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1、开关量输出通道第1页，本讲稿共28页 一一.开关量输出通道的结构与特点开关量输出通道的结构与特点开关量输出通道一般结构如下图所示：开关量输出通道一般结构如下图所示：1)1)输出锁存输出锁存:当对生产过程进行控制时，控制量往往需当对生产过程进行控制时，控制量往往需要保持，直到输出新的控制量，所要保持，直到输出新的控制量，所以，每次输出的控制量就需要保存（锁存）。输出锁存器可以，每次输出的控制量就需要保存（锁存）。输出锁存器可用可编程接口电路用可编程接口电路82558255，也可用简单接口电路如，也可用简单接口电路如244244，273273，373373等来实现。等来实现。第2页，本讲稿共28页
2、2)2)数字隔离数字隔离:在输出通道中，为防止现场强电磁干扰或工频电压通过输在输出通道中，为防止现场强电磁干扰或工频电压通过输出通道反串到出通道反串到CPUCPU系统中，一般需要采用通道隔离技术。（光系统中，一般需要采用通道隔离技术。（光-电隔离技术）电隔离技术）使用光电隔离器时，要注意以下使用光电隔离器时，要注意以下4 4点：点：第3页，本讲稿共28页当光电隔离器导通时，必须输入足够大的导通电流，当光电隔离器导通时，必须输入足够大的导通电流，使发光二极管发出的光使输出端动作。使发光二极管发出的光使输出端动作。光电隔离器只能通过一定频率以下的脉冲信号。因此，光电隔离器只能通过一定频率以下的脉冲
3、信号。因此，在高频信号传输中要选择通过频率比较高的光电隔离器在高频信号传输中要选择通过频率比较高的光电隔离器光电隔离器输出端的灌电流不能太大，否则可能使输光电隔离器输出端的灌电流不能太大，否则可能使输出端击穿，导致光电隔离器的损坏，因而在光电隔离出端击穿，导致光电隔离器的损坏，因而在光电隔离器与被控对象之间要加驱动电路。器与被控对象之间要加驱动电路。利用光电隔离器实现控制通道的隔离时，用于驱动发光利用光电隔离器实现控制通道的隔离时，用于驱动发光二极管的电源与驱动光敏管的电源不应是共地的电源，二极管的电源与驱动光敏管的电源不应是共地的电源，否则外部干扰可能通过地线串到否则外部干扰可能通过地线串到
4、CPU中去，这样就失去中去，这样就失去了隔离作用。了隔离作用。解决的方法有两个：即在光电隔离的两侧分别使用不同的电解决的方法有两个：即在光电隔离的两侧分别使用不同的电源，也可用源，也可用DC-DC变换的方法往输出端提供一个与光隔输入变换的方法往输出端提供一个与光隔输入端隔离的电源。端隔离的电源。第4页，本讲稿共28页3)3)输出驱动输出驱动:要把计算机输出的微弱数字信号转换成能对生产过程要把计算机输出的微弱数字信号转换成能对生产过程进行控制的驱动信号，关键在于输出通道中的功率驱进行控制的驱动信号，关键在于输出通道中的功率驱动电路。动电路。根据现场开关器件功率的不同，可有多种数字量驱动电根据现场
5、开关器件功率的不同，可有多种数字量驱动电路的构成方式。路的构成方式。第5页，本讲稿共28页总的来看输出通道的特点总的来看输出通道的特点1)1)小信号输出，大功率控制。小信号输出，大功率控制。2)D/A2)D/A转换。转换。3)3)输出通道距干扰源近，干扰大输出通道距干扰源近，干扰大。第6页，本讲稿共28页 二二.数字隔离器件数字隔离器件1.1.光耦合隔离器件（小功率驱动接口）光耦合隔离器件（小功率驱动接口）1 1）电路原理）电路原理光耦合器件是一种常用的以光为媒介传输信号的电光耦合器件是一种常用的以光为媒介传输信号的电路，如下图所示：路，如下图所示：第7页，本讲稿共28页图（图（a a）是它的
6、结构，图中发光二极管和光敏三极管封）是它的结构，图中发光二极管和光敏三极管封装在同一个管壳内，发光二极管的作用是将电信号变装在同一个管壳内，发光二极管的作用是将电信号变为光信号，光敏三极管接收光信号，再将它转变为电为光信号，光敏三极管接收光信号，再将它转变为电信号。图（信号。图（b b）是它的）是它的输入特性。输入特性。图（）是它的输出特性。（伏安特性）图（）是它的输出特性。（伏安特性）第8页，本讲稿共28页2 2）光耦合器件特点：光耦合器件特点：输出信号与输入信号没有公共地输出信号与输入信号没有公共地,在电气上完全隔离在电气上完全隔离.无触点，寿命长，可靠性高。无触点，寿命长，可靠性高。响应
7、速度快，易与响应速度快，易与TTLTTL电路配合使用电路配合使用。3）光耦合器驱动接口光耦合器驱动接口光耦合器4N25的接口电路第9页，本讲稿共28页2.2.电磁电磁继电器隔离器件（中功率驱动接口）继电器隔离器件（中功率驱动接口）1 1）电路原理）电路原理继电器工作原理图继电器工作原理图继电器隔离器件主要是采用电磁式继电器组成的电路来完成。继电器隔离器件主要是采用电磁式继电器组成的电路来完成。它是由小电流的通断控制大电流的通断的常用的开关控制器件。它是由小电流的通断控制大电流的通断的常用的开关控制器件。当它的电磁线圈当它的电磁线圈Y通过一定数值的电流时，使输出回路中的常通过一定数值的电流时，使
8、输出回路中的常开触点闭合，常闭触点打开。开触点闭合，常闭触点打开。Y Y第10页，本讲稿共28页2 2）电磁继电器的接口电路）电磁继电器的接口电路继电器动作时，对电源有一定的干扰，为了提高单片继电器动作时，对电源有一定的干扰，为了提高单片机系统的可靠性，在单片机和继电器、接触器之间都机系统的可靠性，在单片机和继电器、接触器之间都用光耦合器隔离。用光耦合器隔离。直流继电器接口直流继电器接口第11页，本讲稿共28页3.3.固态固态继电器隔离器件（大功率驱动接口）继电器隔离器件（大功率驱动接口）1 1）电路原理）电路原理 固态继电器结构框图固态继电器结构框图a)a)外部接线图外部接线图b)b)内部结
9、构图内部结构图固固态继电器态继电器(SSR)(SSR)是一种无触点通断功率型电子开关是一种无触点通断功率型电子开关。它它即有放大作用又有隔离作用，适合于驱动大功率管式执行器即有放大作用又有隔离作用，适合于驱动大功率管式执行器件。件。SSRSSR是一个四端有源器件，其中二端为输入控制端，输入功耗是一个四端有源器件，其中二端为输入控制端，输入功耗很低，与很低，与TTLTTL电路兼容；另外二端是输出端，内部设有输出保电路兼容；另外二端是输出端，内部设有输出保护电路。护电路。第12页，本讲稿共28页2)固态继电器的接口电路固态继电器的接口电路 根据负载端所加电压的不同，根据负载端所加电压的不同，SSR
10、可分为直流型和可分为直流型和交流型两种，交流型两种，如果是单向直流固态继电器（如果是单向直流固态继电器（DC SSR）的输）的输出端与直流负载匹配；如果是双向交流固态继电器（出端与直流负载匹配；如果是双向交流固态继电器（AC SSR）的输出端与交流负载匹配。输入电路和输出电路之间）的输出端与交流负载匹配。输入电路和输出电路之间采用光电隔离，绝缘电压可达采用光电隔离，绝缘电压可达2500V以上以上几种基本的SSR输入端驱动方式a)触点控制b)TTL驱动c)CMOS驱动第13页，本讲稿共28页AC SSRAC SSR又分为二种类型又分为二种类型过零触发型（过零触发型（Z型），型），过零触发型在输入
11、信号有效后过零触发型在输入信号有效后,必须在负载电源电压过零时必须在负载电源电压过零时才接通输出端的负载电源才接通输出端的负载电源,当输入端的控制信号撤消后当输入端的控制信号撤消后,必须必须等到交流负载电源电压的过零时刻才能断开输出端的等到交流负载电源电压的过零时刻才能断开输出端的负载电负载电源源,具有零电压开启，零电流关断特性，使用中对电网污具有零电压开启，零电流关断特性，使用中对电网污染小，但它的输入端施加控制电压后，要等交流电压过零染小，但它的输入端施加控制电压后，要等交流电压过零输出时才能导通，这有可能造成最大为半个市电周期的延输出时才能导通，这有可能造成最大为半个市电周期的延迟。迟。
12、第14页，本讲稿共28页随机开启型输入端施加控制电压后输出端立即导通。在随机开启型输入端施加控制电压后输出端立即导通。在输入电压撤消后，当负载电流低于双向可控硅的维持电输入电压撤消后，当负载电流低于双向可控硅的维持电流时，流时，SSR输出才关断。大功率负载的随机开启有可能输出才关断。大功率负载的随机开启有可能对电网造成污染，导致局部供电系统波形的变形。对电网造成污染，导致局部供电系统波形的变形。随机开启型（随机开启型（P型非过零型）：型非过零型）：SSR的输入控制：的输入控制：第15页，本讲稿共28页例例1）输入端）输入端4接低电平，输入接低电平，输入端端3接控制信号，控制信号为接控制信号，控
13、制信号为高电平则高电平则SSR导通，控制信号导通，控制信号为低电平则为低电平则SSR关断。关断。SSR的输入电路与的输入电路与TTL，CMS电路兼容，输入控制十分电路兼容，输入控制十分方便，任何可以给出方便，任何可以给出TTL电平的开关电路都可以用来驱电平的开关电路都可以用来驱动动SSR，例如晶体管开关电路，按钮开关电路及各种电，例如晶体管开关电路，按钮开关电路及各种电源为源为+5V的的TTL或或CMS熟数字逻辑熟数字逻辑IC卡。例如下图所示：卡。例如下图所示：第16页，本讲稿共28页例例2）输入端）输入端3接正电源，输入端接正电源，输入端4接控制信号，控制信接控制信号，控制信号为高电平则号为
14、高电平则SSR关断，控制信号为低电平则关断，控制信号为低电平则SSR导通。导通。第17页，本讲稿共28页SSR的输出负载：的输出负载：小电流负载小电流负载 由于由于SSR内部除去输入电路外的所有其它电路都是内部除去输入电路外的所有其它电路都是由输出端供电的，因此即使在输出端关断情况下，由输出端供电的，因此即使在输出端关断情况下，SSR仍维持一个关断状态电流，为了使负荷可靠地关断，流仍维持一个关断状态电流，为了使负荷可靠地关断，流过负载的开启电流至少应该是过负载的开启电流至少应该是SSR关断状态电流的关断状态电流的10倍。倍。如果负载电流低于这个值，负载上需要并联一个电阻，如果负载电流低于这个值
15、，负载上需要并联一个电阻，以提高开启电流的数值。以提高开启电流的数值。第18页，本讲稿共28页 电感式负载电感式负载 对于电感式负载，当对于电感式负载，当SSR关断时，因为流过电感式关断时，因为流过电感式负载的电流不能突变，有可能在电感二端产生很高的感负载的电流不能突变，有可能在电感二端产生很高的感应电压，导致应电压，导致SSR输出电路被烧坏，必须用续流二极管输出电路被烧坏，必须用续流二极管（直流负载）或压敏电阻（交流负载）保护（直流负载）或压敏电阻（交流负载）保护SSR的安全。的安全。如果负载为直流电感式，应当使用如果负载为直流电感式，应当使用DC SSR，负载上并联续，负载上并联续流二极管
16、保护流二极管保护SSR如下图所示：如下图所示：第19页，本讲稿共28页如果负载为直流电感式而负载电源为交流电源，可外接整流如果负载为直流电感式而负载电源为交流电源，可外接整流全桥将其变为直流。如下图所示：全桥将其变为直流。如下图所示：如果负载为交流电感式，必须使用如果负载为交流电感式，必须使用AC SSR，SSR的输出的输出端并联压敏电阻以保护端并联压敏电阻以保护SSR。如下图所示：。如下图所示：第20页，本讲稿共28页压敏电阻的阀值电压可按电源电压的有效值压敏电阻的阀值电压可按电源电压的有效值1.61.9倍倍选取。压敏电阻不但为电感式负载的选取。压敏电阻不但为电感式负载的感应电流提供感应电流
17、提供了了一个通路，而且可以避免工频市电电源夹杂的尖蜂电一个通路，而且可以避免工频市电电源夹杂的尖蜂电压施加在压施加在SSR的输出端。的输出端。工频市电电源夹杂的尖蜂电压是很频繁的，它虽然宽度工频市电电源夹杂的尖蜂电压是很频繁的，它虽然宽度很窄，但幅度有高有低，高的可达千伏。当尖蜂电压的很窄，但幅度有高有低，高的可达千伏。当尖蜂电压的幅度超过了幅度超过了SSR的阻端电压或其变化速度超出了的阻端电压或其变化速度超出了SSR在关闭状态下的在关闭状态下的d v/d t特性容限时，就会使特性容限时，就会使SSR在没有在没有选通的情况下开启，造成执行机构的误动作。选通的情况下开启，造成执行机构的误动作。第
18、21页，本讲稿共28页第22页，本讲稿共28页3)固态继电器应用实例固态继电器应用实例下图为单片机通过固态继电器驱动小功率交流电动机的典下图为单片机通过固态继电器驱动小功率交流电动机的典型应用实例。型应用实例。小功率交流电动机的控制第23页，本讲稿共28页单片机通过固态继电器驱动大功率交流电动机的典单片机通过固态继电器驱动大功率交流电动机的典 型应用实例。型应用实例。大功率交流电动机的控制大功率交流电动机的控制第24页，本讲稿共28页用用光敏电阻和光敏电阻和SSR控制路灯开关控制路灯开关如下图所示如下图所示光控路灯开关示意图光控路灯开关示意图第25页，本讲稿共28页用用温度器和温度器和SSR控制炉温控制炉温温度控制示意图温度控制示意图第26页，本讲稿共28页电动机驱动电路示意图电动机驱动电路电动机驱动电路第27页，本讲稿共28页思考题思考题:1.1.微处理器处理开关量信号时应考虑哪些微处理器处理开关量信号时应考虑哪些 问题问题?2.2.固态寄电器有哪几类固态寄电器有哪几类?各有什么特点各有什么特点?第28页，本讲稿共28页