電路設(shè)計(jì)與制作（含活頁(yè)式實(shí)訓(xùn)工單） 課件 項(xiàng)目3 任務(wù)2 數(shù)字量輸出電路設(shè)計(jì)

項(xiàng)目3

隔離輸入輸出電路的設(shè)計(jì)

任務(wù)2數(shù)字量輸出電路設(shè)計(jì)任務(wù)描述數(shù)字量輸出電路設(shè)計(jì)旨在為數(shù)字信號(hào)的控制提供一種解決方案。該任務(wù)需要設(shè)計(jì)隔離控制器中部分功能電路，使其能夠?qū)?shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為電氣信號(hào)，并在需要的時(shí)候?qū)⑵漭敵龅狡渌O(shè)備或系統(tǒng)中。在實(shí)際工作中,針對(duì)控制對(duì)象的不同可以采用不同類型的輸出方式，本任務(wù)給出繼電器輸出和光耦隔離輸出兩種方式，隔離控制器的輸出電路中采用的是光耦隔離方式。知識(shí)儲(chǔ)備

一、繼電器輸出1.繼電器簡(jiǎn)介繼電器是一種電控制器件，是當(dāng)輸入量（激勵(lì)量）的變化達(dá)到規(guī)定要求時(shí)，在電氣輸出電路中使被控量發(fā)生預(yù)定的階躍變化的一種電器。它具有控制系統(tǒng)（又稱輸入回路）和被控制系統(tǒng)（又稱輸出回路）之間的互動(dòng)關(guān)系。通常應(yīng)用于自動(dòng)化的控制電路中，它實(shí)際上是用小電流去控制大電流運(yùn)作的一種“自動(dòng)開關(guān)”。故在電路中起著自動(dòng)調(diào)節(jié)、安全保護(hù)、轉(zhuǎn)換電路等作用。1.繼電器簡(jiǎn)介繼電器工作如圖3-9所示。2.繼電器作用繼電器一般都有能反映一定輸入變量（如電流、電壓、功率、阻抗、頻率、溫度、壓力、速度、光等）的感應(yīng)機(jī)構(gòu)（輸入部分）；有能對(duì)被控電路實(shí)現(xiàn)“通”、“斷”控制的執(zhí)行機(jī)構(gòu)（輸出部分）；在繼電器的輸入部分和輸出部分之間，還有對(duì)輸入量進(jìn)行耦合隔離、功能處理和對(duì)輸出部分進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的中間機(jī)構(gòu)（驅(qū)動(dòng)部分）。2.繼電器作用作為控制元件，繼電器有如下一些作用：（1）擴(kuò)大控制范圍：例如，多觸點(diǎn)繼電器控制信號(hào)達(dá)到某一定值時(shí)，可以按觸點(diǎn)組的不同形式，同時(shí)換接、開斷、接通多路電路。（2）放大信號(hào)：例如，靈敏型繼電器、中間繼電器等，用一個(gè)很微小的控制量，可以控制很大功率的電路。（3）綜合信號(hào)：例如，當(dāng)多個(gè)控制信號(hào)按規(guī)定的形式輸入多繞組繼電器時(shí)，經(jīng)過(guò)比較綜合，達(dá)到預(yù)定的控制效果。（4）自動(dòng)、遙控、監(jiān)測(cè)：例如，自動(dòng)裝置上的繼電器與其他電器一起，可以組成程序控制線路，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化運(yùn)行。3.繼電器種類按輸入量分類電壓繼電器、電流繼電器、時(shí)間繼電器、速度繼電器、壓力繼電器等按工作原理分類電磁式繼電器、感應(yīng)式繼電器、電動(dòng)式繼電器、電子式繼電器等按用途分類控制繼電器、保護(hù)繼電器等按輸入量變化形式分類有無(wú)繼電器、量度繼電器3.繼電器種類有無(wú)繼電器是根據(jù)輸入量的有或無(wú)來(lái)動(dòng)作的，無(wú)輸入量時(shí)繼電器不動(dòng)作，有輸入量時(shí)繼電器動(dòng)作，如中間繼電器、通用繼電器、時(shí)間繼電器等。量度繼電器是根據(jù)輸入量的變化來(lái)動(dòng)作的，工作時(shí)其輸入量是一直存在的，只有當(dāng)輸入量達(dá)到一定值時(shí)繼電器才動(dòng)作，如電流繼電器、電壓繼電器、熱繼電器、速度繼電器、壓力繼電器、液位繼電器等。4.電磁式繼電器在控制電路中用的繼電器大多數(shù)是電磁式繼電器。電磁式繼電器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、使用維護(hù)方便等特點(diǎn)，在低壓控制系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。常用的電磁式繼電器有電流繼電器、電壓繼電器、中間繼電器以及各種小型通用繼電器等。4.電磁式繼電器電磁式繼電器的結(jié)構(gòu)和工作原理與接觸器相似，主要由電磁機(jī)構(gòu)和觸點(diǎn)組成。電磁式繼電器有直流和交流兩種。在線圈兩端加上電壓或通入電流，將產(chǎn)生電磁力。當(dāng)電磁力大于彈簧反力時(shí)，吸動(dòng)銜鐵使常開常閉接點(diǎn)動(dòng)作；當(dāng)線圈的電壓或電流下降或消失時(shí)銜鐵釋放，接點(diǎn)復(fù)位。其結(jié)構(gòu)如圖3-10所示。5.繼電器主要產(chǎn)品技術(shù)參數(shù)（1）額定工作電壓。是指繼電器正常工作時(shí)線圈所需要的電壓。根據(jù)繼電器的型號(hào)不同，工作電壓可以是交流電壓，也可以是直流電壓。（2）直流電阻。是指繼電器中線圈的直流電阻，可以通過(guò)萬(wàn)用表測(cè)量。（3）吸合電流。是指繼電器能夠產(chǎn)生吸合動(dòng)作的最小電流。在正常使用時(shí)，給定的電流必須略大于吸合電流，這樣繼電器才能穩(wěn)定地工作。而對(duì)于線圈所加的工作電壓，一般不要超過(guò)額定工作電壓的1.5倍，否則會(huì)產(chǎn)生較大的電流而把線圈燒毀。5.繼電器主要產(chǎn)品技術(shù)參數(shù)（4）釋放電流。是指繼電器產(chǎn)生釋放動(dòng)作的最大電流。當(dāng)繼電器吸合狀態(tài)的電流減小到定程度時(shí)，繼電器就會(huì)恢復(fù)到未通電的釋放狀態(tài)，這時(shí)的電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于吸合電流。（5）觸點(diǎn)切換電壓和電流。是指繼電器允許加載的電壓和電流。它決定了繼電器能控制電壓和電流的大小，使用時(shí)不能超過(guò)此值，否則很容易損壞繼電器的觸點(diǎn)。6.繼電器測(cè)試（1）測(cè)觸點(diǎn)電阻。用萬(wàn)用表的電阻擋，測(cè)量常閉觸點(diǎn)與動(dòng)點(diǎn)電阻，其阻值應(yīng)為0；而常開觸點(diǎn)與動(dòng)點(diǎn)的阻值就為無(wú)窮大。由此可以區(qū)別出那個(gè)是常閉觸點(diǎn)，那個(gè)是常開觸點(diǎn)。（2）測(cè)線圈電阻?？捎萌f(wàn)用表R×10擋測(cè)量繼電器線圈的阻值，從而判斷該線圈是否存在著開路現(xiàn)象。6.繼電器測(cè)試（3）測(cè)量吸合電壓和吸合電流。用可調(diào)穩(wěn)壓電源和電流表，給繼電器輸入一組電壓，且在供電回路中串入電流表進(jìn)行監(jiān)測(cè)。慢慢調(diào)高電源電壓，聽到繼電器吸合的聲音時(shí)，記錄吸合電壓和吸合電流。為求準(zhǔn)確，可以嘗試多次求平均值。6.繼電器測(cè)試（4）測(cè)量釋放電壓和釋放電流。如上所述連接測(cè)試，當(dāng)繼電器發(fā)生吸合后，再逐漸降低供電電壓，當(dāng)聽到繼電器再次發(fā)生釋放聲音時(shí)，記下此時(shí)的電壓和電流，亦可嘗試多次而取得平均的釋放電壓和釋放電流。一般情況下，繼電器的釋放電壓為吸合電壓的10%~50%如果釋放電壓大小(小于1/10的吸合電壓)，則不能正常使用，這樣會(huì)對(duì)電路的穩(wěn)定性造成威脅，使工作不可靠。7.繼電器的驅(qū)動(dòng)（1）晶體管驅(qū)動(dòng)繼電器。繼電器線圈需要流過(guò)較大的電流（約50mA）才能使繼電器吸合，一般的集成電路不能提供這樣大的電流，因此必須進(jìn)行擴(kuò)流，即驅(qū)動(dòng)。如圖3-11所示。7.繼電器的驅(qū)動(dòng)圖3-11為用NPN型三極管驅(qū)動(dòng)繼電器的電路圖，圖中虛線部分為繼電器電路，繼電器線圈作為集電極負(fù)載而接到集電極和正電源之間。當(dāng)輸入為0V時(shí)，三極管截止，繼電器線圈無(wú)電流流過(guò)，則繼電器釋放（OFF）；相反，當(dāng)輸入為+VCC時(shí)，三極管飽和，繼電器線圈有相當(dāng)?shù)碾娏髁鬟^(guò)，則繼電器吸合（ON）。圖3-11NPN驅(qū)動(dòng)繼電器7.繼電器的驅(qū)動(dòng)圖3-11中續(xù)流二極管起保護(hù)作用，當(dāng)輸入電壓由變+VCC為0V時(shí)，三極管由飽和變?yōu)榻刂?，此時(shí)繼電器電感線圈中的電流突然失去了流通通路，若無(wú)續(xù)流二極管的存在，則將在線圈兩端產(chǎn)生較大的反向電動(dòng)勢(shì)，極性為下正上負(fù)，電壓值可達(dá)一百多伏，這個(gè)電壓加上電源電壓作用在三極管的集電極上，足以損壞三極管。反向電動(dòng)勢(shì)可以通過(guò)續(xù)流二極管導(dǎo)通放電使三極管集電極對(duì)地的電壓最高不超過(guò)+VCC+0.7V。圖3-11NPN驅(qū)動(dòng)繼電器7.繼電器的驅(qū)動(dòng)圖3-11中電阻R1和R2的取值必須能讓輸入為+VCC時(shí)的三極管可靠地飽和，即有βIB>ICE(3-5)在上圖中假設(shè)VCC=5V，ICE=50mA，β=100，則有IB>0.5mA,而IB=（VCC-VBE）/R1-VBE/R2(3-6)若取R2=4.7K，則R1<6.63K，為了使三極管有一定的飽和深度和兼顧三極管電流放大倍數(shù)的離散性，一般取R1=3.6K左右即可。7.繼電器的驅(qū)動(dòng)若取R1=3.6K，當(dāng)集成電路控制端為+VCC時(shí)，應(yīng)能至少提供1.2mA的驅(qū)動(dòng)電流（流過(guò)R1的電流）給本驅(qū)動(dòng)電路，而許多集成電路（例如標(biāo)準(zhǔn)8051單片機(jī)）輸出的高電平不能達(dá)到這個(gè)要求，但它的低電平驅(qū)動(dòng)能力則比較強(qiáng)（例如標(biāo)準(zhǔn)8051單片機(jī)I/O口輸出低電平能提供20mA的驅(qū)動(dòng)電流（這里說(shuō)的是漏電流），則應(yīng)該用如圖3-12所示的電路來(lái)驅(qū)動(dòng)繼電器。7.繼電器的驅(qū)動(dòng)圖3-12中R2起到上拉作用，這里將NPN三極管變?yōu)镻NP三極管，電流方向、電壓極性和繼電器邏輯都應(yīng)有所變化。當(dāng)輸入為0V時(shí)，三極管飽和，從而使繼電器線圈有相當(dāng)?shù)碾娏髁鬟^(guò)，繼電器吸合；相反，當(dāng)輸入為+VCC時(shí)，三極管截止，繼電器釋放。7.繼電器的驅(qū)動(dòng)（2）集成電路ULN2003驅(qū)動(dòng)繼電器。集成電路驅(qū)動(dòng)器ULN2003，其結(jié)構(gòu)引腳如圖3-13所示。7.繼電器的驅(qū)動(dòng)ULN2003A的單元結(jié)構(gòu)原理如圖3-14所示。7.繼電器的驅(qū)動(dòng)根據(jù)集成電路驅(qū)動(dòng)器ULN2003A的輸入輸出特性，有人把它簡(jiǎn)稱叫“驅(qū)動(dòng)器”“反向器”“放大器”等。當(dāng)ULN2003A輸入端為高電平時(shí)，對(duì)應(yīng)的輸出口輸出低電平，繼電器線圈通電，繼電器觸點(diǎn)吸合；當(dāng)ULN2003A輸入端為低電平時(shí)，繼電器線圈斷電，繼電器觸點(diǎn)斷開；在ULN2003A內(nèi)部已集成起反向續(xù)流作用的二極管，因此可直接用它驅(qū)動(dòng)繼電器。知識(shí)補(bǔ)充可控硅也被稱為晶閘管，具有雙向?qū)ㄌ匦?，可以在單個(gè)觸發(fā)脈沖下完成開關(guān)操作，并且具有耐高壓、耐高溫等優(yōu)點(diǎn)。配合其他類型的半導(dǎo)體器件，如電阻器、晶體管等，可以組成固態(tài)繼電器。固態(tài)繼電器作為一種電子開關(guān)裝置，使用半導(dǎo)體器件代替?zhèn)鹘y(tǒng)機(jī)械式繼電器的機(jī)械觸點(diǎn)進(jìn)行控制，能實(shí)現(xiàn)電氣信號(hào)的隔離和放大，通過(guò)它可以將低壓、低電流的控制信號(hào)轉(zhuǎn)換成高壓、高電流的輸出信號(hào)，從而隔離控制電路和被控制電路，有效提高系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性和壽命。二、光耦輸出1.光耦用于輸出以EL357N光耦為例，其可以用于隔離輸入，也可以用于隔離輸出，光耦的典型電路如圖3-15所示。2.光耦驅(qū)動(dòng)MOS管使用光耦作為輸出電路的隔離器件，配合隔離電源的使用，可以讓輸出端與控制系統(tǒng)完全隔離，這樣外部輸出就不會(huì)影響控制系統(tǒng)的工作。在光耦的輸出端加上NMOS管，可實(shí)現(xiàn)輸出端控制較大功率的器件，其參考電路如圖3-16所示。2.光耦驅(qū)動(dòng)MOS管電路中與光耦配