功率接口技术

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第11 功率接口技术11.1 开关型接口 11.2.电压调节接口 11.3习题与思考题

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11.1 开关型接口 在工业控制中，单片机的被控对象大多都是功率设备，需要高电压大电流，单片机 不能直接驱动，要通过相应的接口电路才 能输出一定的功率来驱动功率设备。功率 接口有开关型、继电器型、光电隔离型和 可控硅等多种形式。

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11.1 开关型接口 在许多应用埸合，是使用开关量来进行控制的，开关量是通过单片机的I/O口或扩展 I/O口输出的。当被控对象功率不大时，可 以由CPU直接驱动。当被控对象的功率比较 大时，需要通过功率三极管或其它功率器 件去驱动。

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11.1.1.简单开关量输出接口 如图11.1所示,通过CPU的I/O口直接输出开关量0、1信号，为了确保开关量的1电平信号稳定，要在 输出端加电平上拉电阻。

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11.1.1.简单开关量输出接口 当CPU在端口上置1时，通过上拉电阻R,使输出电平稳定地维持在5V。当CPU在端口置0时，由于R的存在，且R的值较大，一般在10KΩ左右, 所以流过R的电流在0.5mA以下，影响不大。该输出端也可以直接接 三极管，达林顿管或缓冲器，增加输出口的驱动电流，通过这些器件 去驱动LED发光器件或继电器。如图11.2所示为CPU通过缓冲器控制 LED灯。P0.0 P0.1 P0.2 P0.3 8031 P0.4 P0.5 P0.6 P0.7 ALE WR 1D 1Q 2D 2Q 3D 3Q 4D 4Q 5D 5Q 6D 6Q 7D 7Q 8D 8Q G Vcc CLK GND

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11.1.1.简单开关量输出接口 图中,74LS377是八D触发器，内部有数据锁存器， 单片机CPU通过P0口将数 据写入74LS377,并锁存 在74LS377内部的1Q – 8Q 端口。当端口的值为1电 平时，由于发光二极管的 两端没有电压差，没有电 流流过，发光二极管不亮。 当端口的值为0电平时， 由于发光二极管的两端有 电压差存在，有电流流过， 发光二极管点亮，300Ω电 阻为限流电阻。

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11.1.1.简单开关量输出接口 对于图11.2,编写不同的程序可以实现多种形式的灯光显示。例如要使8个灯亮1秒钟再暗1 秒钟，如此循环，形成闪烁的效果，程序可 以为： MOV MOVA,#0FFH ;累加器置全l DPTR,#7FFFH ;设置 74LS377芯片的地址值 MOVX @DPTR,A ;使74LS377输 出端全为l,8个灯全暗 LCALL SS ;调用子程序延时l 秒钟 MOV A,#00H ;累加器置全0 MOV DPTR,#7FFFH ;设置 74LS377芯片地址值 MOVX @DPTR,A ;使74LS377 输出端全为0,8个灯全亮 LCALL SS ;调用子程序延时 l秒钟 LJMP S1 ;使8个灯每隔l秒 钟全暗、全亮循环工作

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11.1.1.简单开关量输出接口 图11.3所示为CPU通过三极管控制LED灯，单片机通过功率三极管来增加驱动功率。图中CPU使P1.0=1,输出5V电压通过 R1使三极管B饱和导通，Vec=0.2V左右，发光二极管D通过限 流电阻R3流过电流，D发光。当CPU

使P1.0=0,三极管 Vbe=0,三极管截止，Vec=5V,发光二极管不导通,不发光。 选用大功率的三极管，可以产生大的电流，驱动大电流的显 示器或大功率负载。单片机通过P1口，对P1.0端口置l或清0 就可以控制三极管的导通与截止来带动负载。

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11.1.2 光电耦合接口 光电耦合接口是通过光电元器件来实现的，光电元器件由发光二极管和光电三极管构成。可应用 于信号隔离、开关电路、数模转换、逻辑电路、 长线传输、过载保护、高压控制和电路变换。 光电三极管是一种光电转换装置，它的输出特性 与三极管基本相同，不同的是光电三极管接收的 是光能量。由于光三极管的基极一射极的接合电 容受到密勒效应影响，并且与负载电阻大小有关， 所以光电三极管的响应通常比较慢。它的输出特 性也有截止区，放大区和饱和区。

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11.1.2 光电耦合接口 发光二极管是一种电光转换装置，当有电 流通过会产生光，它 的输入特性与普通二 极管也相似。但它的 正向压降较大，为1.0 左右，反向电压较小， 在6V左右。图11.4为 光电耦合器的输入输 出特性和结构。

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11.1.2 光电耦合接口

如图所示，当发光二极管加上正向电压时，会发出光线，光线的强弱与正向电压有关，光电三极管的基极接收到光 能量后，产生IC电流，完成了电—光—电的转换过程。由 于发光二极管与光电三极管之间是通过光来传递信息的， 没有电气上的联系，从而实现了电气上的隔离。这就是光 电耦合器的作用。

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11.1.2 光电耦合接口 光电耦合技术被广泛用于测量控制系统。图11.5是光电耦合器的典型应用电路。

D

T

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11.1.2 光电耦合接口D T

图中D为红外发光二极管，VC为工作电源，R1为限流电阻，在二极管

的负端接一脉冲电压，当输入脉冲信号=1时，无电流流过，不发光， 光电三极管T没有接收到光能量，处于截止状态，输出电压V0=VD。 当输入脉冲信号=0时，有电流流过D,产生红外光线，T接收到光能 量，从工作区进入饱和区，三极管导通，V0=0V,输出低电平。 一般二极管D的工作电流表在10mA左右，R1阻值与工作电压和二极 管的正向降VF有关，通过计算可以求出。VD是负载工作电压，R2为 三极管负载电阻，应通过计算或调试，使T工作在截止区可饱和区， 以保证V0输出为可靠的0或1电平。

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11.1.2 光电耦合接口 也可以使二极管D的负极直接接地，控制端为VC电压，输出端可以接在三极管的集电极，也可以接在发射极，把R2 电阻接在发射极。总之，可以根据电路设计的要求选择。 图11.6为单片机CPU的I/O口通过光电耦合器传递信息的， 单片机系统的接地与光电隔离器的

输出部分的地不能共地， 两者的供电也不同，才能达到电气上隔离的作用。

8031D T

P1.0

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11.1.2 光电耦合接口 光电耦合器有多种产品，性能也不尽相同。表11.1为6N135、6N136的特性参数。输入特性 参数 最大工作 电流 If mA 25 25 正向压降 Vf V 1.65 1.65 输出特性 输出电流 I0 Ma 8 8 工作电压 Vu V 15 15 传输特性 传输比 CTR 12/0 18 18 隔离 阻抗 RI-0 Ω 1012 1012 隔离特性 极向 耐压 DIVS Vnms 2500 2500 极向 电势 C I-0 PF 0.6 0.6

符号 单位 6N135 6N136

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11.1.2 光电耦合接口 图11.7为6N135、6N136的管脚排列与通讯接口电路

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11.1.3 继电器接口 继电器是通过线圈的电流来控制触点的闭与合，由于继电器的线圈和触点之间没有电气上的联系， 因此可以使用继电器来实现自动控制上的电气隔 离。图11.8是继电器的基本应用电路。

J

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11.1.3 继电器接口 如图11.8所示，J为继电器线圈，J1和J2是继电器的常开、常闭触点，当三极管T的基极输入一个高电平，使T进入饱和状态，Vc电压通过继电器的线圈有 电流流过，流过电流的线圈产生磁场力吸引触点动作。图中R为三极管基极限 流电阻，二极管D用于对三极管的保护，在平时，由于二极管为反向串接，没 有电流过，当继电器线圈失电的瞬间会产生很大的反电势，有可能使三极管 击穿，由于有二极管D的存在，提供了一个通路，使反电势不会损坏三极管， 从而起到了保护作用。在继电器失电状态下，常开触点断开，常闭触点闭合， 当继电器得电后，常开触点闭合，而常闭触点断开，利用继电器的触点开关 作用可以控制设备或传送逻辑电平信号。一般继电器带有一组或多组常开常 闭触点供使用，继电器的线圈电流也有大小，触点的接触电流也有大小，耐 压值有高低，用户可以根据设计的要求选用相应的继电器。

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11.1.3 继电器接口 在各种控制中，由于应用场合不同，需要选用不同的继电器，在设计继电器接口电路时，要了解继电器的一些参数，进行正确的设计，才能获得好的控制效果。在电路设 计时，应根据印刷电路板的大小，选用合适的小型继电器，要考虑它的体积、封装形 式，目前有供印刷电路设计用的微小型继电器，供电压为5V。如果继电器不装在印刷 电路板上，则主要考虑继电器的触点数目和触点功率。为了便于和计算机工作电压一 致，尽量选用5V的低电压继电器。在设计时，要考虑使用继电器后增加的电源功率， 在变压器供电的电源设计中，要充分考虑到这一情况。另外，还要考虑到单片机接口 电路的电流驱动能力，要选择与继电器电流相当的功率元器件做接口电路元件，若是 功率大的驱动继电器，有

必要在中间增加一级继电器，如图11.9所示。

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11.1.3 继电器接口

计算机CPU I/O口输出一个控制电压，由三极管驱动中间继电器J1,通过继电 器J1的触点去控制大功率的继电器J2,从而实现对大功率继电器的控制。 继电器的触点有多、有少，有常开触点，常闭触点，在设计时要充分了解所 选用的继电器的产品资料，了解该继电器有几组触点，常闭、常开如何分配，应 充分利用继电器的各组触点来达到简化电路设计的目 的。继电器常用电气参数有： 额定工作电压和电流 是指继电器在正常工作状态下，继电器线圈两端所加电压值或线圈中流过的电流 值，应用于设计的主要参数，是设计的依据。 吸合电压和电流 是指继电器能产生吸合动作的最小电压值或电流值，一般为额定值的75%左右， 这个参数使在设计中为了保证继电器可靠工作，控制电压应高于吸合电压才能正 常工作，若控制电压在吸合电压左右就可能造成吸合不可靠或造成频繁吸合、断 开，产生干扰，影响使用。 释放电压和电流 是指继电器在此电压值以下或电流值在此以下，继电器不吸合，因此控制电压值 应大大小于释放电压，才能使继电器可靠释放。 触点负载 是指继电器的接触点的负载能力，反应了所能控制设备的功率大小，应使所控制 设备的功率小于触点负载，才能使继电器工作正常，否则会损坏触点，影响正常 工作。

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11.1.3 继电器接口常用继电器的一些电气参数见表11.3型号 名称 JZC-36F 超小型中功率继电器 JZX-140FF 小型大功率继电器 JRC-19FD 超小型中功率继电器

外形尺寸 长×宽×高(mm)触点形式

24.5×10.5×24.51H、1Z 10A 240VAC 10A 30VDC TV-5 5~48 0.25、0.53 15 5

29.0×13.0×25.52H、2Z 10A 250VAC 8A 30VDC 5A 250VAC/30VDC 3~60 550mW 15 5

20.8×9.9×12.22Z 1A 125VAC 2A 30VDC

触点额定负载

线圈直流电压(VDC) 线圈直流功率(W) 动作时间(ms) 释放时间(ms)

3~48 0.2、0.36 6 4

电气寿命(次)机械寿命(次) 引出端形式

1×1051×107 印刷电路板式

1×1051×107 印制板式

1×1051×107 印刷电路板式