输出接口电路

电子电路、PIC和微控制器的输出接口使它们能够通过使物体移动或闪烁一些灯光来控制现实世界。

正如我们在之前的输入接口教程中所看到的，接口电路允许一种类型的电路连接到另一种可能具有不同电压或电流等级的电路。

除了可以连接输入设备（如开关和传感器）外，我们还可以连接输出设备（如继电器、电磁线圈和灯光）。将输出设备连接到电子电路通常被称为：输出接口。

电子电路和微控制器的输出接口使它们能够通过使物体移动（例如，机器人的电机或手臂等）来控制现实世界。但输出接口电路也可以用于开关设备，如指示灯或灯光。输出接口电路可以具有数字输出或模拟输出信号。

直流电机输出设备

直流电机是一种输出设备。

数字逻辑输出是最常见的输出接口信号类型，也是最容易控制的。数字输出接口使用继电器将微控制器输出端口或数字电路的信号转换为开关接触输出，通过控制器软件实现。

模拟输出接口电路使用放大器产生变化的电压或电流信号，用于速度或位置控制类型的输出。脉冲输出开关是另一种输出控制类型，它通过改变输出信号的占空比来实现灯光的调光或直流电机的速度控制。

虽然输入接口电路设计用于接受来自不同类型传感器的不同电压水平，但输出接口电路需要产生更大的电流驱动能力和/或电压水平。输出信号的电压水平可以通过提供开集电极（或开漏极）输出配置来增加。即晶体管的集电极端子（或MOSFET的漏极端子）通常连接到负载。

几乎所有微控制器、PIC或数字逻辑电路的输出级都可以吸收或提供有用的输出电流，用于开关和控制各种输出接口设备以控制现实世界。当我们谈论吸收和提供电流时，输出接口既可以“提供”（源）开关电流，也可以“吸收”（吸收）开关电流。这意味着根据负载如何连接到输出接口，高电平或低电平输出将激活它。

也许所有输出接口设备中最简单的是那些用于产生光的设备，无论是作为单个开关指示灯还是作为多段或条形图显示的一部分。但与可以直接连接到电路输出的普通灯泡不同，LED作为二极管需要一个串联电阻来限制其正向电流。

输出接口电路
发光二极管，简称LED，作为许多电子电路的输出设备是一个极好的低功耗选择，因为它们可以替代高瓦数、高温的灯丝灯泡作为状态指示器。LED通常由低电压、低电流电源驱动，这使得它们成为数字电路中非常有吸引力的组件。此外，作为固态器件，它们的使用寿命可以超过100,000小时，使其成为一个非常适合且无需维护的组件。

单个LED接口电路

单个LED接口电路

我们在发光二极管教程中看到，LED是一种单向半导体器件，当正向偏置时，即当其阴极（K）相对于阳极（A）足够负时，可以产生各种颜色的输出光和亮度。

根据用于构建LED的pn结的半导体材料，将决定发出的光的颜色及其开启正向电压。最常见的LED颜色是红色、绿色、琥珀色或黄色光。

与传统的信号二极管（硅的正向电压降约为0.7伏，锗的正向电压降约为0.3伏）不同，发光二极管的正向电压降比普通信号二极管更大。但当正向偏置时会产生可见光。

典型的LED在点亮时可能具有恒定的正向电压降VLED，约为1.2至1.6伏，其发光强度与LED的正向电流成正比。但由于LED实际上是一个“二极管”（其箭头符号类似于二极管，但在LED符号旁边有小箭头表示它发光），它需要一个限流电阻以防止在正向偏置时短路电源。

LED可以直接从大多数输出接口端口驱动，因为标准LED可以在5mA至25mA的正向电流下工作。典型的彩色LED需要大约10mA的正向电流以提供合理明亮的显示。因此，如果我们假设单个红色LED在点亮时的正向电压降为1.6伏，并且将由提供10mA的5伏微控制器的输出端口操作。那么所需的限流串联电阻RS的值计算如下：

led串联电阻

然而，在E24（5%）系列的首选电阻值中，没有340Ω电阻，因此选择的最接近的首选值为330Ω或360Ω。实际上，根据电源电压（VS）和所需的正向电流（IF），任何150Ω至750Ω之间的串联电阻值都可以很好地工作。

还要注意，由于是串联电路，电阻和LED的连接方式无关紧要。然而，由于是单向的，LED必须正确连接。如果LED连接错误，它不会损坏，只是不会点亮。

多LED接口电路

多LED接口电路

除了使用单个LED（或灯）作为输出接口电路外，我们还可以将两个或多个LED连接在一起，并从相同的输出电压供电，用于光电电路和显示器。

将两个或多个LED串联连接与使用单个LED没有什么不同，但这次我们需要考虑串联组合中额外LED的正向电压降VLED。

例如，在我们上面的简单LED输出接口示例中，我们说LED的正向电压降为1.6伏。如果我们使用三个LED串联，那么所有三个LED的总电压降将为4.8（3 x 1.6）伏。然后我们的5伏电源勉强可以使用，但最好使用更高的6伏或9伏电源来为三个LED供电。

假设电源为9.0伏，电流为10mA（如前所述），所需的串联限流电阻RS的值计算为：RS = (9 – 4.8)/10mA = 420Ω。同样，在E24（5%）系列的首选电阻值中，没有420Ω电阻，因此选择的最接近的首选值为430Ω。

作为低电压、低电流设备，LED非常适合作为状态指示器，可以直接从微控制器和数字逻辑门或系统的输出端口驱动。微控制器端口和TTL逻辑门具有吸收或提供电流的能力，因此可以通过将阴极接地（如果阳极连接到+5v）或通过适当的串联电阻将+5v施加到阳极（如果阴极接地）来点亮LED。

数字输出接口LED

输出接口LED

上述输出接口电路适用于一个或多个串联LED，或任何其他电流要求小于25mA（最大LED正向电流）的设备。但如果输出驱动电流不足以操作LED，或者我们希望操作或切换具有更高电压或电流等级的负载（如12v灯丝灯），该怎么办？答案是使用额外的开关设备，如晶体管、MOSFET或继电器，如图所示。

输出接口高电流负载

输出接口高电流

常见的输出接口设备，如电机、电磁线圈和灯，需要大电流，因此最好通过晶体管开关装置进行控制或驱动，如图所示。这样，负载（灯或电机）不会过载开关接口或控制器的输出电路。

晶体管开关非常常见，对于切换高功率负载或不同电源的输出接口非常有用。如果需要，它们还可以每秒多次切换“开”和“关”，如在脉宽调制PWM电路中。但在使用晶体管作为开关之前，我们需要考虑一些事情。

流入基极-发射极结的电流用于控制从集电极到发射极的较大电流。因此，如果没有电流流入基极端子，那么就没有电流从集电极流向发射极（或通过连接到集电极的负载），那么晶体管被称为完全关闭（截止）。

将晶体管完全打开（饱和），晶体管开关有效地充当闭合开关，即其集电极电压与发射极电压相同。但作为固态器件，即使饱和时，晶体管的端子之间也总是会有小的电压降，称为VCE(SAT)。该电压范围约为0.1至0.5伏，具体取决于晶体管。

此外，由于晶体管将完全打开，负载电阻将限制晶体管的集电极电流IC到负载实际所需的电流（在我们的例子中，通过灯的电流）。然后过多的基极电流可能会过热并损坏开关晶体管，这在一定程度上违背了使用晶体管的目的，即用较小的电流控制较大的负载电流。因此，需要一个电阻来限制基极电流IB。

使用单个开关晶体管控制负载的基本输出接口电路如下所示。请注意，通常连接一个自由轮二极管，也称为飞轮二极管或反电动势抑制二极管，如1N4001或1N4148，以保护晶体管免受由感性负载（如继电器、电机和电磁线圈等）在电流被晶体管关闭时产生的任何反电动势电压的影响。

基本晶体管开关电路

晶体管开关电路

假设我们希望使用TTL 5.0v数字逻辑门的输出通过适当的输出接口晶体管开关电路控制连接到12伏电源的5瓦灯丝灯的操作。如果晶体管的直流电流增益（集电极（输出）和基极（输入）电流之间的比率），β为100（您可以从您使用的晶体管的数据表中找到此Beta或hFE值），并且其VCE饱和电压在完全打开时为0.3伏，那么所需的基极电阻RB的值是多少。

晶体管的集电极电流IC将与通过灯丝灯的电流相同。如果灯的额定功率为5瓦，则完全打开时的电流为：

灯丝灯电流

由于IC等于灯（负载）电流，晶体管的基极电流将与晶体管的电流增益相关，即IB = IC/β。电流增益先前给出为：β = 100，因此最小基极电流IB(MIN)计算为：

晶体管基极电流

找到所需的基极电流值后，我们现在需要计算基极电阻RB(MAX)的最大值。给定的信息指出，晶体管的基极将由数字逻辑门的5.0v输出电压（Vo）控制。如果基极-发射极正向偏置电压为0.7伏，则RB的值计算为：

晶体管基极电阻

然后当逻辑门的输出信号为低电平（0v）时，没有基极电流流动，晶体管完全关闭，即没有电流流过1kΩ电阻。当逻辑门的输出信号为高电平（+5v）时，基极电流为4.27mA并打开晶体管，将11.7V施加到灯丝灯上。基极电阻RB在传导4.27mA时将耗散小于18mW，因此1/4W电阻将工作。

请注意，在输出接口电路中使用晶体管作为开关时，一个好的经验法则是选择基极电阻RB值，使基极驱动电流IB约为所需负载电流IC的5%甚至10%，以帮助将晶体管驱动到其饱和区域，从而最小化VCE和功率损耗。

此外，为了更快地计算电阻值并减少一些数学计算，您可以在计算中忽略集电极-发射极结的0.1至0.5伏电压降和基极-发射极结的0.7伏电压降。最终的近似值将足够接近实际计算值。

单功率晶体管开关电路对于控制低功率设备（如灯丝灯）或用于切换继电器（可用于切换更高功率设备，例如电机和电磁线圈）非常有用。

但继电器是大型、笨重的机电设备，当用于输出接口8端口微控制器时，可能会很昂贵或在电路板上占用大量空间。

克服这一点并直接从微控制器、PIC或数字电路的输出引脚切换大电流设备的一种方法是使用由两个晶体管组成的达林顿对配置。

功率晶体管用作输出接口设备时的主要缺点之一是它们的电流增益（β），特别是在切换高电流时，可能太低。低至10。为了克服这个问题并减少所需的基极电流值，可以使用两个晶体管组成达林顿配置。

达林顿晶体管配置

达林顿晶体管配置

达林顿晶体管配置可以由两个NPN或两个PNP晶体管连接在一起组成，或者作为现成的达林顿设备，如2N6045或TIP100，它们在单个TO-220封装中集成了两个晶体管和一些电阻，以帮助快速关闭，用于开关应用。

在这种达林顿配置中，晶体管TR1是控制晶体管，用于控制功率开关晶体管TR2的导通。施加到晶体管TR1基极的输入信号控制晶体管TR2的基极电流。达林顿配置，无论是单个晶体管还是单个封装，都具有相同的三个引线：发射极（E）、基极（B）和集电极（C）。

达林顿晶体管配置可以具有数百到数千的直流电流增益（即集电极（输出）和基极（输入）电流之间的比率），具体取决于所使用的晶体管。然后，我们可以仅用几微安（uA）的基极电流控制我们上面的灯丝灯示例，因为第一个晶体管的集电极电流β1IB1成为第二个晶体管的基极电流。

然后TR2的电流增益将为β1β2IB1，因为两个增益相乘为βT = β1×β2。换句话说，一对双极晶体管组合在一起形成一个达林顿晶体管对，它们的电流增益将相乘。

因此，通过选择合适的双极晶体管并正确偏置，双发射极跟随器达林顿配置可以被视为具有非常高β值和高输入阻抗（数千欧姆）的单个晶体管。

幸运的是，有人已经将几个达林顿晶体管配置放入单个16引脚IC封装中，使我们能够轻松地输出接口各种设备。

ULN2003A 达林顿晶体管阵列 

ULN2003A 是一种低成本、高效率且低功耗的单极达林顿晶体管阵列，非常适合作为输出接口电路，用于直接驱动各种负载，包括电磁线圈、继电器、直流电机、LED 显示器或灯丝灯等。它可以直接连接微控制器、PIC 或数字电路的端口。

达林顿阵列系列包括 ULN2002A、ULN2003A 和 ULN2004A，它们都是高电压、高电流的达林顿阵列，每个 IC 封装内包含七个开集电极达林顿对。ULN2803 达林顿驱动器也可用，它包含八个达林顿对，而不是七个。

阵列的每个独立通道额定电流为 500mA，可承受高达 600mA 的峰值电流，非常适合控制小型电机、灯具或高功率晶体管的栅极和基极。阵列还包含额外的抑制二极管，用于驱动感性负载，并且输入引脚与输出引脚相对排列，以简化连接和电路板布局。

ULN2003 达林顿晶体管阵列 

ULN2003A 达林顿驱动器具有极高的输入阻抗和电流增益，可以直接由 TTL 或 +5V CMOS 逻辑门驱动。对于 +15V CMOS 逻辑，可以使用 ULN2004A；对于高达 100V 的更高开关电压，最好使用 SN75468 达林顿阵列。

如果需要更高的开关电流能力，可以将达林顿对的输入和输出并联以实现更高的电流能力。例如，将输入引脚 1 和 2 连接在一起，输出引脚 16 和 15 连接在一起以切换负载。

功率 MOSFET 接口电路 

除了使用单个晶体管或达林顿对外，功率 MOSFET 也可用于切换中等功率设备。与双极结型晶体管（BJT）不同，BJT 需要基极电流来驱动晶体管进入饱和状态，而 MOSFET 开关几乎不需要电流，因为栅极端子与主电流通道是隔离的。

基本 MOSFET 开关电路 

N 沟道增强型（常关型）功率 MOSFET（eMOSFET）具有正阈值电压和极高的输入阻抗，使其成为直接连接微控制器、PIC 和数字逻辑电路的理想器件，这些电路能够产生正输出，如图所示。

MOSFET 开关由栅极输入信号控制，由于 MOSFET 的输入（栅极）电阻极高，我们可以几乎无限制地将多个功率 MOSFET 并联，直到满足连接负载的功率处理能力。

在 N 沟道增强型 MOSFET 中，当器件截止（Vgs = 0）时，通道关闭，类似于常开开关。当栅极施加正偏置电压时，电流流过通道。电流的大小取决于栅极偏置电压 Vgs。换句话说，要使 MOSFET 在其饱和区工作，栅极-源极电压必须足以维持所需的漏极电流，从而维持负载电流。

如前所述，N 沟道 eMOSFET 由施加在栅极和源极之间的电压驱动，因此在 MOSFET 的栅极-源极结之间添加一个齐纳二极管（如图所示），可以保护晶体管免受过高的正或负输入电压（例如，由饱和运算放大器比较器输出产生的电压）的影响。齐纳二极管钳位正栅极电压，并充当常规二极管，当栅极电压达到 -0.7V 时开始导通，使栅极端子远离其反向击穿电压极限。

MOSFET 和开集电极门电路 

当使用具有开集电极输出的门电路和驱动器时，从 TTL 输出接口功率 MOSFET 会带来一个问题，因为逻辑门可能无法始终提供所需的 VGS 输出。解决此问题的一种方法是使用上拉电阻，如图所示。

上拉电阻连接在 TTL 电源轨和逻辑门输出之间，逻辑门输出连接到 MOSFET 的栅极端子。当 TTL 逻辑门输出为逻辑电平“0”（低电平）时，MOSFET 关闭；当逻辑门输出为逻辑电平“1”（高电平）时，电阻将栅极电压拉至 +5V 电源轨。

通过这种上拉电阻配置，我们可以通过将栅极电压连接到上电源轨来完全打开 MOSFET。

电机输出接口 

我们已经看到，可以使用双极结型晶体管或 MOSFET 作为输出接口电路的一部分来控制各种设备。直流电机是一种常见的输出设备，它产生旋转运动。电机和步进电机可以通过单个晶体管、达林顿晶体管或 MOSFET 以数百种方式连接到微控制器、PIC 和数字电路。

问题是电机是机电设备，使用磁场、电刷和线圈来产生旋转运动，因此电机（尤其是廉价玩具或电脑风扇电机）会产生大量“电气噪声”和“电压尖峰”，这些可能会损坏开关晶体管。

通过在电机端子之间连接一个自由轮二极管或非极化抑制电容，可以减少电机产生的电气噪声和过电压。但防止电气噪声和反向电压影响半导体晶体管开关或微控制器输出端口的一种简单方法是通过合适的继电器为控制和电机使用单独的电源。

下图显示了将机电继电器输出接口到直流电机的典型连接图。

直流电机开关控制 

NPN 晶体管用作开关，为继电器线圈提供所需电流。与上述相同，自由轮二极管是必需的，因为当线圈断电时，流过感性线圈的电流不能瞬间降为零。当基极输入设置为高电平时，晶体管打开，电流流过继电器线圈，其触点闭合，驱动电机。

当基极输入为低电平时，晶体管关闭，电机停止，因为继电器触点现在断开。断电线圈产生的任何反电动势通过自由轮二极管流动并缓慢衰减至零，从而防止晶体管损坏。此外，晶体管（或 MOSFET）是隔离的，不受电机运行产生的任何噪声或电压尖峰的影响。

我们已经看到，可以通过电机和电源之间的一对继电器触点来打开和关闭直流电机。但如果我们希望电机在机器人或其他形式的电机项目中双向旋转，则可以使用两个继电器来控制电机，如图所示。

可逆直流电机控制 

通过简单地改变电源连接的极性，可以反转直流电机的旋转方向。通过使用两个晶体管开关，电机的旋转方向可以通过两个继电器控制，每个继电器具有单刀双掷（SPDT）触点，由单个电压电源供电。通过一次操作其中一个晶体管开关，可以使电机朝任一方向（正转或反转）旋转。

虽然通过继电器的电机输出接口允许我们启动和停止电机或控制旋转方向，但使用继电器会阻止我们控制旋转速度，因为继电器的触点会不断打开和关闭。

然而，直流电机的旋转速度与其电源电压值成正比。直流电机的速度可以通过调整其直流电源电压的平均值或使用脉宽调制来控制。即通过将其电源电压的占空比从低至 5% 调整到超过 95%，许多电机 H 桥控制器正是这样做的。

交流负载输出接口 

我们之前已经看到，继电器可以将一个电路与另一个电路电气隔离，即它们允许一个较小功率的电路控制另一个可能较大功率的电路。继电器同时还可以保护较小电路免受电气噪声、过电压尖峰和瞬态的影响，这些可能会损坏精密的半导体开关设备。

但继电器还允许具有不同电压和接地电路的输出接口，例如 5 伏微控制器或 PIC 与市电电压电源之间的接口。除了使用晶体管（或 MOSFET）开关和继电器来控制交流电机、100W 灯或加热器等市电设备外，我们还可以使用光耦和功率电子设备来控制它们。

光耦的主要优势在于它在输入和输出端子之间提供了高度的电气隔离，因为它是光耦合的，因此需要最小的输入电流（通常仅为 5mA）和电压。这意味着光耦可以轻松地从微控制器端口或数字电路接口，只要其输出具有足够的 LED 驱动能力。

光耦的基本设计包括一个产生红外光的 LED 和一个用于检测发射红外光束的半导体光敏器件。LED 和光敏器件（可以是单个光晶体管、光达林顿或光三端双向可控硅）都封装在一个不透光的壳体或封装中，并带有金属引脚用于电气连接，如图所示。

不同类型的光耦 

由于输入是 LED，因此可以按照上述方法计算所需的限流串联电阻 RS 的值。两个或多个光耦的 LED 也可以串联连接，以同时控制多个输出设备。

光耦三端双向可控硅允许控制交流供电设备和市电灯。光耦三端双向可控硅（如 MOC 3020）的额定电压约为 400 伏，非常适合直接连接市电，最大电流约为 100mA。对于更高功率的负载，光耦三端双向可控硅可以通过限流电阻为另一个更大的三端双向可控硅提供栅极脉冲，如图所示。

固态继电器 

这种光耦配置构成了一个非常简单的固态继电器应用的基础，它可以直接从微控制器、PIC 或数字电路的输出接口控制任何交流市电负载，如灯和电机。

输出接口总结 

使用微控制器、PIC、数字电路和其他基于微处理器的固态软件控制系统需要能够连接到现实世界，以控制电机或开关 LED 指示灯和灯。在本电子教程中，我们已经看到可以使用不同类型的输出接口电路来实现这一目的。

最简单的接口电路是发光二极管（LED）作为简单的开关指示灯。但通过使用标准晶体管或 MOSFET 接口电路作为固态开关，即使控制器的输出引脚只能提供（或吸收）非常小的电流，我们也可以控制更大的电流。通常，对于许多控制器，其输出接口电路可能是电流吸收输出，其中负载通常连接在电源电压和开关设备的输出端子之间。

例如，如果我们希望在项目或机器人应用中控制多个不同的输出设备，则使用 ULN2003 达林顿驱动器 IC 可能更方便，它在一个封装中包含多个晶体管开关。或者，如果我们希望控制交流执行器，我们可以输出接口继电器或光耦（光隔离器）。

因此，我们可以看到，输入和输出接口电路为电子设计师或学生提供了灵活性，使他们能够使用基于小信号或微处理器的软件系统通过其输入/输出端口控制和与现实世界通信，无论是小型学校项目还是大型工业应用。