輸出接口電路

電子電路、PIC和微控制器的輸出接口使它們能夠通過使物體移動或閃爍一些燈光來控制現實世界。

正如我們在之前的輸入接口教程中所看到的，接口電路允許一種類型的電路連接到另一種可能具有不同電壓或電流等級的電路。

除了可以連接輸入設備（如開關和傳感器）外，我們還可以連接輸出設備（如繼電器、電磁線圈和燈光）。將輸出設備連接到電子電路通常被稱為：輸出接口。

電子電路和微控制器的輸出接口使它們能夠通過使物體移動（例如，機器人的電機或手臂等）來控制現實世界。但輸出接口電路也可以用于開關設備，如指示燈或燈光。輸出接口電路可以具有數字輸出或模擬輸出信號。

直流電機輸出設備

直流電機是一種輸出設備。

數字邏輯輸出是最常見的輸出接口信號類型，也是最容易控制的。數字輸出接口使用繼電器將微控制器輸出端口或數字電路的信號轉換為開關接觸輸出，通過控制器軟件實現。

模擬輸出接口電路使用放大器產生變化的電壓或電流信號，用于速度或位置控制類型的輸出。脈沖輸出開關是另一種輸出控制類型，它通過改變輸出信號的占空比來實現燈光的調光或直流電機的速度控制。

雖然輸入接口電路設計用于接受來自不同類型傳感器的不同電壓水平，但輸出接口電路需要產生更大的電流驅動能力和/或電壓水平。輸出信號的電壓水平可以通過提供開集電極（或開漏極）輸出配置來增加。即晶體管的集電極端子（或MOSFET的漏極端子）通常連接到負載。

幾乎所有微控制器、PIC或數字邏輯電路的輸出級都可以吸收或提供有用的輸出電流，用于開關和控制各種輸出接口設備以控制現實世界。當我們談論吸收和提供電流時，輸出接口既可以“提供”（源）開關電流，也可以“吸收”（吸收）開關電流。這意味著根據負載如何連接到輸出接口，高電平或低電平輸出將激活它。

也許所有輸出接口設備中最簡單的是那些用于產生光的設備，無論是作為單個開關指示燈還是作為多段或條形圖顯示的一部分。但與可以直接連接到電路輸出的普通燈泡不同，LED作為二極管需要一個串聯電阻來限制其正向電流。

輸出接口電路
發光二極管，簡稱LED，作為許多電子電路的輸出設備是一個極好的低功耗選擇，因為它們可以替代高瓦數、高溫的燈絲燈泡作為狀態指示器。LED通常由低電壓、低電流電源驅動，這使得它們成為數字電路中非常有吸引力的組件。此外，作為固態器件，它們的使用壽命可以超過100,000小時，使其成為一個非常適合且無需維護的組件。

單個LED接口電路

單個LED接口電路

我們在發光二極管教程中看到，LED是一種單向半導體器件，當正向偏置時，即當其陰極（K）相對于陽極（A）足夠負時，可以產生各種顏色的輸出光和亮度。

根據用于構建LED的pn結的半導體材料，將決定發出的光的顏色及其開啟正向電壓。最常見的LED顏色是紅色、綠色、琥珀色或黃色光。

與傳統的信號二極管（硅的正向電壓降約為0.7伏，鍺的正向電壓降約為0.3伏）不同，發光二極管的正向電壓降比普通信號二極管更大。但當正向偏置時會產生可見光。

典型的LED在點亮時可能具有恒定的正向電壓降VLED，約為1.2至1.6伏，其發光強度與LED的正向電流成正比。但由于LED實際上是一個“二極管”（其箭頭符號類似于二極管，但在LED符號旁邊有小箭頭表示它發光），它需要一個限流電阻以防止在正向偏置時短路電源。

LED可以直接從大多數輸出接口端口驅動，因為標準LED可以在5mA至25mA的正向電流下工作。典型的彩色LED需要大約10mA的正向電流以提供合理明亮的顯示。因此，如果我們假設單個紅色LED在點亮時的正向電壓降為1.6伏，并且將由提供10mA的5伏微控制器的輸出端口操作。那么所需的限流串聯電阻RS的值計算如下：

led串聯電阻

然而，在E24（5%）系列的首選電阻值中，沒有340Ω電阻，因此選擇的最接近的首選值為330Ω或360Ω。實際上，根據電源電壓（VS）和所需的正向電流（IF），任何150Ω至750Ω之間的串聯電阻值都可以很好地工作。

還要注意，由于是串聯電路，電阻和LED的連接方式無關緊要。然而，由于是單向的，LED必須正確連接。如果LED連接錯誤，它不會損壞，只是不會點亮。

多LED接口電路

多LED接口電路

除了使用單個LED（或燈）作為輸出接口電路外，我們還可以將兩個或多個LED連接在一起，并從相同的輸出電壓供電，用于光電電路和顯示器。

將兩個或多個LED串聯連接與使用單個LED沒有什么不同，但這次我們需要考慮串聯組合中額外LED的正向電壓降VLED。

例如，在我們上面的簡單LED輸出接口示例中，我們說LED的正向電壓降為1.6伏。如果我們使用三個LED串聯，那么所有三個LED的總電壓降將為4.8（3 x 1.6）伏。然后我們的5伏電源勉強可以使用，但最好使用更高的6伏或9伏電源來為三個LED供電。

假設電源為9.0伏，電流為10mA（如前所述），所需的串聯限流電阻RS的值計算為：RS = (9 – 4.8)/10mA = 420Ω。同樣，在E24（5%）系列的首選電阻值中，沒有420Ω電阻，因此選擇的最接近的首選值為430Ω。

作為低電壓、低電流設備，LED非常適合作為狀態指示器，可以直接從微控制器和數字邏輯門或系統的輸出端口驅動。微控制器端口和TTL邏輯門具有吸收或提供電流的能力，因此可以通過將陰極接地（如果陽極連接到+5v）或通過適當的串聯電阻將+5v施加到陽極（如果陰極接地）來點亮LED。

數字輸出接口LED

輸出接口LED

上述輸出接口電路適用于一個或多個串聯LED，或任何其他電流要求小于25mA（最大LED正向電流）的設備。但如果輸出驅動電流不足以操作LED，或者我們希望操作或切換具有更高電壓或電流等級的負載（如12v燈絲燈），該怎么辦？答案是使用額外的開關設備，如晶體管、MOSFET或繼電器，如圖所示。

輸出接口高電流負載

輸出接口高電流

常見的輸出接口設備，如電機、電磁線圈和燈，需要大電流，因此最好通過晶體管開關裝置進行控制或驅動，如圖所示。這樣，負載（燈或電機）不會過載開關接口或控制器的輸出電路。

晶體管開關非常常見，對于切換高功率負載或不同電源的輸出接口非常有用。如果需要，它們還可以每秒多次切換“開”和“關”，如在脈寬調制PWM電路中。但在使用晶體管作為開關之前，我們需要考慮一些事情。

流入基極-發射極結的電流用于控制從集電極到發射極的較大電流。因此，如果沒有電流流入基極端子，那么就沒有電流從集電極流向發射極（或通過連接到集電極的負載），那么晶體管被稱為完全關閉（截止）。

將晶體管完全打開（飽和），晶體管開關有效地充當閉合開關，即其集電極電壓與發射極電壓相同。但作為固態器件，即使飽和時，晶體管的端子之間也總是會有小的電壓降，稱為VCE(SAT)。該電壓范圍約為0.1至0.5伏，具體取決于晶體管。

此外，由于晶體管將完全打開，負載電阻將限制晶體管的集電極電流IC到負載實際所需的電流（在我們的例子中，通過燈的電流）。然后過多的基極電流可能會過熱并損壞開關晶體管，這在一定程度上違背了使用晶體管的目的，即用較小的電流控制較大的負載電流。因此，需要一個電阻來限制基極電流IB。

使用單個開關晶體管控制負載的基本輸出接口電路如下所示。請注意，通常連接一個自由輪二極管，也稱為飛輪二極管或反電動勢抑制二極管，如1N4001或1N4148，以保護晶體管免受由感性負載（如繼電器、電機和電磁線圈等）在電流被晶體管關閉時產生的任何反電動勢電壓的影響。

基本晶體管開關電路

晶體管開關電路

假設我們希望使用TTL 5.0v數字邏輯門的輸出通過適當的輸出接口晶體管開關電路控制連接到12伏電源的5瓦燈絲燈的操作。如果晶體管的直流電流增益（集電極（輸出）和基極（輸入）電流之間的比率），β為100（您可以從您使用的晶體管的數據表中找到此Beta或hFE值），并且其VCE飽和電壓在完全打開時為0.3伏，那么所需的基極電阻RB的值是多少。

晶體管的集電極電流IC將與通過燈絲燈的電流相同。如果燈的額定功率為5瓦，則完全打開時的電流為：

燈絲燈電流

由于IC等于燈（負載）電流，晶體管的基極電流將與晶體管的電流增益相關，即IB = IC/β。電流增益先前給出為：β = 100，因此最小基極電流IB(MIN)計算為：

晶體管基極電流

找到所需的基極電流值后，我們現在需要計算基極電阻RB(MAX)的最大值。給定的信息指出，晶體管的基極將由數字邏輯門的5.0v輸出電壓（Vo）控制。如果基極-發射極正向偏置電壓為0.7伏，則RB的值計算為：

晶體管基極電阻

然后當邏輯門的輸出信號為低電平（0v）時，沒有基極電流流動，晶體管完全關閉，即沒有電流流過1kΩ電阻。當邏輯門的輸出信號為高電平（+5v）時，基極電流為4.27mA并打開晶體管，將11.7V施加到燈絲燈上。基極電阻RB在傳導4.27mA時將耗散小于18mW，因此1/4W電阻將工作。

請注意，在輸出接口電路中使用晶體管作為開關時，一個好的經驗法則是選擇基極電阻RB值，使基極驅動電流IB約為所需負載電流IC的5%甚至10%，以幫助將晶體管驅動到其飽和區域，從而最小化VCE和功率損耗。

此外，為了更快地計算電阻值并減少一些數學計算，您可以在計算中忽略集電極-發射極結的0.1至0.5伏電壓降和基極-發射極結的0.7伏電壓降。最終的近似值將足夠接近實際計算值。

單功率晶體管開關電路對于控制低功率設備（如燈絲燈）或用于切換繼電器（可用于切換更高功率設備，例如電機和電磁線圈）非常有用。

但繼電器是大型、笨重的機電設備，當用于輸出接口8端口微控制器時，可能會很昂貴或在電路板上占用大量空間。

克服這一點并直接從微控制器、PIC或數字電路的輸出引腳切換大電流設備的一種方法是使用由兩個晶體管組成的達林頓對配置。

功率晶體管用作輸出接口設備時的主要缺點之一是它們的電流增益（β），特別是在切換高電流時，可能太低。低至10。為了克服這個問題并減少所需的基極電流值，可以使用兩個晶體管組成達林頓配置。

達林頓晶體管配置

達林頓晶體管配置

達林頓晶體管配置可以由兩個NPN或兩個PNP晶體管連接在一起組成，或者作為現成的達林頓設備，如2N6045或TIP100，它們在單個TO-220封裝中集成了兩個晶體管和一些電阻，以幫助快速關閉，用于開關應用。

在這種達林頓配置中，晶體管TR1是控制晶體管，用于控制功率開關晶體管TR2的導通。施加到晶體管TR1基極的輸入信號控制晶體管TR2的基極電流。達林頓配置，無論是單個晶體管還是單個封裝，都具有相同的三個引線：發射極（E）、基極（B）和集電極（C）。

達林頓晶體管配置可以具有數百到數千的直流電流增益（即集電極（輸出）和基極（輸入）電流之間的比率），具體取決于所使用的晶體管。然后，我們可以僅用幾微安（uA）的基極電流控制我們上面的燈絲燈示例，因為第一個晶體管的集電極電流β1IB1成為第二個晶體管的基極電流。

然后TR2的電流增益將為β1β2IB1，因為兩個增益相乘為βT = β1×β2。換句話說，一對雙極晶體管組合在一起形成一個達林頓晶體管對，它們的電流增益將相乘。

因此，通過選擇合適的雙極晶體管并正確偏置，雙發射極跟隨器達林頓配置可以被視為具有非常高β值和高輸入阻抗（數千歐姆）的單個晶體管。

幸運的是，有人已經將幾個達林頓晶體管配置放入單個16引腳IC封裝中，使我們能夠輕松地輸出接口各種設備。

ULN2003A 達林頓晶體管陣列 

ULN2003A 是一種低成本、高效率且低功耗的單極達林頓晶體管陣列，非常適合作為輸出接口電路，用于直接驅動各種負載，包括電磁線圈、繼電器、直流電機、LED 顯示器或燈絲燈等。它可以直接連接微控制器、PIC 或數字電路的端口。

達林頓陣列系列包括 ULN2002A、ULN2003A 和 ULN2004A，它們都是高電壓、高電流的達林頓陣列，每個 IC 封裝內包含七個開集電極達林頓對。ULN2803 達林頓驅動器也可用，它包含八個達林頓對，而不是七個。

陣列的每個獨立通道額定電流為 500mA，可承受高達 600mA 的峰值電流，非常適合控制小型電機、燈具或高功率晶體管的柵極和基極。陣列還包含額外的抑制二極管，用于驅動感性負載，并且輸入引腳與輸出引腳相對排列，以簡化連接和電路板布局。

ULN2003 達林頓晶體管陣列 

ULN2003A 達林頓驅動器具有極高的輸入阻抗和電流增益，可以直接由 TTL 或 +5V CMOS 邏輯門驅動。對于 +15V CMOS 邏輯，可以使用 ULN2004A；對于高達 100V 的更高開關電壓，最好使用 SN75468 達林頓陣列。

如果需要更高的開關電流能力，可以將達林頓對的輸入和輸出并聯以實現更高的電流能力。例如，將輸入引腳 1 和 2 連接在一起，輸出引腳 16 和 15 連接在一起以切換負載。

功率 MOSFET 接口電路 

除了使用單個晶體管或達林頓對外，功率 MOSFET 也可用于切換中等功率設備。與雙極結型晶體管（BJT）不同，BJT 需要基極電流來驅動晶體管進入飽和狀態，而 MOSFET 開關幾乎不需要電流，因為柵極端子與主電流通道是隔離的。

基本 MOSFET 開關電路 

N 溝道增強型（常關型）功率 MOSFET（eMOSFET）具有正閾值電壓和極高的輸入阻抗，使其成為直接連接微控制器、PIC 和數字邏輯電路的理想器件，這些電路能夠產生正輸出，如圖所示。

MOSFET 開關由柵極輸入信號控制，由于 MOSFET 的輸入（柵極）電阻極高，我們可以幾乎無限制地將多個功率 MOSFET 并聯，直到滿足連接負載的功率處理能力。

在 N 溝道增強型 MOSFET 中，當器件截止（Vgs = 0）時，通道關閉，類似于常開開關。當柵極施加正偏置電壓時，電流流過通道。電流的大小取決于柵極偏置電壓 Vgs。換句話說，要使 MOSFET 在其飽和區工作，柵極-源極電壓必須足以維持所需的漏極電流，從而維持負載電流。

如前所述，N 溝道 eMOSFET 由施加在柵極和源極之間的電壓驅動，因此在 MOSFET 的柵極-源極結之間添加一個齊納二極管（如圖所示），可以保護晶體管免受過高的正或負輸入電壓（例如，由飽和運算放大器比較器輸出產生的電壓）的影響。齊納二極管鉗位正柵極電壓，并充當常規二極管，當柵極電壓達到 -0.7V 時開始導通，使柵極端子遠離其反向擊穿電壓極限。

MOSFET 和開集電極門電路 

當使用具有開集電極輸出的門電路和驅動器時，從 TTL 輸出接口功率 MOSFET 會帶來一個問題，因為邏輯門可能無法始終提供所需的 VGS 輸出。解決此問題的一種方法是使用上拉電阻，如圖所示。

上拉電阻連接在 TTL 電源軌和邏輯門輸出之間，邏輯門輸出連接到 MOSFET 的柵極端子。當 TTL 邏輯門輸出為邏輯電平“0”（低電平）時，MOSFET 關閉；當邏輯門輸出為邏輯電平“1”（高電平）時，電阻將柵極電壓拉至 +5V 電源軌。

通過這種上拉電阻配置，我們可以通過將柵極電壓連接到上電源軌來完全打開 MOSFET。

電機輸出接口 

我們已經看到，可以使用雙極結型晶體管或 MOSFET 作為輸出接口電路的一部分來控制各種設備。直流電機是一種常見的輸出設備，它產生旋轉運動。電機和步進電機可以通過單個晶體管、達林頓晶體管或 MOSFET 以數百種方式連接到微控制器、PIC 和數字電路。

問題是電機是機電設備，使用磁場、電刷和線圈來產生旋轉運動，因此電機（尤其是廉價玩具或電腦風扇電機）會產生大量“電氣噪聲”和“電壓尖峰”，這些可能會損壞開關晶體管。

通過在電機端子之間連接一個自由輪二極管或非極化抑制電容，可以減少電機產生的電氣噪聲和過電壓。但防止電氣噪聲和反向電壓影響半導體晶體管開關或微控制器輸出端口的一種簡單方法是通過合適的繼電器為控制和電機使用單獨的電源。

下圖顯示了將機電繼電器輸出接口到直流電機的典型連接圖。

直流電機開關控制 

NPN 晶體管用作開關，為繼電器線圈提供所需電流。與上述相同，自由輪二極管是必需的，因為當線圈斷電時，流過感性線圈的電流不能瞬間降為零。當基極輸入設置為高電平時，晶體管打開，電流流過繼電器線圈，其觸點閉合，驅動電機。

當基極輸入為低電平時，晶體管關閉，電機停止，因為繼電器觸點現在斷開。斷電線圈產生的任何反電動勢通過自由輪二極管流動并緩慢衰減至零，從而防止晶體管損壞。此外，晶體管（或 MOSFET）是隔離的，不受電機運行產生的任何噪聲或電壓尖峰的影響。

我們已經看到，可以通過電機和電源之間的一對繼電器觸點來打開和關閉直流電機。但如果我們希望電機在機器人或其他形式的電機項目中雙向旋轉，則可以使用兩個繼電器來控制電機，如圖所示。

可逆直流電機控制 

通過簡單地改變電源連接的極性，可以反轉直流電機的旋轉方向。通過使用兩個晶體管開關，電機的旋轉方向可以通過兩個繼電器控制，每個繼電器具有單刀雙擲（SPDT）觸點，由單個電壓電源供電。通過一次操作其中一個晶體管開關，可以使電機朝任一方向（正轉或反轉）旋轉。

雖然通過繼電器的電機輸出接口允許我們啟動和停止電機或控制旋轉方向，但使用繼電器會阻止我們控制旋轉速度，因為繼電器的觸點會不斷打開和關閉。

然而，直流電機的旋轉速度與其電源電壓值成正比。直流電機的速度可以通過調整其直流電源電壓的平均值或使用脈寬調制來控制。即通過將其電源電壓的占空比從低至 5% 調整到超過 95%，許多電機 H 橋控制器正是這樣做的。

交流負載輸出接口 

我們之前已經看到，繼電器可以將一個電路與另一個電路電氣隔離，即它們允許一個較小功率的電路控制另一個可能較大功率的電路。繼電器同時還可以保護較小電路免受電氣噪聲、過電壓尖峰和瞬態的影響，這些可能會損壞精密的半導體開關設備。

但繼電器還允許具有不同電壓和接地電路的輸出接口，例如 5 伏微控制器或 PIC 與市電電壓電源之間的接口。除了使用晶體管（或 MOSFET）開關和繼電器來控制交流電機、100W 燈或加熱器等市電設備外，我們還可以使用光耦和功率電子設備來控制它們。

光耦的主要優勢在于它在輸入和輸出端子之間提供了高度的電氣隔離，因為它是光耦合的，因此需要最小的輸入電流（通常僅為 5mA）和電壓。這意味著光耦可以輕松地從微控制器端口或數字電路接口，只要其輸出具有足夠的 LED 驅動能力。

光耦的基本設計包括一個產生紅外光的 LED 和一個用于檢測發射紅外光束的半導體光敏器件。LED 和光敏器件（可以是單個光晶體管、光達林頓或光三端雙向可控硅）都封裝在一個不透光的殼體或封裝中，并帶有金屬引腳用于電氣連接，如圖所示。

不同類型的光耦 

由于輸入是 LED，因此可以按照上述方法計算所需的限流串聯電阻 RS 的值。兩個或多個光耦的 LED 也可以串聯連接，以同時控制多個輸出設備。

光耦三端雙向可控硅允許控制交流供電設備和市電燈。光耦三端雙向可控硅（如 MOC 3020）的額定電壓約為 400 伏，非常適合直接連接市電，最大電流約為 100mA。對于更高功率的負載，光耦三端雙向可控硅可以通過限流電阻為另一個更大的三端雙向可控硅提供柵極脈沖，如圖所示。

固態繼電器 

這種光耦配置構成了一個非常簡單的固態繼電器應用的基礎，它可以直接從微控制器、PIC 或數字電路的輸出接口控制任何交流市電負載，如燈和電機。

輸出接口總結 

使用微控制器、PIC、數字電路和其他基于微處理器的固態軟件控制系統需要能夠連接到現實世界，以控制電機或開關 LED 指示燈和燈。在本電子教程中，我們已經看到可以使用不同類型的輸出接口電路來實現這一目的。

最簡單的接口電路是發光二極管（LED）作為簡單的開關指示燈。但通過使用標準晶體管或 MOSFET 接口電路作為固態開關，即使控制器的輸出引腳只能提供（或吸收）非常小的電流，我們也可以控制更大的電流。通常，對于許多控制器，其輸出接口電路可能是電流吸收輸出，其中負載通常連接在電源電壓和開關設備的輸出端子之間。

例如，如果我們希望在項目或機器人應用中控制多個不同的輸出設備，則使用 ULN2003 達林頓驅動器 IC 可能更方便，它在一個封裝中包含多個晶體管開關。或者，如果我們希望控制交流執行器，我們可以輸出接口繼電器或光耦（光隔離器）。

因此，我們可以看到，輸入和輸出接口電路為電子設計師或學生提供了靈活性，使他們能夠使用基于小信號或微處理器的軟件系統通過其輸入/輸出端口控制和與現實世界通信，無論是小型學校項目還是大型工業應用。