單片機(jī)的常見輸入輸出電路介紹
單片機(jī)輸出端口受驅(qū)動能力的限制,一般情況下均需專用的接口芯片。其輸出雖因控制對象的不同而千差萬別,但一般情況下均滿足對輸出電壓、電流、開關(guān)頻率、波形上升下降速率和隔離抗干擾的要求。在此討論幾種典型的單片機(jī)輸出端到功率端的電路實現(xiàn)方法。
2.1 直接耦合
在采用直接耦合的輸出電路中,要避免出現(xiàn)圖5所示的電路。
T1截止、T2導(dǎo)通期間,為了對T2提供足夠的基極電流,R2的阻值必須很小。因為T2處于射極跟隨器方式工作,因此為了減少T2損耗,必須將集射間電壓降控制在較小范圍內(nèi)。這樣集基間電壓也很小,電阻R2阻值很小才能提供足夠的基極電流。R2阻值過大,會大幅度增加T2壓降,引起T2發(fā)熱嚴(yán)重。而在L2 截止期間,T1必須導(dǎo)通,高壓+15 V全部降在電阻R2上,產(chǎn)生很大的電流,顯然是不合理的。另外,T1的導(dǎo)通將使單片機(jī)高電平輸出被拉低至接近地電位,引起輸出端不穩(wěn)定。T2基極被T1拉到地電位,若其后接的是感性負(fù)載,由于繞組反電勢的作用,T2的發(fā)射極可能存在高電平,容易引起T2管基射結(jié)反向擊穿。
圖6為一直接耦合輸出電路,由T1和T2組成耦合電路來推動T3。T1導(dǎo)通時,在R3、R4的串聯(lián)電路中產(chǎn)生電流,在R3上的分壓大于T2晶體管的基射結(jié)壓降,促使T2導(dǎo)通,T2提供了功率管T3的基極電流,使T3變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)。當(dāng)T1輸入為低電平時,T1截止,R3上壓降為零,T2截止,最終T3截止。 R5的作用在于:一方面作為T2集電極的一個負(fù)載,另一方面T2截止時,T3基極所儲存的電荷可以通過電阻R3迅速釋放,加快T3的截止速度,有利于減小損耗。
2.2 TTL或CMOS器件耦合
若單片機(jī)通過TTL或CMOS芯片輸出,一般均采用集電極開路的器件,如圖7(a)所示。集電極開路器件通過集電極負(fù)載電阻R1接至+15 V電源,提升了驅(qū)動電壓。但要注意的是,這種電路的開關(guān)速度低,若用其直接驅(qū)動功率管,則當(dāng)后續(xù)電路具有電感性負(fù)載時,由于功率管的相位關(guān)系,會影響波形上升時間,造成功率管動態(tài)損耗增大。
為了改善開關(guān)速度,可采用2種改進(jìn)形式輸出電路,如圖7(b)和圖7(c)所示。圖7(b)是能快速開通的改進(jìn)電路,當(dāng)TTL輸出高電平時,輸出點通過晶體管T1獲得電壓和電流,充電能力提高,從而加快開通速度,同時也降低了集電極開路TTL器件上的功耗。圖7(c)為推挽式的改進(jìn)電路,采用這種電路不但可提高開通時的速度,而且也可提高關(guān)斷時的速度。輸出晶體管T1是作為射極跟隨器工作的,不會出現(xiàn)飽和,因而不影響輸出開關(guān)頻率。
2.3 脈沖變壓器耦合
脈沖變壓器是典型的電磁隔離元件,單片機(jī)輸出的開關(guān)信號轉(zhuǎn)換成一種頻率很高的載波信號,經(jīng)脈沖變壓器耦合到輸出級。由于脈沖變壓器原、副邊線圈間沒有電路連接,所以輸出是電平浮動的信號,可以直接與功率管等強電元件耦合,如圖8所示。
這種電路必須有一個脈沖源,脈沖源的頻率是載波頻率,應(yīng)至少比單片機(jī)輸出頻率高10倍以上。脈沖源的輸出脈沖送人控制門G,單片機(jī)輸出信號由另一端輸入G 門。當(dāng)單片機(jī)輸出高電平時,G門打開,輸出脈沖進(jìn)入變壓器,變壓器的副線圈輸出與原邊相同頻率的脈沖,通過二報管D1、D2檢波后經(jīng)濾波還原成開關(guān)信號,送入功率管。當(dāng)單片機(jī)輸出低電平時,G門關(guān)閉,脈沖源不能通過G門進(jìn)入變壓器,變壓器無輸出。
這里,變壓器既傳遞信號,又傳送能量,提高了脈沖源的頻率,有利于減輕變壓器的體重。由于變壓器可通過調(diào)整電感量、原副邊匝數(shù)等來適應(yīng)不同推動功率的要求,所以應(yīng)用起來比較靈活。更重要的是,變壓器原副邊線圈之闖沒有電的聯(lián)系,副線圈輸出信號可以跟隨功率元件的電壓而浮動,不受其電源大小的影響。
當(dāng)單片機(jī)輸出較高頻率的脈沖信號時,可以不采用脈沖源和G門,對變壓器原副邊電路作適當(dāng)調(diào)整即可。
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