《开关量输出》PPT课件.ppt

智能仪器与系统 19 20学时 第2章智能仪器的输入 输出通道及接口技术 八 开关量输出通道 主要讲解内容 1 开关量输出的一般结构2 数字隔离器件3 输出驱动接口电路 将CPU输出的控制量转换为对被控对象的控制操作 对于只有二种工作状态的执行机构或器件 用智能仪器输出开关量来控制它们 例如控制马达的启动和停止 指示灯的亮和灭 电磁阀的开和关等 这些执行机构或器件所要求的控制电压和电流千差万别 有的是直流驱动的 有的是交流驱动的 都必须根据对象采用合适的电气接口 一 开关量输出的一般结构 1 开关量输出通道的用途 2 开关量输出通道的一般结构 典型的开关量输出通道结构 1 输出锁存 当对生产过程进行控制时 控制量往往需要保持 直到输出新的控制量 所以 每次输出的控制量就需要保存 锁存 输出锁存器可用可编程接口电路8255 也可用简单接口电路如244 273 373等来实现 2 数字隔离 在输出通道中 为防止现场强电磁干扰或工频电压通过输出通道反串到CPU系统中 一般需要采用通道隔离技术 光 电隔离技术 使用光电隔离器时 要注意以下4点 当光电隔离器导通时 必须输入足够大的导通电流 使发光二极管发出的光使输出端动作 光电隔离器的发光二极管正常发光电流为毫安级 光电隔离器只能通过一定频率以下的脉冲信号 因此 在高频信号传输中要考虑其频率特性 选择通过频率比较高的光电隔离器 光电隔离器输出端的灌电流不能太大 否则可能使输出端击穿 导致光电隔离器的损坏 因而在光电隔离器与被控对象之间要加驱动电路 利用光电隔离器实现控制通道的隔离时 用于驱动发光二极管的电源与驱动光敏管的电源不应是共地的电源 否则外部干扰可能通过地线串到CPU中去 这样就失去了隔离作用 解决的方法有两个 即在光电隔离的两侧分别使用不同的电源 也可用DC DC变换的方法往输出端提供一个与光隔输入端隔离的电源 3 输出驱动 要把计算机输出的微弱数字信号转换成能对生产过程进行控制的驱动信号 关键在于输出通道中的功率驱动电路 根据现场开关器件功率的不同 可有多种数字量驱动电路的构成方式 二 数字隔离器件 1 光耦合器件电路原理光耦合器件是一种常用的以光为媒介传输信号的电路 如下图所示 图中发光二极管和光敏三极管封装在同一个管壳内 发光二极管的作用是将电信号变为光信号 光敏三极管接收光信号 再将它转变为电信号 1 光耦合器件有如下特点 输出信号与输入信号没有公共地 在电气上完全隔离 无触点 寿命长 可靠性高 响应速度快 易与TTL电路配合使用 2 光耦合电路的工作原理 当Vi为低电平时 流过发光二极管的电流为零 发光二极管截止 则光敏三极管截止 VO输出高电平 VO 当Vi为高电平时 电流I1经R1流经发光二极管使其导通发光 光信号作用于光敏三极管使其饱和导通 VO输出为低电平 所以光电耦合器件兼有反相及电平转换作用 R1为限流电阻 其阻值决定了发光二极管的导通电流I1 I1一般选为几毫安 R2的取值要保证VO输出的高 低电平的要求 2 继电器隔离器件的电路原理继电器隔离器件主要是采用电磁式继电器组成的电路来完成 它是由小电流的通断控制大电流的通断的常用的开关控制器件 电磁式继电器电路的符号如下图所示 当它的电磁线圈Y通过一定数值的电流时 产生的电磁吸引力大于弹簧的反作用力 衔铁动作使输出回路中的常开触点闭合 常闭触点打开 当通过线圈的电流小于释放电流时 弹簧将衔铁弹回 输出回路各触点恢复原态 电磁式继电器的线圈的驱动电源可能是直流的 也可能是交流的 三 输出驱动接口电路 1 小功率驱动接口电路 TTL三态门缓冲器这类电路的驱动能力要高于一般的TTL电路 例75451 74LS244 74LS245等 可用来驱动光电耦合器件 LED 中功率晶体管等 下图就为采用75451作为驱动指示灯的电路 当单片机P1 7口输出低电平时 2A 2B为00 则2Y有信号输出 指示灯L2发光 集电极开路门 OC门 OC门电路的输出是一个集电极开路的晶体三极管 如下图所示 组成电路时 OC门的输出端必须外接一个接至正电源的负载才能正常工作 负载正电源 V可以比TTL电路的VCC高很多 例7406 7407OC门输出极截止时 耐压可高达30V 输出低电平时吸收电流的能力也高达40mA 因此 OC门是一种即有电流放大功能 又有电压放大功能的开关量驱动电路 在智能仪器的实际应用中常用来驱动LED显示 晶体管输出驱动电路门电路外加晶体管可以为直流执行器件提供更大的驱动电流 如下图所示 图中的晶体管是小功率管 其驱动能力大约为10 50mA 对于中功率管 驱动能力可达50 500mA 如果采用大功率管驱动能力会更强 使用时应注意门电路为高电平 时 必须保证能提供给晶体管足够的基极电流 使其饱和导通 若负载呈电感性 则应在负载上并联续流保护二极管 2 中功率驱动接口电路 晶体管阵列驱动器芯片晶体管阵列驱动器芯片适用于多路开关量中功率驱动电路 例MC1416包含有7路开关量驱动器 每路驱动器内部结构如下图所示 图中的D1用做输入端箝位 D2用做输出端箝位 D3用做输出端箝位或感性负载的续流保护 MC1416驱动7个继电器线圈的电路如下图所示 MC1416的特性如下 每路输出电流可达500mA 但每一块芯片总的输出电流不得超过2 5A 输出端截止时耐压可达100V 输入端可与多种TTL电路兼容 3 固态继电器 SSR 输出接口电路1 固态继电器原理及结构 固态继电器即有放大作用又有隔离作用 适合于驱动大功率管式执行器件 SSR是一个四端有源器件 其中二端为输入控制端 输入功耗很低 与TTL电路兼容 另外二端是输出端 内部设有输出保护电路 如果是单向直流固态继电器 DCSSR 的输出端与直流负载匹配 如果是双向交流固态继电器 ACSSR 的输出端与交流负载匹配 输入电路和输出电路之间采用光电隔离 绝缘电压可达2500V以上 2 ACSSR又分为二种类型 过零触发型 Z型 过零触发型在输入信号有效后 必须在负载电源电压过零时才接通输出端的负载电源 当输入端的控制信号撤消后 必须等到交流负载电源电压的过零时刻才能断开输出端的负载电源 具有零电压开启 零电流关断特性 使用中对电网污染小 但它的输入端施加控制电压后 要等交流电压过零输出时才能导通 这有可能造成最大为半个市电周期的确延迟 随机开启型输入端施加控制电压后输出端立即导通 在输入电压撤消后 当负载电流低于双向可控硅的维持电流时 SSR输出才关断 大功率负载的随机开启有可能对电网造成污染 导致局部供电系统波形的变形 随机开启型 P型非过零型 3 SSR的输入控制 例1 输入端4接低电平 输入端3接控制信号 控制信号为高电平则SSR导通 控制信号为低电平则SSR关断 SSR的输入电路与TTL CMS电路兼容 输入控制十分方便 任何可以给出TTL电平的开关电路都可以用来驱动SSR 例如晶体管开关电路 按钮开关电路及各种电源为 5V的TTL或CMS熟数字逻辑IC卡 例如下图所示 例2 输入端3接正电源 输入端4接控制信号 控制信号为高电平则SSR关断 控制信号为低电平则SSR导通 4 SSR的输出负载 小电流负载由于SSR内部除去输入电路外的所有其它电路都是由输出端供电的 因此即使在输出端关断情况下 SSR仍维持一个关断状态电流 为了使负荷可靠地关断 流过负载的开启电流至少应该是SSR关断状态电流的10倍 如果负载电流低于这个值 负载上需要并联一个电阻 以提高开启电流的数值 电感式负载对于电感式负载 当SSR关断时 因为流过电感式负载的电流不能突变 有可能在电感二端产生很高的感应电压 导致SSR输出电路被烧坏 必须用续流二极管 直流负载 或压敏电阻 交流负载 保护SSR的安全 如果负载为直流电感式 应当使用DCSSR 负载上并联续流二极管保护SSR如下图所示 如果负载为直流电感式而负载电源为交流电源 可外接整流全桥将其变为直流 如下图所示 如果负载为交流电感式 必须使用ACSSR SSR的输出端并联压敏电阻以保护SSR 如下图所示 压敏电阻的阀值电压可按电源电压的有效值1 6 1 9倍选取 压敏电阻不但为电感式负载的感应电流提供 了一个通路 而且可以避免工频市电电源夹杂