《智能仪器设计基础》课件 第6章 开关量与控制器接口设计

第6章开关量与控制器接口设计智能仪器设计基础1本章学习问题地图开关量与控制器接口01为什么隔离低压信号与高压之间的接口问题02光耦与继电器两种隔离元件怎么选？03输入接口现场开关如何安全进MCU？04输出驱动从几十mA到几十A怎么驱动？05电机与SSRH桥、步进电机、固态继电器06PLC与数字隔离器PNP/NPN、ISO/iCoupler目录第6章开关量与控制器接口设计 6.1概述 6.2光电耦合器及接口设计 6.2.1光电耦合器的分类与特性6.2.2光电耦合器接口设计 6.3继电器隔离及接口 6.4开关量输入接口 6.5开关量输出接口 6.5.1输出隔离接口 6.5.2输出驱动接口 6.5.3直流电机驱动接口 6.5.4固态继电器输出接口 6.6控制器的开关量输入、输出接口设计 6.6.1PLC的开关量输入接口 6.6.2PLC的开关量输出接口 6.7数字隔离器 习题6 3

智能仪器与测控系统中常常使用各种按键、继电器、指示灯或无触点开关来处理各种开关量信号，这类信号(包括脉冲信号)只有开和关、通和断、高和低两种状态，可以用二进制数1和0表示，所以称为数字量，又叫做开关量。本章主要介绍开关量的输入和输出接口设计。（1）开关量输入接口

单片机内部I/O可以方便地处理开关量，但单片机的I/O端口，只能接收比较严格的开关信号。

a、外部输入的开关量信号经常因远距离传输而失真b、外界信号可能有较高电压c、外界信号受到各种干扰、出现接触抖动等现象

使信号能够安全可靠地处理，开关量在输入单片机之前需要接入输入接口电路。这种对输入数字信号进行滤波、电压变换、隔离保护等，使之成为单片机能够接收的逻辑信号的电路，称为开关量输入通道。46.1概述

（2）开关量输出接口

智能仪器或测控系统经常需要进行外部开关量控制，如控制指示灯的亮和灭，控制继电器的导通和闭合、控制电动机的启动和停止、控制改变液体压力的电磁阀门的开和闭等。

执行机构通常需较大电压(电流)来控制，而CPU输出的开关量为TTL(或MOS)电平，不能直接驱动执行机构，所以需要经过锁存器，并经过隔离和驱动电路才能与执行机构相连，这种电路称为开关量输出接口电路，驱动电路根据功率的不同，电路形式也会有较大差别。56.1概述（3）开关量输入、输出的隔离。

在智能仪器与测控系统中，常常会有主控系统与被测或被控对象之间电压悬殊，一边只有几伏（低压侧），而另一边则为数百伏以上（高压侧），高压侧故障会干扰、损坏或影响低压侧，带来安全隐患，也可能给低压侧操作⼈员带来触电危险。

隔离电路还用于隔离敏感电路（比如高精度检测电路）和噪声源（例如大功率开关电源）之间的连接，以减小噪声干扰。因此，开关量输入、输出电路中通常需要进行信号的隔离，使输入和输出之间能够进行正常信号传输，同时又能够电气隔离。隔离的主要器件有光电耦合器、电磁继电器，以及数字隔离器等。66.1概述

光电耦合器（Optocoupler或opticalcoupler：OC）是把发光器件（一般为砷化镓发管二极管）和光敏器件集成在一个芯片内，通过光传输信号，构成电-光-电的转换器件。

将电信号接入光电耦合器输入端的发光管时，发光管将电信号转换为光信号，光信号经光电接收器接收，并将其还原成电信号。光电耦合器可以实现输入和输出的电气隔离，而信号则能够正常传递，可以起到隔离保护和抗干扰的作用。

光电耦合器可用于数字逻辑输入、微处理器输入、电源调节器、双绞线接收机和电话线接收机等，起到隔离保护作用。76.2光电耦合器及接口设计

光电耦合器把发光管和光敏管封装在同一壳体内，发光管一般都是发光二极管。而光敏管的种类较多，可以是光电二极管、光敏三极管、光敏达林顿管、光敏电阻、光电晶闸管等。由不同种类的发光器件和光敏器件组合成多种类型的光电耦合器。86.2.1光电耦合器的分类与特性

光耦有多种分类方法，从输出与输入的关系，分非线性光耦和线性光耦。非线性光耦的电流传输特性曲线是非线性的，适合于开关信号的传输，不适合于传输模拟量，常用的4N系列光耦属于非线性光耦。

线性光耦的电流传输特性曲线接近线性，在小信号时性能更好，能以线性特性进行隔离控制。常用的线性光耦是PC817A-C。线性光耦多用于开关电源的输入输出隔离与电压线性传递。线性光耦可用作开关控制，但非线性光耦一般不能用作线性光耦。

从输出形式分类，分为NPN三极管输出型、达林顿三极管输出型，均有直流输入型和交流输入型；逻辑门输出型，有门电路输出型，施密特触发输出型，三态门电路输出型等；功率输出型，有MOSFET输出型、IGBT输出型，双向可控硅驱动器输出型等；光开关输出型（导通电阻小于10Ω）。

还有光敏二极管输出型，光电池输出型，光可控硅输出型等。

按速度分低速光耦和高速光耦，光耦的传输速率不高，一般在1Mbps左右，高速光耦也在10Mbps左右。96.2.1光电耦合器的分类与特性

光电耦合器特性包括输入特性和输出特性。1、输入特性：（1）

正向工作电压Vf（ForwardVoltage）:Vf指在给定的工作电流下，发光管（LED）本身的压降。光电耦合器的输入端是发光二极管，其输入特性与普通晶体二极管的伏安特性基本一致。（2）反向电压Vr（ReverseVoltage）Vr指LED所能承受的最大反向电压，超过此反向电压，可能会损坏LED。光电耦合器的反向击穿电压较小，只有5~6V左右，比普通二极管的反向击穿电压要小得多。

（3）正向工作电流If（ForwardCurrent）If指LED正常发光时所流过的正向电流值。一般If会有一个最值，通常为几十mA,如50mA，不同的LED，其允许流过的最大电流不同。设计输入电路时应不超过这一最大电流。106.2.1光电耦合器的分类与特性

2、输出特性基本型的光电耦合器的输出端是光敏晶体管，其输出特性与光敏晶体管的伏安特性类似。其伏安特性也分饱和、线性和截止三个区域。常见的参数有：(1)集电极电流Ic（CollectorCurrent）：光敏三极管集电极所流过的电流，通常表示其最大值;(2)集电极-发射极电压Vceo（C-EVoltage）：集电极-发射极所能承受的电压;(3)

发射极-集电极电压Veco（E-CVoltage）：发射极-集电极所能承受的电压;(4)反向截止电流Iceo：发光二极管开路，集电极至发射极间的电压为规定值时，流过集电极的电流为反向截止电流。(5)C-E饱和电压Vce(sat)（C-ESaturationVoltage）。电流传输比为规定值时，集电极与发射极之间的电压降。116.2.1光电耦合器的分类与特性

3、传输特性（1）电流传输比CTR（CurrentTransferRatio）。光电耦合器的输入与输出之间是电流控制，输出也是电流，因此通常用输入电流If与输出电流Ic的比，表示这种传输能力称为电流传输比，用β表示，即

反映了光电耦合器电信号的传输能力。光电耦合器的电流传输比与晶体管的电流放大倍数类似，都表示了输出与输入电流之比。(2)NPN输出型光耦合器，CTR的范围大多为20%～300%（如4N35），而PC817则为80%～160%，达林顿型光耦合器（如4N30）可达100%～5000%。同一型还有细分，如FOD817，β=50-600%；FOD817A，β=80-160%；FOD817B，β=130-260%。CTR参数与晶体管的hFE类似，根据大小分为不同的类别。126.2.1光电耦合器的分类与特性

(3)脉冲上升时间Tr、下降时间Tf：光耦合器在规定工作条件下，发光二极管输入规定电流If的脉冲波，输出端输出相应的脉冲波，从输出脉冲前沿幅度的10%到90%，所需时间为脉冲上升时间Tr。从输出脉冲后沿幅度的90%到10%，所需时间为脉冲下降时间Tf。

Tr和Tf影响光耦的开关量传输速率，光耦的开关量传输速率不大，一般在1MHz以下，高速光耦也在10MHz以内。因此不适合高速数字信号的隔离与传输。

(4)接通时间Ton、断开时间Toff：输入方波的上升时间，到输出由高电平变低电平的时间为Ton，输入由高电平变为低电平的下降沿，到输出有低电平变为高电平的时间为Toff。136.2.1光电耦合器的分类与特性

4、隔离电压

光电耦合器的主要作用是输入与输出之间的电气隔离，输入端和输出端之间绝缘耐压值称为隔离电压。多数光电耦合器手册上给出的隔离电压值，多数在1000~5000V之间。另外还有：通道数量：在一个封装内光电耦合器的数量，一般有1、2、4、6和8通道。工作条件如工作温度、耗散功率等。常用的光电耦合器有：TLP系列：TLP521−1,TLP521−2,TLP521−4等(最后的数字表示通道数)；4N系列：4N25M,4N26M,4N27M,4N28M,4N35M,4N36M,4N37M等；FOD系列：FOD814、FOD817、FOD819等；6N系列(高速光耦)：6N135、6N136、6N137、6N138、6N139等;FODM系列：FODM181，FODM291,FODM121,FODM124,FODM2701,FODM2705等；MOC系列：MOC3020、MOC3021、MOC3023、MOC3030、MOC3040等。146.2.1光电耦合器的分类与特性

最基本的光电耦合器是晶体管输出型，其输出为NPN三极管，多数芯片手机都会给出IC–VCE曲线，据此可以设计出工作于线性区和非线性区，用于开关控制时，需要工作于饱和与截止状态而不是线性区。有些专用于开关量控制时，手册没有给出IC–VCE曲线，如4N系列，因此只能用于开关量控制。以下以4N35M为例说明接口设计，如图6-2给出了4N35M光电耦合器的结构。156.2.2

光电耦合器接口设计

4N25脚直插或贴片封装，最小电流传输比20%。如图6-2所示，其基极也引出一个引脚。该引脚可连接电阻RBE后接地，具有一定的抗干扰能力。

Vf为输入LED的工作电压，可根据手册中给出的If-Vf曲线确定，一般为0.9~1.1V，VI为输入电压，R1为限流电阻，If为正向工作电流，一般为0-50mA，VCC为输出端电源电压，用作开关时VI为方波，在图6-3所示电路中，输出为反相方波，VO为低电平时的输出电压，相当于饱和导通时三极管的VCE，If大时会小一些，一般为0.5V以下。RL为负载电阻，大小会影响开关速度，一般取0.1-100kΩ，值增加时，下降时间与关断时间会增加。根据以上特点可以确定RBE、R1、RL的值。用作开关时，并不需要绝对准确值，需要在速度、功耗之间权衡选取。166.2.2

光电耦合器接口设计

继电器的种类较多，有电磁继电器、时间继电器、温度继电器、固态继电器等，这里主要介绍在智能仪器与测控系统中常用的电磁继电器的原理及应用。

1.继电器（relay）隔离原理

继电器是一种电控制、具有隔离功能的开关元件，当输入量超过一定阈值时，输出电路中的开关会发生切换。其输入端和输出端之间在电气上相互隔离。一般控制量为电流，在输入端用较小的电流，控制输出电路中较大电流，输入输出之间又电气绝缘，因此类似于光耦的作用，如图6-5所示。继电器的线圈和触点间没有电气连接，因此，可利用继电器实现输入和输出回路的电气与干扰的隔离，另外输出触点可以承受大电流时，具有较大的驱动能力。176.3

继电器隔离及接口

电磁继电器的线圈和触点可以使用各自独立的电源，两者之间互相绝缘，耐压可达千伏以上。电磁继电器触点对外电路的极性无要求，负载电源可用直流或交流。一个电磁线圈可以带动多组常开、常闭触点，它们之间相互绝缘，这些都有利于外电路的灵活设计。而且，它还有很大的电流放大作用。因此，电磁继电器是一种很好的开关量输出隔离及驱动器件。186.3

继电器隔离及接口

2.电磁继电器工作原理(1)单稳态继电器

电磁继电器是利用输入电路内电磁铁铁芯与衔铁间产生的磁力，使开关接通或断开，是一种由小电流的通断来控制大电流通断的常用开关控制器件。如图6-6所示，电磁继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点、簧片等组成。利用改变金属触点位置而使动触点与定触点闭合或分开的，所以具有接触电阻小、流过电流大、耐压高等优点，适用于用小电流(小电压)控制大电流的场合。当电磁铁线圈两端加上一定的电压时，线圈中通过一定大小的电流而产生磁力，当磁力大于簧片的弹性作用力时，衔铁被吸下，使输出回路中的常开触点闭合，或常闭触点打开（根据结构不同而定）。当通过线圈的电流小于释放电流时，簧片将衔铁弹回，输出回路各触点恢复原态，这种继电器称为单稳态继电器。196.3

继电器隔离及接口

（2）磁保持继电器

普通继电器的线圈当电流断开后，线圈及铁芯的磁性消失，衔铁恢复原来状态。磁保持继电器是近年来出现的一种电磁继电器，其磁芯在电流磁场作用下磁化，电流断开后，磁芯的磁性能够保持不变(称为极化线圈)，使开关处于保持状态。如图6-7给出了这二种控制线圈的图形表示。当磁保持线圈接通反向电流时，磁性反转，开关发生切换，因此不必持续提供电流。这种继电器称为磁保持继电器。

磁保持继电器有二种，一种为单线圈磁保持继电器，另一种为双线圈磁保持继电器，如图6-8所示，前者在需要继电器复位时，在线圈二端加反向电流，后者需要在另一个线圈加规定的电流，两种磁保持继电器的接口电路与驱动方式不同。在不需要频繁切换的场合，磁保持继电器功耗较小，电力继电器中磁保持继电器种类较多，磁保持继电器中的线圈为极化线圈。206.3

继电器隔离及接口

3.电磁继电器的主要技术参数(1)线圈的额定工作电压和电流：继电器正常工作时，线圈需要的电压或者电流值。同一类型的继电器通常有不同的额定工作电压和工作电流，方便不同场合的应用。(2)线圈电阻：线圈的电阻值，利用该值和额定工作电压就可以计算出额定工作电流，反之亦然。(3)吸合电压或电流：使继电器产生吸合动作的最小电压或电流，其值一般为额定电压或电流值的75%。(5)释放电压或电流：继电器线圈两端的电压减小到一定数值时，继电器就从吸合状态转到释放状态，释放电压或电流是指产生释放动作的临界电压或电流，其值往往比吸合电压或电流小得多。(6)连续负载电流：继电器触点连续工作时的负载电流，一般给出在特定电压下的连续电流。216.3

继电器隔离及接口

4.电磁继电器分类电磁继电器有多种分类方法，如按触点类型分、按用途分等。按触点类型有三种（1）动合型（H型）或常开型（NO型：NormalOpen）线圈不通电时两触点是断开的，通电后两个触点闭合。以“合”字的拼音字头“H”表示。（2）动断型(D型)或常闭（NC型：NormalCLose）线圈不通电时两触点是闭合的，通电后两个触点断开。用“断”字的拼音字头“D”表示。（3）转换型(Z型)是触点组型。触点组共有3个触点，中间是动触点，上下各一个静触点。线圈不通电时，动触点和其中一个静触点断开，和另一个闭合；线圈通电后，动触点动作，使原来断开的变为闭合，原来闭合变为断开，实现断、开转换。称为转换触点。用“转”字的拼音字头“Z”表示。如一种继电器标示2H、1H1D，表示该类继电器有2个常开触点、1个常闭1个转换触点两种类型。

226.3

继电器隔离及接口

4.电磁继电器分类按用途分类，分为几下以类：工业继电器：一般用于工业自动化控制，线圈电压从几伏到几百伏，负载电压多为250V，电流在20A以下；功率继电器：一般用于家用电器和太阳能发电领域等。线圈电压从几伏到几十伏，负载电压为直流或交流，电压可在250V以上，电流可在250A以上，电力继电器：一般用于电力控制，负载多为交流，电压可在250V左右，电流可达200A以上。汽车继电器：主要用于汽车领域，线圈和负载电压多为直流12V，负载电流可达180A。信号继电器：一般用于通信和信号控制，线圈额定电压较低，12伏或5伏以下即可动作，一般负载电压为直流30V以下，电流5A以下。236.3

继电器隔离及接口

5.电磁继电器选用的基本原则(1)继电器额定工作电压的选择。其值应等于或小于继电器线圈控制电路的电压。在继电器驱动时还要考虑其额定电流是否在所设计的驱动电路输出电流的范围之内，必要时可以增加一级驱动。(2)触点负载的选择。根据电路所需驱动的外设类型确定，主要是工作电压类型、大小和工作电流的大小，还要考虑冲击电流和电压的影响。(3)触点类型与数量的选择。根据需要选择H型、D型或Z型，或者它们的组合。6.电磁继电器的保护电路

继电器控制的负载住往会产生冲击电流和反向电压，对感性负载如电动机，容性负载如较大电容等接通时，会有数倍稳态电流的冲击电流。断开线圈时会有数百至数千伏的反向电压，电压过大时会在触点间就会产生放电现象。这些会使触点受到损伤，从而缩短继电器的使用寿命，因此应用中应适当的使用触点保护电路，以提高继电器的使用寿命。246.3

继电器隔离及接口

保护电路有多种，根据负载不同，有不同的保护电路。可以在触点间并联续流二极管，如图6-9(a)所示；也可以在触点间并联压敏电阻，如图6-9(b)所示。压敏电阻在正常情况下相当于断路，而当其两端电压超过导通阈值时，压敏电阻阻值下降，从而构成一个续流通路，避免了高压电弧的产生；如图6-9(c)为并联阻容保护电路，图中阻容支路与继电器触点并联，在触点断开时，通过开关的电流由阻容支路分流，减缓了负载中电流的变化，使负载产生的感应电动势变小，有利于继电器触点分断。另外还有其它保护电路，这里不一一描述。256.3

继电器隔离及接口

开关量(数字量)信号是只有开和关或高和低两种状态，可以用二进制数0和1表示。单片机内部已具有并行I/O口，当外界开关量信号的电平幅度与单片机I/O口电平幅度相符时，可直接检测和接收开关量输入信号。

如果开关量电平与单片机不符，则需要经过电平转换。如果外部输入的开关量信号存在瞬时高压、过电流或接触抖动等问题，则开关量在输入单片机之前需接入输入接口电路，如图6-10所示。

如图6-11所示为一个简单的四路开关量输入通道，开关信号直接接入微处理器，适合开关连线上没有较大干扰的情况。当开关断开时，相应的微处理器输入口的状态为0；当开关闭合时，相应的微处理器输入口的状态为1，由此可以识别开关的状态。266.4

开关量输入接口

在工业现场应用中存在大量开关量输入，如手动开关、限位开关、报警开关等，通常需要传输一定的距离，开关导线上可能有较大干扰，开关量不能直接输入微处理器I/O口。为了提高系统的抗干扰能力，开关信号可先经输入接口电路对信号进行转换、放大、滤波、隔离等处理，使之成为计算机能接收的逻辑信号。图6-12为一种带光电隔离的四路开关量输入电路，通过光电耦合器，将现场开关量和微处理器在电路上隔离，提高了系统的抗干扰能力，使系统的具有较高的可靠性和安全性。276.4

开关量输入接口

微处理器的I/O口电平都较低，目前一般为5V或3.3V，驱动能力也非常有限，通常单个I/O的驱动或灌电流极限为20-25mA左右，当多个I/O同时工作时，电流应更小一些，受到总电流的限制。因此当微控制器进行开关量控制时，通常需要接入驱动电路，使输出电压满足外设要求。如果外设的电压较低或功率较小，如直流12V电压，则可不加隔离，如图6-13中的A模块；

如果外设电压较高或功率较大，如直流24V以上或交流电压等，则需要加入驱动电路和隔离电路，然后接入另一个驱动电路，如图6-13中的B模块。加入隔离电路会增加系统的抗干扰能力和提高可靠性，要求不高时也可以不加。286.5开关量输出接口

开关量输出控制时，一般外设或执行机构需要较大的电压或电流，有些功率较大，或需要传输较远距离，这时主机与外设之间应进行电气隔离。开关量输出通道中常用的隔离方法是光电耦合器隔离和继电器隔离，1.光电耦合器隔离接口

通常光电耦合器需要的电流并不大，一般的应用中MCU的I/O也可以直接驱动光电耦合器，但比较可靠的方法是加一定的驱动电路，通常可以用三极管或逻辑驱动或缓冲器即可。图5-14给出了8051单片机控制、三极管驱动的光耦电路，图6-15给出了利用缓冲器SN7407驱动的光耦电路，296.5.1

输出隔离接口

2.继电器隔离接口

当用MCU通过继电器实现隔离输出开关量时，同样MCU的I/O无法直接驱动继电器，需要增加驱动电路.继电器线圈动作需要的电流与继电器的线圈额定电压有关，一般小型继电器的线圈额定电压在3-24V之间，电压低时，需要的电流大，例如同一系列，线圈额定电压为5V时，切换时需要30mA电流，而12V时则需要12mA电流,而24V时则需要6mA电流。因此继电器的驱动电路需要根据线圈的额定电压与电流确定。继电器可以通过三极管驱动，也可以通过一些开漏输出芯片控制，如ULN2003，该芯片为高电压大电流达林顿晶体管阵列结构芯片，有7路输出，在多路控制时，比较方便。306.5.1

输出隔离接口

2.继电器隔离接口

图6-16给出了三极管8050驱动的继电器隔离电路，8050是小功率三极管，电压最大为30V，电流可到500mA，图中R1的选择，应使高电平时，三极管工作于饱和状态，一般为1KΩ左右。图6-17给出了带光耦隔离的继电器驱动电路。图中二极管D用于保护开关三极管，电路切换时，继电器线圈突然断开会产生瞬时过冲电压，二极管起到续流作用，可以降低反向过冲电压，称为“续流二极管”。这二种电路都不适用于磁保持继电器。316.5.1

输出隔离接口

2.继电器隔离接口

图6-19给出了ULN2003驱动的双线圈磁保持继电器的接口电路。磁保持继电器开始处于复位状态（或称为起始状态），产生切换时，1C为高，2C为低，电流由电源经线圈到2C，然后2C可以变高，相当断开了电流，继电器处于保持状态，如果需要复位，则1C为低，2C为高，切换以后，1C变高，相当于切断电流，此时继电器处于复位状态。状态切换的低电平时间一般需要数个mS，但小于10mS。326.5.1

输出隔离接口

多数应用中，开关量输出接口都需要驱动一定功率的外设，实际上隔离接口中继电器也具有较大驱动能力，有些电力继电器可以提供几十安到200安左右的电流，电压也可到250V以上。但是继电器驱动也有不足，体积较大、触点寿命有限、线圈需要一定功耗、低压线圈需要较大电流等。本小节介绍另外一些数字输出驱动接口电路。336.5.2输出驱动接口1.小功率输出驱动接口小功率驱动接口电路常用于小功率外设，这类外设与MCU之间可不加隔离电路，如发光二极管、蜂鸣器、LED显示器、微型电机、小功率继电器等外设。驱动电压一般小于24V，多数小于12V，电流在10~500mA以内。

驱动电流小于20-30mA，可以用小功率三极管，如9012、9013、8050、8550等，或各种门电路与锁存器、译码器等芯片。图6-20给出了三极管驱动蜂鸣器电路。

驱动电流小于300mA，可以用SN75451/2/3等芯片，其输入为TTL逻辑电平，输出驱动可以到30V，开漏输入电流最大300mA。

驱动电流小于500mA，可以用ULN2003B，SN75437A等，可用于驱动继电器，微型电机等。图6-21所示为采用SN75451作为驱动器驱动指示灯的电路，当8051的P1.6、P1.7输出低电平时，指示灯L1、L2发光,可以通过PWM波改变LED的亮度。346.5.2输出驱动接口1.小功率输出驱动接口356.5.2输出驱动接口2.中功率输出驱动接口（1）直流驱动接口

中等功率直流外设，可认为电压在几十伏到时数百伏，电流在数个安培到几十安培。对中功率外设的驱动，可以采用中功率三极管、达林顿三极管、功率MOSFET等。功率MOSFET是广泛应用的中功率驱动元件，分N沟道和P沟道，多数DS电压从10几伏到500V，部分可以到900V左右，工作电流从数安培到几百安培，多数饱和导通电阻为mΩ级到几百mΩ。MOSFET管的GS导通电压一般在6-12V左右，因此需要适当的驱动电压。图6-22给出了一种带有隔离的MOS管IRF540驱动灯或加热器的电路，功率可以达到100W左右，可用于照明或仪器防冻、除冰等，IRF540电压最大100V，连续电流为33A，瞬时电流可达110A，导通电阻为44mΩ。366.5.2输出驱动接口

利用光耦进行隔离驱动MOSFET，不足在于如果需要进行PWM控制时，速度比较低。通常利用推挽式双晶体管驱动，也可以通过栅极驱动器进行驱动，栅极驱动器的输出端集成了推挽式晶体管或MOS管，可驱动MOSFET快速打开和关闭。如图6-23给出了利用栅极驱动器UCC27424实现驱动的电路。UCC27424为双通道栅极驱动器（GateDriver），输出集成了推挽式输出。工作电压为4-15V，输入逻辑电压为独立的TTL/CMOS电压。负载电源VLOAD根据MOS管特性，可以从几十伏到几百伏。376.5.2输出驱动接口

（2）可控硅交流驱动接口

中等功率的交流外设，一般利用双向可控硅控制，可控硅(SiliconControlledRectifier)简称SCR，是一种大功率半导体元件，也称晶闸管。可控硅分单向可控硅和双向可控硅。双向可控硅也叫三端双向可控硅，简称Triac。双向可控硅具有双向导通功能，开关状态由控制极G确定，在控制端G加正脉冲则正向导通，加负脉冲则反向导通。

双向可控硅的控制电流一般为数个安培，也可到50安培左右，电压范围可到600-800V，少数可到1200V。主要用作交流无触点开关、交流调速、调光、调温等。由于交流干扰较大，因此可利用晶闸管输出型光电耦合器进行隔离和驱动。

晶闸管输出型光电耦合器的输出端是光敏晶闸管或光敏双向晶闸管。当光电耦合器的输入端有一的电流流入时，晶闸管即导通。有的光电耦合器的输出端还配有过零触发电路，用于控制晶闸管过零触发，以减少用电器在接通电源时对电网的影响。386.5.2输出驱动接口

（2）可控硅交流驱动接口

MOC4043/2/1M是一种典型的单向晶闸管输出型光电耦合器，用于控制可控硅，控制二相交流电压的开关，带有过零触发电路，减小浪涌电流的产生。控制电压最高为400V，输入、输出端隔离电压为1500~6000V。导通时输出端光敏元件电流最大为100mA。输入端LED电流为5mA。可用于固态继电器、照明控制、工业控制等场合。MOC3043M为6脚直插或贴片封装。电路连接时只用到4个引脚。输入端电阻R1需要根据电压VCC确定，保证输入端LED电流为5mA(MOC4043M)，或10mA(MOC4042M)、或15mA(MOC4041M)。图6-24给出了MOC4043M的引脚图及与驱动晶闸管电路接口参考电路。

396.5.2输出驱动接口

3.大功率输出驱动接口

绝缘栅双极晶体管IGBT

(InsulatedGateBipolarTransistor）是大功率控制的主要器件。IGBT是由MOSFET（输入级）和PNP晶体管（输出级）复合而成的一种器件(如图6-25所示)，兼有MOSFET器件高输入阻抗、驱动功率小和双极型晶体管饱和压降低、电流大的特点，电流容量可以很大，能到几十安培到几百安培以上，电压也比较高，一般在600-1200V，少数可到6kV以上，属于功率半导体器件。频率特性介于MOSFET与功率晶体管之间，可工作在几十kHz范围内。IGBT适合应用于直流电压600V及以上的变流系统、变频器、开关电源、电动汽车充电器、照明电路、牵引传动、大功率温度控制等领域。406.5.2输出驱动接口

3.大功率输出驱动接口

绝缘栅双极晶体管IGBT

(InsulatedGateBipolarTransistor）是大功率控制的主要器件。IGBT是由MOSFET（输入级）和PNP晶体管（输出级）复合而成的一种器件(如图6-25所示)，兼有MOSFET器件高输入阻抗、驱动功率小和双极型晶体管饱和压降低、电流大的特点，电流容量可以很大，能到几十安培到几百安培以上，电压也比较高，一般在600-1200V，少数可到6kV以上，属于功率半导体器件。频率特性介于MOSFET与功率晶体管之间，可工作在几十kHz范围内。IGBT适合应用于直流电压600V及以上的变流系统、变频器、开关电源、电动汽车充电器、照明电路、牵引传动、大功率温度控制等领域。416.5.2输出驱动接口

3.大功率输出驱动接口

绝缘栅双极晶体管IGBT

(InsulatedGateBipolarTransistor）是大功率控制的主要器件。IGBT是由MOSFET（输入级）和PNP晶体管（输出级）复合而成的一种器件(如图6-25所示)，兼有MOSFET器件高输入阻抗、驱动功率小和双极型晶体管饱和压降低、电流大的特点，电流容量可以很大，能到几十安培到几百安培以上，电压也比较高，一般在600-1200V，少数可到6kV以上，属于功率半导体器件。频率特性介于MOSFET与功率晶体管之间，可工作在几十kHz范围内。IGBT适合应用于直流电压600V及以上的变流系统、变频器、开关电源、电动汽车充电器、照明电路、牵引传动、大功率温度控制等领域。426.5.2输出驱动接口电机的种类很多，这里只简单介绍普通微小型直流电机、步进电机和伺服服电机的控制接口。普通微小型直流电机广泛应用在智能仪器与测控系统中，如位置控制或速度控制等，它们的驱动电压和电流一般不大，电压为几十伏以内，一般为3V、5V、12V、24V等，电流最大为数个安培，一般只有几百个mA。直流电机的控制有以下几种方式，（1）仅需开关控制，不需要调速；（2）旋转方向固定，但需要调速；（3）旋转方向需要改变，不需要调速；（4）旋转方向需要改变，也需要调速；前二种可以采用单极方式驱动，如图6-27给出了一种微型直流电机的单极方式驱动。436.5.3

直流电机驱动接口电机的种类很多，这里只简单介绍普通微小型直流电机、步进电机和伺服服电机的控制接口。普通微小型直流电机广泛应用在智能仪器与测控系统中，如位置控制或速度控制等，它们的驱动电压和电流一般不大，电压为几十伏以内，一般为3V、5V、12V、24V等，电流最大为数个安培，一般只有几百个mA。直流电机的控制有以下几种方式，（1）仅需开关控制，不需要调速；（2）旋转方向固定，但需要调速；（3）旋转方向需要改变，不需要调速；（4）旋转方向需要改变，也需要调速；前二种可以采用单极方式驱动，如图6-27给出了一种微型直流电机的单极方式驱动。446.5.3

直流电机驱动接口

后二种采用H桥双极方式驱动。对单极驱动只需要一个大功率三极管、场效应管或继电器驱动即可，但对速度经常需要调节的，最好用三极管、场效应管，当需要双向转动和调速时，可以使用由4个功率三极管或MOS管构成的H桥电路（图6-28），或者使用一个双刀双掷的继电器。如果不需要调速，只要使用继电器即可；但如果需要调速，可以使用三极管，场效应管等开关元件，实现PWM调速。

一些专用的电机驱动芯片，内部集成了H桥相关电路，比如L298N，可以简化电机驱动电路设计，降低电机驱动电路成本，当所要驱动的电机电流较大时，可以采用并联模式，增大驱动能力。当电机的电流较大和电压较高时，可以采用光耦隔离输入与电机电路。456.5.3

直流电机驱动接口

驱动微型直流电机，如果电流比较小，如在1-2A以内，有一些芯片可以直接驱动，电路比较简单，但如果电流较大，则需要用MOSFET管，构成H桥进行驱动，如图6-28所示。电机的的驱动芯片比较多，如L298N、A4950、TB6612FNG、DRV8870/8872、L9110S/L9170、L293B等，电流可达800mA以上，有些能到1-2A。如果只是简单地开关电机，不进行调速，也可以用继电器控制。图6-29给出了DRM8870驱动直流有刷电机（BDC：BrushedDC)的接口电路，内部集成了H桥电路，利用二个IO端口，通过内部电路控制对角的二个MOS管同时导通，达到双向调速控制，电机电压为直流6-45V。466.5.3

直流电机驱动接口

对步进电机和伺服电机，它们都能控制速度和位置。步进电机输入一个脉冲步进电机就会转过一固定角度，一般为0.9/1.8度，需要通过驱动器输出脉冲信号频率控制速度，转矩较小，属于是开环控制。伺服电机带有旋转编码器，实时反馈电机的速度，通过闭环控制，达到精确控制位置和速度，转矩也比较大。伺服电机的启动转矩大，启动快。适合频繁启停而且要求启动转矩大的应用，步进电机的启动则比较慢。伺服电机控制精度高，成本也较高。步进电机和伺服电机可以通过微控制器控制，但需要专门的驱动器，驱动器上带有接口，可以与微控制器连接。伺服电机驱动器本身是一个比较复杂的控制系统，有些内部包含有DSP、电压变换和功率模块，利用较复杂的算法达到精确位置控制，广泛地应用于机器人和工业自动化控制领域。476.5.3

直流电机驱动接口

步进电机通常有二组绕组，因此需要2组驱动电路，一般为二个H桥，通常用步进电机驱动芯片驱动。如图6-30所示，给出了步进电机控制器A4988驱动步进电机的参考电路（主要部分）。其中MS1、MS2、NS3，可用于全步、半步、1/4、1/8、1/16步的细分控制。000对应全步。111对应1/16步。A4988内部集成了二个H桥电路，分别驱动一个线圈。486.5.3

直流电机驱动接口

固态继电器(SolidStateRelays，SSR)是一种全部由固态电子元件组成的无触点功率型电子开关。SSR问世于20世纪70年代，采用开关三极管、晶闸管、IGBT等功率半导体器件作为输出开关，利用光电隔离技术实现输入端或控制端与输出端之间的电气隔离，同时又能控制电子开关的动作。可以达到无触点、无火花地接通和断开大功率电路，称为“无触点开关”。SSR具有开关速度快、体积小、质量轻、寿命长、工作可靠等优点，特别适合控制大功率设备的场合。在许多自动化装置中，代替了常规的电磁式继电器，在动作频繁的防爆、防潮、防腐蚀等场合应用广泛。

固态继电器的不足：接通状态下有压降，自身会发热，需要散热，断开时存在漏电流，多为数个mA，交直流不能通用。496.5.4

固态继电器输出接口

固态继电器按负载类型分二类：直流型固态继电器和交流型固态继电器。（1）直流型固态继电器(DC-SSR)，DC-SSR主要用于直流大功率控制场合；负载电压多为几十伏，但也可到几百伏，电流多为数安培到几十安培。一般电流稍大时如大于5A,，需要加散热器。（2）交流型固态继电器(AC-SSR)。AC-SSR主要用于交流大功率控制场合，多用于工频电压下的大功率设备控制，电流可从数个安培到1000安培左右，同样电流稍大时也需要加散热器。506.5.4

固态继电器输出接口

AC-SSR分为过零型和非过零型。

过零型AC-SSR固态继电器对交流负载的通、断控制与负载电源电压的相位有关，在输入信号有效后，必须在负载电源电压过零时才能接通输出端的负载电源，过零区域一般约±15V，当输入端的控制信号撤销后，必须等到交流负载电源电压的过零时，才能断开输出端的负载电源。采用过零触发技术，可以有效降低电压上升速率dv/dt和电流上升速率di/dt值，使SSR工作时，减小高次谐波对市电产生干扰，过零型可能存在最大半个周期的导通或断开延时。

非过零型AC-SSR，固态继电器对交流负载的通、断控制与负载电源电压的相位无关，在输入信号有效时，负载端电源立即接通，因此也称为随机型。非过零型AC-SSR的特点是反应速度快，可以控制移相触发脉冲达到方便地改变交流电网电压，从而应用于精确地调温、调光等阻性负载及部分感性负载场合。516.5.4

固态继电器输出接口

1.固态继电器的原理及结构交流过零型SSR的工作原理如图6-31所示。它是一种四端器件，A和B是输入端，C和D是输出端。工作时，只要在A、B端加上一定的控制信号，就可以控制C、D两端之间的“通”和“断”，实现“开关”的功能。

图中的虚线内电路为交流SSR的主要构成，光电耦合电路的功能是为A、B端输入的控制信号提供一个输入/输出端之间的通道，而在电气上断开SSR中输入端和输出端之间的联系，以防止输出端对输入端的影响。触发电路的功能是产生符合要求的触发信号，驱动开关电路工作；开关电路一般用双向晶闸管来实现；526.5.4

固态继电器输出接口

1.固态继电器的原理及结构

DC-SSR的工作原理如图6-32所示，无过零控制电路，开关器件一般采用大功率开关MOS管或三极管。

536.5.4

固态继电器输出接口

2.SSR应用中需要注意的问题（1）DC-SSR和AC-SSR用途不同，不能互换；（2）AC-SSR有过零型和非过零型两种，要求射频干扰小的场合应使用过零型；（3）SSR的输入端均为发光二极管，可直接由TTL驱动，也可以用CMOS电路再加一级跟随器驱动。驱动电流为5~10mA时输出端导通；1mA以下时，输出端断开；（4）一般选用时，额定电流要大于使用电流，阻性负载通常大于2倍以上，感性负载大于6倍左右；（5）切忌输出短路。546.5.4

固态继电器输出接口

3.SSR组成的开关量输出电路图6-33所示为由基本的SSR组成的开关量输出电路。为了防止SSR的A端输入电压超过额定值，需设置一限流电阻R。当负载为非稳定性负载或感性负载时，在输出回路中还应附加一个瞬态抑制电路。常用的方法是在SSR输出端加装RC吸收回路，或在SSR输出端接入具有特定钳位电压的电压控制器件，如双向稳压二极管或压敏电阻等。当P1.0输出低电平时，SSR输入端有电压，输出端接通；当P1.0输出高电平时，SSR输入端无电压，输出端断开。有些SSR的控制电压大于5V，这时可以利用三极管进行电压转换控制，如图6-34所示。556.5.4

固态继电器输出接口

SSR实现了弱信号对强电(输出负载电压)的控制。光电耦合器的应用，使控制信号所需的功率极低，SSR所需的工作电平与TTL、HTL、CMOS等常用集成电路兼容。SSR抗震、耐机械冲击，容易用绝缘防水材料灌封做成全密封形式，所以具有良好的防潮、防霉、防腐性能，在智能仪器中应用广泛。566.5.4

固态继电器输出接口

控制器有专用控制器和可编程控制器（PLC：ProgrammableLogicController)，它们都包含有微处理器和开关量输入、输出接口等，用于工业环境条件下的自动化控制。除了开关量的输入、输出外，控制器还有模拟量输入、输出接口，以及电源、通信接口等，这些与智能仪器类似，另外专用控制器可以定制接口类型和数量，其开关量输出接口多为继电器或三极管，也有模仿PLC的输入输出端口，输入基本都是光耦隔离接口。因此这里主要介绍PLC的开关量输入、输出接口特点与设计。576.6控制器的开关量输入、输出接口设计

PLC的开关量输入接口，接收来自工业现场的开关量，如按钮开关、限位开关、感应开关、开关量传感器等。数字输出接口输出控制信号，通过执行机构完成工业现场各类控制，如接通或断开接触器、电动机、灯、电磁阀等。由于PLC大多在工业生产现场工作，对输入输出接口有两个主要要求，一是接口有良好的抗干扰能力，二是接口能满足工业现场各类信号的匹配要求。输入/输出接口一般都具有光电隔离和滤波，其作用是把PLC与外部电路隔离开，以提高PLC的抗干扰能力。

开关量输入虽然只有接通和断开两个状态，但工业应用中会有二种不同的类型，分别是PNP型传感器和NPN型传感器，也称为PNP型开关量和NPN型开关量，分别对应了高电平有效和低电平有效。只有二根线的开关，可以用作PNP型，也可以用作NPN型。如图6-35所示给出了二种传感器的示意图。它们均有三根引出线，称为三线传感器。586.6.1

PLC的开关量输入接口

PLC的开关量输入端为光电耦合器，而且有多个通道，为了方便应用，一般将多个通道的光电耦合器，相同的一个输入端连在一起，而另一端则作为开关量输入端。可以将正输入端连在一起，也可以将负输入端连在一起，对应了二种接线方法。

图6-36给出了将负输入端连在一起的情况，这种电路适用PNP型开关量输入。图6-37给出了将正输入端连在一起的情况，这种电路适用NPN型开关量输入。一般PLC的输入端会有几十个以上，图中只画出了二个输入端的情况。图中X0、X1对应了PLC的二个输入端口。6.6.1

PLC的开关量输入接口

源型输入漏型输入）

PNP型输入也称之为源型输入，源型PLC的电流从公共端流出。NPN型也称之为漏型输入，漏型PLC的电流从公共端流入，二种输入接口方式对应了不同系列的PLC(欧系PLC和亚系PLC)。

可以根据传感器的类型及要求设计不同的PLC输入接口电路，也可以加入表示接通的指示灯等。可以将输入的光耦改为交流光耦，则可以适应PNP型和NPN型开关量。606.6.1

PLC的开关量输入接口PLC的输出电路有继电器输出，晶体管输出和晶闸管输出三种。（1）继电器输出。继电器输出是PLC输出常见的一种形式。继电器输出可以外接直流或交流负载，一般允许负载在AC250V/50V以下，电流不超过2A，容量小于80～100VA（电压×电流）。PLC的输出一般不宜直接驱动大电流负载（可以通过一个小负载来驱动大负载，如输出可以接一个电流比较小的中间继电器，再由中间继电器驱动大负载，如接触器等）。为了延长继电器触点的使用寿命，在设计输出接口时，应在输出端负载两端加过电压抑制二极管（适应直流负载），和RC抑制电路（适应交流负载）。图6-38给出了PLC的继电器输出接口电路。616.6.2PLC的开关量输出接口（2）晶体管输出。晶体管输出是PLC输出的另一种常见形式，其响应比继电器要应快（一般在0.2ms以下），适用于要求快速响应的场合；晶体管是无机械触点，因此比继电器输出接口寿命长。晶体管输出型的外接负载只能是直流负载。晶体管输出驱动能力，一般负载电压为DC5V～30V，负载电流为0.2A～0.5A。需要根据要求选择输出晶体管。晶体管输出电路的形式一般为NPN或PNP型集电极开路输出，图6-39给出了PLC的NPN晶体管输出接口。626.6.2PLC的开关量输出接口（3）双向晶闸管输出。双向晶闸管输出电路只能驱动交流负载，允许负载电压一般为AC85～242V；单点输出电流为0.2A～0.5A，当多点共用公共端时，每点的输出电流应减小。为了保护晶闸管，通常在PLC内部电路晶闸管的两端并接RC阻容吸收元件（一般为0.015uF/22Ω左右）和压敏电阻。双向晶闸管输出与可控硅交流驱动接口类似，这里不再赘述。由于PLC种类繁多，各生产厂家采用的输入、输出接口电路会有所不同，但基本原理大同小异，相差不大。636.6.2PLC的开关量输出接口

光电耦合器和继电器都可以起到很好的隔离作用，但它们也存在不足，速度低，功耗较大，发光元件存在老化，继电器体积大，存在机械动作等。在需要传输的数字量较大，又需要隔离的应用中，数字隔离器是比较好的选择。数字隔离器基于CMOS工艺，可为电子系统中数字传输提供另外一种的隔离方式。数字隔离器主要用于数字信号的传输而不是数字量（开关量）的控制。

数字隔离技术主要有两类，分别是电容隔离和变压器隔离，变压器隔离也称为磁隔离，目前这二种隔离方式，均可集成在普通大小的芯片上，方便了电路设计和应用。电容隔离主要是TI公司的ISO系列数字隔离器，变压器隔离主要是AD公司的ADUM系列隔离器。另外还有各种专用于通信接口的数字隔离器。数字隔离器的数字传输速率可以达到150Mbps远高于光耦隔离的1Mbps。646.7数字隔离器

1.电容隔离电容隔离利用调制器对输入的1位数字信号进行调制，通过电容耦合到接收端，通过波形变换后还原为数字脉冲信号。如图6-40所示，信号隔离通道有一个逻辑输入和输出缓冲器，由双电容二氧化硅(SiO2)绝缘屏障隔开。SiO2的介电强度（被击穿时，单位厚度承受的最大电压）高，绝缘性好。656.7数字隔离器

数字隔离器可抽象为由隔离元件、用于将信号耦合到隔离元件一侧的发送器(TX)和用于将隔离元件的另一侧可用的信号转换为数字电平的接收器(RX)构成。以SiO2（二氧化硅）绝缘层作为介质的高压电容器为隔离元件。隔离器采用的信号传输方式有二种：

基于边沿的信号传输和基于开关键控(on-offkeying，OOK)的信号传输。

对于基于边沿传输的数字隔离器，有TI公司的ISO73xx、ISO74xx、ISO71xx、ISO76xx、ISO75xx和ISO72xx隔离器。包含两个数据通道