機(jī)電一體化控制量輸出接口

1、小功率大功率常用電力電子器常用電力電子器件件光電耦合器驅(qū)動光電耦合器驅(qū)動接口設(shè)計(jì)接口設(shè)計(jì)繼電器和接觸器繼電器和接觸器驅(qū)動接口設(shè)計(jì)驅(qū)動接口設(shè)計(jì)晶閘管功率晶體管功率場效應(yīng)晶體管固態(tài)繼電器直流電磁式繼電器功率驅(qū)動接口設(shè)計(jì)電磁式交流接觸器的驅(qū)動接口設(shè)計(jì) 晶閘管又稱可控硅可控硅，是目前應(yīng)用最廣泛的半導(dǎo)體功率開關(guān)元件，其控制電流 可從數(shù)安培到數(shù)千安培。晶閘管的主要類型有單向晶閘管單向晶閘管SCR，雙向晶閘管雙向晶閘管Triac和可可關(guān)斷晶閘管關(guān)斷晶閘管GTO等三種最基本類型，此外還有光控晶閘管、溫控晶閘管等特殊類型。 晶閘管是具有三個(gè)晶閘管是具有三個(gè)PN結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 的四層結(jié)構(gòu)，其外形，結(jié)的四層結(jié)構(gòu)，其外形，

2、結(jié) 構(gòu)及符號如圖構(gòu)及符號如圖。單向晶閘管（SCR） 導(dǎo)通條件 陽極加正向電壓，同時(shí)在控制極加正向電壓，晶閘管一旦導(dǎo)通，控制極對晶閘管就不起作用了。 關(guān)斷條件 當(dāng)流過晶閘管的電流小于保持晶閘管導(dǎo)通所需要的電流即維持電流時(shí)，晶閘管截止。開關(guān)閉合單向晶閘管（SCR） 當(dāng)在晶閘管的陽極加上交流電壓時(shí)，在電壓的正半周，若給控制極加一個(gè)正觸發(fā)脈沖，則晶閘管導(dǎo)通，而電壓過零時(shí)，晶閘管將關(guān)斷；在下一個(gè)正半周，若想使晶閘管導(dǎo)通，必須重新給控制極加觸發(fā)脈沖。（P76圖3-36）單向晶閘管（單向晶閘管（SCR）1)控制角：指從零電壓到被觸發(fā)導(dǎo)通的瞬間的這段時(shí)間所對應(yīng)的電度角。2)導(dǎo)通角：指從被觸發(fā)導(dǎo)通的瞬間開始到電

3、壓為零這段時(shí)間所對應(yīng)的電度角。對于純阻性負(fù)載有 + 觸發(fā)信號越提前，導(dǎo)通角越大，則平均輸出電壓Va越大。3）移相范圍：通常把SCR輸出電壓的最大值到最小值之間所對應(yīng)的角的變化范圍稱為移相范圍。4）純阻性負(fù)載： =0時(shí)Va最大， 時(shí)Va最小， 所以SCR移相范圍是180。單向晶閘管（SCR） L是純感性負(fù)載，R是阻性負(fù)載，L與R共同組成SCR的實(shí)際負(fù)載。在電流變化時(shí)，電感的兩端會感應(yīng)出一個(gè)電動勢，這個(gè)電動勢對電流的變化產(chǎn)生阻止作用。單向晶閘管單向晶閘管應(yīng)用（做控制器件應(yīng)用（做控制器件）撥盤式密碼鎖控制電路撥盤式密碼鎖控制電路 晶閘管應(yīng)用（做控制器件）晶閘管應(yīng)用（做控制器件）撥盤式密碼鎖控制電路撥

4、盤式密碼鎖控制電路123456789101112撥盤撥盤開鎖開鎖繼電器繼電器按鈕按鈕UCCJT3T2T1SD1D2R工作原理工作原理根據(jù)晶閘管的特性分析可知，根據(jù)晶閘管的特性分析可知，開鎖時(shí)三個(gè)晶閘管的工作順開鎖時(shí)三個(gè)晶閘管的工作順序應(yīng)該是：序應(yīng)該是：T1T2T3。否則。否則T3或或T2將因陽極和陰極間加將因陽極和陰極間加不上電壓而不導(dǎo)通，繼電器不上電壓而不導(dǎo)通，繼電器線圈不通電，鎖打不開。線圈不通電，鎖打不開。 1. 開鎖時(shí)開鎖時(shí)晶閘管工作情況晶閘管工作情況UCCT3T2T1JD1D2T1導(dǎo)通時(shí)導(dǎo)通時(shí)的路徑的路徑T3、T2的導(dǎo)通路徑的導(dǎo)通路徑請自行分析。請自行分析。T1導(dǎo)通時(shí)的路徑如圖中導(dǎo)通

5、時(shí)的路徑如圖中虛線，此時(shí)發(fā)光管虛線，此時(shí)發(fā)光管D2導(dǎo)導(dǎo)通，給出指示信號。通，給出指示信號。鎖鎖打打開開2. 開鎖過程開鎖過程根據(jù)開鎖根據(jù)開鎖時(shí)三只晶閘管時(shí)三只晶閘管導(dǎo)通順序的要導(dǎo)通順序的要求以及求以及 圖中圖中連線，可知開連線，可知開鎖過程如下：鎖過程如下：撥盤撥至撥盤撥至10T2導(dǎo)通導(dǎo)通按下按下ST3導(dǎo)通導(dǎo)通撥盤撥至撥盤撥至2按下按下S撥盤撥至撥盤撥至7按下按下ST1導(dǎo)通導(dǎo)通123456789101112UCCJT3T2T1SD1D2R雙向晶閘管（雙向晶閘管（TRIAC） 可以看成是兩個(gè)單向晶閘管反向并聯(lián)組成，其中MT1和MT2為主電極，G為門極。特點(diǎn)： 在觸發(fā)后是雙向?qū)ǖ?；門極所加觸發(fā)信

6、號可以為正也可以為負(fù)。雙向晶閘管（雙向晶閘管（TRIAC）在使用時(shí)應(yīng)注意： 由于雙向晶閘管是雙向?qū)ǖ?，它從一個(gè)方向過零進(jìn)入反向阻斷狀態(tài)只是一個(gè)十分短暫的過程，當(dāng)負(fù)載是感性負(fù)載時(shí)(如電樞)，由于電流滯后性，有可能會使電壓過零時(shí)電流仍存在，從而導(dǎo)致雙向晶閘管失控(不關(guān)斷)。為使雙向晶閘管能正確工作應(yīng)在 其兩主電極MT1與MT2間加RC電路。 雙向雙向可控硅可廣泛用于工業(yè)、可控硅可廣泛用于工業(yè)、交通、家用電器等領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)交通、家用電器等領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)交流調(diào)壓、電機(jī)調(diào)速、交流開交流調(diào)壓、電機(jī)調(diào)速、交流開關(guān)、路燈自動開啟與關(guān)閉、溫關(guān)、路燈自動開啟與關(guān)閉、溫度控制、臺燈調(diào)光、舞臺調(diào)光度控制、臺燈調(diào)光、舞臺調(diào)

7、光等多種功能，它還被用于固態(tài)等多種功能，它還被用于固態(tài)繼電器繼電器(SSR)和固態(tài)接觸器電和固態(tài)接觸器電路中。路中。 雙向雙向可控硅是在普通可控可控硅是在普通可控硅的基礎(chǔ)上發(fā)展而成的，它不硅的基礎(chǔ)上發(fā)展而成的，它不僅能代替兩只反極性并聯(lián)的可僅能代替兩只反極性并聯(lián)的可控硅，而且僅需一個(gè)觸發(fā)電路，控硅，而且僅需一個(gè)觸發(fā)電路，是目前比較理想的交流開關(guān)器是目前比較理想的交流開關(guān)器件。件。門極可關(guān)斷晶閘管（門極可關(guān)斷晶閘管（GTO） 是個(gè)四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，與SCR相比，GTO有更靈活方便的控制性能，即在門極上加正控制信號時(shí)GTO導(dǎo)通；在門極上加負(fù)控制信號時(shí)GTO截止 門極可關(guān)斷晶閘門極可關(guān)斷晶閘管既保留了

8、晶閘管的管既保留了晶閘管的高反壓，大電流，耐高反壓，大電流，耐浪涌能力強(qiáng)等特性，浪涌能力強(qiáng)等特性，又像功率晶體管那樣又像功率晶體管那樣具有自關(guān)斷能力，而具有自關(guān)斷能力，而且開關(guān)頻率較高，控且開關(guān)頻率較高，控制功耗小，應(yīng)用方便，制功耗小，應(yīng)用方便，有相當(dāng)大的開發(fā)功能有相當(dāng)大的開發(fā)功能 光控晶閘管是把光電耦合器件與雙向晶閘管做到一起形成的集成電路。它的典型產(chǎn)品有MOC3041，MOC3021等。 光控晶閘管與一般晶閘管的區(qū)別在于：它受光信號控制，實(shí)現(xiàn)了輸入與輸出的電隔離。有些型號內(nèi)部有過零電路(如MOC3041)，故可用來作過零開關(guān)。 是一種小功率晶閘管，它的輸出電流100mA左右。是一種溫敏器件

9、，和普通晶閘管具有相同的開關(guān)特性，并且與熱敏電阻、PN結(jié)溫度傳感器相比有許多優(yōu)點(diǎn)。溫控晶閘管的溫度 特性是負(fù)特性，當(dāng)溫度越高時(shí)，正向開關(guān)門檻電壓越低。在溫控晶閘管的陰極電壓 固定時(shí)，溫度升到某一個(gè)值，溫控晶閘管就會導(dǎo)通，溫度繼續(xù)上升，溫控晶閘管保持導(dǎo)通，如 果溫度下降到某一個(gè)值，則溫控晶閘管又會變成截止?？梢?，用溫控晶閘管可實(shí)現(xiàn)溫度的開關(guān) 控制。在溫控晶閘管的門極和陽極或陰極之間加上適當(dāng)器件，如電位器，光敏管，熱敏電阻等，可以改變晶閘管的導(dǎo)通溫度值。溫控晶閘管一般用于50V以下低壓場合。 1. 知道知道功率晶體管的特點(diǎn)功率晶體管的特點(diǎn) 2.掌握功率晶體管的應(yīng)用掌握功率晶體管的應(yīng)用 所謂功率晶體

10、管就是指在大功率范圍應(yīng)用的晶體管，有時(shí)也稱為電力晶體管（Giant Transistor）直譯為巨型晶閘管。與晶閘管相比，功率晶體管有如下特點(diǎn)：1. 大功率晶體管不僅可以工作在開關(guān)狀態(tài)，而且也可以工作大功率晶體管不僅可以工作在開關(guān)狀態(tài)，而且也可以工作在模擬狀態(tài)，因而有著更廣的工作范圍，如聲頻功率放大，在模擬狀態(tài)，因而有著更廣的工作范圍，如聲頻功率放大，超聲波功率放大，有源濾波器等。超聲波功率放大，有源濾波器等。2. 功率晶體管的開關(guān)速度遠(yuǎn)大于晶閘管。功率晶體管的開關(guān)速度遠(yuǎn)大于晶閘管。3. 功率晶體管的控制比晶閘管容易。功率晶體管的控制比晶閘管容易。4. 功率晶體管價(jià)格高于晶閘管功率晶體管價(jià)格高

11、于晶閘管 功率晶體管和人們心目中的“大功率晶體管”不同，從本質(zhì)上講，它不是一個(gè)管子，而是一個(gè)多管復(fù)合結(jié)構(gòu)，其功率可高達(dá)幾千瓦。由于采用了復(fù)合結(jié)構(gòu)，使功率晶體管有較大的電流放大系數(shù)。圖342中二極管VD1是加速二極管，在輸入端b的控制信號從高電平變成低電平的瞬間，二極管VD1導(dǎo)通，可以使VT1的一部分射極電流經(jīng)過VD1流到輸入端b，從而加速了功率晶體管集電極電流的下降速度，即加速了功率晶體管的關(guān)斷。功率晶體管功率晶體管功率晶體管的應(yīng)用 雖然功率晶體管有開關(guān)狀態(tài)和模擬狀態(tài)兩種工作狀態(tài)，但在機(jī)電產(chǎn)品中，它基本被用來做高速開關(guān)器件。圖343是用功率晶體管做功放元件的步進(jìn)電動機(jī)一相繞組的驅(qū)動電路。1、作

12、為放大器，應(yīng)用在電源串聯(lián)調(diào)壓電路，音頻和超聲波、作為放大器，應(yīng)用在電源串聯(lián)調(diào)壓電路，音頻和超聲波放大等放大等領(lǐng)域。領(lǐng)域。2、作為大功率半導(dǎo)體開關(guān)，電視機(jī)行輸出電路，電機(jī)控制，、作為大功率半導(dǎo)體開關(guān)，電視機(jī)行輸出電路，電機(jī)控制，不停電電源和汽車不停電電源和汽車電子。電子。3、GTR模塊，應(yīng)用于交流傳動，逆變器和開關(guān)電源。模塊，應(yīng)用于交流傳動，逆變器和開關(guān)電源。注意注意:當(dāng)功率晶體管工作在開關(guān)狀態(tài)時(shí)，其基極輸入電流應(yīng)選得大些，否則，晶體管會增加自身壓降來限制其負(fù)載電流，從而有可能使功率晶體管超過允許功率而損壞。這是因?yàn)榫w管在截止或高導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，功耗都很小，但在開關(guān)過程中，晶體管可能同時(shí)出現(xiàn)高電壓

13、，大電流，瞬態(tài)功耗會超過靜態(tài)功耗好幾十倍，如果驅(qū)動電流太小，會使晶體管陷入開關(guān)過渡的危險(xiǎn)區(qū)。功率晶體管功率晶體管 功率場效應(yīng)晶體管又稱功率MOSFET，是在大功率范圍應(yīng)用的場效應(yīng)晶體管，在機(jī)電系統(tǒng)應(yīng)用中，它有著比雙極型功率晶體管更好的特性。其特點(diǎn)如下：1. 具有較高的開關(guān)速度開關(guān)速度。2. 具有較寬的安全工作區(qū)而不會產(chǎn)生熱點(diǎn)不會產(chǎn)生熱點(diǎn)，并且具有正的電阻溫度系數(shù)電阻溫度系數(shù)，因此適合進(jìn)行并聯(lián)使用并聯(lián)使用。3. 具有較高的可靠可靠性。4. 具有較強(qiáng)的過載能力過載能力。短時(shí)過載能力通常額定值通常額定值的4倍。5. 具有較高的開啟電壓開啟電壓，即是閾值電壓閾值電壓，可達(dá)26V(一般在1.5V5V之間

14、）。n功率場效應(yīng)管絕大多數(shù)是電壓控制而非電流控制，吸收電流很小，因此TTL集成電路也就足以驅(qū)動大功率的場效應(yīng)晶體管。由于TTL集成電路的高電平輸出為3.55V，直接驅(qū)動功率（即小集成電路也足以驅(qū)動大功率的場效應(yīng)晶體管）。固態(tài)繼電器（固態(tài)繼電器（SSR） 固態(tài)繼電器（Solid State Relay)，是一種無觸點(diǎn)功率型通斷電子開關(guān)。又名固態(tài)開關(guān)。當(dāng)在控制端輸入觸發(fā)信號后，主回路呈導(dǎo)通狀態(tài)；無控制信號時(shí)主回路呈阻斷狀態(tài)?？刂苹芈放c主回路間采取了電隔離及信號耦合技術(shù)。 圖347為8031單片機(jī)通過固態(tài)繼電器控制一交流接觸器的控制裁路。 當(dāng)8031的P1.0輸出高電平時(shí)，固態(tài)繼電器SSR導(dǎo)通，交流

15、接觸器K吸合，主電路導(dǎo)通；當(dāng)P1.0輸出低電平時(shí)，固態(tài)繼電器截止，交流接觸器斷開，主電路關(guān)斷。 目前國產(chǎn)SSR的驅(qū)動電流一般為0.520mA，最小工作電壓3V，故可直接由TTL器件驅(qū)動。（二）光電耦合器驅(qū)動接口設(shè)計(jì)（二）光電耦合器驅(qū)動接口設(shè)計(jì) 光電耦合器(光電隔離器)是把發(fā)光二極管和光敏晶體管或光敏晶閘管封裝在一起，通過光信號，實(shí)現(xiàn)電信號傳遞的器件。由于光電耦合器輸入與輸出之間沒有直接的電氣聯(lián)系，電信號是通過光信號傳遞的，所以也稱光電隔離器1.光電耦合器的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn) 結(jié)構(gòu) 光電耦合器由發(fā)光源和受光器兩部分組成，并由不透明材料封裝在一起。發(fā)光源引出的管腳為輸入端，受光器引出的管腳為輸出端。當(dāng)在輸

16、入端加上正向電壓時(shí)，發(fā)光二極管點(diǎn)亮照射光敏晶體管（或晶閘管）使之導(dǎo)通，產(chǎn)生輸出信號。特點(diǎn)特點(diǎn) 1）光電耦合器的信號傳遞采取電）光電耦合器的信號傳遞采取電光光電的形式，發(fā)光部分和受光部分不接觸，因此其絕緣電的形式，發(fā)光部分和受光部分不接觸，因此其絕緣電阻可高達(dá)電阻可高達(dá)1010歐姆以上，并能承受歐姆以上，并能承受2000伏以上的伏以上的高壓。被耦合的兩部分可以自成系統(tǒng)不高壓。被耦合的兩部分可以自成系統(tǒng)不“公地公地”，能，能夠?qū)崿F(xiàn)電控系統(tǒng)強(qiáng)電部分與弱電部分隔離，避免干擾夠?qū)崿F(xiàn)電控系統(tǒng)強(qiáng)電部分與弱電部分隔離，避免干擾由輸出通道竄入控制微機(jī)。由輸出通道竄入控制微機(jī)。2） 光電耦合器光電耦合器的發(fā)光二極

17、管是電流驅(qū)動器件，的發(fā)光二極管是電流驅(qū)動器件，能能 夠夠吸收尖峰干擾信號，所以具有很強(qiáng)的抑吸收尖峰干擾信號，所以具有很強(qiáng)的抑制噪聲干擾能力制噪聲干擾能力。3） 光電耦合器光電耦合器作為開關(guān)應(yīng)用時(shí)，具有耐用，可靠作為開關(guān)應(yīng)用時(shí)，具有耐用，可靠性高和告訴等優(yōu)點(diǎn)，響應(yīng)時(shí)間一般為微秒以內(nèi)，高性高和告訴等優(yōu)點(diǎn)，響應(yīng)時(shí)間一般為微秒以內(nèi)，高速型光電耦合器的響應(yīng)時(shí)間有的甚至小于速型光電耦合器的響應(yīng)時(shí)間有的甚至小于10ns.2.晶體管輸出型光電耦合器驅(qū)動接口設(shè)計(jì)（二）光電耦合器驅(qū)動接口設(shè)計(jì)（二）光電耦合器驅(qū)動接口設(shè)計(jì)光電耦合器的兩個(gè)參數(shù)：電流傳輸比CTR與時(shí)間延遲 電流傳輸比是指光電晶體管的集電極電流IC與發(fā)光

18、二極管的電流 If 之比，不同結(jié)構(gòu)的光電耦合器的電流傳輸比相差很大，比如輸出端是單個(gè)晶體管的光電耦合器4N25的電流傳輸比CTR20，而輸出端使用達(dá)林頓管的光電耦合器4N33的電流傳輸比CTR 500。電流傳輸比受發(fā)光二極管的工作電流 If 影響，當(dāng)If為1020mA時(shí)，電流傳輸比最大。另外，工作溫度升高時(shí)電流傳輸比也會下降。 時(shí)間延遲是指光電耦合器在傳輸脈沖信號時(shí)，輸出信號與輸入信號間的延遲時(shí)間。（二）光電耦合器驅(qū)動接口設(shè)計(jì)（二）光電耦合器驅(qū)動接口設(shè)計(jì)v 晶閘管輸出型光電耦合器的輸出端是光敏晶閘管或光敏雙向晶閘管。光電耦合器的輸入端有一定的電流流入時(shí)，晶閘管即導(dǎo)通，有的光電耦合器的輸出端還配

19、有過零檢測電路，用于控制晶閘管過零觸發(fā)，以減少用電設(shè)備在啟動時(shí)對電網(wǎng)造成的沖擊（以避免帶負(fù)載啟動對電網(wǎng)造成的沖擊）。v 4N40是常用的單向晶閘管輸出型光電耦合器。當(dāng)輸入端有1530mA電流時(shí)，輸出端的晶閘管導(dǎo)通。輸出端的額定電壓為400V，額定電流有效值為300mA。v MOC3041是常用的雙向晶閘管輸出的光電耦合器，內(nèi)部帶過零觸發(fā)電路，輸入端控制電流為15mA，輸出端額定電壓為400V，最大重復(fù)浪涌電流為1A。3. 3. 晶閘管輸出型光電耦合器驅(qū)動接口設(shè)計(jì)晶閘管輸出型光電耦合器驅(qū)動接口設(shè)計(jì) (三)繼電器和接觸器驅(qū)動接口設(shè)計(jì)v 繼電器、接觸器按所用驅(qū)動電源不同，有直流型和交流型之分，工作電壓一般比較高，因此從計(jì)算機(jī)輸出的控制信號需要經(jīng)過驅(qū)動電路進(jìn)行轉(zhuǎn)換，使輸出的驅(qū)動電壓和電流能夠適應(yīng)繼電器或接觸器線圈的要求。v 由于繼電器和接觸器的線圈為感性負(fù)載，在斷電瞬間會生成反電動勢，所以設(shè)計(jì)驅(qū)動接口時(shí)應(yīng)注意功率半導(dǎo)體器件如晶體管、晶