مدار رابط خروجی

رابط خروجی مدارهای‌الکترونیکی‌، PIC ها و میکروکنترلرها به آنها امکان‌می‌دهد تا با حرکت‌دادن یا فلش‌زدن چند‌چراغ‌، دنیای واقعی را کنترل‌کنند.

همانطور که در آموزش قبلی رابط ورودی دیدیم‌، یک مدار رابط اجازه می‌دهد یک نوع مدار به نوع دیگری از مدار که ممکن است دارای ولتاژ یا جریان متفاوتی باشد‌، متصل شود.

اما همچنین با دستگاه‌های‌ورودی رابط مانند سوئیچ‌ها و سنسورها می‌توانیم دستگاه‌های خروجی مانند رله‌ها‌، سلونوئیدهای‌مغناطیسی و چراغ‌ها را نیز رابط‌دهیم.

سپس رابط دستگاه های خروجی به مدارهای الکترونیکی معمولاً به عنوان شناخته می شود:

رابط خروجی

رابط خروجی مدارهای الکترونیکی و میکروکنترلرها به آنها امکان می‌دهد با حرکت دادن چیزها به عنوان مثال‌، موتورها یا بازوهای روبات ها و غیره‌، دنیای واقعی را کنترل کنند.

اما از مدارهای رابط خروجی می‌توان برای روشن یا خاموش کردن موارد مانند نشانگرها یا چراغ ها نیز استفاده کرد.

سپس مدارهای رابط خروجی می توانند دارای یک خروجی دیجیتال یا یک سیگنال خروجی آنالوگ باشند.

خروجی های منطق دیجیتال متداول ترین نوع سیگنال رابط رابط خروجی هستند و ساده ترین آنها برای کنترل است.

رابط های خروجی دیجیتال با استفاده از رله ها با استفاده از نرم افزار کنترل کننده ها‌، سیگنالی را از پورت خروجی میکروکنترلرها یا مدارهای دیجیتال به یک خروجی تماس ON / OFF تبدیل می کنند.

تصویر موتور DC

مدارهای رابط خروجی آنالوگ از تقویت‌کننده‌ها برای تولید ولتاژ یا سیگنال جریان‌متغیر برای خروجی های نوع کنترل‌سرعت یا موقعیت استفاده‌می‌کنند.

سوئیچینگ خروجی پالسی نوع‌دیگری از کنترل‌خروجی است که چرخه‌کار سیگنال‌خروجی برای کم‎نور شدن لامپ یا کنترل‌سرعت موتور DC را تغییر‌می‌دهد.

در حالی که مدارهای رابط ورودی برای پذیرش سطوح مختلف ولتاژ از انواع مختلف سنسورها طراحی شده اند‌، برای تولید توانایی رانندگی بیشتر و یا سطح ولتاژ به مدارهای رابط خروجی نیاز است.

سطح ولتاژ سیگنال های خروجی را می توان با ارائه تنظیمات خروجی جمع کننده باز (یا تخلیه آزاد) افزایش داد.

این ترمینال جمع کننده ترانزیستور است (یا ترمینال تخلیه MOSFET) به طور معمول به بار متصل می شود.

مراحل خروجی تقریباً همه میکروکنترلرها ، PIC ها یا مدارهای منطقی دیجیتال می توانند غرق شوند

یا مقدار‌مفیدی از جریان خروجی را برای سوئیچینگ و کنترل طیف‌وسیعی از دستگاه‌های رابط خروجی برای کنترل دنیای واقعی تأمین‎‌کنند.

هنگامی‌که ما در‌مورد غرق‌شدن و منبع‌دادن به جریان صحبت‌می‌کنیم‌، رابط خروجی می‌تواند جریان سوئیچینگ را‌”منبع داده”‌یا جریان سوئیچینگ را‌”جذب” کند.

به این‌معنی که بسته به نحوه اتصال بار به رابط خروجی‌، یک خروجی HIGH یا LOW آن را فعال می‌کند.

شاید ساده ترین دستگاه های رابط خروجی دستگاه هایی باشد که برای تولید نور یا به عنوان یک نشانگر ON / OFF یا به عنوان بخشی از نمایشگر چند بخشی یا نمودار میله ای استفاده می شود.

اما برخلاف یک لامپ معمولی که می تواند مستقیماً به خروجی مدار وصل شود ،

LED هایی که دیود دارند برای مقاومت در برابر جریان جلو خود به مقاومت سری احتیاج دارند.

مدارهای رابط خروجی

دیودهای ساطع کننده نور یا به‌طور خلاصه LED‌، یک گزینه کم‌مصرف عالی به‌عنوان یک‌دستگاه خروجی برای بسیاری از مدارهای‌الکترونیکی هستند.

زیرا می‌توانند برای جایگزینی لامپ‌های رشته ای با ولتاژ بالا و دمای بالا به عنوان شاخص های وضعیت استفاده شوند.

LED به طور معمول توسط ولتاژ پایین و جریان کم جریان هدایت می شود و آنها را به یک جز بسیار جذاب برای استفاده در مدارهای دیجیتال تبدیل می کند.

همچنین ، به عنوان یک دستگاه حالت جامد ، می توانند امید به زندگی عملیاتی بیش از 100000 ساعت کار داشته باشند و آنها را به یک جز مناسب تبدیل کند.

مدار رابط LED تنها

ما در‌آموزش دیود ساطع کننده نور خود‌دیدیم که یک‌LED یک دستگاه نیمه هادی یک جهته است که وقتی بایاس‌رو‌به‌جلو باشد‌،

یعنی وقتی کاتد آن‌(K) نسبت به آند آن‌(A) به اندازه کافی منفی باشد‌، می‌تواند طیف‌وسیعی از خروجی رنگی را تولید‌کند.

بسته به مواد نیمه‌هادی استفاده‌شده برای‌ساخت نقطه اتصال‌pn، رنگ‌نور ساطع شده، و ولتاژ رو به جلو آن‌ها را مشخص می‌کند.

رایج‌ترین رنگ LED قرمز، سبز، کهربایی و یا زرد است.

برخلاف دیود سیگنال معمولی که دارای افت ولتاژ 0.7 ولت برای سیلیکون یا 0.3 ولت برای ژرمانیم است‌،

یک دیود ساطع کننده نور افت ولتاژ جلوتر از دیود سیگنال مشترک دارد.

اما وقتی بایاس به جلو نور مرئی تولید می کند.

یک LED معمولی زمانی که می‌تواند یک افت ولتاژ رو به جلو ثابت داشته باشد، در حدود ۱.۲ تا ۱.۶ ولت و شدت نور آن مستقیما با جریان LED پیش رو تغییر می‌کند.

LED ها را می توان مستقیماً از بیشتر پورت های رابط خروجی هدایت کرد زیرا LED های استاندارد می توانند با جریان های بین 5 میلی آمپر تا 25 میلی آمپر کار کنند.

یک LED رنگی معمولی به یک جریان جلو در‌حدود 10 میلی آمپر نیاز‌دارد تا یک صفحه نمایش کاملاً روشن داشته‌باشد.

بنابراین اگر فرض کنیم که یک LED قرمز قرمز با روشن شدن 1.6 ولت افت ولتاژ رو به جلو دارد.

توسط پورت خروجی یک میکروکنترلر 5 ولتی تأمین کننده 10 میلی آمپر کار می کند.

 سپس مقدار مقاومت سری محدود کننده جریان ، RS مورد نیاز به صورت زیر محاسبه می شود:

فرمول محاسبه RS 

با این حال ، در سری مقادیر مقاومت ترجیحی E24 (5٪) ، هیچ مقاومت 340Ω وجود ندارد.

بنابراین نزدیکترین مقدار ترجیحی 330Ω یا 360Ω انتخاب می شود.

در واقع بسته به ولتاژ تغذیه‌(VS)‌و جریان مورد‌نیاز‌(IF)‌، هر مقدار مقاومت سری بین 150Ω و 750Ω کاملاً کار خواهد کرد.

همچنین توجه داشته باشید که به‌عنوان یک مدار سری‌، مهم نیست که مقاومت و LED از چه راهی متصل شده‌اند.

با این حال ، LED یک طرفه است باید از راه صحیح متصل شود.

اگر LED را به روش اشتباه وصل کنید ، آسیب نمی بیند ، فقط روشن نمی شود.

مدار رابط چند LED

همچنین می توانیم از LED های منفرد (یا لامپ ها) برای مدارهای رابط خروجی استفاده کنیم .

همچنین می‌توانیم دو یا چند LED را به هم متصل‌کرده و از همان ولتاژ‌خروجی برای‌استفاده در‌مدارها و نمایشگرهای الکترونیکی روشن‌کنیم.

اتصال دو یا چند LED به صورت سری، با استفاده از LED تکی که ما در بالا می‌بینیم، متفاوت نیست.

اما این زمان ما نیاز داریم که قطرات ولتاژ اضافی را در نظر بگیریم، VLED از LED اضافی در ترکیب‌سری.

به عنوان‌مثال‌، در مثال واسط خروجی LED ساده ما در بالا گفتیم که افت ولتاژ جلو LED 1.6 ولت است.

اگر از سه LED به‌صورت سری استفاده‌کنیم‌، کل افت ولتاژ در هر سه ولتاژ 4.8 (3 1.6 1.6) ولت خواهد‌بود.

سپس می‌توان از منبع تغذیه‌5 ولت استفاده‌کرد اما بهتر‌است برای تأمین انرژی سه LED از منبع‌6‌ولت یا 9‌ولت بالاتر استفاده‌کنیم.

با فرض‌تأمین 9.0 ولت در‌10 میلی آمپر (مانند قبل)‌، مقدار مقاومت محدود‌كننده جریان سری ،‌RS مورد‌نیاز به‌این صورت محاسبه می‌شود:

 RS = (9 – 4.8) / 10mA = 420Ω

باز هم در سری مقادیر مقاومت ترجیحی E24 (5٪) هیچ مقاومت 420Ω وجود ندارد بنابراین نزدیکترین مقدار ترجیحی 430Ω برابر‌باشد.

چراغ های ولتاژ پایین ، جریان کم ، LED ها به عنوان شاخص های وضعیتی که می توانند مستقیماً

از پورت های خروجی میکروکنترلر و دروازه های منطقی دیجیتال یا سیستم ها هدایت شوند ، ایده آل هستند.

پورت های میکروکنترلر و دروازه های منطقی TTL توانایی غرق شدن یا جریان منبع را دارند.

بنابراین می توانند یک LED را روشن کنند یا با اتصال به زمین کاتد (اگر آند به + 5v گره خورده باشد) یا با استفاده از + 5v به آند همانطور که نشان داده شده است‌،‌از طریق یک مقاومت سری مناسب است.

خروجی دیجیتال رابط با یک LED

مدارهای رابط خروجی فوق برای یک یا چند LED سری ، یا برای هر دستگاه دیگری که جریان مورد نیاز آنها کمتر از 25 میلی آمپر باشد (حداکثر جریان LED جلو) خوب کار می کند.

اما اگر جریان درایو خروجی برای کار کردن با یک LED ناکافی باشد یا بخواهیم باری را با ولتاژ یا جریان بالاتر مانند لامپ رشته ای 12 ولت کار کنیم یا سوئیچ کنیم چه اتفاقی می افتد.

جواب این است که مانند تصویر ترانزیستور‌، mosfet یا یک رله از یک وسیله سوئیچینگ اضافی استفاده کنید.

خروجی بارهای جریان بالا رابط

دستگاه های رابط خروجی متداول ، مانند موتورها ، سلونوئیدها و لامپ ها به جریان های زیادی احتیاج دارند.

بنابراین بهتر است همانطور که نشان داده شده است ، با یک ترتیب سوئیچ ترانزیستوری کنترل یا هدایت شوند.

به این ترتیب بار‌، (لامپ یا موتور) نمی‌تواند مدار‌خروجی رابط سوئیچ یا کنترل کننده را بیش از حد بار کند.

سوئیچ های ترانزیستور برای تعویض بارهای زیاد و یا رابط خروجی منابع مختلف برق بسیار رایج و بسیار مفید هستند.

در‌صورت نیاز می‌توان چندین بار در ثانیه “ON” و “OFF” را نیز روشن کرد‌، همانند مدولاسیون عرض پالس‌، مدارهای PWM.

اما در‌مورد استفاده از ترانزیستور به عنوان کلید چند نکته وجود دارد که باید در ابتدا مورد توجه قرار دهیم.

جریانی که به محل اتصال پایه-ساطع کننده می رود برای کنترل جریان بزرگتر از کلکتور به ساطع کننده استفاده می شود.

بنابراین ، اگر هیچ جریانی به ترمینال پایه جریان نداشته باشد‌، پس هیچ جریانی از کلکتور به ساطع کننده‌(یا از طریق باری که به کلکتور متصل است) جریان پیدا نمی‌کند‌، گفته می‌شود که ترانزیستور کاملاً خاموش است‌(قطع).

سوئیچ ترانزیستور به‌طور کامل روشن‌(اشباع)‌به‌طور موثر مانند یک سوئیچ بسته عمل‌می‌کند‌، یعنی ولتاژ جمع‌کننده آن در همان ولتاژ‌ساطع‌کننده آن است.

VCE چیست؟

اما اگر یک‌دستگاه حالت جامد باشد‌، حتی در‌صورت‌اشباع‌، همیشه افت‌ولتاژ کمی روی پایانه‌های ترانزیستور وجود‌دارد که VCE (SAT) نامیده می‌شود.

این ولتاژ بسته به ترانزیستور از حدود 0.1 تا 0.5 ولت است.

همچنین ، چون ترانزیستور کاملاً روشن می شود ، مقاومت در برابر بار باعث کاهش IC جمع کننده ترانزیستورها به جریان واقعی مورد نیاز بار می شود (در مورد ما ، جریان از طریق لامپ).

 سپس جریان بیس زیاد می تواند بیش از حد گرم شود و به ترانزیستور سوئیچینگ صدمه بزند.

 که هدف استفاده از ترانزیستور که کنترل جریان بار بزرگتر با جریان کوچکتر است را تا حدی شکست می دهد.

بنابراین ، مقاومت لازم است تا جریان پایه ، IB را محدود کند.

مدار رابط خروجی پایه با استفاده از یک ترانزیستور سوئیچینگ واحد برای کنترل یک بار در زیر نشان داده شده‌است.

توجه داشته باشید که معمولاً برای محافظت ترانزیستور در برابر ولتاژهای برگشتی EMF در بارهای القایی مانند رله ها ، موتورها و دیودهای چرخدار آزاد ، که به آنها دیود چرخاننده یا دیود مهارکننده back-emf نیز معروف است مانند 1N4001 یا 1N4148. شیر برقی و غیره وقتی جریان آنها توسط ترانزیستور خاموش می شود.

مدار سوئیچ ترانزیستور پایه

بیایید فرض کنیم که ما می خواهیم عملکرد یک لامپ رشته ای 5 واتی متصل به یک منبع 12 ولت را با استفاده از خروجی یک دروازه منطقی دیجیتال TTL 5.0v از طریق یک مدار سوئیچ ترانزیستور رابط رابط خروجی مناسب کنترل کنیم.

اگر افزایش جریان DC (نسبت بین جمع (خروجی) و جریان پایه (ورودی)) ، بتا (β) ترانزیستور 100 باشد (می توانید این مقدار Beta یا hFE را از صفحه داده ترانزیستوری که استفاده می کنید پیدا کنید) و آن ولتاژ اشباع VCE وقتی کاملا روشن باشد 0.3 ولت است ، مقدار مقاومت پایه ، RB برای محدود کردن جریان جمع کننده چقدر خواهد بود.

جریان جمع کننده ترانزیستورها ، IC همان مقدار جریان خواهد بود که از طریق لامپ رشته ای دنبال می شود.

اگر میزان قدرت لامپ 5 وات باشد ، جریان کاملا روشن خواهد شد:

از آنجا که‌IC‌برابر با جریان لامپ‌(بار)‌است‌،‌جریان پایه ترانزیستورها نسبت به جریان‌فعلی ترانزیستور به عنوان IB = IC / β خواهد‌بود.

سود فعلی قبلاً بدست آمده بود: β = 100‌، بنابراین حداقل جریان پایه IB (MIN) به صورت زیر محاسبه می‌شود:

با یافتن مقدار جریان پایه مورد نیاز ، اکنون باید حداکثر مقاومت پایه ، RB (MAX) را محاسبه کنیم.

اطلاعات ارائه‌شده بیان داشت که پایه ترانزیستور قرار است از ولتاژ خروجی 5.0 ولت (Vo) یک گیت منطقی دیجیتال کنترل‌شود.

اگر ولتاژ بایاس فرستنده پایه 0.7 ولت باشد ، مقدار RB به صورت زیر محاسبه می شود:

فرمول محاسبه مقدار RB

سپس وقتی سیگنال خروجی از گیت منطقی LOW (0v) باشد‌، هیچ جریان پایه‌ای جریان نمی‌یابد و ترانزیستور کاملاً خاموش است.

یعنی هیچ جریانی از طریق مقاومت 1kΩ جریان ندارد.

وقتی سیگنال خروجی از گیت منطقی زیاد است (+ 5 ولت) ، جریان پایه 4.27 میلی آمپر است و ترانزیستور را روشن می کند و 11.7 ولت را روی لامپ رشته قرار می دهد.

مقاومت پایه RB هنگام انجام 4.27 میلی‌آمپر کمتر از 18 میلی وات متلاشی می‌شود‌،‌بنابراین یک مقاومت 1/4 وات کار می‌کند.

توجه‌داشته‌باشید که هنگام استفاده از ترانزیستور به‌عنوان سوئیچ در‌مدار رابط خروجی‌، یک قاعده خوب انتخاب مقاومت پایه‌، مقدار RB است.

به طوری که جریان درایو پایه IB تقریباً 5٪ یا حتی 10٪ جریان بار مورد نیاز باشد ، IC برای کمک به ترانزیستور به خوبی در منطقه اشباع خود قرار می گیرد و در نتیجه VCE و افت برق را به حداقل می رساند.

همچنین ، برای محاسبه سریعتر مقادیر مقاومت و کاهش اندکی ریاضیات ، می توانید

در محاسبات خود از افت ولتاژ 0.1 تا 0.5 ولتاژ در قسمت اتصال ساطع کننده جمع کننده

و 0.7 ولت افتادن از اتصال ساطع کننده پایه چشم پوشی کنید.

مقدار تقریبی حاصل به هر حال به اندازه کافی نزدیک به مقدار محاسبه شده واقعی خواهد بود.

مدارهای سوئیچینگ ترانزیستوری

مدارهای سوئیچینگ ترانزیستوری تک قدرت برای کنترل دستگاه های کم مصرف‌، مانند لامپ های رشته ای یا رله های سوئیچینگ که می توانند برای تعویض دستگاه های با قدرت بسیار بالاتر‌، به عنوان مثال موتور و برقی استفاده شوند ، بسیار مفید هستند.

اما رله ها دستگاه های الکترومکانیکی بزرگ و بزرگی هستند که می توانند گران باشند یا فضای زیادی را روی صفحه مدار اشغال کنند ، مثلاً برای تولید رابط میکروکنترلر 8 پورت استفاده شود.

یکی از راه های استفاده از این روش و جابجایی مستقیم دستگاه های جریان سنگین از پایه های خروجی میکروکنترلر‌، PIC یا مدار دیجیتال‌، استفاده از پیکربندی جفت darlington است که از دو ترانزیستور تشکیل شده است.

یکی از مهمترین معایب ترانزیستورهای قدرت هنگام استفاده به‌عنوان دستگاه های رابط خروجی این است که می‌توان سود جریان آنها‌،‌(β) به خصوص در تعویض جریان های زیاد‌، بسیار کم باشد.

برای غلبه بر این مشکل و کاهش مقدار جریان پایه مورد نیاز استفاده از دو ترانزیستور در پیکربندی دارلینگتون است.

پیکربندی ترانزیستور Darlington

پیکربندی های ترانزیستور Darlington را می توان از دو ترانزیستور NPN یا PNP متصل به هم یا به عنوان یک دستگاه آماده Darlington مانند 2N6045 یا TIP100 که هم ترانزیستورها و هم برخی مقاومت ها را ادغام می کند‌، برای کمک به خاموش شدن سریع ، در یک بسته برای تغییر برنامه ها استفاده کرد.

در این پیکربندی darlington ، ترانزیستور‌، TR1 ترانزیستور کنترل است و برای کنترل هدایت ترانزیستور سوئیچینگ قدرت TR2 استفاده می‌شود.

سیگنال ورودی اعمال شده به پایه ترانزیستور TR1 جریان پایه ترانزیستور TR2 را کنترل می‌کند.

آرایش دارلینگتون ، چه ترانزیستورهای منفرد و چه به صورت یک بسته واحد دارای سه لید یکسان است:

• امیتر (E)
• پایه (B)
• کلکتور (C)

پیکربندی های ترانزیستور دارلینگتون بسته به ترانزیستورهای مورد استفاده می توانند دارای افزایش جریان DC (یعنی نسبت بین کلکتور (خروجی) و جریان پایه (ورودی)) از چند صد تا چند هزار باشد.

در این صورت می‌توان نمونه چراغ رشته ای ما را در بالا فقط با یک جریان پایه فقط چند میکرو آمپر کنترل کرد‌(uA) به عنوان جریان جمع کننده‌،‌β1IB1 ترانزیستور اول به جریان پایه ترانزیستور دوم تبدیل می‌شود.

سپس سود فعلی TR2 β1β2IB1 خواهد بود زیرا دو سود با هم ضرب می‌شوند به‌عنوان βT = β1 × β2.

به عبارت دیگر:

یک جفت ترانزیستور دو‌قطبی با هم ترکیب شده و یک جفت ترانزیستور Darlington تولید می‌کنند‌،‌دستاوردهای فعلی آنها با هم ضرب‌می‌شود.

بنابراین با انتخاب ترانزیستورهای دو قطبی مناسب و با بایاس درست‌، می‌توان پیکربندی های دنباله‌دار امریکن darlington را به عنوان یک ترانزیستور منفرد با مقدار بسیار بالا β و در نتیجه یک امپدانس ورودی بالا به هزاران اهم قلمداد کرد.

خوشبختانه برای ما‌، کسی قبلا چندین تنظیمات ترانزیستور darlington را در یک بسته IC 16 پین قرار داده است.

که خروجی رابط طیف وسیعی از دستگاه ها را برای ما آسان می کند.

آرایه ترانزیستور دارلینگتون ULN2003A

ULN2003A یک آرایه ارزان قیمت تک ترانزیستوری دارلینگتون با راندمان بالا و مصرف کم انرژی است که باعث می شود مدار رابط خروجی برای هدایت طیف وسیعی از بارها از جمله سلونوئیدها ، رله ها نمایشگرهای DC موتور و LED یا لامپ های رشته ای به طور مستقیم از درگاه های میکروکنترلر بسیار مفید باشد. ، PIC یا مدارهای دیجیتال.

خانواده آرایه های darlington متشکل از ULN2002A ، ULN2003A و ULN2004A هستند که همگی آرایه های دارلینگتون با ولتاژ بالا و جریان بالا هستند و هر کدام شامل هفت جفت darlington کلکتور باز در یک بسته IC واحد هستند.

درایور Darlington ULN2803 نیز موجود است که به جای هفت ، هشت جفت دارلینگتون دارد.

هر کانال جدا شده از آرایه 500 میلی آمپر است و می تواند در برابر جریان پیک تا 600 میلی آمپر مقاومت کند و آن را برای کنترل موتورهای کوچک یا لامپ ها یا دروازه ها و پایه های ترانزیستورهای قدرت بالا ایده آل می کند.

دیودهای مهار‌اضافی برای رانندگی با بار القایی گنجانده‌شده‌اند و ورودی‌ها در مقابل‌خروجی ها سنجاق‌می‌شوند تا اتصالات و طرح صفحه ساده‌شود.

آرایه ترانزیستور دارلینگتون ULN2003

درایور Darlington ULN2003A دارای امپدانس‌ورودی و افزایش‌جریان‌بسیار بالایی‌است که می‌تواند مستقیماً از دروازه منطقی TTL یا + 5V CMOS خارج‌شود.

برای منطق CMOS +15 ولت از ULN2004A و برای ولتاژهای سوئیچینگ بالاتر تا 100‌ولت بهتر است از‌آرایه دارلینگتون SN75468 استفاده‌کنید.

اگر به قابلیت جریان سوئیچینگ بیشتری نیاز باشد‌، می‌توان ورودی و خروجی جفت دارلینگتون را برای قابلیت‌جریان بالاتر با یکدیگر‌موازی‌کرد.

به عنوان مثال:

پایه های‌ورودی 1 و 2 به‌یکدیگر متصل‌می‌شوند و پایه های‌خروجی 16 و 15 به یکدیگر‌متصل می‌شوند تا بار را تغییر‌دهید.

مدارهای رابط MOSFET قدرت

علاوه بر‌استفاده از ترانزیستورهای منفرد یا جفت دارلینگتون‌، از‌MOSFET قدرت نیز می‌توان برای تعویض دستگاه های با قدرت متوسط استفاده‌کرد.

برخلاف ترانزیستور اتصال دو قطبی ، BJT که برای هدایت ترانزیستور به اشباع به یک جریان پایه احتیاج دارد.

سوئیچ MOSFET تقریباً هیچ جریانی نمی گیرد زیرا ترمینال دروازه از کانال اصلی جریان جدا شده است.

مدار سوئیچ اصلی MOSFET

کانال N‌، حالت تقویت کننده (به طور معمول خاموش) ماسفت ها‌،‌(eMOSFET) با ولتاژ آستانه مثبت و امپدانس ورودی بسیار بالا‌، آن را به یک وسیله ایده‌آل برای رابط مستقیم با میکروکنترلرها‌، PIC ها و مدارهای منطقی دیجیتالی تبدیل می‌کند.

همانطور که نشان داده شده است.

سوییچ‌های MOSFET توسط یک سیگنال ورودی گیت کنترل می‌شوند.

به دلیل مقاومت زیاد ورودی (گیت)ماسفت، ما می‌توانیم تقریبا بدون محدودیت،‌بسیاری از ماسفت های قدرت را به هم متصل‌کنیم .

تا زمانی که به قابلیت‌های مدیریت توان در بار متصل دست یابیم.

در نوع تقویت کننده کانال‌N MOSFET‌، دستگاه قطع‌شده‌است‌ (Vgs = 0) و کانال مانند یک سوئیچ معمول باز بسته می‌شود.

وقتی ولتاژ بایاس مثبت به گیت اعمال می شود ، جریان از کانال عبور می کند. مقدار جریان به ولتاژ بایاس گیت ، Vgs بستگی دارد.

به عبارت دیگر:

برای کار با MOSFET در‌منطقه اشباع‌، ولتاژ گیت به‌منبع باید برای حفظ تخلیه مورد‌نیاز و در نتیجه جریان بار کافی‌باشد.

همانطور که قبلاً بحث شد ، eMOSFETS های کانال n توسط ولتاژ اعمال شده بین دروازه و منبع هدایت می‌شوند.

بنابراین افزودن یک دیود زنر در سرتاسر اتصال دروازه به منبع MOSFETs همانطور که نشان داده شده است.

برای محافظت ترانزیستور در‌برابر ولتاژهای ورودی مثبت یا منفی بیش از حد‌مانند به‌عنوان مثال‌، تولید شده از یک‌خروجی مقایسه‌کننده آمپ-اشباع.

zener ولتاژ گیت مثبت را می گیرد و به عنوان یک دیود معمولی عمل می کند که ولتاژ گیت را به 0.7 ولت می رساند و ترمینال دروازه را از حد ولتاژ شکست معکوس خود دور نگه می دارد.

 MOSFET ها و گیت های Open-Collector

رابط واسط برق MOSFET از TTL هنگامی که از گیت ها و درایورهایی با خروجی های جمع کننده باز استفاده می کنیم مشکلی ایجاد می کند زیرا ممکن است همیشه گیت منطقی خروجی مورد نیاز VGS را به ما ارائه ندهد.

یکی از راه های غلبه بر این مشکل همانطور که نشان داده شده استفاده از مقاومت کششی است.

مقاومت کشش بین ریل تامین TTL و خروجی گیت منطقی متصل است که به پایانه گیت MOSFET متصل است.

هنگامی که خروجی گیت های منطق TTL در سطح منطقی “۰” (پایین)است، MOSFET “خاموش” است.

زمانی که خروجی دروازه منطقی در سطح منطقی ۱‌(HIGH)باشد، مقاومت ولتاژ گیت را به ریل + ۵ V متصل می‌کند.

با این ترتیب مقاومت‌کششی‌، ما می‌توانیم ماسفت را کاملاً “ON”‌روشن کنیم و ولتاژ دروازه آن‌را به ریل فوقانی منبع تغذیه‌متصل‌کنیم.

خروجی موتورهای رابط

ما دیده ایم که می توانیم از ترانزیستورهای اتصال دو قطبی یا MOSFET به عنوان بخشی از یک مدار رابط خروجی برای کنترل طیف وسیعی از دستگاه ها استفاده کنیم.

یک دستگاه خروجی متداول ، موتور DC است که یک حرکت چرخشی ایجاد می کند.

صدها روش وجود دارد که می توان موتورها و استپ موتورها را با استفاده از یک ترانزیستور منفرد ، ترانزیستور darlington یا MOSFET به میکروکنترلرها ، PIC ها و مدارهای دیجیتالی وصل کرد.

مسئله این است که موتورها دستگاههای الکترومکانیکی هستند که از میدان مغناطیسی ،

برس و سیم پیچ برای ایجاد حرکت چرخشی استفاده می کنند و به همین دلیل ،

موتورها و به ویژه موتورهای فن اسباب بازی یا رایانه ارزان قیمت “صدای الکتریکی”

و “خوشه های ولتاژ” زیادی ایجاد می کنند که می تواند به ترانزیستور سوئیچینگ آسیب برساند.

با اتصال یک دیود چرخ آزاد یا خازن سرکوب غیر قطبش از طریق پایانه های موتور می توان این سر و صدای الکتریکی و ولتاژ بیش از حد را ایجاد کرد.

اما یک راه ساده برای جلوگیری از تأثیر نویز الکتریکی و ولتاژ معکوس بر روی سوئیچ های ترانزیستور نیمه هادی یا پورت های خروجی میکروکنترلرها ، استفاده از منابع تغذیه جداگانه برای کنترل و موتور از طریق یک رله مناسب است.

یک نمودار اتصال معمولی برای رابط خروجی با یک رله الکترومکانیکی به یک موتور‌DC در زیر نشان داده شده است.

روشن / خاموش کنترل موتور DC

ترانزیستور NPN به عنوان سوئیچ tn ON-OFF برای تأمین جریان مطلوب سیم پیچ رله استفاده می شود.

دیود freewheeling مورد‌نیاز‌است‌، همانند بالا ، زیرا جریان جریان‌یافته از سیم پیچ القایی در هنگام بی‌انرژی نمی‌تواند بلافاصله به صفر‌برسد.

هنگامی که ورودی به پایه تنظیم می شود HIGH ، ترانزیستور “ON” روشن می شود.

جریان از طریق سیم پیچ رله عبور می کند و تماس آن با موتور نزدیک می شود.

وقتی ورودی به پایه ترانزیستور کم است‌، ترانزیستور “خاموش” خاموش‌می‌شود و با باز شدن مخاطبین رله ، موتور متوقف می‌شود.

هرگونه برگشت برگشتی حاصل از غیرفعال کردن سیم پیچ از طریق دیود freewheeling جریان می یابد و به آرامی از بین می رود و از صدمه به ترانزیستور جلوگیری می کند.

همچنین‌، ترانزیستور (یا MOSFET) جدا شده و تحت تأثیر هرگونه افزایش صدا یا ولتاژ ناشی از عملکرد موتور قرار نمی‌گیرد.

ما دیده‌ایم که با‌استفاده از یک جفت‌تماس رله بین موتور و منبع‌تغذیه آن می‌توان موتور‌DC را روشن و خاموش کرد.

اما اگر بخواهیم موتور برای استفاده در روبات یا هر نوع پروژه دیگر موتوری در هر دو‌جهت بچرخد چه می‌شود.

همانطور که نشان داده شده است می توان موتور را با استفاده از دو رله کنترل کرد.

کنترل موتور DC Reversible

جهت چرخش یک موتور DC را می توان با تغییر قطب اتصالات تأمین آن معکوس کرد.

با استفاده از دو سوئیچ ترانزیستور ، می توان جهت چرخش موتورها را از طریق دو رله کنترل کرد.

که از طریق یک منبع تغذیه ولتاژ متصل به یک قطب دو پرتاب (SPDT) هستند.

با کارکردن همزمان یکی از سوئیچ های ترانزیستور می توان موتور را در هر جهت (جلو یا عقب) چرخاند.

در‌حالی که رابط خروجی‌موتورها از طریق رله‌ها به ما امکان‌می‌دهد تا آنها را روشن یا متوقف‌کنیم یا جهت‌چرخش را کنترل‌کنیم.

استفاده از رله ها مانع کنترل سرعت چرخش می‌شوند زیرا تماس رله ها به طور مداوم باز و بسته می‌شوند.

با این حال ، سرعت چرخش موتورهای DC متناسب با مقدار ولتاژ منبع تغذیه آن است.

سرعت موتورهای‌DC را می توان با تنظیم مقدار متوسط ولتاژ منبع تغذیه‌DC یا با استفاده از مدولاسیون عرض پالس کنترل‌کرد.

این با تغییر نسبت علامت فاصله در ولتاژ تغذیه آن از 5٪ تا بیش از 95٪ است و بسیاری از کنترل کننده های پل H موتور این کار را می کنند.

بارهای متصل به شبکه رابط خروجی

قبلاً دیده‌ایم که رله‌ها می‌توانند از طریق‌الکتریکی یک‌مدار را از مدار دیگر جدا کنند‌، یعنی به یک مدار کوچک‌تر امکان‌می‌دهد

تا مدار تغذیه شده بزرگتر دیگری را کنترل کند.

رله ها در عین حال از مدار کوچکتر در برابر سر و صدای الکتریکی ، بیش از افزایش سن ولتاژ و گذرا محافظت می کنند که می تواند به دستگاه سوئیچینگ نیمه هادی ظریف آسیب برساند.

رله ها

اما رله ها همچنین امکان اتصال رابط خروجی مدارهای با ولتاژ و زمینه های مختلف مانند مدارهای بین میکروکنترلر 5 ولتی یا PIC و منبع تغذیه ولتاژ شبکه را فراهم می کنند.

اما همچنین با استفاده از سوئیچ ها و رله های ترانزیستوری (یا MOSFET) برای کنترل دستگاه های مجهز به شبکه اصلی ، مانند موتورهای متناوب ، لامپ های 100 وات یا بخاری ، می توانیم آنها را با استفاده از مقره های عایق و دستگاه های الکترونیکی قدرت کنترل کنیم.

مزیت اصلی اپتو ایزولاتور این است که درجه بالایی از عایق الکتریکی را بین ترمینال های ورودی و خروجی ایجاد می کند ، زیرا از نظر نوری اتصال یافته و به همین دلیل به حداقل جریان ورودی (معمولاً فقط 5 میلی آمپر) و ولتاژ نیاز دارد.

این بدان معنی است که جداکننده های نوری می توانند به راحتی از پورت میکروکنترلر یا مدار دیجیتال که توانایی کافی درایو LED را بر روی خروجی خود دارد ، واسطه شوند.

طراحی اساسی یک اپتو ایزولاتور شامل یک LED است که نور قرمز مادون قرمز و یک دستگاه حساس به عکس نیمه هادی تولید می کند که برای تشخیص پرتوی مادون قرمز ساطع شده استفاده می شود.

همانطور که نشان داده شده ، هر دو دستگاه LED و دستگاه حساس به عکس که می توانند از نوع عکس ترانزیستور ، عکس دارلینگتون یا عکس ترایاک باشند ، در یک بدنه یا بسته بندی سبک با پایه های فلزی محصور شده اند.

انواع مختلف اپتو-ایزولاتور

از آنجا که ورودی یک LED است ، مقدار مقاومت سری ، RS مورد نیاز برای محدود کردن جریان LED را می توان همانند بالا محاسبه کرد.

LED های دو یا چند عایق‌نوری نیز می‌توانند به‌طور سری به هم‌متصل شوند تا همزمان چندین دستگاه خروجی را کنترل‌کنند.

مقره های Opto-triac امکان کنترل تجهیزات و لامپهای اصلی با جریان متناوب را فراهم می کنند.

ترایاک های مجهز به Opto مانند MOC 3020 دارای ولتاژ حدود 400 ولت هستند که آنها را برای اتصال مستقیم به برق و حداکثر جریان حدود 100 میلی آمپر ایده آل می کند.

برای بارهای بیشتر‌، ممکن است از opto-triac برای تأمین پالس گیت به تریاک بزرگتر دیگر از‌طریق مقاومت محدود‌کننده جریان استفاده‌شود.

رله حالت جامد

این نوع پیکربندی optocoupler اساس یک برنامه رله حالت جامد بسیار ساده را تشکیل می دهد.

که می‌تواند برای کنترل هر‌بار برق‌متناوب مانند لامپ ها و موتورها مستقیماً از رابط‌خروجی یک میکروکنترلر‌، PIC یا مدار‌دیجیتال استفاده‌شود.

خلاصه رابط خروجی

سیستم های کنترل نرم افزار حالت جامد که از میکروکنترلرها ، PIC ها ، مدارهای دیجیتالی و سایر سیستم های مبتنی بر ریزپردازنده استفاده می کنند ، باید بتوانند برای کنترل موتورها یا روشن یا خاموش کردن نشانگرهای LED و لامپ ها به دنیای واقعی متصل شوند.

آموزش الکترونیکی دیده ایم که برای این منظور می توان از انواع مختلف مدارهای رابط خروجی استفاده کرد.

تا حد زیادی ساده‌ترین مدار رابط مدار دیود ساطع‌کننده نور یا LED است که به‌عنوان یک نشانگر روشن‌/‌خاموش ساده عمل‌می‌کند.

اما با استفاده از ترانزیستورهای استاندارد یا مدارهای رابط MOSFET به عنوان سوئیچ های حالت جامد ، می توانیم جریان بسیار بیشتری را کنترل کنیم حتی اگر پایه های خروجی کنترل کننده فقط بتوانند مقدار بسیار کمی جریان را تأمین کنند (یا غرق شوند).

به طور معمول ، برای بسیاری از کنترل کننده ها مدار رابط خروجی آنها ممکن است یک خروجی غرق شدن جریان باشد که در آن بار به طور کلی بین ولتاژ تغذیه و ترمینال خروجی دستگاه سوئیچ متصل است.

اگر به عنوان مثال ، ما می خواهیم تعدادی دستگاه مختلف خروجی را در یک پروژه یا برنامه رباتیک کنترل کنیم ، استفاده از IC درایور Darlington ULN2003 که متشکل از چندین سوئیچ ترانزیستور در یک بسته است ، راحت تر است.

یا اگر بخواهیم یک محرک AC را کنترل کنیم‌، می توانیم از یک رابط یا ایزولاتور (optocoupler) رابط خارج کنیم.

سپس می توانیم ببینیم که هر دو مدار رابط ورودی و خروجی به طراح الکترونیک یا Student انعطاف پذیری می دهد تا از سیستم های نرم افزاری مبتنی بر سیگنال کوچک یا ریزپردازنده استفاده کند تا از طریق پورت های ورودی / خروجی خود بتواند دنیای واقعی را کنترل و ارتباط برقرار کند ، چه یک پروژه مدرسه کوچک باشد. یا یک کاربرد بزرگ صنعتی!