相差很大。如輸出端是單個1515晶體管輸出型光電耦合器除了可作為開關使用外，還可用作線性耦合器，在發(fā)光二極管上提供一個偏置電流，再把信號電壓通過電阻耦合到發(fā)光二極管上，引起其亮度的變化，從而輸出電流也就將隨輸入的信號電壓線性變化。圖13-4是使用4N25的光電耦合器接口電路圖。4N25起到耦合脈沖信號和隔離單片機系統(tǒng)與輸出部分的作用，使兩部分的電流信號獨立。輸出部分的地線接機殼或接大地，而單片機系統(tǒng)的電源地線浮空，不與交流電源的地線相接。這樣可以避免輸出部分電源變化對單片機電源的影響，減少系統(tǒng)所受的干擾，提高系統(tǒng)的可靠性。4N25輸入、輸出端的最大隔離電壓＞2500V。1515晶體管輸出型光電耦合器除了可作為開關使用外，還可用作16圖13-4

光電耦合器4N25的接口電路16圖13-4光電耦合器4N25的接口電路1717圖13-4電路中使用同相驅動器7407作為光電耦合器4N25輸入端的驅動。光電耦合器輸入端的電流一般為10～15mA，發(fā)光二極管的壓降約為1.2～1.5V。限流電阻由下式計算：式中：Vcc為電源電壓；

VF為輸入端發(fā)光二極管的壓降，取1.5V；

Vcs為驅動器的壓降；

IF為發(fā)光二極管的工作電流。如圖13-4電路要求IF為15mA，則限流電阻計算如下：1717圖13-4電路中使用同相驅動器7407作為光電耦合器18當單片機的P1.0端輸出高電平時，4N25輸入端電流為0，輸出相當開路，74LS04的輸入端為高電平，輸出為低電平。AT89S52的P1.0端輸出低電平時，7407輸出端為低電壓輸出，4N25的輸入電流為15mA，輸出端可以流過≥3mA的電流。如果輸出端負載電流小于3mA，則輸出端相當于一個接通的開關。74LS04輸出高電平。4N25的6腳是光電晶體管的基極，在一般的使用中可以不接，該腳懸空。1818當單片機的P1.0端輸出高電平時，4N25輸入端19光電耦合器也常用于較遠距離的信號隔離傳送。一方面光電耦合器可以起到隔離兩個系統(tǒng)地線的作用，使兩個系統(tǒng)的電源相互獨立，消除地電位不同所產(chǎn)生的影響。另一方面，光電耦合器的發(fā)光二極管是電流驅動器件，可以形成電流環(huán)路的傳送形式。由于電流環(huán)電路是低阻抗電路，它對噪音的敏感度低，因此提高了通訊系統(tǒng)的抗干擾能力。常用于有噪音干擾的環(huán)境下傳輸信號。圖13-5是用光電耦合器組成的電流環(huán)發(fā)送和接收電路。圖13-5電路可以用來傳輸數(shù)據(jù)，最大速率為50Kb/s，最大傳輸距離為900米。環(huán)路連線的電阻對傳輸距離影響很大，此1919光電耦合器也常用于較遠距離的信號隔離傳送。一方面光電耦合20圖13-5

電流環(huán)電路20圖13-5電流環(huán)電路21電路中環(huán)路連線電阻不能大于30Ω，當連線電阻較大時，100Ω的限流電阻要相應減小。光電耦合管使用TIL110，TIL110的功能與4N25相同，但開關速度比4N25快，當傳輸速度要求不高時，也可以用4N25代替。電路中光電耦合器放在接收端，輸入端由同相驅動器7407驅動，限流電阻分為兩個，一個是50Ω，一個是100Ω。50Ω電阻的作用除了限流外，最主要的作用還是起阻尼的作用，防止傳送的信號發(fā)生畸變和產(chǎn)生突發(fā)的尖峰。電流環(huán)的電流計算如下：IF=(Vcc-VF-Vcs)/(R1+R2)=(5-1.5-0.5)A/(50+100)=0.02A=20mA21電路中環(huán)路連線電阻不能大于30Ω，當連線電阻較大時，102222

TIL110的輸出端接一個帶施密特整形電路的反相器74LS14，作用是提高抗干擾能力。施密特觸發(fā)電路的輸入特性有一個回差。輸入電壓大于2V才認為是高電平輸入，小于0.8V才認為是低電平輸入。電平在0.8～2V之間變化時，則不改變輸出狀態(tài)。因此信號經(jīng)過74LS14之后便更接近理想波形。

表13-2為常用的晶體管輸出型光電耦合器，供讀者在選用光電耦合器時參考。

2222TIL110的輸出端接一個帶施密特整形電路23232323242425

2.2.晶閘管輸出型光電耦合器驅動接口晶閘管輸出型光電耦合器的輸出端是光敏晶閘管或光敏雙向晶閘管。當光電耦合器的輸入端有一定的電流流入時，晶閘管即導通。有的光電耦合器的輸出端還配有過零檢測電路，用于控制晶閘管過零觸發(fā)，以減少用電器在接通電源時對電網(wǎng)的影響。4N40是常用的單向晶閘管輸出型光電耦合器。當輸入端有15～30mA電流時，輸出端的晶閘管導通。輸出端的額定電壓為400V，額定電流有效值為300mA。輸入輸出端隔離電壓為1500～7500V。4N40的6腳是輸出晶閘管的控制端，不使用此端時，此端可對陰極接一個電阻。25252.2.晶閘管輸出型光電耦合器驅動接口2526MOC3041是常用的雙向晶閘管輸出的光電耦合器，帶過零觸發(fā)電路，輸入端的控制電流為15mA，輸出端額定電壓為400V，最大重復浪涌電流為1A，輸入輸出端隔離電壓為7500V。MOC3041的5腳是器件的襯底引出端，使用時不需要接線。圖13-6是4N40和MOC3041的接口驅動電路。4N40輸入端限流電阻的計算：R=(Vcc-VF-Vcs)/IF=(5-1.5-0.5)/0.03=100Ω實際應用中可以留一些余量，限流電阻取91Ω。MOC3041輸入端限流電阻的計算：R=(Vcc-VF-Vcs)/IF=(5-1.5-0.5)/0.015=200Ω

2626MOC3041是常用的雙向晶閘管輸出的光電耦合器，帶過零2727圖13-6

晶閘管輸出型光電耦合器驅動接口2727圖13-6晶閘管輸出型光電耦合器驅動接口28為留一定的余量，限流電阻選180Ω。4N40常用于小電流用電器的控制，如指示燈等，也可以用于觸發(fā)大功率的晶閘管。MOC3041一般不直接用于控制負載，而用于中間控制電路或用于觸發(fā)大功率的晶閘管。3單片機與繼電器的接口3.1單片機與直流電磁式繼電器功率接口直流電磁式繼電器，一般用功率集成電路或晶體管驅動。在使用較多繼電器的系統(tǒng)中，可用功率集成電路驅動，例如SN75468等。一片SN75468可以驅動7個繼電器，驅動電流可達500mA，輸出端最大工作電壓為100V。2828為留一定的余量，限流電阻選180Ω。2829常用的繼電器大部分屬于直流電磁式繼電器，也稱為直流繼電器。圖13-7是單片機與直流繼電器的接口電路。繼電器的動作由單片機的P1.0端控制。P1.0端輸出低電平時，繼電器J吸合；P1.0端輸出高電平時，繼電器J釋放。采用這種控制邏輯可以使繼電器在上電復位或單片機受控復位時不吸合。繼電器J由晶體管9013驅動,9013可以提供300mA的驅動電流,適用于繼電器線圈工作電流小于300mA的場合。Vc的電壓范圍是6～30V。光電耦合器使用TIL117。TIL117有較高的電流傳輸比,最小值為50%。晶體管9013的電流放大倍2929常用的繼電器大部分屬于直流電磁式繼電器，也稱為直30圖13-7

直流繼電器接口30圖13-7直流繼電器接口31數(shù)大于50。當繼電器線圈工作電流為300mA時,光電耦合器需要輸出大于6.8mA的電流，其中9013基極對地的電阻分流約0.8mA。輸入光電耦合器的電流必須大于6mA，才能保證向繼電器提供300mA的電流。光電耦合器的輸入電流由7407提供，電流約為20mA。二極管D的作用是保護晶體管T。當繼電器J吸合時，二極管D截止，不影響電路工作。繼電器釋放時，由于繼電器線圈存在電感，這時晶體管T已經(jīng)截止，所以會在線圈的兩端產(chǎn)生較高的感應電壓。這個感應電壓的極性是上負下正，正端接在T的集電極上。當感應電壓與Vc之和大于晶體管T的集電結反向耐壓時，晶體管T就有可能損壞。加入二極管D后,繼31數(shù)大于50。當繼電器線圈工作電流為300mA時,光電耦32電器線圈產(chǎn)生的感應電流由二極管D流過，因此不會產(chǎn)生很高的感應電壓，晶體管T得到了保護。3.2單片機與交流電磁式接觸器的接口繼電器中切換電路能力較強的電磁式繼電器稱為接觸器。接觸器的觸點數(shù)一般較多。交流電磁式接觸器由于線圈的工作電壓要求是交流電,所以通常使用雙向晶閘管驅動或使用一個直流繼電器作為中間繼電器控制。圖13-8是交流接觸器的接口電路。交流接觸器C由雙向晶閘管驅動。雙向晶閘管的選擇要滿足：額定工作電流為交流接觸器線圈工作電流的2～3倍；額定工作電壓為交流接觸器線圈工作電壓的2～3倍。對于工作電壓220V的中、小型的交流接觸器，可以選擇3A，600V的雙向晶閘管。3232電器線圈產(chǎn)生的感應電流由二極管D流過，因此不會產(chǎn)生很高的33圖13-8

單片機與交流接觸器接口33圖13-8單片機與交流接觸器接口34光電耦合器MOC3041的作用是觸發(fā)雙向晶閘管以及隔離單片機系統(tǒng)和接觸器系統(tǒng)。光電耦合器MOC3041的輸入端接7407，由單片機的P1.0端控制。P1.0輸出為低時，雙向晶閘管導通,接觸器C吸合。P1.0輸出為高時,雙向晶閘管關斷，接觸器C釋放。MOC3041內部帶有過零控制電路，因此雙向晶閘管工作在過零觸發(fā)方式。接觸器動作時，電源電壓較低，這時接通用電器，對電源的影響較小。4單片機與晶閘管的接口4.1單向晶閘管晶閘管（SCR）習慣上稱可控硅，是一種大功率半導體器3434光電耦合器MOC3041的作用是觸發(fā)雙向晶閘管以35件，它既有單向導電的整流作用，又有可以控制的開關作用。利用它可用較小的功率控制較大的功率。在交、直流電動機調速系統(tǒng)、調功系統(tǒng)、隨動系統(tǒng)和無觸點開關等方面均獲得廣泛的應用，如圖13-9所示，它外部有三個電極：陽極A、陰極C、控制極（門極）G。與二極管不同的是當其兩端加上正向電壓而控制極不加電壓時，晶閘管并不導通，其正向電流很小，處于正向阻斷狀態(tài)；當加上正向電壓，且控制極上（與陰極間）也加上一正向電壓時，晶閘管便進入導通狀態(tài)，管壓降很?。?V左右），這時即使控制電壓消失，仍能保持導通狀態(tài)，所以控制電壓沒有必要一直存在，通常采用脈沖形式，以降低35件，它既有單向導電的整流作用，又有可以控制的開關作用。利36圖13-9

單向晶閘管結構符號觸發(fā)功耗。它不具有自關斷能力，要切斷負載電流，只有使陽極電流減小到維持電流以下，或加上反向電壓實現(xiàn)關斷。若在交流回路中應用，當電流過零和進入負半周時，自動關斷，為了使其再次導通，必須重加控制信號。

36圖13-9單向晶閘管結構符號觸發(fā)功耗。它不具有自關斷374.2雙向晶閘管晶閘管應用于交流電路控制時，如圖13-10所示，采用兩個器件反并聯(lián)，以保證電流能沿正反兩個方向流通。如果把兩只反并聯(lián)的SCR制作在同一片硅片上，便構成雙向可控硅，控制極共用一個，使電路大大簡化，其特性如下：（1）控制極G上無信號時，A1、A2之間呈高阻抗，管子截止。（2）VA1A2＞1.5V時，不論極性如何，便可利用G觸發(fā)電流控制其導通。（3）工作于交流時，當每一半周交替時，純阻負載一般能恢復截止；但在感性負載情況下，電流相位滯后于電壓，電流過37374.2雙向晶閘管3738圖13-10

雙向晶閘管結構38圖13-10雙向晶閘管結構3939零，可能反向電壓超過轉折電壓，使管子反向導通。所以，要求管子能承受這種反向電壓，而且一般要加RC吸收回路。（4）A1、A2可調換使用，觸發(fā)極性可正可負，但觸發(fā)電流有差異。雙向可控硅經(jīng)常用作交流調壓、調功、調溫和無觸點開關，過去其觸發(fā)脈沖一般都用硬件產(chǎn)生，故檢測和控制都不夠靈活，而在單片機控制系統(tǒng)中則經(jīng)常可利用軟件產(chǎn)生觸發(fā)脈沖。4.3光耦合雙向可控硅驅動器這種器件是一種單片機輸出與雙向可控硅之間較理想的接口器件，它由輸入和輸出兩部分組成，輸入部分是一砷化鎵發(fā)光二極管，該二極管在5~15mA正向電流作用下發(fā)出足夠

3939零，可能反向電壓超過轉折電壓，使管子反向導通。所以，40強度的紅外光，觸發(fā)輸出部分。輸出部分是一硅光敏雙向可控硅，在紅外線的作用下可雙向導通。該器件為六引腳雙列直插式封裝，其引腳配置和內部結構見圖13-11。有的型號的光耦合雙向可控硅驅動器還帶有過零檢測器，以保證在電壓為零（接近于零）時才觸發(fā)可控硅導通，如MOC3030/31/32（用于115V交流），MOC3040/41（用于220V交流）。圖13-12為這類光耦驅動器與雙向可控硅的典型電路。輸入、輸出端的雙向晶閘管導通，觸發(fā)外部的雙向晶閘管導通。當P1.0輸出高電平時，MOC3021輸出端的雙向晶閘管關斷，外部雙向晶閘管也關斷。電阻R1的作用是限制流過

4040強度的紅外光，觸發(fā)輸出部分。輸出部分是一硅光敏雙向可控硅41圖13-11

光耦合雙向可控硅驅動器引腳與結構41圖13-11光耦合雙向可控硅驅動器引腳與結構4242圖13-12

雙向晶閘管型觸發(fā)電路4242圖13-12雙向晶閘管型觸發(fā)電路43MOC3021輸出端的電流不要超過1A。R1的大小由下式計算：

R1=VP/IP=(220)Ω/1=311ΩR1取300Ω。由于串入電阻R1,使得觸發(fā)電路由一個最小觸發(fā)電壓，低于這個電壓時，雙向晶閘管才導通。最小觸發(fā)電壓VT由下式計算：VT=R1×IGT+VGT+VTM=300×0.5V+2V+3V=21.5V對應的最小控制角為：α=arcsin(VT/VP)=arcsin(21.5/311)=3.96°即控制角不能小于3.96°,小于3.96°，也必須等到3.96°時,內部雙向晶閘管才導通。當外接的雙向晶閘管功率較大時，需43MOC3021輸出端的電流不要超過1A。R1的大小由下式44要較大IGT,這時最小控制角比較大，可能會超出使用的要求。解決的方法是在大功率晶閘管和MOC3021之間再加入一個觸發(fā)用的晶閘管,這個觸發(fā)用的晶閘管的限流電阻可以用得比較小，所以最小控制角也可以做得比較小。當負載為感性負載時，由于電壓上升率dV/dt較大，有可能超過MOC3021允許的范圍。在阻斷狀態(tài)下，晶閘管的PN結相當于一個電容，如果突然受到正向電壓,充電電流流過門極PN結時，起了觸發(fā)電流的作用。當電壓上升率dV/dt較大時，就會造成MOC3021的輸出晶閘管誤導通。因此,在MOC3021的輸出回路中加入R2和C1組成的RC回路，降低電壓上升率dV/dt，使dV/dt在允許的范圍內。經(jīng)計44要較大IGT,這時最小控制角比較大，可能會超出使用的要求45算R2取2KΩ。

C1=(389×10-6/2×10-3)F=0.19×10-6F=0.19μF在使用晶閘管的控制電路中，常要求晶閘管在電源電壓為零或剛過零時觸發(fā)晶閘管，來減少晶閘管在導通時對電源的影響。這種觸發(fā)方式稱為過零觸發(fā)。過零觸發(fā)需要過零檢測電路，有些光電耦合器內部含有過零檢測電路，如MOC3061雙向晶閘管觸發(fā)電路。圖13-13是使用MOC3061雙向晶閘管的過零觸發(fā)電路。

表13-3列出了MOTOROLA公司MOC3000系列光耦合雙向可控硅驅動器的參數(shù)。4545算R2取2KΩ。4546圖13-13

帶過零觸發(fā)的雙向晶閘管觸發(fā)電路46圖13-13帶過零觸發(fā)的雙向晶閘管觸發(fā)電路4747485單片機與集成功率電子開關輸出接口集成功率電子開關是一種專為邏輯電路輸出作接口而設計的直流功率電子開關器件。它可由TTL、HTL、DTL、CMOS等數(shù)字電路直接驅動，該器件開關速度快、工作頻率高、無噪聲、無觸點，工作可靠、壽命長，目前在控制系統(tǒng)中常用來取代機械觸電繼電器，已越來越多地在單片機控制應用系統(tǒng)中作微電機控制、電磁閥驅動等。它特別適用于那些需要抗潮濕、抗腐蝕和防爆場合中作大電流開關。如在那些機械觸點繼電器無法勝任工作的高頻和高速系統(tǒng)中工作，更能體現(xiàn)其優(yōu)越性。TWH8751和TWH8778是應用最廣泛的兩種集成功率電子開485單片機與集成功率電子開關輸出接口49關。它們都為標準的TO-220塑料封裝，自帶散熱片，具有五條外引腳。下面以TWH8751為例介紹其性能和基本應用電路。5.1集成功率電子開關TWH8751簡介1.TWH8751的引腳及其功能圖13-14是TWH8751的引腳圖。圖13-14

TWH8751的引腳圖

49關。它們都為標準的TO-220塑料封裝，自帶散熱片，具有5050其中2腳VIN是輸入引腳，1腳ST為選通控制引腳，3腳為V－，通常接地，4腳VO為輸出引腳，5腳V＋為正電源引腳。2.TWH8751的性能特點TWH8751器件設計有滯回特性，抗干擾性能好，而且其控制靈敏度高、工作頻率高（可達1.5MHz）、開關特性好、邊沿延遲僅毫微秒級，控制功率較大，內部開關功率管反向擊穿電壓為100V，加上散熱器，通過的灌電流可達3A。由于其輸出管采用集電極開路方式，所以可根據(jù)負載的要求選擇合適的電源電壓，推薦的工作電壓范圍是12~24V。由于片內設有自我熱保護減流電路，當輸出電流超過2A時，可自動使電流減至1A左右。當斷電或在輸入端施加控制信號使輸出級截止后，開關電路可恢復2A的輸出負荷能力。5050其中2腳VIN是輸入引腳，1腳ST為選通控制引腳，351

TWH8751的開關動作延時為1μs左右，圖13-15和圖13-16分別給出輸入-輸出（VIN-VOUT）和選通—輸出（ST-VOUT）的開關特性。該電路都可在200kHz頻率下可靠地工作。3.TWH8751的使用和注意點該器件是邏輯開關，而不是模擬開關，輸出不僅受輸入的控制，還受選通端的控制。當ST選通腳為高電平時，不論VIN腳的電平是什么，這時輸出級的達林頓輸出管截止，輸出腳與地（3腳）斷開；VIN=1（＞1.6V），輸出級導通，輸出腳與地相接。由于在片內電源與地之間設有一6.8V的穩(wěn)壓管，當工作電源電壓超過6.8V，應加限流電阻RS，RS的值可按RS=(VCC－5151TWH8751的開關動作延時為1μs左右，圖13-52圖13-15VIN—VOUT開關特性圖13-16ST—VOUT開關特性52圖13-15VIN—VOUT開關特性圖13-536.8)/10mA來估算。由于輸出開關功率管的反向擊穿電壓可達100V，所以輸出級可以不與V＋共電源，而根據(jù)實際需要要加80~100V的高壓于負載上，但注意不能超過100V，如滿負荷運用一定要加散熱器。5.2集成功率電子開關TWH8751的典型應用1.直流開關TWH8751作直流開關用時，其接法見圖13-17。2.交流開關TWH8751作交流開關用時，接法見圖13-18。53536.8)/10mA來估算。由于輸出開關功率管的反向擊穿電54圖13-17TWH8751作直流開關圖13-18TWH8751作交流開關54圖13-17TWH8751作直流開關圖13-18553.高壓開關 TWH8751作高壓開關用時，接法見圖13-19。6單片機與固態(tài)繼電器的接口 固態(tài)繼電器(SSR-SolidStateRelay)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，因此適宜于在單片機測控系統(tǒng)中作為輸出通道的控制元件；其輸出利用晶體管或可控硅驅動，無觸點。與普通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，并且耐沖擊、抗潮濕、抗553.高壓開關 56圖13-19TWH8751作高壓開關56圖13-19TWH8751作高壓開關57腐蝕，因此在單片機測控等領域中，已逐漸取代傳統(tǒng)的電磁式繼電器和磁力開關作為開關量輸出的控制元件。6.1固態(tài)繼電器的特性與分類1.固態(tài)繼電器的特性（1）功率?。河捎谄漭斎攵耸枪怆婑詈掀鳎潋寗与娏鲀H需幾mA便能可靠地控制，所以可以直接用TTL、HTL、CMOS等集成驅動電路控制。（2）高可靠性：由于其結構上無可動接觸部件，且采用全塑密閉式封裝，所以SSR開關時無抖動和回跳現(xiàn)象，無機械噪聲，同時能耐潮、耐振、耐腐蝕；由于無觸點火花，可用在有易燃易爆介質的場合。5757腐蝕，因此在單片機測控等領域中，已逐漸取代傳統(tǒng)的電磁式558（3）低電磁噪聲：交流型SSR在采用了過零觸發(fā)技術后，電路具有零電壓開啟、零電流關斷的特性，可使對外界和本系統(tǒng)的射頻干擾減低到最低程度。（4）能承受的浪涌電流大：其數(shù)值可為SSR額定值的6~10倍。（5）對電源電壓適應能力強：交流型SSR的負載電源電壓可以在30~220V范圍內任選。（6）抗干擾能力強：由于輸入與輸出之間采用了光電隔離，割斷了兩者的電氣聯(lián)系，避免了輸出功率負載電路對輸入電路的影響。另外又在輸出端附加了干擾抑制網(wǎng)絡，有效地抑制了線路中dV/di和di/dt的影響。58（3）低電磁噪聲：交流型SSR在采用了過零觸發(fā)技術后，電592.固態(tài)繼電器的分類固態(tài)繼電器是一種四端器件，兩端輸入，兩端輸出。它們之間用電耦合器隔離。（1）以負載電源類型分類：可分為直流型（DC-SSR）和交流型（AC-SSR）兩種。直流型是用功率晶體管做開關器件；交流型則用雙向晶閘管做開關器件，分別用來接通和斷開直流或交流負載電源。（2）以開關觸點形式分類：可分為常開式和常閉式。目前市場上以常開式為多。59592.固態(tài)繼電器的分類5960（3）以控制觸發(fā)信號的形式分類：可分為過零型和非過零型。它們的區(qū)別在于負載交流電流導通的條件。非過零型在輸入信號時，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控制信號有效時，輸出端負載電源才導通。其關斷條件是在輸入端的控制電壓撤銷后，流過雙向晶閘管的負載電流為零時，SSR關斷。6.2固態(tài)繼電器的應用輸入端的驅動（1）觸點控制，見圖13-20。（2）TTL驅動SSR，見圖13-21。（3）CMOS驅動SSR，見圖13-22。60（3）以控制觸發(fā)信號的形式分類：可分為過零型和非過零型。6161圖13-20

觸點控制圖13-21TTL驅動SSR

圖13-22CMOS驅動SSR6161圖13-20觸點控制圖13-2162622.輸出端驅動負載（1）DC-SSR驅動大功率負載，見圖13-23。（2）DC-SSR驅動大功率高壓負載，見圖13-24。（3）用SSR控制單相交流電動機正反轉電路，見圖13-25。（4）用SSR控制三相系統(tǒng)負載，見圖13-26。（5）用SSR控制大功率交流電動機，見圖13-27。4.固態(tài)繼電器使用注意事項（1）電子開關器件的通病是存在通態(tài)壓降和斷態(tài)漏電流。SSR的通態(tài)壓降一般小于2V，斷態(tài)漏電流通常為5~10mA。因此使用中要考慮這兩項參數(shù)，否則在控制小功率執(zhí)行器時容易產(chǎn)生誤動作。62622.輸出端驅動負載6363圖13-23DC-SSR驅動大功率負載圖13-24DC-SSR驅動大功率高壓負載圖13-25SSR控制單向交流電機正反轉電路6363圖13-23DC-SSR驅動大功率負載圖13-6464圖13-26

用SSR控制三相系統(tǒng)負載6464圖13-26用SSR控制三相系統(tǒng)負載6565圖13-27

用SSR控制大功率交流電動機6565圖13-27用SSR控制大功率交流電動機66（2）固態(tài)繼電器的電流容量負載能力隨溫度升高而下降，其使用的溫度范圍不太寬（-40~+80℃），所以當使用溫度較高時，選用的SSR必須留有一定的余量。（3）固態(tài)繼電器電壓過載能力差，當負載為感性時，在SSR的輸出端必須加接RM壓敏電阻，其電壓的選擇可以取電源電壓有效值的1.6~1.9倍。（4）應特別注意避免輸出端負載短路會造成SSR損壞。對白熾燈、電爐等電阻類負載，要考慮其“冷阻”特性會造成接通瞬間的浪涌電流，有可能超過額定工作值，所以要對電流容量的選擇留有余地。為防止故障引起過流，最簡單的方法是采用快速熔斷器，要求熔斷器的電壓不低于線路工作電壓，其標稱有效電流值應與固態(tài)繼電器的額定電流值一致。6666（2）固態(tài)繼電器的電流容量負載能力隨溫度升高而下降，其使675.常用的固態(tài)繼電器為了便于設計者選擇固態(tài)繼電器，表13-4和表13-5分別了列出部分常用的直流固態(tài)繼電器和交流固態(tài)繼電器參數(shù)。67675.常用的固態(tài)繼電器676868686869696969707低壓開關量信號輸出技術 對低壓情況下開關量控制輸出，可采用晶體管、OC門或運放等方式輸出，如驅動低壓電磁閘、指示燈、直流電機等，如圖13-28所示。需注意的是，在使用OC門時，由于其為集電極開路輸出，在其輸出為“高”電平狀態(tài)時，實質只是一種高阻狀態(tài)，必須外接上拉電阻，此時的輸出驅動電流主要由Vc提供，只能直流驅動并且OC門的驅動電流一般不大，在幾十mA量級。如果被驅動設備所需驅動電流較大，則可采用三極管輸出方式，如圖13-29所示。707低壓開關量信號輸出技術7171圖13-28

低壓開關量輸出圖13-29

三極管輸出驅動7171圖13-28低壓開關量輸出圖13-29三72Thankyou!72Thankyou!73

功率接口設計731功率接口設計174

功率接口設計1 單片機與外圍集成數(shù)字驅動電路的接口2 單片機與光電耦合器的接口

2.1.晶體管輸出型光電耦合器驅動接口

2.2.晶閘管輸出型光電耦合器驅動接口3單片機與繼電器的接口

3.1單片機與直流電磁式繼電器功率接口

3.2單片機與交流電磁式接觸器的接口4單片機與晶閘管的接口

4.1單向晶閘管

4.2雙向晶閘管

4.3光耦合雙向可控硅驅動器2功率接口設計755單片機與集成功率電子開關輸出接口

5.1集成功率電子開關TWH8751簡介

5.2集成功率電子開關TWH8751的典型應用6單片機與固態(tài)繼電器的接口

6.1固態(tài)繼電器的特性與分類

6.2固態(tài)繼電器的應用7低壓開關量信號輸出技術35單片機與集成功率電子開關輸出接口76內容概要在應用系統(tǒng)設計中，有時需用單片機控制各種各樣的高壓、大電流負載，如電動機、電磁鐵、繼電器、燈泡等，顯然不能直接用單片機的I/O線來驅動，單片機必須通過各種驅動電路和開關電路來驅動。此外，為了使單片機與強電隔離和抗干擾，有時需加接光電耦合器。我們稱上述各類接口為單片機的功率接口。本章將介紹單片機功率接口用到的各種器件以及功率接口設計。

4內容概要771 單片機與外圍集成數(shù)字驅動電路的接口在工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場，有不少被控對象是電磁繼電器、電磁開關或可控硅、固態(tài)繼電器和功率電子開關，其控制信號都是開關電平量。由于AT89S52片內的I/O口驅動能力有限，需要經(jīng)過外圍集成數(shù)字驅動電路來驅動。表13-1給出了常用的外圍集成數(shù)字驅動電路的參數(shù)。這些驅動電路只要加接合適的限流電阻和偏置電阻，即可直接由TTL、MOS以及CMOS電路來驅動。當它們用于驅動感性負51 單片機與外圍集成數(shù)字驅動電路的接口78679載時，必須加接限流電阻或箝位二極管。此外，有些驅動器內部還設有邏輯門電路，可以完成與、與非、或以及或非的邏輯功能。下面舉例說明外圍集成數(shù)字驅動電路的應用。【例13-1】慢開啟的白熾燈驅動電路圖13-1為慢開啟白熾燈驅動電路，白熾燈的延時開啟時間長短取決于時間常數(shù)RC。此電路能直接驅動工作電壓小于30V、額定電流小于500mA的任何燈泡。注意：在設計此電路的印刷電路板時，驅動器要加裝散熱板，以便散熱。SN75401芯片性能參數(shù)見表13-1。7載時，必須加接限流電阻或箝位二極管。此外，有些驅動器內部還80圖13-1

慢開啟白熾燈驅動電路8圖13-1慢開啟白熾燈驅動電路81【例13-2】大功率音頻振蕩器

圖13-2給出的電路能直接驅動一個大功率的揚聲器，可用于報警系統(tǒng)，改變電路中的電阻或電容的值便能改變電路的振蕩頻率。電路中的兩個齊納二極管IN751A用于輸入端的保護。SN75447芯片性能參數(shù)請見表13-1?！纠?3-3】驅動大電流負載單片機驅動大電流負的電路如圖13-3所示。ULN2068芯片具有四個大電流達林頓開關，能驅動電流高達1.5A的負載。由于ULN2068在25℃時功耗達2075mW，因而使用時一定要加散熱板。ULN2068芯片性能參數(shù)請見表13-1。819【例13-2】大功率音頻振蕩器982圖13-2

大功率音頻振蕩器10圖13-2大功率音頻振蕩器83圖13-3

使用ULN2068的大電流驅動電路11圖13-3使用ULN2068的大電流驅動電路84

2單片機與光電耦合器的接口光電耦合器因其良好的性能和抗干擾能力而被廣泛地應用于單片機系統(tǒng)輸入和輸出信號的電氣隔離。但是，在利用光電耦合器的線性耦合直接對模擬信號進行隔離傳輸時，由于光電耦合器內部發(fā)光二極管和光敏三極管的伏安特性，使得光電耦合器的“線性區(qū)”實際上比較小并且存在一定程度的非線性失真。由于光電耦合器件非線性的輸入輸出特性所限，一般來講，光耦器件主要應用于數(shù)字信號的隔離，而較少用于模擬信號的隔離。常用的光電耦合器為晶體管輸出型、晶閘管輸出型。122單片機與光電耦合器的接口85852.1.晶體管輸出型光電耦合器驅動接口晶體管輸出型光電耦合器作為開關使用，其受光器是光電晶體管。光電晶體管除了沒有使用基極外，跟普通晶體管一樣。取代基極電流的是以光作為晶體管的輸入。當光電耦合器的發(fā)光二極管發(fā)光時，光電晶體管受光的影響在cb間和ce間有電流流過，這兩個電流基本上受光的照度控制，常用ce極間的電流作為輸出電流，輸出電流受Vce的電壓影響很小，在Vce增加時，稍有增加。光電晶體管的集電極電流Ic與發(fā)光二極管的電流IF之比稱為光電耦合器的電流傳輸比。13132.1.晶體管輸出型光電耦合器驅動接口86不同結構的光電耦合器的電流傳輸比相差很大。如輸出端是單個晶體管的光電耦合器4N25的電流傳輸比≥20%。輸出端使用達林頓管的光電耦合器4N33的電流傳輸比≥500%。電流傳輸比受發(fā)光二極管的工作電流大小影響，電流為10～20mA時，電流傳輸比最大，電流小于10mA或大于20mA，傳輸比都下降。溫度升高，傳輸比也會下降，因此在使用時要留一些余量。光電耦合器在傳輸脈沖信號時，對不同結構的光電耦合器的輸入輸出延遲時間相差很大。4N25的導通延遲ton是2.8μs，關斷延遲toff是4.5μs，4N33的導通延遲ton是0.6μs，關斷延遲toff是45μs。14不同結構的光電耦合器的電流傳輸比相差很大。如輸出端是單個8787晶體管輸出型光電耦合器除了可作為開關使用外，還可用作線性耦合器，在發(fā)光二極管上提供一個偏置電流，再把信號電壓通過電阻耦合到發(fā)光二極管上，引起其亮度的變化，從而輸出電流也就將隨輸入的信號電壓線性變化。圖13-4是使用4N25的光電耦合器接口電路圖。4N25起到耦合脈沖信號和隔離單片機系統(tǒng)與輸出部分的作用，使兩部分的電流信號獨立。輸出部分的地線接機殼或接大地，而單片機系統(tǒng)的電源地線浮空，不與交流電源的地線相接。這樣可以避免輸出部分電源變化對單片機電源的影響，減少系統(tǒng)所受的干擾，提高系統(tǒng)的可靠性。4N25輸入、輸出端的最大隔離電壓＞2500V。1515晶體管輸出型光電耦合器除了可作為開關使用外，還可用作88圖13-4

光電耦合器4N25的接口電路16圖13-4光電耦合器4N25的接口電路8989圖13-4電路中使用同相驅動器7407作為光電耦合器4N25輸入端的驅動。光電耦合器輸入端的電流一般為10～15mA，發(fā)光二極管的壓降約為1.2～1.5V。限流電阻由下式計算：式中：Vcc為電源電壓；

VF為輸入端發(fā)光二極管的壓降，取1.5V；

Vcs為驅動器的壓降；

IF為發(fā)光二極管的工作電流。如圖13-4電路要求IF為15mA，則限流電阻計算如下：1717圖13-4電路中使用同相驅動器7407作為光電耦合器90當單片機的P1.0端輸出高電平時，4N25輸入端電流為0，輸出相當開路，74LS04的輸入端為高電平，輸出為低電平。AT89S52的P1.0端輸出低電平時，7407輸出端為低電壓輸出，4N25的輸入電流為15mA，輸出端可以流過≥3mA的電流。如果輸出端負載電流小于3mA，則輸出端相當于一個接通的開關。74LS04輸出高電平。4N25的6腳是光電晶體管的基極，在一般的使用中可以不接，該腳懸空。9018當單片機的P1.0端輸出高電平時，4N25輸入端91光電耦合器也常用于較遠距離的信號隔離傳送。一方面光電耦合器可以起到隔離兩個系統(tǒng)地線的作用，使兩個系統(tǒng)的電源相互獨立，消除地電位不同所產(chǎn)生的影響。另一方面，光電耦合器的發(fā)光二極管是電流驅動器件，可以形成電流環(huán)路的傳送形式。由于電流環(huán)電路是低阻抗電路，它對噪音的敏感度低，因此提高了通訊系統(tǒng)的抗干擾能力。常用于有噪音干擾的環(huán)境下傳輸信號。圖13-5是用光電耦合器組成的電流環(huán)發(fā)送和接收電路。圖13-5電路可以用來傳輸數(shù)據(jù)，最大速率為50Kb/s，最大傳輸距離為900米。環(huán)路連線的電阻對傳輸距離影響很大，此9119光電耦合器也常用于較遠距離的信號隔離傳送。一方面光電耦合92圖13-5

電流環(huán)電路20圖13-5電流環(huán)電路93電路中環(huán)路連線電阻不能大于30Ω，當連線電阻較大時，100Ω的限流電阻要相應減小。光電耦合管使用TIL110，TIL110的功能與4N25相同，但開關速度比4N25快，當傳輸速度要求不高時，也可以用4N25代替。電路中光電耦合器放在接收端，輸入端由同相驅動器7407驅動，限流電阻分為兩個，一個是50Ω，一個是100Ω。50Ω電阻的作用除了限流外，最主要的作用還是起阻尼的作用，防止傳送的信號發(fā)生畸變和產(chǎn)生突發(fā)的尖峰。電流環(huán)的電流計算如下：IF=(Vcc-VF-Vcs)/(R1+R2)=(5-1.5-0.5)A/(50+100)=0.02A=20mA21電路中環(huán)路連線電阻不能大于30Ω，當連線電阻較大時，109494

TIL110的輸出端接一個帶施密特整形電路的反相器74LS14，作用是提高抗干擾能力。施密特觸發(fā)電路的輸入特性有一個回差。輸入電壓大于2V才認為是高電平輸入，小于0.8V才認為是低電平輸入。電平在0.8～2V之間變化時，則不改變輸出狀態(tài)。因此信號經(jīng)過74LS14之后便更接近理想波形。

表13-2為常用的晶體管輸出型光電耦合器，供讀者在選用光電耦合器時參考。

2222TIL110的輸出端接一個帶施密特整形電路95952323962497

2.2.晶閘管輸出型光電耦合器驅動接口晶閘管輸出型光電耦合器的輸出端是光敏晶閘管或光敏雙向晶閘管。當光電耦合器的輸入端有一定的電流流入時，晶閘管即導通。有的光電耦合器的輸出端還配有過零檢測電路，用于控制晶閘管過零觸發(fā)，以減少用電器在接通電源時對電網(wǎng)的影響。4N40是常用的單向晶閘管輸出型光電耦合器。當輸入端有15～30mA電流時，輸出端的晶閘管導通。輸出端的額定電壓為400V，額定電流有效值為300mA。輸入輸出端隔離電壓為1500～7500V。4N40的6腳是輸出晶閘管的控制端，不使用此端時，此端可對陰極接一個電阻。97252.2.晶閘管輸出型光電耦合器驅動接口2598MOC3041是常用的雙向晶閘管輸出的光電耦合器，帶過零觸發(fā)電路，輸入端的控制電流為15mA，輸出端額定電壓為400V，最大重復浪涌電流為1A，輸入輸出端隔離電壓為7500V。MOC3041的5腳是器件的襯底引出端，使用時不需要接線。圖13-6是4N40和MOC3041的接口驅動電路。4N40輸入端限流電阻的計算：R=(Vcc-VF-Vcs)/IF=(5-1.5-0.5)/0.03=100Ω實際應用中可以留一些余量，限流電阻取91Ω。MOC3041輸入端限流電阻的計算：R=(Vcc-VF-Vcs)/IF=(5-1.5-0.5)/0.015=200Ω

9826MOC3041是常用的雙向晶閘管輸出的光電耦合器，帶過零9999圖13-6

晶閘管輸出型光電耦合器驅動接口2727圖13-6晶閘管輸出型光電耦合器驅動接口100為留一定的余量，限流電阻選180Ω。4N40常用于小電流用電器的控制，如指示燈等，也可以用于觸發(fā)大功率的晶閘管。MOC3041一般不直接用于控制負載，而用于中間控制電路或用于觸發(fā)大功率的晶閘管。3單片機與繼電器的接口3.1單片機與直流電磁式繼電器功率接口直流電磁式繼電器，一般用功率集成電路或晶體管驅動。在使用較多繼電器的系統(tǒng)中，可用功率集成電路驅動，例如SN75468等。一片SN75468可以驅動7個繼電器，驅動電流可達500mA，輸出端最大工作電壓為100V。10028為留一定的余量，限流電阻選180Ω。28101常用的繼電器大部分屬于直流電磁式繼電器，也稱為直流繼電器。圖13-7是單片機與直流繼電器的接口電路。繼電器的動作由單片機的P1.0端控制。P1.0端輸出低電平時，繼電器J吸合；P1.0端輸出高電平時，繼電器J釋放。采用這種控制邏輯可以使繼電器在上電復位或單片機受控復位時不吸合。繼電器J由晶體管9013驅動,9013可以提供300mA的驅動電流,適用于繼電器線圈工作電流小于300mA的場合。Vc的電壓范圍是6～30V。光電耦合器使用TIL117。TIL117有較高的電流傳輸比,最小值為50%。晶體管9013的電流放大倍10129常用的繼電器大部分屬于直流電磁式繼電器，也稱為直102圖13-7

直流繼電器接口30圖13-7直流繼電器接口103數(shù)大于50。當繼電器線圈工作電流為300mA時,光電耦合器需要輸出大于6.8mA的電流，其中9013基極對地的電阻分流約0.8mA。輸入光電耦合器的電流必須大于6mA，才能保證向繼電器提供300mA的電流。光電耦合器的輸入電流由7407提供，電流約為20mA。二極管D的作用是保護晶體管T。當繼電器J吸合時，二極管D截止，不影響電路工作。繼電器釋放時，由于繼電器線圈存在電感，這時晶體管T已經(jīng)截止，所以會在線圈的兩端產(chǎn)生較高的感應電壓。這個感應電壓的極性是上負下正，正端接在T的集電極上。當感應電壓與Vc之和大于晶體管T的集電結反向耐壓時，晶體管T就有可能損壞。加入二極管D后,繼31數(shù)大于50。當繼電器線圈工作電流為300mA時,光電耦104電器線圈產(chǎn)生的感應電流由二極管D流過，因此不會產(chǎn)生很高的感應電壓，晶體管T得到了保護。3.2單片機與交流電磁式接觸器的接口繼電器中切換電路能力較強的電磁式繼電器稱為接觸器。接觸器的觸點數(shù)一般較多。交流電磁式接觸器由于線圈的工作電壓要求是交流電,所以通常使用雙向晶閘管驅動或使用一個直流繼電器作為中間繼電器控制。圖13-8是交流接觸器的接口電路。交流接觸器C由雙向晶閘管驅動。雙向晶閘管的選擇要滿足：額定工作電流為交流接觸器線圈工作電流的2～3倍；額定工作電壓為交流接觸器線圈工作電壓的2～3倍。對于工作電壓220V的中、小型的交流接觸器，可以選擇3A，600V的雙向晶閘管。10432電器線圈產(chǎn)生的感應電流由二極管D流過，因此不會產(chǎn)生很高的105圖13-8

單片機與交流接觸器接口33圖13-8單片機與交流接觸器接口106光電耦合器MOC3041的作用是觸發(fā)雙向晶閘管以及隔離單片機系統(tǒng)和接觸器系統(tǒng)。光電耦合器MOC3041的輸入端接7407，由單片機的P1.0端控制。P1.0輸出為低時，雙向晶閘管導通,接觸器C吸合。P1.0輸出為高時,雙向晶閘管關斷，接觸器C釋放。MOC3041內部帶有過零控制電路，因此雙向晶閘管工作在過零觸發(fā)方式。接觸器動作時，電源電壓較低，這時接通用電器，對電源的影響較小。4單片機與晶閘管的接口4.1單向晶閘管晶閘管（SCR）習慣上稱可控硅，是一種大功率半導體器10634光電耦合器MOC3041的作用是觸發(fā)雙向晶閘管以107件，它既有單向導電的整流作用，又有可以控制的開關作用。利用它可用較小的功率控制較大的功率。在交、直流電動機調速系統(tǒng)、調功系統(tǒng)、隨動系統(tǒng)和無觸點開關等方面均獲得廣泛的應用，如圖13-9所示，它外部有三個電極：陽極A、陰極C、控制極（門極）G。與二極管不同的是當其兩端加上正向電壓而控制極不加電壓時，晶閘管并不導通，其正向電流很小，處于正向阻斷狀態(tài)；當加上正向電壓，且控制極上（與陰極間）也加上一正向電壓時，晶閘管便進入導通狀態(tài)，管壓降很小（1V左右），這時即使控制電壓消失，仍能保持導通狀態(tài)，所以控制電壓沒有必要一直存在，通常采用脈沖形式，以降低35件，它既有單向導電的整流作用，又有可以控制的開關作用。利108圖13-9

單向晶閘管結構符號觸發(fā)功耗。它不具有自關斷能力，要切斷負載電流，只有使陽極電流減小到維持電流以下，或加上反向電壓實現(xiàn)關斷。若在交流回路中應用，當電流過零和進入負半周時，自動關斷，為了使其再次導通，必須重加控制信號。

36圖13-9單向晶閘管結構符號觸發(fā)功耗。它不具有自關斷1094.2雙向晶閘管晶閘管應用于交流電路控制時，如圖13-10所示，采用兩個器件反并聯(lián)，以保證電流能沿正反兩個方向流通。如果把兩只反并聯(lián)的SCR制作在同一片硅片上，便構成雙向可控硅，控制極共用一個，使電路大大簡化，其特性如下：（1）控制極G上無信號時，A1、A2之間呈高阻抗，管子截止。（2）VA1A2＞1.5V時，不論極性如何，便可利用G觸發(fā)電流控制其導通。（3）工作于交流時，當每一半周交替時，純阻負載一般能恢復截止；但在感性負載情況下，電流相位滯后于電壓，電流過109374.2雙向晶閘管37110圖13-10

雙向晶閘管結構38圖13-10雙向晶閘管結構111111零，可能反向電壓超過轉折電壓，使管子反向導通。所以，要求管子能承受這種反向電壓，而且一般要加RC吸收回路。（4）A1、A2可調換使用，觸發(fā)極性可正可負，但觸發(fā)電流有差異。雙向可控硅經(jīng)常用作交流調壓、調功、調溫和無觸點開關，過去其觸發(fā)脈沖一般都用硬件產(chǎn)生，故檢測和控制都不夠靈活，而在單片機控制系統(tǒng)中則經(jīng)?？衫密浖a(chǎn)生觸發(fā)脈沖。4.3光耦合雙向可控硅驅動器這種器件是一種單片機輸出與雙向可控硅之間較理想的接口器件，它由輸入和輸出兩部分組成，輸入部分是一砷化鎵發(fā)光二極管，該二極管在5~15mA正向電流作用下發(fā)出足夠

3939零，可能反向電壓超過轉折電壓，使管子反向導通。所以，112強度的紅外光，觸發(fā)輸出部分。輸出部分是一硅光敏雙向可控硅，在紅外線的作用下可雙向導通。該器件為六引腳雙列直插式封裝，其引腳配置和內部結構見圖13-11。有的型號的光耦合雙向可控硅驅動器還帶有過零檢測器，以保證在電壓為零（接近于零）時才觸發(fā)可控硅導通，如MOC3030/31/32（用于115V交流），MOC3040/41（用于220V交流）。圖13-12為這類光耦驅動器與雙向可控硅的典型電路。輸入、輸出端的雙向晶閘管導通，觸發(fā)外部的雙向晶閘管導通。當P1.0輸出高電平時，MOC3021輸出端的雙向晶閘管關斷，外部雙向晶閘管也關斷。電阻R1的作用是限制流過

11240強度的紅外光，觸發(fā)輸出部分。輸出部分是一硅光敏雙向可控硅113圖13-11

光耦合雙向可控硅驅動器引腳與結構41圖13-11光耦合雙向可控硅驅動器引腳與結構114114圖13-12

雙向晶閘管型觸發(fā)電路4242圖13-12雙向晶閘管型觸發(fā)電路115MOC3021輸出端的電流不要超過1A。R1的大小由下式計算：

R1=VP/IP=(220)Ω/1=311ΩR1取300Ω。由于串入電阻R1,使得觸發(fā)電路由一個最小觸發(fā)電壓，低于這個電壓時，雙向晶閘管才導通。最小觸發(fā)電壓VT由下式計算：VT=R1×IGT+VGT+VTM=300×0.5V+2V+3V=21.5V對應的最小控制角為：α=arcsin(VT/VP)=arcsin(21.5/311)=3.96°即控制角不能小于3.96°,小于3.96°，也必須等到3.96°時,內部雙向晶閘管才導通。當外接的雙向晶閘管功率較大時，需43MOC3021輸出端的電流不要超過1A。R1的大小由下式116要較大IGT,這時最小控制角比較大，可能會超出使用的要求。解決的方法是在大功率晶閘管和MOC3021之間再加入一個觸發(fā)用的晶閘管,這個觸發(fā)用的晶閘管的限流電阻可以用得比較小，所以最小控制角也可以做得比較小。當負載為感性負載時，由于電壓上升率dV/dt較大，有可能超過MOC3021允許的范圍。在阻斷狀態(tài)下，晶閘管的PN結相當于一個電容，如果突然受到正向電壓,充電電流流過門極PN結時，起了觸發(fā)電流的作用。當電壓上升率dV/dt較大時，就會造成MOC3021的輸出晶閘管誤導通。因此,在MOC3021的輸出回路中加入R2和C1組成的RC回路，降低電壓上升率dV/dt，使dV/dt在允許的范圍內。經(jīng)計44要較大IGT,這時最小控制角比較大，可能會超出使用的要求117算R2取2KΩ。

C1=(389×10-6/2×10-3)F=0.19×10-6F=0.19μF在使用晶閘管的控制電路中，常要求晶閘管在電源電壓為零或剛過零時觸發(fā)晶閘管，來減少晶閘管在導通時對電源的影響。這種觸發(fā)方式稱為過零觸發(fā)。過零觸發(fā)需要過零檢測電路，有些光電耦合器內部含有過零檢測電路，如MOC3061雙向晶閘管觸發(fā)電路。圖13-13是使用MOC3061雙向晶閘管的過零觸發(fā)電路。

表13-3列出了MOTOROLA公司MOC3000系列光耦合雙向可控硅驅動器的參數(shù)。11745算R2取2KΩ。45118圖13-13

帶過零觸發(fā)的雙向晶閘管觸發(fā)電路46圖13-13帶過零觸發(fā)的雙向晶閘管觸發(fā)電路119471205單片機與集成功率電子開關輸出接口集成功率電子開關是一種專為邏輯電路輸出作接口而設計的直流功率電子開關器件。它可由TTL、HTL、DTL、CMOS等數(shù)字電路直接驅動，該器件開關速度快、工作頻率高、無噪聲、無觸點，工作可靠、壽命長，目前在控制系統(tǒng)中常用來取代機械觸電繼電器，已越來越多地在單片機控制應用系統(tǒng)中作微電機控制、電磁閥驅動等。它特別適用于那些需要抗潮濕、抗腐蝕和防爆場合中作大電流開關。如在那些機械觸點繼電器無法勝任工作的高頻和高速系統(tǒng)中工作，更能體現(xiàn)其優(yōu)越性。TWH8751和TWH8778是應用最廣泛的兩種集成功率電子開485單片機與集成功率電子開關輸出接口121關。它們都為標準的TO-220塑料封裝，自帶散熱片，具有五條外引腳。下面以TWH8751為例介紹其性能和基本應用電路。5.1集成功率電子開關TWH8751簡介1.TWH8751的引腳及其功能圖13-14是TWH8751的引腳圖。圖13-14

TWH8751的引腳圖

49關。它們都為標準的TO-220塑料封裝，自帶散熱片，具有122122其中2腳VIN是輸入引腳，1腳ST為選通控制引腳，3腳為V－，通常接地，4腳VO為輸出引腳，5腳V＋為正電源引腳。2.TWH8751的性能特點TWH8751器件設計有滯回特性，抗干擾性能好，而且其控制靈敏度高、工作頻率高（可達1.5MHz）、開關特性好、邊沿延遲僅毫微秒級，控制功率較大，內部開關功率管反向擊穿電壓為100V，加上散熱器，通過的灌電流可達3A。由于其輸出管采用集電極開路方式，所以可根據(jù)負載的要求選擇合適的電源電壓，推薦的工作電壓范圍是12~24V。由于片內設有自我熱保護減流電路，當輸出電流超過2A時，可自動使電流減至1A左右。當斷電或在輸入端施加控制信號使輸出級截止后，開關電路可恢復2A的輸出負荷能力。5050其中2腳VIN是輸入引腳，1腳ST為選通控制引腳，3123

TWH8751的開關動作延時為1μs左右，圖13-15和圖13-16分別給出輸入-輸出（VIN-VOUT）和選通—輸出（ST-VOUT）的開關特性。該電路都可在200kHz頻率下可靠地工作。3.TWH8751的使用和注意點該器件是邏輯開關，而不是模擬開關，輸出不僅受輸入的控制，還受選通端的控制。當ST選通腳為高電平時，不論VIN腳的電平是什么，這時輸出級的達林頓輸出管截止，輸出腳與地（3腳）斷開；VIN=1（＞1.6V），輸出級導通，輸出腳與地相接。由于在片內電源與地之間設有一6.8V的穩(wěn)壓管，當工作電源電壓超過6.8V，應加限流電阻RS，RS的值可按RS=(VCC－12351TWH8751的開關動作延時為1μs左右，圖13-124圖13-15VIN—VOUT開關特性圖13-16ST—VOUT開關特性52圖13-15VIN—VOUT開關特性圖13-1256.8)/10mA來估算。由于輸出開關功率管的反向擊穿電壓可達100V，所以輸出級可以不與V＋共電源，而根據(jù)實際需要要加80~100V的高壓于負載上，但注意不能超過100V，如滿負荷運用一定要加散熱器。5.2集成功率電子開關TWH8751的典型應用1.直流開關TWH8751作直流開關用時，其接法見圖13-17。2.交流開關TWH8751作交流開關用時，接法見圖13-18。125536.8)/10mA來估算。由于輸出開關功率管的反向擊穿電126圖13-17TWH8751作直流開關圖13-18TWH8751作交流開關54圖13-17TWH8751作直流開關圖13-181273.高壓開關 TWH8751作高壓開關用時，接法見圖13-19。6單片機與固態(tài)繼電器的接口 固態(tài)繼電器(SSR-SolidStateRelay)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