Interfațarea de ieșire a circuitelor electronice, PIC-urilor și microcontrolerelor le permite să controleze lumea reală, făcând lucrurile să se miște sau să lumineze.

Așa cum am văzut în Circuite de interfață de intrare, un circuit de interfață permite unui tip de circuit să fie conectat la un alt tip de circuit care poate avea valori diferite de tensiune sau curent.

Dar, la fel ca la interfațarea cu dispozitivele de intrare, cum ar fi comutatoarele și senzorii, putem interfața cu dispozitivele de ieșire, cum ar fi releele, solenoizii magnetici și luminile. Atunci, interfațarea dispozitivelor de ieșire cu circuitele electronice este cunoscută în mod obișnuit ca: Interfațare de ieșire.

Interfațarea de ieșire a circuitelor electronice și a microcontrolerelor le permite să controleze lumea reală făcând lucrurile să se deplaseze, de exemplu, motoare sau brațe ale roboților etc. Dar circuitele de interfațare a ieșirii pot fi, de asemenea, utilizate pentru a comuta lucruri ON sau OFF, cum ar fi indicatoare sau lumini. Atunci circuitele de interfață de ieșire pot avea o ieșire digitală sau un semnal analogic de ieșire.

Deși circuitele de interfață de intrare sunt proiectate să accepte diferite nivele de tensiune de la diferite tipuri de senzori, circuitele de interfață de ieșire sunt necesare pentru a produce capacități de comandă curenți mai mari și/sau ni-vele de tensiune mai mari. Nivelele de tensiune ale semnalelor de ieșire pot fi mărite prin furnizarea de configurații de ieșire cu open-collector (sau cu open-drenă). Acesta este terminalul colector al unui tranzistor (sau terminalul drenă al unui MOSFET) și este, în mod normal, conectat la sarcină.

Etajele de ieșire ale aproape tuturor microcontrolerelor, circuitelor logice PIC sau digitale pot să consume sau să furnizeze cantități utile de curent de ieșire pentru comutarea și controlul unei game largi de dispozitive de interfață de ieșire pentru a controla lumea reală. Când vorbim despre curenți consumați sau furnizați, interfața de ieșire poate fie "da" (source) un curent de comutare, fie "absorbi" (sink) un curent de comutare. Ceea ce înseamnă că, în funcție de modul în care sarcina este conectată la interfața de ieșire, o ieșire HIGH sau LOW o va activa.

Poate că cele mai simple dintre toate dispozitivele de interfață de ieșire sunt cele folosite pentru a produce lumină fie ca un singur indicator ON/OFF, fie ca parte a unui afișaj cu mai multe segmente sau grafic de bare. Dar, spre deosebire de un bec normal care poate fi conectat direct la ieșirea unui circuit, LED-urile fiind diode, necesită un rezistor serie pentru a limita curentul lor direct.

Circuite de interfațare a ieșirii

Diodele emițătoare de lumină, sau LED-uri pe scurt, reprezintă o alegere excelentă, de putere mică, ca dispozitiv de ieșire pentru multe circuite electronice, deoarece acestea pot fi utilizate pentru a înlocui becurile cu filament de mare putere și temperatură înaltă ca indicatoare de stare. Un LED este în mod obișnuit comandat de o sursă de alimentare de joasă tensiune și de curent mic, ceea ce le face o componentă foarte atractivă pentru utilizarea în circuite digitale. De asemenea, fiind un dispozitiv solid-state, ele pot avea o speranță de viață operațională de peste 100.000 de ore de funcționare, făcându-le o componentă excelentă de fixare și uitare.

Circuit de interfață cu un LED

Un LED este un dispozitiv semiconductor unidirecțional care, dacă este polarizat direct, iar catodul său (K) este suficient de negativ în raport cu anodul său (A), poate produce la ieșire o gamă întreagă de lumini colorate și luminozități.

În funcție de materialele semiconductoare utilizate pentru a construi joncțiunea pn a LED-urilor, se va determina culoarea luminii emise și tensiunea lor directă. Cele mai frecvente culori LED sunt lumina roșie, verde, chihlimbar sau galben.

Spre deosebire de o diodă de semnal convențională care are o cădere de tensiune directă de aproximativ 0,7 V pentru siliciu sau aprox. 0,3 V pentru germaniu, un LED are o cădere de tensiune directă mai mare. Dar atunci când este polarizată direct produce lumină vizibilă.

Un LED tipic, atunci când este iluminat, poate avea o cădere constantă a tensiunii directe VLED de circa 1,2 până la 1,6 volți și intensitatea luminii variază direct cu curentul direct prin LED. Dar, deoarece LED-ul este efectiv o "diodă" (simbolul săgeții seamănă cu o diodă, dar cu mici săgeți lângă simbolul LED-ului pentru a indica faptul că emite lumină), are nevoie de un rezistor de limitare a curentului, pentru a preveni scurtcircuitarea alimentării când este polarizată direct.

LED-urile pot fi comandate direct de la cele mai multe porturi de interfață de ieșire, deoarece LED-urile standard pot funcționa cu curenți direcți între 5 mA și 25 mA. Un LED tipic colorat necesită un curent direct de aproximativ 10 mA pentru a oferi un afișaj cu luminozitate rezonabilă. Deci, să presupunem că un LED roșu are o cădere de tensiune directă când este iluminat de 1,6 volți și va fi operat de portul de ieșire al unui microcontroler de 5 volți care furnizează 10 mA. Atunci, valoarea rezistorului serie de limitare curent RS necesar, se calculează astfel:

Dar, în valorile standard E24 (toleranță 5%) nu există nici un rezistor de 340 Ω, astfel încât trebuie aleasă valoarea cea mai apropiată, de 330 Ω sau 360 Ω. În realitate, în funcție de tensiunea de alimentare (VS) și de curentul direct necesar (IF), orice valoare de rezistor serie între 150 Ω și 750 Ω ar funcționa perfect bine.

Rețineți că fiind un circuit serie, nu contează în ce mod sunt conectați rezistorul și LED-ul. Dar, fiind unidirecțional, LED-ul trebuie să fie conectat în mod corect. Dacă conectați LED-ul în mod greșit, acesta nu va fi deteriorat, pur și simplu nu se va aprinde.

Circuit cu interfațare multi LED

Pe lângă folosirea unor LED-uri singulare (sau lămpi) pentru circuite de interfață de ieșire, putem conecta împreună două sau mai multe LED-uri și le putem alimenta de la aceeași tensiune de ieșire pentru a fi utilizate în circuitele și afișajele optoelectronice.

Conectarea împreună a două sau mai multor LED-uri în serie nu diferă de utilizarea unui singur LED, dar de data aceasta trebuie să ținem seama de căderile de tensiune suplimentare, VLED, ale LED -urilor suplimentare din combinația serie.

De exemplu, am spus că tensiunea directă pe LED a fost de 1,6 V. Dacă vom folosi trei LED-uri în serie, atunci căderea totală de tensiune pe toate cele trei ar fi de 4,8 (3 x 1,6) V. Alimentarea noastră de 5 V ar putea fi folosită, dar ar fi mai bine să folosiți o sursă mai mare, de 6 V sau 9 V, ca să alimentați cele trei LED-uri.

Presupunând o sursă de 9,0 V la 10 mA (ca mai sus), valoarea rezistorului serie de limitare a curentului RS este calculată astfel: RS = (9 - 4,8)/10 mA = 420 Ω. Din nou, în seria E24 (5%) a valorilor rezistoarelor, nu există nici un rezistor de 420 Ω, astfel încât valoarea cea mai apropiată aleasă este 430 Ω.

Fiind dispozitive de joasă tensiune, de curent mic, LED-urile sunt ideale ca indicatoare de stare care pot fi comandate direct din porturile de ieșire ale microcontrolerului și ale porților sau sistemelor logice digitale. Porturile microcontroler și porțile logice TTL au capacitatea fie de a consuma, fie de a furniza curent și, prin urmare, pot lumina un LED fie prin împământarea catodului (dacă anodul este legat la + 5V), fie prin aplicarea + 5V la anod (dacă catodul este legat la masă) printr-un rezistor serie adecvat, așa cum se arată mai jos.

Ieșire digitală interfațând un LED

Circuitele de interfață de ieșire de mai sus funcționează bine pentru unul sau mai multe LED-uri de serie sau pentru orice alt dispozitiv ale cărui cerințe de curent sunt mai mici de 25 mA (curentul maxim direct al LED). Dar ce se întâmplă dacă curentul de ieșire este insuficient pentru a funcționa un LED sau dacă dorim să operăm sau să comutăm o sarcină cu o tensiune mai mare sau o putere mai mare, cum ar fi o lampă cu incandescență de 12V. Răspunsul este să utilizați un dispozitiv suplimentar de comutare, cum ar fi tranzistor, MOSFET sau releu, ca mai jos.

Interfațare de ieșire cu sarcini de curent mare

Dispozitivele comune de interfață de ieșire, cum ar fi motoarele, solenoizii și lămpile, necesită curenți mari, astfel că ele sunt cel mai bine controlate sau comandate de un comutator cu tranzistor, așa cum se arată. În acest fel, sarcina (lampa sau motorul) nu poate supraîncărca circuitul de ieșire al interfeței de comutare sau al controlerului.

Comutatoarele cu tranzistor sunt foarte frecvente și foarte utile pentru comutarea sarcinilor de mare putere sau pentru interfața de ieșire a diferitelor surse de alimentare. De asemenea, ele pot fi comutate "ON" și "OFF" de câteva ori pe secundă, dacă este necesar, ca în circuitele PWM (modulația lățimii impulsului). Dar există câteva lucruri pe care trebuie să le considerăm despre utilizarea tranzistorului ca întrerupătoare.

Curentul care circulă în joncțiunea bază-emitor este utilizat pentru a controla curentul mai mare care curge de la colector la emitor. Prin urmare, dacă nu curge curent în terminalul bază, atunci nu curge curent de la colector la emitor (sau prin sarcina conectată la colector), atunci se spune că tranzistorul este complet oprit (cut-off).

Comutând tranzistorul complet-ON (saturație), comutatorul tranzistor funcționează efectiv ca un comutator închis, adică tensiunea de colector este aceeași ca și tensiunea emitorului său. Dar, fiind un dispozitiv solid-state, chiar și când este saturat, va exista întotdeauna o cădere mică de tensiune pe terminalele tranzistorilor, denumită VCE(SAT). Această tensiune variază de la aproximativ 0,1 până la 0,5 V în funcție de tranzistor.

Pe măsură ce tranzistorul va fi comutat complet, rezistența de sarcină va limita curentul de colector al tranzistorului IC la curentul solicitat de sarcină (în cazul nostru, curentul prin lampă). Dar, prea mult curent de bază poate supraîncălzi și deteriora tranzistorul. Prin urmare, un rezistor este necesar pentru a limita curentul de bază IB.

Circuitul de interfață de ieșire care utilizează un singur tranzistor de comutare pentru a controla o sarcină este arătat mai jos. Rețineți că este uzual să conectați o diodă free-wheeling, cunoscută și sub numele de diodă flywheel sau diodă de tăiere a tensiunii inverse (de autoinducție), cum ar fi un 1N4001 sau 1N4148, pentru a proteja tranzistorul de orice tensiune inversă, generată în sarcini inductive cum ar fi relee, motoare și solenoizi, etc. atunci când curentul lor este oprit de către tranzistor.

Circuit de comutare cu tranzistor

Să presupunem că dorim să controlăm funcționarea unei lămpi cu incandescență de 5 wați conectată la o sursă de 12 volți utilizând ieșirea unei porți logice digitală TTL 5,0 V printr-un circuit de comutare cu tranzistor ca interfață de ieșire adecvată. Dacă câștigul de curent DC, (raportul dintre curentul de colector - ieșire - și curentul de bază - intrare), beta (β) tranzistorului este 100 (puteți găsi această valoare Beta sau hFE din foaia de date a tranzistorului pe care îl utilizați) și tensiunea sa de saturație VCE când este complet ON este de 0,3 volți, care va fi valoarea rezistorului de bază RB, necesar pentru a limita curentul de colector?

Curentul de colector al tranzistorului, IC, va fi aceeași valoare cu a curentului care trece prin lampa cu filament. Dacă puterea nominală a lămpii este de 5 wați, curentul, atunci când este complet deschis, va fi:

Deoarece IC este egal cu curentul lămpii (sarcină), curentul de bază al tranzistorului va fi raportat la câștigul de curent al tranzistorului ca IB = IC/β. Câștigul de curent a fost dat ca: β = 100, prin urmare, curentul minim de bază IB (MIN) se calculează astfel:

După ce am găsit valoarea curentului de bază cerut, trebuie să calculăm valoarea maximă a rezistorului de bază, RB(MAX). Baza tranzistorului trebuia să fie controlată de la tensiunea de ieșire de 5,0 V (Vo) a unei porți logice digitale. Dacă tensiunea de polarizare directă bază-emitor este de 0,7 V, valoarea lui RB se calculează astfel:

Deci, atunci când semnalul de ieșire de la poarta logică este LOW (0V), nu curge curent de bază și tranzistorul este complet off, și nu trece curent prin rezistorul de 1 kΩ. Când semnalul de ieșire de la poarta logică este HIGH (+ 5V), curentul de bază este de 4,27 mA și deschide tranzistorul punând 11,7 V pe lampa cu filament. Rezistorul de bază RB va disipa mai puțin de 18 mW atunci când conduce 4,27 mA, deci un rezistor de 1/4W va fi suficient.

Rețineți că, atunci când se utilizează un tranzistor ca un comutator într-un circuit de interfațare ieșire, o regulă bună este de a alege o valoare a rezistorului de bază RB astfel încât curentul de comandă a bazei IB să fie de aproximativ 5% sau chiar 10% din curentul de sarcină necesar IC pentru a ține tranzistorul bine în regiunea sa de saturație, reducând astfel VCE și pierderea de putere.

Pentru a calcula mai repede valorile rezistorului și pentru a reduce puțin matematica, ați putea ignora căderea de ten-siune de 0,1 la 0,5 V pe joncțiunea colector-emitor și 0,7 V pe joncțiunea bază-emitor. Valoarea aproximativă rezultată va fi, în orice caz, suficient de apropiată de valoarea reală calculată.

Circuitele de comutare cu un singur tranzistor de putere sunt foarte utile pentru controlul dispozitivelor de mică putere, cum ar fi lămpile cu filament sau pentru releele de comutare care pot fi utilizate pentru a comuta dispozitive de putere mult mai mari, de exemplu motoare și solenoizi.

Dar releele sunt dispozitive electromecanice mari, voluminoase, care pot fi costisitoare sau pot ocupa o mulțime de spațiu pe o placă de circuite atunci când sunt utilizate pentru a realiza interfața cu un microcontroler cu 8 porturi, de exemplu.

O modalitate de a trece peste acest lucru și de a comuta dispozitive de curent mare direct de la pinii de ieșire ai unui microcontroler, PIC sau circuit digital, este de a utiliza o configurație pereche Darlington formată din două tranzistoare.

Unul dintre principalele dezavantaje ale tranzistoarelor de putere, atunci când sunt utilizate ca dispozitive de interfață de ieșire, este câștigul lor de curent (β), în special la comutarea curenților mari, care este prea mic, până la 10. Pentru a depăși această problemă și pentru a reduce valoarea curentului de bază necesar se utilizează două tranzistoare într-o configurație Darlington.

Configurația tranzistorului Darlington

Configurațiile de tranzistor Darlington pot fi realizate din două tranzistoare NPN sau două PNP conectate împreună sau ca un dispozitiv Darlington gata făcut, cum ar fi 2N6045 sau TIP100 care integrează atât tranzistoare, cât și unele rezistoare, pentru a ajuta la oprirea rapidă, într-o singură carcasă TO- 220 pentru aplicații de comutare.

În această configurație Darlington, tranzistorul TR1 este tranzistorul de comandă și este utilizat pentru a controla conducția tranzistorului de putere TR2. Semnalul de intrare aplicat la baza tranzistorului TR1 controlează curentul de bază al tranzistorului TR2. Aranjamentul Darlington, fie ca tranzistori individuali, fie ca un singur pachet are aceleași trei terminale: Emitor (E), Bază ( B) și Colector (C).

Configurațiile Darlington pot avea câștiguri de curent DC (adică raportul dintre curentul de colector (ieșire) și curentul de bază (de intrare) de câteva sute până la câteva mii, în funcție de tranzistoarele utilizate. Atunci, ar fi posibil să se controleze, exemplul lămpii cu filament de mai sus, cu un curent de bază de numai câțiva micro-amperi, (μA) curentul de colector, β1IB1 al primului tranzistor devenind curentul de bază al celui de-al doilea tranzistor.

Atunci câștigul de curent al TR2 va fi β1β2IB1, deoarece cele două câștiguri se înmulțesc împreună ca βT = β1×β2. Cu alte cuvinte, o pereche de tranzistoare bipolare combinate pentru a realiza o singură pereche de tranzistori Darlington va avea câștigurile lor înmulțite împreună.

Deci, prin alegerea unor tranzistoare bipolare adecvate și cu polarizarea corectă, configurația Darlington cu emitor dublu poate fi privită ca un singur tranzistor cu o valoare foarte mare a lui β și, prin urmare, o impedanță de intrare mare de mii de ohmi.

Din fericire pentru noi, cineva a pus deja mai multe configurații de tranzistor Darlington într-un singur pachet IC cu 16 pini, ceea ce ne ușurează să realizăm o interfață de ieșire pentru o gamă întreagă de dispozitive.

Matricea cu tranzistoare Darlington ULN2003A

ULN2003A este o matrice de tranzistoare Darlington unipolari ieftină, cu eficiență ridicată și consum redus de energie, ceea ce face circuitul de interfață de ieșire extrem de util să comande o gamă largă de sarcini, incluzând solenoizi, relee pentru motor DC și afișaje LED sau lămpi cu filament direct din porturile microcontrolerelor, circuite PIC sau digitale.

Familia matricelor Darlington constă din ULN2002A, ULN2003A și ULN2004A care sunt toate matrici de înaltă tensiune și curenți mari Darlington, conținând fiecare câte șapte perechi de Darlington open-collector, într-un singur pachet IC. Driverul Darlington ULN2803 conține opt perechi Darlington în loc de șapte.

Fiecare canal izolat al matricei este evaluat la 500 mA și poate rezista la curenți de vârf de până la 600 mA, ceea ce îl face ideal pentru controlul motoarelor mici sau a lămpilor sau a porților și a bazelor de tranzistoare de mare putere. Sunt incluse diode suplimentare de suprimare pentru comanda sarcinii inductive și intrările sunt fixate opus ieșirilor pentru a simplifica conexiunile și aspectul plăcii.

Matricea de tranzistoare Darlington ULN2003A

Driverul Darlington ULN2003A are o impedanță de intrare extrem de ridicată și câștig de curent ce poate fi comandat direct fie de la o poartă logică TTL, sau +5V CMOS. Pentru logica +15V CMOS folosiți ULN2004A și pentru tensiuni de comutare mai mari de până la 100 V este mai bine să folosiți matricea Darlington SN75468.

Dacă este necesară mai multă capacitate de comutare a curentului, atunci ambele intrări și ieșiri de perechi Darlington pot fi legate în paralel. De exemplu, pinii de intrare 1 și 2 conectați împreună și pinii de ieșire 16 și 15 conectați împreună pentru a comuta sarcina.

Circuite de interfațare cu MOSFET de putere

Pe lângă utilizarea tranzistorilor unici sau a perechilor Darlington, MOSFET-urile de putere pot fi utilizați pentru a comuta dispozitive de putere medie. Spre deosebire de tranzistorul cu joncțiune bipolară, BJT care necesită un curent de bază pentru a comanda tranzistorul în saturație, comutatorul MOSFET nu are practic curent, deoarece terminalul poartă este izolat de canalul principal de transport al curentului.

Circuit de comutare cu MOSFET

MOSFET-ul de putere canal-N, enhancement-mode (normal-off)(eMOSFET), cu o tensiune prag pozitivă și o impedanță de intrare extrem de ridicată, îl fac un dispozitiv ideal pentru a interfața direct cu microcontrolere, circuite PIC și circuite logice digitale care sunt capabile de a produce o ieșire pozitivă, cum se arată.

Comutatoarele MOSFET sunt controlate de un semnal de intrare pe poartă (G) și datorită unei rezistențe de intrare extrem de mari a MOSFET, putem pune în paralel, aproape fără limită, multe MOSFET-uri de putere până când obținem capacitatea dorită pentru sarcina conectată.

In MOSFET tip enhancement, canal-N, dispozitivul este cut-off (Vgs = 0) și canalul este închis (DS) acționând ca un comutator normal deschis. Când este aplicată o tensiune de polarizare pozitivă pe poartă, curentul curge prin canal. Volumul de curent depinde de tensiunea de polarizare pe poartă, Vgs. Cu alte cuvinte, pentru a opera MOSFET în regiunea sa de saturație, tensiunea poartă-sursă trebuie să fie suficientă pentru a menține canalul (DS) necesar pentru curentul de sarcină.

eMOSFETS cu canal-N este comandat de o tensiune aplicată între poartă și sursă, adăugarea unei diodă zener pe joncțiunea poartă-sursă a MOSFET, cum se arată, servește la protejarea tranzistorului de tensiuni de intrare excesive pozitive sau negative cum ar fi cele, de exemplu, generate de o ieșire de comparator op-amp saturată. Zener-ul fixează tensiunea pozitivă a porții și acționează ca o diodă convențională care începe să conducă odată ce tensiune porții ajunge la -0,7 V, menținând terminalul poartă departe de limita de tensiune inversă de distrugere.

MOSFET-uri și porți cu open-collector

Interfațarea ieșirii cu un MOSFET de putere de la TTL prezintă o problemă atunci când folosim porți și drivere cu ieșiri open-collector deoarece poarta logică nu ne dă întotdeauna ieșirea VGS necesară. O modalitate de a rezolva problema este de a folosi un rezistor pull-up, așa cum este arătat.

Rezistența pull-up este conectată între șina de alimentare TTL și ieșirea porții logice care este conectată la borna porții MOSFET. Atunci când ieșirea logică TTL este la nivelul logic "0" (LOW), MOSFET-ul este "OFF" și atunci când ieșirea logică a porților este la nivelul logic "1" (HIGH), rezistorul trage tensiunea de poartă la șina de +5 V.

Cu acest aranjament de rezistor pull-up, putem comuta complet MOSFET-ul "ON" prin legarea tensiunii de poartă la șina superioară de alimentare, așa cum se arată.

Motoare de interfațare a ieșirii

Un dispozitiv comun de ieșire este motorul DC care creează o mișcare de rotație. Există sute de moduri în care motoarele și motoarele pas cu pas pot fi interfațate cu microcontrolere, circuite PIC și circuite digitale utilizând un singur tranzistor, tranzistor Darlington sau MOSFET.

Problema este că motoarele sunt dispozitive electromecanice care utilizează câmpuri magnetice, perii și bobine pentru a crea mișcarea de rotație și, din acest motiv, motoarele și, în special, jucăriile ieftine sau motoarele ventilatorului de calculator generează o mulțime de "zgomote electrice" și "vârfuri de tensiune" poate pot deteriora tranzistorul de comutare.

Acest zgomot electric generat de motor și supratensiune pot fi reduse prin conectarea unei diode freewheel sau a unui condensator de suprimare nepolarizat pe terminalele motoarelor. Dar un mod simplu de a împiedica zgomotul electric și tensiunea inversă să afecteze comutatoarele cu tranzistor semiconductor sau porturile de ieșire ale microcontrolerelor este de a folosi surse separate de alimentare pentru comandă și motor printr-un releu adecvat.

O schemă de conectare tipică pentru interfața de ieșire a unui releu electromecanic cu un motor DC este prezentată mai jos.

Comanda ON/OFF a motorului DC

Tranzistorul NPN este folosit ca un comutator ON-OFF pentru a furniza curentul dorit la bobina releului. Este necesară o diodă freewheeling, la fel ca cea de mai sus, deoarece curentul care trece prin bobina inductivă atunci când este deconectat nu poate fi redus instantaneu la zero. Când intrarea în bază este setată HIGH, tranzistorul este comutat "ON". Curentul curge prin bobina releului și contactele acestuia se închid, comandând motorul.

Când intrarea pe baza tranzistorului este LOW, tranzistorul este comutat "OFF" și motorul se oprește deoarece contactele releului sunt acum deschise. Orice emf inversă, generată de dezactivarea bobinei, curge prin dioda freewheeling și încetinește lent la zero, prevenind deteriorarea tranzistorului. De asemenea, tranzistorul (sau MOSFET) este izolat și neafectat de orice zgomot sau vârfuri de tensiune generate de funcționarea motorului.

Am văzut că un motor DC poate fi pornit și oprit utilizând o pereche de contacte releu între motor și sursa de alimentare. Dar dacă vrem ca motorul să se rotească în ambele direcții, pentru a fi utilizat într-un robot sau într-o altă formă de proiect motorizat, motorul poate fi controlat folosind două relee, așa cum se arată.

Controlul motorului DC reversibil

Direcția de rotație a motorului DC poate fi inversată prin schimbarea polarității conexiunilor sale de alimentare. Prin utilizarea a două comutatoare cu tranzistor, direcția de rotație a motoarelor poate fi controlată prin intermediul a două relee, fiecare cu un singur contact (SPDT) conectat pentru alimentare de la o singură sursă de tensiune. Prin acționarea unuia dintre comutatoarele cu tranzistor la un moment dat, motorul poate fi rotit în orice direcție (înainte sau înapoi).

În timp ce interfața de ieșire a motoarelor prin relee ne permite să le pornim și să le oprim sau să controlăm direcția de rotație, utilizarea releelor ​​ne împiedică să controlăm viteza de rotație, deoarece contactele releelor ​​vor fi deschise și închise continuu.

Totuși, o viteză de rotație a motorului DC este proporțională cu valoarea tensiunii de alimentare. O turație a motorului DC poate fi controlată fie prin reglarea valorii medii a tensiunii de alimentare DC, fie prin utilizarea modulației lățimii impulsului. Aceasta se face prin modificarea raportului mark-space al tensiunii de alimentare de la 5% până la peste 95%, iar multe controlere în punte-H ale motoarelor fac acest lucru.

Interfața de ieșire a sarcinilor conectate la rețea

Am văzut că releele pot izola electric un circuit de la altul, adică permit unui circuit de putere mai mică să controleze un alt circuit de putere mai mare. Releele asigură, de asemenea, protecția circuitului mai mic de zgomotul electric, vârfuri de tensiune și tranzitorii care ar putea deteriora dispozitivul delicat de comutare cu semiconductori.

Dar releele permit interfața de ieșire a circuitelor cu diferite tensiuni și mase, cum ar fi cele între un microcontroler de 5 volți sau PIC și alimentarea cu tensiune de rețea. Dar, pe lângă utilizarea comutatoarelor și releelor cu ​​tranzistor (sau MOSFET) pentru a controla dispozitivele alimentate de la rețea, cum ar fi motoarele AC, lămpile de 100 W sau încălzitoarele, le putem controla și cu ajutorul optoizolatoarelor și dispozitivelor electronice de putere.

Principalul avantaj al optoizolatorului este acela că asigură un grad ridicat de izolare electrică între bornele sale de intrare și ieșire, deoarece este cuplat optic și ca atare necesită o tensiune și un curent minime de intrare (de obicei numai 5 mA). Acest lucru înseamnă că optoizolatoarele pot fi ușor interfațate de un port de microcontroler sau de un circuit digital care oferă suficiente capabilități de comandă LED la ieșirea sa.

Schema de bază a unui optoizolator constă într-un LED care produce lumină infraroșie și un dispozitiv fotosensibil semiconductor care este utilizat pentru detectarea fasciculului infraroșu emis. Atât dispozitivul LED, cât și cel fotosensibil, care poate fi un singur fototranzistor, foto-darlington sau un foto-triac, sunt închise într-un corp sau un pachet ușor etanș, cu terminale metalice pentru conexiunile electrice, așa cum se arată mai jos.

Diferite tipuri de opto-izolator

Deoarece intrarea este un LED, valoarea rezistorului serie RS necesară pentru a limita curentul LED poate fi calculată la fel ca mai sus. LED-urile a două sau mai multe optoizolatoare pot fi conectate împreună în serie pentru a controla mai multe dispozitive de ieșire în același timp.

Dispozitivele opto-triac permit controlul echipamentelor AC și al lămpilor alimentate de la rețea. Triacurile opto-cuplate, cum ar fi MOC 3020, au valori de tensiune de aproximativ 400 de volți, făcându-le ideale pentru conectarea directă la rețea și un curent maxim de aproximativ 100 mA. Pentru sarcini cu putere mai mare, opto-triac-ul poate fi utilizat pentru a furniza impulsul de poartă la un triac mai mare printr-un rezistor de limitare a curentului, ca mai jos.

Releu Solid-state

Acest tip de configurație a optocuplorului formează baza unei aplicații foarte simple a releului solid-state, care poate fi utilizată pentru a controla orice sarcină alimentată de la rețeaua de curent alternativ, cum ar fi lămpile și motoarele, direct de la interfața de ieșire a unui microcontroler, a unui PIC sau a unui circuit digital.

Rezumat pentru interfațare de ieșire

Sistemele de control software solid-state care utilizează microcontrolere, PIC-uri, circuite digitale și alte astfel de sisteme bazate pe microprocesoare, trebuie să fie capabile să se conecteze la lumea reală pentru a controla motoare sau pentru a comuta indicatoare și lămpi LED, ON sau OFF și am văzut că diferite tipuri de circuite de interfațare a ieșirii pot fi utilizate în acest scop.

De departe, cel mai simplu circuit de interfață este acela al unei diode emițătoare de lumină sau LED care acționează ca un indicator ON/OFF simplu. Dar folosind circuite de interfațare cu tranzistor standard sau MOSFET ca comutatoare solid-state putem controla un curent mult mai mare, chiar dacă pinii de ieșire ai regulatorului pot furniza (sau pot consuma) numai o cantitate foarte mică de curent. În mod obișnuit, pentru multe controlere, circuitul lor de interfață de ieșire poate fi o ieșire de consumare a curentului în care sarcina este în general conectată între tensiunea de alimentare și borna de ieșire a dispozitivului de comutare.

Dacă, de exemplu, dorim să controlăm un număr de dispozitive de ieșire diferite într-un proiect sau într-o aplicație robotică, atunci poate fi mai convenabil să utilizați un IC driver Darlington ULN2003, care constă din mai multe comutatoare tranzistor într-un singur pachet. Sau dacă dorim să controlăm un actuator AC, putem interfața ieșirea cu un releu sau opto-izolator (optocuplor).

Putem vedea că atât circuitele de interfațare de intrare cât și de ieșire oferă proiectantului sau studentului de electronică flexibilitatea de a folosi sisteme software de semnal mic sau bazate pe microprocesoare, capacitatea de a controla și comunica cu lumea reală prin porturile de intrare/ieșire fie că este vorba despre un proiect de școală mic sau o aplicație industrială mare.