《开关量输出》课件

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 CPU输出锁存数字隔离输出驱动被控对象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， 7407 OC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 40m A，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 10-50m A。对 于 中 功 率 管 ， 驱 动 能 力 可达 50-500m A。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500m A，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 （ DC SSR） 的 输 出端 与 直 流 负 载 匹 配 ； 如 果 是 双 向 交 流 固 态 继 电 器（ AC SSR） 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)AC SSR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 DC SSR， 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 AC SSR， 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 1.61.9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 的 尖 蜂电 压 施 加 在 SSR的 输 出 端 。工 频 市 电 电 源 夹 杂 的 尖 蜂 电 压 是 很 频 繁 的 ， 它 虽 然 宽度 很 窄 ， 但 幅 度 有 高 有 低 ， 高 的 可 达 千 伏 。 当 尖 蜂 电压 的 幅 度 超 过 了 SSR的 阻 端 电 压 或 其 变 化 速 度 超 出 了SSR在 关 闭 状 态 下 的 d v/d t特 性 容 限 时 ， 就 会 使 SSR在 没 有 选 通 的 情 况 下 开 启 ， 造 成 执 行 机 构 的 误 动 作 。 思 考 题 :1.微 处 理 器 处 理 开 关 量 信 号 时 应 考 虑 哪 些 问 题 ?2.固 态 寄 电 器 有 哪 几 类 ?各 有 什 么 特 点 ?