不同输出接口电路电流配置及阵列控制电器摘要

输出电子电路，PIC和微控制器的接口允许它们通过移动或闪烁几个灯来控制现实世界

正如我们在之前的输入接口教程中看到的那样，接口电路允许一种类型的电路连接到另一种类型的电路，该电路可能具有不同的电压或电流额定值。

但是，除了连接输入设备（如开关和传感器），我们还可以连接输出设备，如继电器，磁电磁阀和灯。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允许它们控制现实世界通过使物体移动，例如机器人的电动机或机械臂等。但输出接口电路也可用于开启或关闭物体，例如指示器或灯。然后输出接口电路可以有一个数字输出或一个模拟输出信号。

直流电机是一个输出设备

数字逻辑输出是最常见的输出接口信号类型，也是最容易控制的。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产生变化的电压或电流速度信号或位置控制类型输出。脉冲输出切换是另一种输出控制，可改变输出信号的占空比，用于直流电机的灯调光或速度控制。

输入接口电路设计用于接受不同类型的不同电压电平传感器，输出接口电路需要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（或开漏）输出配置，可以增加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下沉或提供有用的输出电流量，用于切换和控制大范围的输出接口设备以控制现实世界。当我们谈论下沉和输出电流时，输出接口既可以“给出”（源）开关电流，也可以“吸收”（吸收）开关电流。这意味着根据负载连接到输出接口的方式，HIGH或LOW输出将激活它。

也许最简单的所有输出接口设备都是用于产生光的单个ON / OFF指示或作为多段或条形图显示的一部分。但与可直接连接到电路输出的普通灯泡不同，LED作为二极管需要一个串联电阻来限制其正向电流。

输出接口电路

发光二极管或简称LED是一种极好的低功率选择，可作为许多电子电路的输出设备，因为它们可用于取代高瓦数，高温灯丝灯泡作为状态指示器。 LED通常由低电压，低电流电源驱动，使其成为用于数字电路的非常有吸引力的元件。此外，作为一种固态器件，它们的使用寿命可超过100,000小时，使其成为一个非常适合和忘记的元件。

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）相对于其阴极（K）足够负时阳极（A），可以产生一系列彩色输出光和亮度。

根据用于构建LED的pn结的半导体材料，将确定发出的光的颜色，并轮流 - 正向电压。最常见的LED颜色是红色，绿色，琥珀色或黄色。

与硅的正向压降约为0.7伏或锗约为0.3伏的传统信号二极管不同，发光二极管的正向压降比普通信号二极管大。但是当正向偏置产生可见光时。

典型的LED在发光时可以有一个恒定的正向压降，V LED 约为1.2到1.6伏，其发光强度直接变化正向LED电流。但由于LED实际上是一个“二极管”（它的箭头像符号类似二极管，但LED符号旁边的箭头很小，表示它发光），它需要一个限流电阻，以防止它在短路时供电正向偏置。

LED可以直接从大多数输出接口端口驱动，因为标准LED可以在5mA和25mA之间的正向电流下工作。典型的彩色LED需要大约10mA的正向电流以提供相当明亮的显示。因此，如果我们假设单个红色LED在1.6伏照明时具有正向电压降，则将由提供10mA的5伏微控制器的输出端口操作。然后，所需的限流串联电阻 R S 的值计算如下：

但是，在E24（5％）系列首选电阻值中，没有340Ω电阻，因此选择的最接近的首选值为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150Ω和750Ω之间的串联电阻值可以很好地工作。

另外请注意，作为串联电路，电阻和LED的连接方式无关紧要。但是，单向LED必须以正确的方式连接。如果以错误的方式连接LED，它将不会被损坏，它不会点亮。

多LED接口电路

除了将单个LED（或灯）用于输出接口电路外，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其供电，以用于光电子电路和显示器。

将两个或多个LED串联连接并没有像我们上面看到的那样使用单个LED，但这次我们需要考虑附加LED的额外正向压降，V LED 在串联组合中。

例如，在我们上面的简单LED输出接口示例中，我们说LED的正向压降为1.6伏。如果我们使用三个串联的LED，则所有三个LED的总电压降将为4.8（3 x 1.6）伏。然后我们可以使用5伏电源，但最好使用更高的6伏或9伏电源代替为三个LED供电。

假设在10mA时供应9.0伏电压（如前所述） ），所需的串联限流电阻值 R S 计算如下： R S =（9-4.8） /10毫安=420Ω 。同样在E24（5％）系列的首选电阻值中，没有420Ω电阻，因此所选的最接近的优选值为430Ω。

作为低电压，低电流器件，LED是理想的状态指示器它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逻辑门能够吸收或提供电流，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通过适当的串联电阻接地，如图所示。

数字输出接口LED

上述输出接口电路适用于一个或多个串联LED，或适用于电流要求小于25 mA（最大LED正向电流）的任何其他设备。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具有更高电压或电流额定值的负载（例如12v白炽灯），会发生什么。答案是使用额外的开关器件，如晶体管，mosfet或继电器，如图所示。

输出接口高电流负载

通用输出接口设备，如电机，螺线管和灯需要大电流，以便最好地控制它们或如图所示由晶体管开关装置驱动。这样，负载（灯或电机）不会使开关接口或控制器的输出电路过载。

晶体管开关非常常见，非常适用于切换高功率负载或输出接口的不同电源。如果需要，它们也可以每秒几次“开”和“关”，如脉冲宽度调制，PWM电路。但是我们首先需要考虑使用晶体管作为开关。

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（或通过连接到集电极的负载），则称晶体管完全关断（截止）。

将晶体管完全导通（饱和），晶体管开关有效地作为闭合开关，即其集电极电压与其发射极电压处于相同的电压。但作为固态器件，即使在饱和时，晶体管端子上也总是会有一个很小的电压降，称为 V CE（SAT） 。该电压的范围约为0.1至0.5伏，具体取决于晶体管。

此外，由于晶体管将完全导通，负载电阻将限制晶体管集电极电流 I C 到负载所需的实际电流（在我们的例子中，是通过灯的电流）。然后过多的基极电流会过热并损坏开关晶体管，这在一定程度上违背了使用晶体管的目的，该晶体管用较小的负载电流控制较大的负载电流。因此，需要一个电阻来限制基极电流， I B 。

使用单个开关晶体管控制负载的基本输出接口电路如下所示。请注意，通常连接续流二极管（也称为续流二极管）或反电动势抑制二极管（如1N4001或1N4148），以保护晶体管免受电感负载（如继电器，电机和电感）产生的任何反电动势电压的影响。当电流被晶体管关闭时，电磁阀等。

基本晶体管开关电路

假设我们希望通过合适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瓦白炽灯的操作。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），晶体管的β（β）为100（您可以从数据表中找到此Beta或h FE 值您使用的晶体管）和完全导通时的V CE 饱和电压是0.3伏，基极电阻的值是什么， R B 需要限制集电极电流。

晶体管集电极电流 I C 与通过灯丝的电流值相同灯。如果灯的额定功率为5瓦，则完全开启时的电流将为：

当 I C 等于灯（负载）电流时，晶体管基极电流将相对于晶体管的电流增益 I B = I C /β 。先前的电流增益为：β= 100 ，因此最小基波电流 I B（MIN） 计算如下：

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 <子> B（MAX） 。给出的信息表明，晶体管的基极应由数字逻辑门的5.0v输出电压（ Vo ）控制。如果基极 - 发射极正向偏压为0.7伏，则 R B 的值计算如下：

然后当来自逻辑门的输出信号为低电平（0v）时，没有基极电流流过且晶体管完全 - 关闭，没有电流流过1kΩ电阻。当来自逻辑门的输出信号为高电平（+ 5v）时，基极电流为4.27mA，导通晶体管灯上的晶体管为11.7V。当导通4.27mA时，基极电阻 R B 的功耗小于18mW，因此1 / 4W电阻可以工作。

注意使用晶体管时作为输出接口电路中的开关，一个好的经验法则是选择一个基极电阻， R B 值，以便基极驱动电流 I B 约为所需负载电流的5％甚至10％， I C 有助于将晶体管很好地驱动到饱和区从而最小化 V CE 和功率损耗。

另外，为了更快地计算电阻值并减少数学，你可以忽略如果您想进行计算，则集电极发射极结上的压降为0.1至0.5，基极发射极结上的压降为0.7伏。无论如何，得到的近似值将足够接近实际计算值。

单功率晶体管开关电路对于控制低功率器件非常有用，例如白炽灯或可用于切换的开关继电器更高功率的设备，例如电机和螺线管。

但是继电器是大而笨重的机电设备，当用于输出接口时，它可能很昂贵或在电路板上占用大量空间。例如，端口微控制器。

直接从微控制器，PIC或数字电路的输出引脚切换大电流器件的一种方法是使用形成的达林顿对配置用作输出接口器件的功率晶体管的主要缺点之一是它们的电流增益（β），特别是在切换高电流时，也可以低。为了克服这个问题并减少所需的基极电流值，就是使用达林顿配置的两个晶体管。

达林顿晶体管配置

达林顿晶体管配置可以由两个连接在一起的NPN或两个PNP晶体管组成，也可以作为现成的达林顿器件，如2N6045或TIP100，它集成了晶体管和一些电阻，以协助快速关断，在单个TO-220封装内用于开关应用。

在此达林顿配置中，晶体管， TR 1 是控制晶体管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的基极电流 TR 2 。达林顿排列，无论是单个晶体管还是单个封装都具有相同的三个引脚：发射极（ E ），基极（ B ）和集电极（ C β 1 I B1 <第一个晶体管的/ sub> 成为第二个晶体管的基极电流。

然后 TR 2 的电流增益将是β 1 β 2 I B1 因为两个增益乘以β T =β<子> 1 ×β<子> 2 。换句话说，组合在一起形成单个达林顿晶体管对的一对双极晶体管将使它们的电流增益成倍增加。

因此，通过选择合适的双极晶体管并使用正确的偏置，双射极跟随器达林顿配置可以认为是具有非常高的β值的单个晶体管，因此输入阻抗高达数千欧姆。

幸运的是，有人已经将几个达林顿晶体管配置放入一个16引脚IC封装中，使我们可以轻松输出各种器件的接口。

ULN2003A达林顿晶体管阵列

ULN2003A是一款低成本的单极达林顿晶体管阵列，具有高效率和低功耗特性，使其成为极其有用的输出接口电路，可驱动各种负载，包括螺线管，继电器直流电机和LED显示器或灯丝灯直接来自达林顿阵列由ULN2002A，ULN2003A和ULN2004A组成在一个IC封装内。 ULN2803达林顿驱动器也可提供8个达林顿对，而不是7个。

阵列的每个隔离通道额定电流为500mA，可承受高达600mA的峰值电流，非常适合控制小型电机或灯或高功率晶体管的栅极和基极。附加抑制二极管用于感性负载驱动，输入固定在输出端对面，以简化连接和电路板布局。

ULN2003达林顿晶体管阵列

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，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。

如果需要更多的开关电流能力，那么达林顿对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

以及使用单个晶体管或达林顿对，功率MOSFET也可用于切换中功率器件。与双极结型晶体管不同，BJT需要基极电流来驱动晶体管进入饱和状态，MOSFET开关几乎不需要电流，因为栅极端子与主载流通道隔离。

基本MOSFET开关电路

N沟道，增强型（常关）功率MOSFET（eMOSFET），具有正阈值电压和极高的输入阻抗，使其成为与微控制器，PIC和数字逻辑电路直接接口的理想器件，能够产生如图所示的正输出。

MOSFET开关由栅极输入信号控制，因为MOSFET具有极高的输入（栅极）电阻，我们可以将几个功率MOSFET并联，几乎没有限制，直到我们实现连接负载的功率处理能力。

在N沟道增强型MOSFET中，器件被截止（Vgs = 0），通道关闭，就像常开一样开关。当向栅极施加正偏压时，电流流过沟道。电流量取决于栅极偏置电压， Vgs 。换句话说，要在饱和区域内工作MOSFET，栅极 - 源极电压必须足以维持所需的漏极，从而保持负载电流。

如前所述，n沟道eMOSFETS是由栅极和源极之间施加的电压驱动，因此如图所示在MOSFET栅极 - 源极结上增加一个齐纳二极管，用于保护晶体管免受过多的正或负输入电压，例如由饱和运算产生的电压。 -amp比较器输出。齐纳二极管钳位正栅极电压，作为常规二极管，开始导通栅极电压达到-0.7V，保持栅极端子远离其反向击穿电压限制。

MOSFET和开路集电极门

当我们使用具有集电极开路输出的栅极和驱动器时，输出与TTL连接功率MOSFET会产生问题，因为逻辑门可能并不总是给我们所需的 V GS 输出。解决此问题的一种方法是使用如图所示的上拉电阻。

上拉电阻连接在TTL电源轨和逻辑门输出之间，逻辑门输出连接到MOSFET栅极端子。当TTL逻辑门输出处于逻辑电平“0”（低电平）时，MOSFET处于“关闭”状态，当逻辑门输出处于逻辑电平“1”（高电平）时，电阻将栅极电压拉至+ 5v轨道。

通过这种上拉电阻布置，我们可以通过将栅极电压连接到上部电源轨来完全切换MOSFET“ON”，如图所示。

输出接口电机

我们已经看到，我们可以使用双极结型晶体管或MOSFET作为输出接口电路的一部分来控制整个器件系列。一种常见的输出装置是DC电动机，其产生旋转运动。使用单个晶体管，达林顿晶体管或MOSFET，可以通过数百种方式将电机和步进电机连接到微控制器，PIC和数字电路。

问题是电机是使用磁场的机电设备，刷子和线圈产生旋转运动，因此，电机，特别是廉价的玩具或电脑风扇电机会产生大量的“电噪声”和“电压尖峰”，这会损坏开关晶体管。

通过在电机端子上连接续流二极管或非极化抑制电容，可以降低电机产生的电噪声和过电压。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输出端口的一种简单方法是通过合适的继电器为控制和电机使用单独的电源。

典型的将机电继电器连接到直流电机的输出连接图如下所示。

开/关直流电机控制

NPN晶体管用作tn ON-OFF开关，为继电器线圈提供所需的电流。需要续流二极管，与上述相同，因为当断电时流过感应线圈的电流不能立即减小到零。当基极输入设置为高电平时，晶体管切换为“ON”。电流流过继电器线圈，其触点闭合驱动电机。

当晶体管基极输入为低电平时，晶体管切换为“OFF”，电机在继电器触点打开时停止。通过去激活线圈产生的任何反电动势流过续流二极管并缓慢衰减到零以防止损坏晶体管。此外，晶体管（或MOSFET）是隔离的，不受电机运行产生的任何噪声或电压尖峰的影响。

我们已经看到使用一对可以打开和关闭直流电机电机与其电源之间的继电器触点。但是，如果我们希望电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机，如图所示。

可逆直流电机控制

只需更改电源连接的极性即可反转直流电机的旋转方向。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，每个继电器都有一个单极双掷（SPDT）触点，由单电源供电。通过一次操作一个晶体管开关，可以使电机沿任一方向（正向或反向）旋转。

虽然电机通过继电器输出接口允许我们启动和停止它们，或控制旋转方向。继电器的使用阻止我们控制转速，因为继电器触点会不断地打开和关闭。

然而，DC电动机的转速与其电源电压的值成比例。可以通过调节其直流电源电压的平均值或通过使用脉冲宽度调制来控制直流电机的速度。这是通过将其供电电压的标记空间比从5％变化到95％以上，并且许多电机H桥控制器就是这样做。

输出接口主电源连接负载

我们之前已经看到，继电器可以将一个电路与另一个电路电隔离，即它们允许一个较小的供电电路来控制另一个可能更大的供电电路。继电器同时为较小的电路提供保护，使其免受电噪声，过压尖峰和可能损坏精密半导体开关器件的瞬变的影响。

但继电器还允许不同电压的电路输出接口和诸如5伏微控制器或PIC与电源电压之间的接地。但是，除了使用晶体管（或MOSFET）开关和继电器来控制电源供电设备（如交流电机，100W灯或加热器），我们还可以使用光隔离器和电力电子设备来控制它们。

光隔离器的主要优点是它在输入和输出端子之间提供高度的电隔离，因为它是光耦合的，因此需要最小的输入电流（通常只有5mA）和电压。这意味着光隔离器可以很容易地从微控制器端口或数字电路接口，在其输出上提供足够的LED驱动能力。

光隔离器的基本设计包括一个产生红外线的LED红光和半导体光敏器件，用于检测发射的红外光束。 LED和光敏器件都可以是单个光电晶体管，照片达林顿或光电三端双向可控硅封装在一个不透光的主体或封装中，带有金属支脚，用于电气连接，如图所示。

不同类型的光隔离器

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由于输入是LED，串联电阻的值限制LED电流所需的 R S 可以与上述相同来计算。两个或多个光隔离器的LED也可以串联连接在一起，以同时控制多个输出设备。

光电三端双向可控硅隔离器可以控制交流供电设备和电源灯。光耦合三端双向可控硅开关（如MOC 3020）的额定电压约为400伏特，非常适合直接电源连接和最大约100mA的电流。对于更高功率的负载，光电三端双向可控硅可用于通过限流电阻向另一个较大的三端双向可控硅开关提供栅极脉冲，如图所示。

固态继电器

这种类型的光耦合器配置构成了一个非常简单的固态继电器应用的基础，可用于控制任何交流电源供电的负载，如灯和电机直接来自微控制器，PIC或数字电路的输出接口。

输出接口摘要

使用微控制器，PIC，数字电路和微控制器的固态软件控制系统其他这样的基于微处理器的系统，需要能够连接到现实世界来控制电机或开关LED指示灯和灯，在这个电子教程中我们已经看到不同类型的输出接口电路可以用于此目的。

到目前为止，最简单的接口电路是发光二极管或LED作为一个简单的ON / OFF指标。但是，通过使用标准晶体管或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）非常小的电流，我们也可以控制更大的电流。通常，对于许多控制器，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之间。

例如，如果我们希望控制在项目或机器人应用中的许多不同的输出设备，然后在单个封装内使用由多个晶体管开关组成的ULN2003达林顿驱动器IC会更方便。或者我们希望控制AC执行器，我们可以输出接口继电器或光隔离器（光耦合器）。

然后我们可以看到，输入和输出接口电路使电子设计师或学生能够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/输出端口控制和与现实世界通信，无论是小型学校项目或大型工业应用。