驅動與隔離電子電路設計集錦 —電路圖天天讀（183）

　　隨著微電子技術和計算機技術的發(fā)展，原來以強電和電器為主、功能簡單的電氣設備發(fā)展成為強、弱電結合，具有數字化特點、功能完善的新型微電子設備。在很多場合，已經出現了越來越多的單片機產品代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電氣控制產品。屬于存儲程序控制的單片機，其控制功能通過軟件指令來實現，其硬件配置也可變、易變。因此，一旦生產過程有所變動，就不必重新設計線路連線安裝，有利于產品的更新換代和訂單式生產。

　　傳統(tǒng)電氣設備采用的各種控制信號，必須轉換到與單片機輸入/輸出口相匹配的數字信號。用戶設備須輸入到單片機的各種控制信號，如限位開關、操作按鈕、選擇開關、行程開關以及其他一些傳感器輸出的開關量等，通過輸入電路轉換成單片機能夠接收和處理的信號。輸出電路則應將單片機送出的弱電控制信號轉換、放大到現場需要的強輸出信號，以驅動功率管、電磁閥和繼電器、接觸器、電動機等被控制設備的執(zhí)行元件，能方便實際控制系統(tǒng)使用。針對電氣控制產品的特點，本文討論了幾種單片機I/O的常用驅動和隔離電路的設計方法，對合理地設計電氣控制系統(tǒng)，提高電路的接口能力，增強系統(tǒng)穩(wěn)定性和抗干擾能力有實際指導意義。

　　輸入電路設計

　　圖1 開關信號輸入

　　一般輸入信號最終會以開關形式輸入到單片機中，以工程經驗來看，開關輸入的控制指令有效狀態(tài)采用低電平比采用高電平效果要好得多，如圖1如示。當按下開關S1時，發(fā)出的指令信號為低電平，而平時不按下開關S1時，輸出到單片機上的電平則為高電平。該方式具有較強的耐噪聲能力。

　　若考慮到由于TTL電平電壓較低，在長線傳輸中容易受到外界干擾，可以將輸入信號提高到+24 V，在單片機入口處將高電壓信號轉換成TTL信號。這種高電壓傳送方式不僅提高了耐噪聲能力，而且使開關的觸點接觸良好，運行可靠，如圖2所示。其中，D1為保護二極管，反向電壓≥50 V。

　　圖2 提高輸入信號電平

　　圖3 輸入端保護電路

　　為了防止外界尖峰干擾和靜電影響損壞輸入引腳，可以在輸入端增加防脈沖的二極管，形成電阻雙向保護電路，如圖3所示。二極管D1、D2、 D3的正向導通壓降UF≈0.7 V，反向擊穿電壓UBR≈30 V，無論輸入端出現何種極性的破壞電壓，保護電路都能把該電壓的幅度限制在輸入端所能承受的范圍之內。即：VI～VCC出現正脈沖時，D1正向導通；VI～VCC出現負脈沖時，D2反向擊穿；VI與地之間出現正脈沖時，D3反向擊穿；VI與地之間出現負脈沖時，D3正向導通，二極管起鉗位保護作用。緩沖電阻RS約為1.5～2.5 kΩ，與輸入電容C構成積分電路，對外界感應電壓延遲一段時間。若干擾電壓的存在時間小于τ，則輸入端承受的有效電壓將遠低于其幅度；若時間較長，則D1 導通，電流在RS上形成一定的壓降，從而減小輸入電壓值。

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　　此外，一種常用的輸入方式是采用光耦隔離電路。如圖4所示，R為輸入限流電阻，使光耦中的發(fā)光二極管電流限制在10～20 mA。輸入端靠光信號耦合，在電氣上做到了完全隔離。同時，發(fā)光二極管的正向阻抗值較低，而外界干擾源的內阻一般較高，根據分壓原理，干擾源能饋送到輸入端的干擾噪聲很小，不會產生地線干擾或其他串擾，增強了電路的抗干擾能力。

　　圖4 輸入端光耦隔離

　　在滿足功能的前提下，提高單片機輸入端可靠性最簡單的方案是： 在輸入端與地之間并聯一只電容來吸收干擾脈沖，或串聯一只金屬薄膜電阻來限制流入端口的峰值電流。

　　輸出電路設計

　　單片機輸出端口受驅動能力的限制，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輸出端到功率端的電路實現方法。

　　直接耦合

　　在采用直接耦合的輸出電路中，要避免出現圖5所示的電路。

　　圖5 錯誤的輸出電路

　　T1截止、T2導通期間，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。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)熱嚴重。而在T2截止期間，T1必須導通，高壓+15 V全部降在電阻R2上，產生很大的電流，顯然是不合理的。另外，T1的導通將使單片機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導通時，在R3、R4的串聯電路中產生電流，在R3上的分壓大于T2 晶體管的基射結壓降，促使T2導通，T2提供了功率管T3的基極電流，使T3變?yōu)閷顟B(tài)。當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。

　　圖6 直接耦合輸出電路

　　TTL或CMOS器件耦合

　　若單片機通過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載電阻R1接至+15 V電源，提升了驅動電壓。但要注意的是，這種電路的開關速度低，若用其直接驅動功率管，則當后續(xù)電路具有電感性負載時，由于功率管的相位關系，會影響波形上升時間，造成功率管動態(tài)損耗增大。

　　為了改善開關速度，可采用2種改進形式輸出電路，如圖7（b）和圖7（c）所示。圖7（b）是能快速開通的改進電路，當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，不會出現飽和，因而不影響輸出開關頻率。

　　圖7 TTL或CMOS器件輸出電路

　　 脈沖變壓器耦合

　　脈沖變壓器是典型的電磁隔離元件，單片機輸出的開關信號轉換成一種頻率很高的載波信號，經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。

　　圖8 脈沖變壓器輸出電路

　　這種電路必須有一個脈沖源，脈沖源的頻率是載波頻率，應至少比單片機輸出頻率高10倍以上。脈沖源的輸出脈沖送入控制門G，單片機輸出信號由另一端輸入G門。當單片機輸出高電平時，G門打開，輸出脈沖進入變壓器，變壓器的副線圈輸出與原邊相同頻率的脈沖，通過二極管D1、D2檢波后經濾波還原成開關信號，送入功率管。當單片機輸出低電平時，G門關閉，脈沖源不能通過G門進入變壓器，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整電感量、原副邊匝數等來適應不同推動功率的要求，所以應用起來比較靈活。更重要的是，變壓器原副邊線圈之間沒有電的聯系，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。當單片機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調整即可。

　　光電耦合

　　光電耦合可以傳輸線性信號，也可以傳輸開關信號，在輸出級應用時主要用來傳遞開關信號。如圖9所示，單片機輸出控制信號經緩沖器7407放大后送入光耦。R2為光耦輸出晶體管的負載電阻，它的選取應保證： 在光耦導通時，其輸出晶體管可靠飽和；而在光耦截止時，T1可靠飽和。但由于光耦響應速度慢使開關延遲時間加長，限制了其使用頻率。

　　圖9 光耦輸出電路

　　單片機接口技術在很多文獻中均有詳細的介紹，但在對大量電氣控制產品的改造和設計中，經常會碰到用接口芯片所無法解決的問題（如驅動電流大、開關速度慢、抗干擾差等），因此必須尋求另一種電路解決方案。上述幾種輸入/輸出電路通過廣泛的應用表明，其對合理、可靠地實現單片機電氣控制系統(tǒng)具有較高的工程實用價值。