輸出電子電路，PIC和微控制器的接口允許它們通過移動或閃爍幾個燈來控制現實世界

正如我們在之前的輸入接口教程中看到的那樣，接口電路允許一種類型的電路連接到另一種類型的電路，該電路可能具有不同的電壓或電流額定值。

但是，除了連接輸入設備（如開關和傳感器），我們還可以連接輸出設備，如繼電器，磁電磁閥和燈。然后將輸出設備連接到電子電路通常稱為：輸出接口。

電子電路和微控制器的輸出接口允許它們控制現實世界通過使物體移動，例如機器人的電動機或機械臂等。但輸出接口電路也可用于開啟或關閉物體，例如指示器或燈。然后輸出接口電路可以有一個數字輸出或一個模擬輸出信號。

直流電機是一個輸出設備

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。數字輸出接口使用控制器軟件使用繼電器將來自微控制器輸出端口或數字電路的信號轉換為ON / OFF觸點輸出。

模擬輸出接口電路使用放大器產生變化的電壓或電流速度信號或位置控制類型輸出。脈沖輸出切換是另一種輸出控制，可改變輸出信號的占空比，用于直流電機的燈調光或速度控制。

輸入接口電路設計用于接受不同類型的不同電壓電平傳感器，輸出接口電路需要產生更大的電流驅動能力和/或電壓電平。通過提供集電極開路（或開漏）輸出配置，可以增加輸出信號的電壓電平。也就是說，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下沉或提供有用的輸出電流量，用于切換和控制大范圍的輸出接口設備以控制現實世界。當我們談論下沉和輸出電流時，輸出接口既可以“給出”（源）開關電流，也可以“吸收”（吸收）開關電流。這意味著根據負載連接到輸出接口的方式，HIGH或LOW輸出將激活它。

也許最簡單的所有輸出接口設備都是用于產生光的單個ON / OFF指示或作為多段或條形圖顯示的一部分。但與可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

發光二極管或簡稱LED是一種極好的低功率選擇，可作為許多電子電路的輸出設備，因為它們可用于取代高瓦數，高溫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，使其成為用于數字電路的非常有吸引力的元件。此外，作為一種固態器件，它們的使用壽命可超過100,000小時，使其成為一個非常適合和忘記的元件。

單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）相對于其陰極（K）足夠負時陽極（A），可以產生一系列彩色輸出光和亮度。

根據用于構建LED的pn結的半導體材料，將確定發出的光的顏色，并輪流 - 正向電壓。最常見的LED顏色是紅色，綠色，琥珀色或黃色。

與硅的正向壓降約為0.7伏或鍺約為0.3伏的傳統信號二極管不同，發光二極管的正向壓降比普通信號二極管大。但是當正向偏置產生可見光時。

典型的LED在發光時可以有一個恒定的正向壓降，V LED 約為1.2到1.6伏，其發光強度直接變化正向LED電流。但由于LED實際上是一個“二極管”（它的箭頭像符號類似二極管，但LED符號旁邊的箭頭很小，表示它發光），它需要一個限流電阻，以防止它在短路時供電正向偏置。

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和25mA之間的正向電流下工作。典型的彩色LED需要大約10mA的正向電流以提供相當明亮的顯示。因此，如果我們假設單個紅色LED在1.6伏照明時具有正向電壓降，則將由提供10mA的5伏微控制器的輸出端口操作。然后，所需的限流串聯電阻 R S 的值計算如下：

但是，在E24（5％）系列首選電阻值中，沒有340Ω電阻，因此選擇的最接近的首選值為330Ω或360Ω。實際上，取決于電源電壓（ V S ）和所需的正向電流（ I F ），任何150Ω和750Ω之間的串聯電阻值可以很好地工作。

另外請注意，作為串聯電路，電阻和LED的連接方式無關緊要。但是，單向LED必須以正確的方式連接。如果以錯誤的方式連接LED，它將不會被損壞，它不會點亮。

多LED接口電路

除了將單個LED（或燈）用于輸出接口電路外，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為其供電，以用于光電子電路和顯示器。

將兩個或多個LED串聯連接并沒有像我們上面看到的那樣使用單個LED，但這次我們需要考慮附加LED的額外正向壓降，V LED 在串聯組合中。

例如，在我們上面的簡單LED輸出接口示例中，我們說LED的正向壓降為1.6伏。如果我們使用三個串聯的LED，則所有三個LED的總電壓降將為4.8（3 x 1.6）伏。然后我們可以使用5伏電源，但最好使用更高的6伏或9伏電源代替為三個LED供電。

假設在10mA時供應9.0伏電壓（如前所述） ），所需的串聯限流電阻值 R S 計算如下： R S =（9-4.8） /10毫安=420Ω 。同樣在E24（5％）系列的首選電阻值中，沒有420Ω電阻，因此所選的最接近的優選值為430Ω。

作為低電壓，低電流器件，LED是理想的狀態指示器它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邏輯門能夠吸收或提供電流，因此可以通過將陰極接地（如果陽極連接到+ 5v）或通過向陽極施加+ 5v（如果陰極）來點亮LED通過適當的串聯電阻接地，如圖所示。

數字輸出接口LED

上述輸出接口電路適用于一個或多個串聯LED，或適用于電流要求小于25 mA（最大LED正向電流）的任何其他設備。但是，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額定值的負載（例如12v白熾燈），會發生什么。答案是使用額外的開關器件，如晶體管，mosfet或繼電器，如圖所示。

輸出接口高電流負載

通用輸出接口設備，如電機，螺線管和燈需要大電流，以便最好地控制它們或如圖所示由晶體管開關裝置驅動。這樣，負載（燈或電機）不會使開關接口或控制器的輸出電路過載。

晶體管開關非常常見，非常適用于切換高功率負載或輸出接口的不同電源。如果需要，它們也可以每秒幾次“開”和“關”，如脈沖寬度調制，PWM電路。但是我們首先需要考慮使用晶體管作為開關。

流入基極 - 發射極結的電流用于控制從集電極流向發射極的較大電流。因此，如果沒有電流流入基極端子，則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），則稱晶體管完全關斷（截止）。

將晶體管完全導通（飽和），晶體管開關有效地作為閉合開關，即其集電極電壓與其發射極電壓處于相同的電壓。但作為固態器件，即使在飽和時，晶體管端子上也總是會有一個很小的電壓降，稱為 V CE（SAT） 。該電壓的范圍約為0.1至0.5伏，具體取決于晶體管。

此外，由于晶體管將完全導通，負載電阻將限制晶體管集電極電流 I C 到負載所需的實際電流（在我們的例子中，是通過燈的電流）。然后過多的基極電流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，該晶體管用較小的負載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， I B 。

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，通常連接續流二極管（也稱為續流二極管）或反電動勢抑制二極管（如1N4001或1N4148），以保護晶體管免受電感負載（如繼電器，電機和電感）產生的任何反電動勢電壓的影響。當電流被晶體管關閉時，電磁閥等。

基本晶體管開關電路

假設我們希望通過合適的輸出接口晶體管開關電路，使用TTL 5.0v數字邏輯門的輸出來控制連接到12伏電源的5瓦白熾燈的操作。如果直流電流增益（集電極（輸出）和基極（輸入）電流之間的比率），晶體管的β（β）為100（您可以從數據表中找到此Beta或h FE 值您使用的晶體管）和完全導通時的V CE 飽和電壓是0.3伏，基極電阻的值是什么， R B 需要限制集電極電流。

晶體管集電極電流 I C 與通過燈絲的電流值相同燈。如果燈的額定功率為5瓦，則完全開啟時的電流將為：

當 I C 等于燈（負載）電流時，晶體管基極電流將相對于晶體管的電流增益 I B = I C /β 。先前的電流增益為：β= 100 ，因此最小基波電流 I B（MIN） 計算如下：

找到所需的基極電流值后，我們現在需要計算基極電阻的最大值， - [R <子> B（MAX） 。給出的信息表明，晶體管的基極應由數字邏輯門的5.0v輸出電壓（ Vo ）控制。如果基極 - 發射極正向偏壓為0.7伏，則 R B 的值計算如下：

然后當來自邏輯門的輸出信號為低電平（0v）時，沒有基極電流流過且晶體管完全 - 關閉，沒有電流流過1kΩ電阻。當來自邏輯門的輸出信號為高電平（+ 5v）時，基極電流為4.27mA，導通晶體管燈上的晶體管為11.7V。當導通4.27mA時，基極電阻 R B 的功耗小于18mW，因此1 / 4W電阻可以工作。

注意使用晶體管時作為輸出接口電路中的開關，一個好的經驗法則是選擇一個基極電阻， R B 值，以便基極驅動電流 I B 約為所需負載電流的5％甚至10％， I C 有助于將晶體管很好地驅動到飽和區從而最小化 V CE 和功率損耗。

另外，為了更快地計算電阻值并減少數學，你可以忽略如果您想進行計算，則集電極發射極結上的壓降為0.1至0.5，基極發射極結上的壓降為0.7伏。無論如何，得到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器件非常有用，例如白熾燈或可用于切換的開關繼電器更高功率的設備，例如電機和螺線管。

但是繼電器是大而笨重的機電設備，當用于輸出接口時，它可能很昂貴或在電路板上占用大量空間。例如，端口微控制器。

直接從微控制器，PIC或數字電路的輸出引腳切換大電流器件的一種方法是使用形成的達林頓對配置用作輸出接口器件的功率晶體管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，也可以低。為了克服這個問題并減少所需的基極電流值，就是使用達林頓配置的兩個晶體管。

達林頓晶體管配置

達林頓晶體管配置可以由兩個連接在一起的NPN或兩個PNP晶體管組成，也可以作為現成的達林頓器件，如2N6045或TIP100，它集成了晶體管和一些電阻，以協助快速關斷，在單個TO-220封裝內用于開關應用。

在此達林頓配置中，晶體管， TR 1 是控制晶體管用于控制功率開關晶體管 TR 2 的導通。施加到晶體管 TR 1 的基極的輸入信號控制晶體管的基極電流 TR 2 。達林頓排列，無論是單個晶體管還是單個封裝都具有相同的三個引腳：發射極（ E ），基極（ B ）和集電極（ C β 1 I B1 <第一個晶體管的/ sub> 成為第二個晶體管的基極電流。

然后 TR 2 的電流增益將是β 1 β 2 I B1 因為兩個增益乘以β T =β<子> 1 ×β<子> 2 。換句話說，組合在一起形成單個達林頓晶體管對的一對雙極晶體管將使它們的電流增益成倍增加。

因此，通過選擇合適的雙極晶體管并使用正確的偏置，雙射極跟隨器達林頓配置可以認為是具有非常高的β值的單個晶體管，因此輸入阻抗高達數千歐姆。

幸運的是，有人已經將幾個達林頓晶體管配置放入一個16引腳IC封裝中，使我們可以輕松輸出各種器件的接口。

ULN2003A達林頓晶體管陣列

ULN2003A是一款低成本的單極達林頓晶體管陣列，具有高效率和低功耗特性，使其成為極其有用的輸出接口電路，可驅動各種負載，包括螺線管，繼電器直流電機和LED顯示器或燈絲燈直接來自達林頓陣列由ULN2002A，ULN2003A和ULN2004A組成在一個IC封裝內。 ULN2803達林頓驅動器也可提供8個達林頓對，而不是7個。

陣列的每個隔離通道額定電流為500mA，可承受高達600mA的峰值電流，非常適合控制小型電機或燈或高功率晶體管的柵極和基極。附加抑制二極管用于感性負載驅動，輸入固定在輸出端對面，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，可以直接從TTL或+ 5V CMOS邏輯門驅動。對于+ 15V CMOS邏輯，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。

如果需要更多的開關電流能力，那么達林頓對輸入和輸出都可以并聯在一起以獲得更高的電流能力。例如，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

以及使用單個晶體管或達林頓對，功率MOSFET也可用于切換中功率器件。與雙極結型晶體管不同，BJT需要基極電流來驅動晶體管進入飽和狀態，MOSFET開關幾乎不需要電流，因為柵極端子與主載流通道隔離。

基本MOSFET開關電路

N溝道，增強型（常關）功率MOSFET（eMOSFET），具有正閾值電壓和極高的輸入阻抗，使其成為與微控制器，PIC和數字邏輯電路直接接口的理想器件，能夠產生如圖所示的正輸出。

MOSFET開關由柵極輸入信號控制，因為MOSFET具有極高的輸入（柵極）電阻，我們可以將幾個功率MOSFET并聯，幾乎沒有限制，直到我們實現連接負載的功率處理能力。

在N溝道增強型MOSFET中，器件被截止（Vgs = 0），通道關閉，就像常開一樣開關。當向柵極施加正偏壓時，電流流過溝道。電流量取決于柵極偏置電壓， Vgs 。換句話說，要在飽和區域內工作MOSFET，柵極 - 源極電壓必須足以維持所需的漏極，從而保持負載電流。

如前所述，n溝道eMOSFETS是由柵極和源極之間施加的電壓驅動，因此如圖所示在MOSFET柵極 - 源極結上增加一個齊納二極管，用于保護晶體管免受過多的正或負輸入電壓，例如由飽和運算產生的電壓。 -amp比較器輸出。齊納二極管鉗位正柵極電壓，作為常規二極管，開始導通柵極電壓達到-0.7V，保持柵極端子遠離其反向擊穿電壓限制。

MOSFET和開路集電極門

當我們使用具有集電極開路輸出的柵極和驅動器時，輸出與TTL連接功率MOSFET會產生問題，因為邏輯門可能并不總是給我們所需的 V GS 輸出。解決此問題的一種方法是使用如圖所示的上拉電阻。

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柵極端子。當TTL邏輯門輸出處于邏輯電平“0”（低電平）時，MOSFET處于“關閉”狀態，當邏輯門輸出處于邏輯電平“1”（高電平）時，電阻將柵極電壓拉至+ 5v軌道。

通過這種上拉電阻布置，我們可以通過將柵極電壓連接到上部電源軌來完全切換MOSFET“ON”，如圖所示。

輸出接口電機

我們已經看到，我們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整個器件系列。一種常見的輸出裝置是DC電動機，其產生旋轉運動。使用單個晶體管，達林頓晶體管或MOSFET，可以通過數百種方式將電機和步進電機連接到微控制器，PIC和數字電路。

問題是電機是使用磁場的機電設備，刷子和線圈產生旋轉運動，因此，電機，特別是廉價的玩具或電腦風扇電機會產生大量的“電噪聲”和“電壓尖峰”，這會損壞開關晶體管。

通過在電機端子上連接續流二極管或非極化抑制電容，可以降低電機產生的電噪聲和過電壓。但是，防止電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。

典型的將機電繼電器連接到直流電機的輸出連接圖如下所示。

開/關直流電機控制

NPN晶體管用作tn ON-OFF開關，為繼電器線圈提供所需的電流。需要續流二極管，與上述相同，因為當斷電時流過感應線圈的電流不能立即減小到零。當基極輸入設置為高電平時，晶體管切換為“ON”。電流流過繼電器線圈，其觸點閉合驅動電機。

當晶體管基極輸入為低電平時，晶體管切換為“OFF”，電機在繼電器觸點打開時停止。通過去激活線圈產生的任何反電動勢流過續流二極管并緩慢衰減到零以防止損壞晶體管。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。

我們已經看到使用一對可以打開和關閉直流電機電機與其電源之間的繼電器觸點。但是，如果我們希望電機在兩個方向上旋轉以用于機器人或其他形式的機動項目，該怎么辦？然后可以使用兩個繼電器控制電機，如圖所示。

可逆直流電機控制

只需更改電源連接的極性即可反轉直流電機的旋轉方向。通過使用兩個晶體管開關，可以通過兩個繼電器控制電機的旋轉方向，每個繼電器都有一個單極雙擲（SPDT）觸點，由單電源供電。通過一次操作一個晶體管開關，可以使電機沿任一方向（正向或反向）旋轉。

雖然電機通過繼電器輸出接口允許我們啟動和停止它們，或控制旋轉方向。繼電器的使用阻止我們控制轉速，因為繼電器觸點會不斷地打開和關閉。

然而，DC電動機的轉速與其電源電壓的值成比例。可以通過調節其直流電源電壓的平均值或通過使用脈沖寬度調制來控制直流電機的速度。這是通過將其供電電壓的標記空間比從5％變化到95％以上，并且許多電機H橋控制器就是這樣做。

輸出接口主電源連接負載

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隔離，即它們允許一個較小的供電電路來控制另一個可能更大的供電電路。繼電器同時為較小的電路提供保護，使其免受電噪聲，過壓尖峰和可能損壞精密半導體開關器件的瞬變的影響。

但繼電器還允許不同電壓的電路輸出接口和諸如5伏微控制器或PIC與電源電壓之間的接地。但是，除了使用晶體管（或MOSFET）開關和繼電器來控制電源供電設備（如交流電機，100W燈或加熱器），我們還可以使用光隔離器和電力電子設備來控制它們。

光隔離器的主要優點是它在輸入和輸出端子之間提供高度的電隔離，因為它是光耦合的，因此需要最小的輸入電流（通常只有5mA）和電壓。這意味著光隔離器可以很容易地從微控制器端口或數字電路接口，在其輸出上提供足夠的LED驅動能力。

光隔離器的基本設計包括一個產生紅外線的LED紅光和半導體光敏器件，用于檢測發射的紅外光束。 LED和光敏器件都可以是單個光電晶體管，照片達林頓或光電三端雙向可控硅封裝在一個不透光的主體或封裝中，帶有金屬支腳，用于電氣連接，如圖所示。

不同類型的光隔離器

>

由于輸入是LED，串聯電阻的值限制LED電流所需的 R S 可以與上述相同來計算。兩個或多個光隔離器的LED也可以串聯連接在一起，以同時控制多個輸出設備。

光電三端雙向可控硅隔離器可以控制交流供電設備和電源燈。光耦合三端雙向可控硅開關（如MOC 3020）的額定電壓約為400伏特，非常適合直接電源連接和最大約100mA的電流。對于更高功率的負載，光電三端雙向可控硅可用于通過限流電阻向另一個較大的三端雙向可控硅開關提供柵極脈沖，如圖所示。

固態繼電器

這種類型的光耦合器配置構成了一個非常簡單的固態繼電器應用的基礎，可用于控制任何交流電源供電的負載，如燈和電機直接來自微控制器，PIC或數字電路的輸出接口。

輸出接口摘要

使用微控制器，PIC，數字電路和微控制器的固態軟件控制系統其他這樣的基于微處理器的系統，需要能夠連接到現實世界來控制電機或開關LED指示燈和燈，在這個電子教程中我們已經看到不同類型的輸出接口電路可以用于此目的。

到目前為止，最簡單的接口電路是發光二極管或LED作為一個簡單的ON / OFF指標。但是，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，它們的輸出接口電路可以是電流吸收輸出，其中負載通常連接在電源電壓和開關設備的輸出端之間。

例如，如果我們希望控制在項目或機器人應用中的許多不同的輸出設備，然后在單個封裝內使用由多個晶體管開關組成的ULN2003達林頓驅動器IC會更方便。或者我們希望控制AC執行器，我們可以輸出接口繼電器或光隔離器（光耦合器）。

然后我們可以看到，輸入和輸出接口電路使電子設計師或學生能夠靈活地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或大型工業應用。