《功率接口技术》PPT课件.ppt

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,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。,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。,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。,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10K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。,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，300电阻为限流电阻。,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 A,#0FFH;累加器置全lMOV 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0MOV 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,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。,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。,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。,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。,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。,11.1.2 光电耦合接口,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。,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。,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。,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,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。,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。,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。,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。,11.1.3 继电器接口,常用继电器的一些电气参数见表11.3,11.1.3 继电器接口,图11.10是带光电隔离的继电器接口电路的应用。,如图11.10所示，当CPU使P1.0=1时，光电隔离器的二极管无电流流过，光电三极管不导通，三极管9013基极电压=0，继电器无电流流过，不使产生动作。,11.1.3 继电器接口,当CPU使P1.0=0变化到P1.0=1时，光电三极管导通，通过R2、R3分压后，三极管9013基极得到一个电压，使工作状态从截止到饱和，使继电器线圈得电，驱动继电器的触点动作。二极管D用于保护三极管9013。也可以使P1.0直接驱动三极管去带动继电器,如图11.11所示。,11.1.3 继电器接口,图11.12是单片机控制一个220V交流电动机的电路。前面部分与图11.11相同，单片机通过I/O口输出一个高电平使三极管导通饱和，继电器得电，常开开关吸合，交流电动机加载220V电压开始转动，因此可以用单片机通过继电器接口直接控制大功率的交流电设备。增加继电器的常开触点，还可以控制三相交流电设备。,11.2.电压调节接口,在许多控制应用系统中，要求单片机用低电压，小电流通过电压调节接口，产生高电压，大电流信号去驱动强电设备。接口电路除了继电器接口外，还有可控硅接口。可控硅简称SCR，是一种大功率半导体器件，分为单向可控硅和双向可控硅，由于可以用较小的电流电压控制大电流高电压，无机械触点的优点，在工业控制中可控硅得到了广泛的应用，在许多场合还替代了继电器。可控硅工作原理,11.2.电压调节接口,单向可控硅（SCR）单向可控硅是实质上由一个PNP品体管和一个NPN品体管互联的三端器件。它的内部结构和外部引脚如图11.13所示：,11.2.电压调节接口,如图11.13a所示，控制极G开路时，在A、K极加正向电压，即A为正，K为负，由于T1不导通，无电流流过。当控制极G相对于阴极K加一正向电压，有电流Ig流入，会造成IgIc2Ib1Ic1Ib2Ic2，造成正反馈，使T1，T2饱和导通。可控硅一旦导通后，不论控制极G的信号有无，仍然保持导通，只有当阴极A的电流减少到维持电流以下时，才会关断。若单向可控硅应用在交流电路中，那么在正半周导通后，进入负半周会自动关断，而且进入正半周必须再施加控制信号才导通。单向可控硅常见应用于直流电流的场合，用于触点电子开关用。在使用单向可控硅时，必须熟悉有关参数，才能正确应用，常用参数有：额定电压V0：指断态重复的峰值电压VDRm和反向重复的峰值电压VRRm中小的一个数值，要求额定工作电压应为正常工作电压的2至3倍，以防瞬时过电压的破坏。额定通态电流IT：在规定的工作环境温度和标准散热的条件下，在单相工频正弦半波电路中，导通角不小于170，电阻性负载下，允许通过的最大通态电流应选用额定通态电流,一般为正常工作电流的1.5-2倍为好。维持电流IM：在规定的条件下，控制极信号已失去情况下，可控硅已能够导通，然后缓慢减少正向电流至维持通态所需最小电流。控制极的触发电压VGT、电流IGT：在规定条件下，当阳极，阴极之间加6V或12V的直流正向电压情况下，使可控硅完全导通所需最小电压和电流，一般VGT为1-5V，IGT为几个或几百mA。,11.2.电压调节接口,2双向可控硅（TRIAC）2个反向并联的单向可控硅构成了一个双向可控硅，双向可控硅主要用于控制系统功率设备，它的内部结构和外部引脚符号见图11.14。如图所示，双向可控硅是将具有公共极的一对反向并联的普通单向可控硅在一快硅单只片上构成，一共有三端五层，具有双向导通功能。当控制极G无信号时，T1，T2之间为高阻态，呈关断状态，当T1，T2之间有一电压存在，且控制极G有电压，就可以使T1，T2导通。,11.2.电压调节接口,双向可控硅的参数与单向可控硅相似，表11.4列出了部分单向，双向可控硅的使用参数。,11.2.电压调节接口,图11.15为单、双可控硅的引脚图。,可控硅在电压调节中的应用,单向可控硅在直流负载驱动电路中的应用如图11.16所示，是单向可控硅在直流电压控制中的应用。,8051 P1.0,负载,可控硅在电压调节中的应用,直流工作电压通过负载加在单向可控硅两端，当单片机的I/O端口P1.0输出低电平时，光电耦合器的二极管有电流流过，光电三极管导通饱和，三极管T的基极加上一个电压，使T也导通饱和，在R4上产生一个控制电压加到单向可控硅上，导致可控硅导通，使负载有电流。在这里，单向可控硅起到一个直流电压开关作用。光电耦合器起到单片机系统低电压和负载系统高压直流的光电隔离作用，一般负载直流电压比较高。三极管T可以实现功率放大和电平转换。由于是电子开关，没有机械噪声，没有触点接触电阻存在，开关频率高，是继电器不可比拟的。,可控硅在电压调节中的应用,双向可控硅交流电压控制电路中的应用如图11.17所示：,可控硅在电压调节中的应用,在图中，MOC3021是带光电隔离的可控硅触发元件，当单片机的P1.0口为低电平时，有电流流过MOC3021的发光二极管，通过光电三极管把光能转变为电能，来控制可控硅的导通，外加220V交流电通过负载。在这里，双向可控硅起到了交流大功率开关的作用。在图11.17中，还可以实现交流电无级调压的功能。通过对220V交流电压的过零信号的检测，得到一个与交流电过零的同步信号输入单片机，通过软件的控制，实现对可控硅的导通角的控制，使负载上的交流电压从0一220V的无级调压。同样在图11.17中，把MOC3021换成MOC3063，MOC3063是带光电隔离的过零触发可控硅触发元件，自动在交流电的过零时刻触发可控硅，由于是过零触发，减少了可控硅在使用时产生的干扰。使用MOC3063，同样可以起到交流电开关的作用，也可以进行无级调压控制。通过控制每秒钟内允许导通的时间来调节交流电压。,固态继电器,固态继电器（SSR）是一种新型的电子开关，与机械式继电器相比，其控制电流小，无触点，无噪声，可以实现光电隔离，工作频率高，体积小，寿命长等特点，在计算机测控领域中，有替代传统的机械式电磁继电器的趋势。,固态继电器,固体继电器有直流型和交流型两种。直流型主要用于直流大功率场合，交流型有移相触发和过零触发两点。固态继电器本质是带光电隔离的可控硅组合装置，是一个有二个输入端，二个输出端的四端器件，外面用环氧封装，其结构如图11.18所示：,固态继电器,不论是直流型还是交流型固体继电器，其内部均由光电隔离器，可控硅触发器，可控硅元件和吸收电路组成。直流型固态继电器的驱动电流在3-20mA，控制输出的工作电压在10-200V左右。其典型应用如图11.19所示。,固态继电器,图11.19中，电阻R是限流电阻，保护直流固态继电器的二极管电流不至过大而损坏，引脚2输入控制信号，引脚3接负载，如果负载是感性的，需加二极管吸收反电势引起的电能，保护直流固态继电器的输出部分，引脚4接负载端地，千万不能与控制端共地。,固态继电器,图11.20是交流型固体继电器的典型应用。在电路中，三相电源通过交流型固态继电器加到电动机上，在控制方式上与直流型固态继电器相似。在具体应用中，应根据控制电压和被控制的电压的大小，选择适当的固态继电器，使用中，千万不能使负载端短路，造成大电流烧毁器件，要考虑器件的散热条件，使用感性负载时要加保护元件，一般固态继电器适用于大功率的控制场合。,习题与思考题,设计单片机通过P1口输出二个开关量控制LED灯的电路，使二个LED灯轮流显示，间隔1s，编写相应的程序。2.单片机通过数据总线P0口输出开关量与通过I/O口输出开关量有何区别？3.利用二片74LS377接口缓冲器，设计一个单片机控制十六个LED灯的电路，使十六个LED灯排列成一个园形，编写程序，十六个灯中始终只有一个灯点亮，点亮的灯沿园周运动。4.叙述光电耦合器的工作原理，在哪些情况下需要在单片机应用系统使用光电耦合器。5.叙述继电器的工作原理，为什么要在继电器线圈两端加一个二极管？6.见图11.11,如果图中继电器的型号为JZX-140FF，估算电阻R1、R2、三极管T和二极管D的参数。7.叙述单向可控硅和双向可控硅的工作原理，在应用中如何选择。8.应用双向可控硅，设计一个控制220V单相交流电动机的转速的电路，电动机的转速采用光电传感器检测，可控硅的触发器采用MOC3063过零触发元件，画出电路图和程序设计框图。9.固态继电器与普通线圈式继电器有何区别，在使用中要注意哪些情况？10.叙述固态继电器与可控硅的异同之处。,