功率接口设计课件.ppt

1、1 功率接口设计功率接口设计12 功率接口设计功率接口设计 1单片机与外围集成数字驱动电路的接口单片机与外围集成数字驱动电路的接口 2单片机与光电耦合器的接口单片机与光电耦合器的接口 2.1. 晶体管输出型光电耦合器驱动接口晶体管输出型光电耦合器驱动接口 2.2. 晶闸管输出型光电耦合器驱动接口晶闸管输出型光电耦合器驱动接口 3 单片机与继电器的接口单片机与继电器的接口 3.1 单片机与直流电磁式继电器功率接口单片机与直流电磁式继电器功率接口 3.2 单片机与交流电磁式接触器的接口单片机与交流电磁式接触器的接口 4 单片机与晶闸管的接口单片机与晶闸管的接口 4.1 单向晶闸管单向晶闸管 4.2

2、 双向晶闸管双向晶闸管 4.3 光耦合双向可控硅驱动器光耦合双向可控硅驱动器3 5 单片机与集成功率电子开关输出接口单片机与集成功率电子开关输出接口 5.1 集成功率电子开关集成功率电子开关TWH8751简介简介 5.2 集成功率电子开关集成功率电子开关TWH8751的典型应用的典型应用 6 单片机与固态继电器的接口单片机与固态继电器的接口 6.1 固态继电器的特性与分类固态继电器的特性与分类 6.2 固态继电器的应用固态继电器的应用 7 低压开关量信号输出技术低压开关量信号输出技术4内容概要内容概要 在应用系统设计中，有时需用单片机控制各种各样的高压、在应用系统设计中，有时需用单片机控制各种

3、各样的高压、大电流负载，如电动机、电磁铁、继电器、灯泡等，显然不能大电流负载，如电动机、电磁铁、继电器、灯泡等，显然不能直接用单片机的直接用单片机的I/O线来驱动，单片机必须通过各种驱动电路和线来驱动，单片机必须通过各种驱动电路和开关电路来驱动。此外，为了使单片机与强电隔离和抗干扰，开关电路来驱动。此外，为了使单片机与强电隔离和抗干扰，有时需加接光电耦合器。我们称上述各类接口为单片机的功率有时需加接光电耦合器。我们称上述各类接口为单片机的功率接口。本章将介绍单片机功率接口用到的各种器件以及功率接接口。本章将介绍单片机功率接口用到的各种器件以及功率接口设计。口设计。 5 1单片机与外围集成数字驱

4、动电路的接口单片机与外围集成数字驱动电路的接口在工业生产现场，有不少被控对象是电磁继电器、电磁开关在工业生产现场，有不少被控对象是电磁继电器、电磁开关或可控硅、固态继电器和功率电子开关，其控制信号都是开或可控硅、固态继电器和功率电子开关，其控制信号都是开关电平量。由于关电平量。由于AT89S52片内的片内的I/O口驱动能力有限，需要口驱动能力有限，需要经过外围集成数字驱动电路来驱动。经过外围集成数字驱动电路来驱动。表表13-1给出了常用的外围集成数字驱动电路的参数。这些驱给出了常用的外围集成数字驱动电路的参数。这些驱动电路只要加接合适的限流电阻和偏置电阻，即可直接由动电路只要加接合适的限流电阻

5、和偏置电阻，即可直接由TTL、MOS以及以及CMOS电路来驱动。当它们用于驱动感性负电路来驱动。当它们用于驱动感性负67载时，必须加接限流电阻或箝位二极管。此外，有些驱动器载时，必须加接限流电阻或箝位二极管。此外，有些驱动器内部还设有逻辑门电路，可以完成与、与非、或以及或非内部还设有逻辑门电路，可以完成与、与非、或以及或非的逻辑功能。下面举例说明外围集成数字驱动电路的应用。的逻辑功能。下面举例说明外围集成数字驱动电路的应用。【例例13-1】慢开启的白炽灯驱动电路慢开启的白炽灯驱动电路图图13-1为慢开启白炽灯驱动电路，白炽灯的延时开启时间长为慢开启白炽灯驱动电路，白炽灯的延时开启时间长短取决于

6、时间常数短取决于时间常数RC。此电路能直接驱动工作电压小于。此电路能直接驱动工作电压小于30V、额定电流小于、额定电流小于500mA的任何灯泡。注意：在设计此的任何灯泡。注意：在设计此电路的印刷电路板时，驱动器要加装散热板，以便散热。电路的印刷电路板时，驱动器要加装散热板，以便散热。SN75401芯片性能参数见芯片性能参数见表表13-1。8图图13-1 慢开启白炽灯驱动电路慢开启白炽灯驱动电路9【例例13-2】大功率音频振荡器大功率音频振荡器 图图13-2给出的电路能直接驱动一个大功率的扬声器，可用给出的电路能直接驱动一个大功率的扬声器，可用于报警系统，改变电路中的电阻或电容的值便能改变电路的

7、振于报警系统，改变电路中的电阻或电容的值便能改变电路的振荡频率。电路中的两个齐纳二极管荡频率。电路中的两个齐纳二极管IN751A用于输入端的保护。用于输入端的保护。SN75447芯片性能参数请见芯片性能参数请见表表13-1。【例例13-3】驱动大电流负载驱动大电流负载 单片机驱动大电流负的电路如单片机驱动大电流负的电路如图图13-3所示。所示。ULN2068芯片芯片具有四个大电流达林顿开关，能驱动电流高达具有四个大电流达林顿开关，能驱动电流高达1.5A的负载。的负载。由于由于ULN2068在在25时功耗达时功耗达2075mW，因而使用时一定要，因而使用时一定要加散热板。加散热板。ULN2068

8、芯片性能参数请见表芯片性能参数请见表13-1。910图图13-2 大功率音频振荡器大功率音频振荡器 11图图13-3 使用使用ULN2068的大电流驱动电路的大电流驱动电路12 2 单片机与光电耦合器的接口单片机与光电耦合器的接口光电耦合器因其良好的性能和抗干扰能力而被广泛地应用于单光电耦合器因其良好的性能和抗干扰能力而被广泛地应用于单片机系统输入和输出信号的电气隔离。但是，在利用光电耦合片机系统输入和输出信号的电气隔离。但是，在利用光电耦合器的线性耦合直接对模拟信号进行隔离传输时，由于光电耦合器的线性耦合直接对模拟信号进行隔离传输时，由于光电耦合器内部发光二极管和光敏三极管的伏安特性，使得光

9、电耦合器器内部发光二极管和光敏三极管的伏安特性，使得光电耦合器的的“线性区线性区”实际上比较小并且存在一定程度的非线性失真。实际上比较小并且存在一定程度的非线性失真。由于光电耦合器件非线性的输入输出特性所限，一般来讲，光由于光电耦合器件非线性的输入输出特性所限，一般来讲，光耦器件耦器件主要应用于数字信号的隔离主要应用于数字信号的隔离，而，而较少用于模拟信号的隔较少用于模拟信号的隔离。离。常用的光电耦合器为常用的光电耦合器为晶体管输出型晶体管输出型、晶闸管输出型晶闸管输出型。1313 2.1. 晶体管输出型光电耦合器驱动接口晶体管输出型光电耦合器驱动接口 晶体管输出型光电耦合器作为开关使用，其受

10、光器是光电晶晶体管输出型光电耦合器作为开关使用，其受光器是光电晶体管。光电晶体管除了没有使用基极外，跟普通晶体管一样。体管。光电晶体管除了没有使用基极外，跟普通晶体管一样。取代基极电流的是以光作为晶体管的输入。取代基极电流的是以光作为晶体管的输入。 当光电耦合器的发光二极管发光时，光电晶体管受光的影响当光电耦合器的发光二极管发光时，光电晶体管受光的影响在在cb间和间和ce间有电流流过，这两个电流基本上受光的照度控制，间有电流流过，这两个电流基本上受光的照度控制，常用常用ce极间的电流作为输出电流，输出电流受极间的电流作为输出电流，输出电流受Vce的电压影响的电压影响很小，在很小，在Vce增加时

11、，稍有增加。光电晶体管的集电极电流增加时，稍有增加。光电晶体管的集电极电流Ic与与发光二极管的电流发光二极管的电流IF之比称为光电耦合器的电流传输比。之比称为光电耦合器的电流传输比。14不同结构的光电耦合器的电流传输比相差很大。如输出端是单不同结构的光电耦合器的电流传输比相差很大。如输出端是单个晶体管的光电耦合器个晶体管的光电耦合器4N25的电流传输比的电流传输比20%。输出端使用。输出端使用达林顿管的光电耦合器达林顿管的光电耦合器4N33的电流传输比的电流传输比500%。电流传输。电流传输比受发光二极管的工作电流大小影响，电流为比受发光二极管的工作电流大小影响，电流为1020mA时，时，电流

12、传输比最大，电流小于电流传输比最大，电流小于10mA或大于或大于20mA，传输比都下，传输比都下降。温度升高，传输比也会下降，因此在使用时要留一些余量。降。温度升高，传输比也会下降，因此在使用时要留一些余量。 光电耦合器在传输脉冲信号时，对不同结构的光电耦合器的光电耦合器在传输脉冲信号时，对不同结构的光电耦合器的输入输出延迟时间相差很大。输入输出延迟时间相差很大。4N25的导通延迟的导通延迟ton是是2.8s，关断延迟关断延迟toff是是4.5s，4N33的导通延迟的导通延迟ton是是0.6s，关断延，关断延迟迟toff是是45s。1515晶体管输出型光电耦合器除了可作为开关使用外，还可用作线

13、晶体管输出型光电耦合器除了可作为开关使用外，还可用作线性耦合器，在发光二极管上提供一个偏置电流，再把信号电压性耦合器，在发光二极管上提供一个偏置电流，再把信号电压通过电阻耦合到发光二极管上，引起其亮度的变化，从而输出通过电阻耦合到发光二极管上，引起其亮度的变化，从而输出电流也就将随输入的信号电压线性变化。电流也就将随输入的信号电压线性变化。图图13-4是使用是使用4N25的光电耦合器接口电路图。的光电耦合器接口电路图。4N25起到耦合起到耦合脉冲信号和隔离单片机系统与输出部分的作用，使两部分的电脉冲信号和隔离单片机系统与输出部分的作用，使两部分的电流信号独立。输出部分的地线接机壳或接大地，而单

14、片机系统流信号独立。输出部分的地线接机壳或接大地，而单片机系统的电源地线浮空，不与交流电源的地线相接。这样可以避免输的电源地线浮空，不与交流电源的地线相接。这样可以避免输出部分电源变化对单片机电源的影响，减少系统所受的干扰，出部分电源变化对单片机电源的影响，减少系统所受的干扰，提高系统的可靠性。提高系统的可靠性。4N25输入、输出端的最大隔离电压输入、输出端的最大隔离电压2500V。16图图13-4 光电耦合器光电耦合器4N25的接口电路的接口电路1717图图13-4电路中使用同相驱动器电路中使用同相驱动器7407作为光电耦合器作为光电耦合器4N25输入端输入端的驱动。光电耦合器输入端的电流一

15、般为的驱动。光电耦合器输入端的电流一般为1015mA，发光二，发光二极管的压降约为极管的压降约为1.21.5V。限流电阻由下式计算：。限流电阻由下式计算：式中：式中： Vcc为电源电压；为电源电压； VF为输入端发光二极管的压降，取为输入端发光二极管的压降，取1.5V； Vcs为驱动器的压降；为驱动器的压降； IF为发光二极管的工作电流。为发光二极管的工作电流。如如图图13-4电路要求电路要求IF为为15mA，则限流电阻计算如下：，则限流电阻计算如下：18 当单片机的当单片机的P1.0端输出高电平时，端输出高电平时，4N25输入端电流为输入端电流为0，输，输出相当开路，出相当开路，74LS04

16、的输入端为高电平，输出为低电平。的输入端为高电平，输出为低电平。AT89S52的的P1.0端输出低电平时，端输出低电平时，7407输出端为低电压输出，输出端为低电压输出，4N25的输入电流为的输入电流为15mA，输出端可以流过，输出端可以流过3mA的电流。如的电流。如果输出端负载电流小于果输出端负载电流小于3mA，则输出端相当于一个接通的开关。，则输出端相当于一个接通的开关。74LS04输出高电平。输出高电平。4N25的的6脚是光电晶体管的基极，在一般脚是光电晶体管的基极，在一般的使用中可以不接，该脚悬空。的使用中可以不接，该脚悬空。1819光电耦合器也常用于较远距离的信号隔离传送。一方面光电

17、耦光电耦合器也常用于较远距离的信号隔离传送。一方面光电耦合器可以起到隔离两个系统地线的作用，使两个系统的电源相合器可以起到隔离两个系统地线的作用，使两个系统的电源相互独立，消除地电位不同所产生的影响。另一方面，光电耦合互独立，消除地电位不同所产生的影响。另一方面，光电耦合器的发光二极管是电流驱动器件，可以形成电流环路的传送形器的发光二极管是电流驱动器件，可以形成电流环路的传送形式。由于电流环电路是低阻抗电路，它对噪音的敏感度低，因式。由于电流环电路是低阻抗电路，它对噪音的敏感度低，因此提高了通讯系统的抗干扰能力。常用于有噪音干扰的环境下此提高了通讯系统的抗干扰能力。常用于有噪音干扰的环境下传输

18、信号。传输信号。图图13-5是用光电耦合器组成的电流环发送和接收电是用光电耦合器组成的电流环发送和接收电路。路。 图图13-5电路可以用来传输数据，最大速率为电路可以用来传输数据，最大速率为50Kb/s，最大传，最大传输距离为输距离为900米。环路连线的电阻对传输距离影响很大，此米。环路连线的电阻对传输距离影响很大，此1920图图13-5 电流环电路电流环电路 21电路中环路连线电阻不能大于电路中环路连线电阻不能大于30，当连线电阻较大时，当连线电阻较大时，100的限流电阻要相应减小。光电耦合管使用的限流电阻要相应减小。光电耦合管使用TIL110，TIL110的功的功能与能与4N25相同，但开

19、关速度比相同，但开关速度比4N25快，当传输速度要求不高时，快，当传输速度要求不高时，也可以用也可以用4N25代替。电路中光电耦合器放在接收端，输入端由代替。电路中光电耦合器放在接收端，输入端由同相驱动器同相驱动器7407驱动，限流电阻分为两个，一个是驱动，限流电阻分为两个，一个是50，一个，一个是是100。50电阻的作用除了限流外，最主要的作用还是起阻电阻的作用除了限流外，最主要的作用还是起阻尼的作用，防止传送的信号发生畸变和产生突发的尖峰。电流尼的作用，防止传送的信号发生畸变和产生突发的尖峰。电流环的电流计算如下：环的电流计算如下： IF=(Vcc-VF-Vcs)/(R1+R2) =(5-

20、1.5-0.5)A/(50+100) =0.02A=20mA2222 TIL110的输出端接一个带施密特整形电路的反相器的输出端接一个带施密特整形电路的反相器74LS14，作用是提高抗干扰能力。施密特触发电路的输入特性有一个回作用是提高抗干扰能力。施密特触发电路的输入特性有一个回差。输入电压大于差。输入电压大于2V才认为是高电平输入，小于才认为是高电平输入，小于0.8V才认为是才认为是低电平输入。电平在低电平输入。电平在0.82V之间变化时，则不改变输出状态。之间变化时，则不改变输出状态。因此信号经过因此信号经过74LS14之后便更接近理想波形。之后便更接近理想波形。 表表13-2为常用的晶体

21、管输出型光电耦合器，供读者在选用为常用的晶体管输出型光电耦合器，供读者在选用光电耦合器时参考。光电耦合器时参考。 23232425 2.2. 晶闸管输出型光电耦合器驱动接口晶闸管输出型光电耦合器驱动接口 晶闸管输出型光电耦合器的输出端是光敏晶闸管或光敏双晶闸管输出型光电耦合器的输出端是光敏晶闸管或光敏双向晶闸管。当光电耦合器的输入端有一定的电流流入时，晶向晶闸管。当光电耦合器的输入端有一定的电流流入时，晶闸管即导通。有的光电耦合器的输出端还配有过零检测电路，闸管即导通。有的光电耦合器的输出端还配有过零检测电路，用于控制晶闸管过零触发，以减少用电器在接通电源时对电用于控制晶闸管过零触发，以减少用

22、电器在接通电源时对电网的影响。网的影响。 4N40是常用的单向晶闸管输出型光电耦合器。当输入端是常用的单向晶闸管输出型光电耦合器。当输入端有有1530mA电流时，输出端的晶闸管导通。输出端的额定电流时，输出端的晶闸管导通。输出端的额定电压为电压为400V，额定电流有效值为，额定电流有效值为300mA。输入输出端隔离。输入输出端隔离电压为电压为15007500V。4N40的的6脚是输出晶闸管的控制端，脚是输出晶闸管的控制端，不使用此端时，此端可对阴极接一个电阻。不使用此端时，此端可对阴极接一个电阻。2526MOC3041是常用的双向晶闸管输出的光电耦合器，带过零触是常用的双向晶闸管输出的光电耦合

23、器，带过零触发电路，输入端的控制电发电路，输入端的控制电流为流为15mA，输出端额定电压为，输出端额定电压为400V，最大重复浪涌电流为，最大重复浪涌电流为1A，输入输出端隔离电压为，输入输出端隔离电压为7500V。MOC3041的的5脚是器件的脚是器件的衬底引出端，使用时不需要接线。衬底引出端，使用时不需要接线。图图13-6是是4N40和和MOC3041的接口驱动电路。的接口驱动电路。4N40输入端限流电阻的计算：输入端限流电阻的计算：R=(Vcc-VF-Vcs)/IF =(5-1.5-0.5)/0.03=100实际应用中可以留一些余量，限流电阻取实际应用中可以留一些余量，限流电阻取91。M

24、OC3041输入端限流电阻的计算：输入端限流电阻的计算：R=(Vcc-VF-Vcs)/IF =(5-1.5-0.5)/0.015=200 262727图图13-6 晶闸管输出型光电耦合器驱动接口晶闸管输出型光电耦合器驱动接口 28为留一定的余量，限流电阻选为留一定的余量，限流电阻选180。 4N40常用于小电流用电器的控制，如指示灯等，也可以用于常用于小电流用电器的控制，如指示灯等，也可以用于触发大功率的晶闸管。触发大功率的晶闸管。MOC3041一般不直接用于控制负载，而一般不直接用于控制负载，而用于中间控制电路或用于触发大功率的晶闸管。用于中间控制电路或用于触发大功率的晶闸管。 3 单片机与

25、继电器的接口单片机与继电器的接口 3.1 单片机与直流电磁式继电器功率接口单片机与直流电磁式继电器功率接口 直流电磁式继电器，一般用功率集成电路或晶体管驱动。在直流电磁式继电器，一般用功率集成电路或晶体管驱动。在使用较多继电器的系统中，可用功率集成电路驱动，例如使用较多继电器的系统中，可用功率集成电路驱动，例如SN75468等。一片等。一片SN75468可以驱动可以驱动7个继电器，驱动电流可个继电器，驱动电流可达达500mA，输出端最大工作电压为，输出端最大工作电压为100V。 2829 常用的继电器大部分属于直流电磁式继电器，也称为直流常用的继电器大部分属于直流电磁式继电器，也称为直流继电器

26、。继电器。图图13-7是单片机与直流继电器的接口电路。是单片机与直流继电器的接口电路。 继电器的动作由单片机的继电器的动作由单片机的P1.0端控制。端控制。P1.0端输出低电平端输出低电平时，继电器时，继电器J吸合；吸合；P1.0端输出高电平时，继电器端输出高电平时，继电器J释放。采释放。采用这种控制逻辑可以使继电器在上电复位或单片机受控复位用这种控制逻辑可以使继电器在上电复位或单片机受控复位时不吸合。时不吸合。 继电器继电器J由晶体管由晶体管9013驱动驱动,9013可以提供可以提供300mA的驱动电的驱动电流流,适用于继电器线圈工作电流小于适用于继电器线圈工作电流小于300mA的场合。的场

27、合。Vc的电的电压范围是压范围是630V。光电耦合器使用。光电耦合器使用TIL117。TIL117有较高的有较高的电流传输比电流传输比,最小值为最小值为50%。晶体管。晶体管9013的电流放大倍的电流放大倍2930图图13-7 直流继电器接口直流继电器接口 31数大于数大于50。当继电器线圈工作电流为。当继电器线圈工作电流为300mA时时, 光电耦合器需光电耦合器需要输出大于要输出大于6.8mA的电流，其中的电流，其中9013基极对地的电阻分流约基极对地的电阻分流约0.8mA。输入光电耦合器的电流必须大于。输入光电耦合器的电流必须大于 6mA，才能保证向，才能保证向继电器提供继电器提供300m

28、A的电流。光电耦合器的输入电流由的电流。光电耦合器的输入电流由7407提提供，电流约为供，电流约为20mA。二极管二极管D的作用是保护晶体管的作用是保护晶体管T。当继电器。当继电器J吸合时，二极管吸合时，二极管D截止，不影响电路工作。继电器释放时，由于继电器线圈存在截止，不影响电路工作。继电器释放时，由于继电器线圈存在电感，这时晶体管电感，这时晶体管T已经截止，所以会在线圈的两端产生较高已经截止，所以会在线圈的两端产生较高的感应电压。这个感应电压的极性是上负下正，正端接在的感应电压。这个感应电压的极性是上负下正，正端接在T的的集电极上。当感应电压与集电极上。当感应电压与Vc之和大于晶体管之和大

29、于晶体管T的集电结反向耐的集电结反向耐压时，晶体管压时，晶体管T就有可能损坏。加入二极管就有可能损坏。加入二极管D后后,继继32电器线圈产生的感应电流由二极管电器线圈产生的感应电流由二极管D流过，因此不会产生很高的流过，因此不会产生很高的感应电压，晶体管感应电压，晶体管T得到了保护。得到了保护。 3.2 单片机与交流电磁式接触器的接口单片机与交流电磁式接触器的接口 继电器中切换电路能力较强的电磁式继电器称为接触器。接继电器中切换电路能力较强的电磁式继电器称为接触器。接触器的触点数一般较多。交流电磁式接触器由于线圈的工作电触器的触点数一般较多。交流电磁式接触器由于线圈的工作电压要求是交流电压要求

30、是交流电,所以通常使用双向晶闸管驱动或使用一个直流所以通常使用双向晶闸管驱动或使用一个直流继电器作为中间继电器控制。继电器作为中间继电器控制。图图13-8是交流接触器的接口电路。是交流接触器的接口电路。 交流接触器交流接触器C由双向晶闸管驱动。双向晶闸管的选择要满足：由双向晶闸管驱动。双向晶闸管的选择要满足：额定工作电流为交流接触器线圈工作电流的额定工作电流为交流接触器线圈工作电流的23倍；额定工作倍；额定工作电压为交流接触器线圈工作电压的电压为交流接触器线圈工作电压的23倍。对于工作电压倍。对于工作电压220V的中、小型的交流接触器，可以选择的中、小型的交流接触器，可以选择3A，600V的双

31、向晶闸管。的双向晶闸管。3233图图13-8 单片机与交流接触器接口单片机与交流接触器接口 34 光电耦合器光电耦合器MOC3041的作用是触发双向晶闸管以及隔离单片的作用是触发双向晶闸管以及隔离单片机系统和接触器系统。光电耦合器机系统和接触器系统。光电耦合器MOC3041的输入端接的输入端接7407，由单片机的由单片机的P1.0端控制。端控制。 P1.0输出为低时，双向晶闸管导通输出为低时，双向晶闸管导通,接触器接触器C吸合。吸合。P1.0输出输出为高时为高时,双向晶闸管关断，接触器双向晶闸管关断，接触器C释放。释放。MOC3041内部带有过内部带有过零控制电路，因此双向晶闸管工作在过零触发

32、方式。接触器动零控制电路，因此双向晶闸管工作在过零触发方式。接触器动作时，电源电压较低，这时接通用电器，对电源的影响较小。作时，电源电压较低，这时接通用电器，对电源的影响较小。 4 单片机与晶闸管的接口单片机与晶闸管的接口 4.1 单向晶闸管单向晶闸管 晶闸管（晶闸管（SCR）习惯上称可控硅，是一种大功率半导体器）习惯上称可控硅，是一种大功率半导体器3435件，它既有单向导电的整流作用，又有可以控制的开关作用。件，它既有单向导电的整流作用，又有可以控制的开关作用。利用它可用较小的功率控制较大的功率。在交、直流电动机利用它可用较小的功率控制较大的功率。在交、直流电动机调速系统、调功系统、随动系统

33、和无触点开关等方面均获得调速系统、调功系统、随动系统和无触点开关等方面均获得广泛的应用，如广泛的应用，如图图13-9所示，它外部有三个电极：阳极所示，它外部有三个电极：阳极A、阴极阴极C、控制极（门极）、控制极（门极）G。与二极管不同的是当其两端加上正向电压而控制极不加电压与二极管不同的是当其两端加上正向电压而控制极不加电压时，晶闸管并不导通，其正向电流很小，处于正向阻断状态；时，晶闸管并不导通，其正向电流很小，处于正向阻断状态；当加上正向电压，且控制极上（与阴极间）也加上一正向电当加上正向电压，且控制极上（与阴极间）也加上一正向电压时，晶闸管便进入导通状态，管压降很小（压时，晶闸管便进入导通

34、状态，管压降很小（1V左右），这左右），这时即使控制电压消失，仍能保持导通状态，所以控制电压没时即使控制电压消失，仍能保持导通状态，所以控制电压没有必要一直存在，通常采用脉冲形式，以降低有必要一直存在，通常采用脉冲形式，以降低36图图13-9 单向晶闸管结构符号单向晶闸管结构符号触发功耗。它不具有自关断能力，要切断负载电流，只有使阳触发功耗。它不具有自关断能力，要切断负载电流，只有使阳极电流减小到维持电流以下，或加上反向电压实现关断。若在极电流减小到维持电流以下，或加上反向电压实现关断。若在交流回路中应用，当电流过零和进入负半周时，自动关断，为交流回路中应用，当电流过零和进入负半周时，自动关断

35、，为了使其再次导通，必须重加控制信号。了使其再次导通，必须重加控制信号。 37 4.2 双向晶闸管双向晶闸管 晶闸管应用于交流电路控制时，如晶闸管应用于交流电路控制时，如图图13-10所示，采用两个器所示，采用两个器件反并联，以保证电流能沿正反两个方向流通。件反并联，以保证电流能沿正反两个方向流通。 如果把两只反并联的如果把两只反并联的SCR制作在同一片硅片上，便构成双向制作在同一片硅片上，便构成双向可控硅，控制极共用一个，使电路大大简化，其特性如下：可控硅，控制极共用一个，使电路大大简化，其特性如下：（1）控制极控制极G上无信号时，上无信号时，A1、A2之间呈高阻抗，管子截止。之间呈高阻抗，

36、管子截止。（2）VA1A21.5V时，不论极性如何，便可利用时，不论极性如何，便可利用G触发电流控触发电流控制其导通。制其导通。（3）工作于交流时，当每一半周交替时，纯阻负载一般能恢复工作于交流时，当每一半周交替时，纯阻负载一般能恢复截止；但在感性负载情况下，电流相位滞后于电压，电流过截止；但在感性负载情况下，电流相位滞后于电压，电流过3738图图13-10 双向晶闸管结构双向晶闸管结构3939零，可能反向电压超过转折电压，使管子反向导通。所以，要零，可能反向电压超过转折电压，使管子反向导通。所以，要求管子能承受这种反向电压，而且一般要加求管子能承受这种反向电压，而且一般要加RC吸收回路。吸收

37、回路。（4）A1、A2可调换使用，触发极性可正可负，但触发电流有可调换使用，触发极性可正可负，但触发电流有差异。差异。双向可控硅经常用作交流调压、调功、调温和无触点开关，过双向可控硅经常用作交流调压、调功、调温和无触点开关，过去其触发脉冲一般都用硬件产生，故检测和控制都不够灵活，去其触发脉冲一般都用硬件产生，故检测和控制都不够灵活，而在单片机控制系统中则经常可利用软件产生触发脉冲。而在单片机控制系统中则经常可利用软件产生触发脉冲。 4.3 光耦合双向可控硅驱动器光耦合双向可控硅驱动器这种器件是一种单片机输出与双向可控硅之间较理想的接口器这种器件是一种单片机输出与双向可控硅之间较理想的接口器件，

38、它由输入和输出两部分组成，输入部分是一砷化镓发光二件，它由输入和输出两部分组成，输入部分是一砷化镓发光二极管，该二极管在极管，该二极管在515mA正向电流作用下发出足够正向电流作用下发出足够 40强度的红外光，触发输出部分。输出部分是一硅光敏双向可控强度的红外光，触发输出部分。输出部分是一硅光敏双向可控硅，在红外线的作用下可双向导通。该器件为六引脚双列直插硅，在红外线的作用下可双向导通。该器件为六引脚双列直插式封装，其引脚配置和内部结构见式封装，其引脚配置和内部结构见图图13-11。 有的型号的光耦合双向可控硅驱动器还带有过零检测器，以有的型号的光耦合双向可控硅驱动器还带有过零检测器，以保证在

39、电压为零（接近于零）时才触发可控硅导通，如保证在电压为零（接近于零）时才触发可控硅导通，如MOC3030/31/32（用于（用于115V交流），交流），MOC3040/41（用于（用于220V交流）。交流）。图图13-12为这类光耦驱动器与双向可控硅的典型为这类光耦驱动器与双向可控硅的典型电路。电路。 输入、输出端的双向晶闸管导通，触发外部的双向晶闸管导输入、输出端的双向晶闸管导通，触发外部的双向晶闸管导通。当通。当P1.0输出高电平时，输出高电平时，MOC3021输出端的双向晶闸管关断，输出端的双向晶闸管关断，外部双向晶闸管也关断。电阻外部双向晶闸管也关断。电阻R1的作用是限制流过的作用是限

40、制流过 4041图图13-11 光耦合双向可控硅驱动器引脚与结构光耦合双向可控硅驱动器引脚与结构 4242图图13-1213-12 双向晶闸管型触发电路双向晶闸管型触发电路43MOC3021输出端的电流不要超过输出端的电流不要超过1A。R1的大小由下式计算：的大小由下式计算： R1=VP/IP=(220)/1=311R1取取300。由于串入电阻。由于串入电阻R1,使得触发电路由一个最小触发电使得触发电路由一个最小触发电压，低于这个电压时，双向晶闸管才导通。最小触发电压压，低于这个电压时，双向晶闸管才导通。最小触发电压VT由由下式计算：下式计算：VT=R1IGT+VGT+VTM=3000.5V+

41、2V+3V=21.5V对应的最小控制角为：对应的最小控制角为：=arcsin(VT/VP)= arcsin(21.5/311)=3.96即控制角不能小于即控制角不能小于3.96,小于小于3.96，也必须等到，也必须等到3.96时时,内内部双向晶闸管才导通。当外接的双向晶闸管功率较大时，需部双向晶闸管才导通。当外接的双向晶闸管功率较大时，需44要较大要较大IGT,这时最小控制角比较大，可能会超出使用的要求。这时最小控制角比较大，可能会超出使用的要求。解决的方法是在大功率晶闸管和解决的方法是在大功率晶闸管和MOC3021之间再加入一个触之间再加入一个触发用的晶闸管发用的晶闸管,这个触发用的晶闸管的

42、限流电阻可以用得比较小，这个触发用的晶闸管的限流电阻可以用得比较小，所以最小控制角也可以做得比较小。所以最小控制角也可以做得比较小。 当负载为感性负载时，由于电压上升率当负载为感性负载时，由于电压上升率dV/dt较大，有可能较大，有可能超过超过MOC3021允许的范围。在阻断状态下，晶闸管的允许的范围。在阻断状态下，晶闸管的PN结相结相当于一个电容，如果突然受到正向电压当于一个电容，如果突然受到正向电压,充电电流流过门极充电电流流过门极PN结时，起了触发电流的作用。当电压上升率结时，起了触发电流的作用。当电压上升率dV/dt较大时，就较大时，就会造成会造成MOC3021的输出晶闸管误导通。的输

43、出晶闸管误导通。 因此因此,在在MOC3021的输出回路中加入的输出回路中加入R2和和C1组成的组成的RC回路，回路，降低电压上升率降低电压上升率dV/dt，使，使dV/dt在允许的范围内。经计在允许的范围内。经计45算算R2取取2K。 C1=(38910-6/210-3)F=0.1910-6F=0.19F 在使用晶闸管的控制电路中，常要求晶闸管在电源电压为零在使用晶闸管的控制电路中，常要求晶闸管在电源电压为零或刚过零时触发晶闸管，来减少晶闸管在导通时对电源的影响。或刚过零时触发晶闸管，来减少晶闸管在导通时对电源的影响。这种触发方式称为过零触发。过零触发需要过零检测电路，有这种触发方式称为过零

44、触发。过零触发需要过零检测电路，有些光电耦合器内部含有过零检测电路，如些光电耦合器内部含有过零检测电路，如MOC3061双向晶闸管双向晶闸管触发电路。触发电路。图图13-13是使用是使用 MOC3061双向晶闸管的过零触发电双向晶闸管的过零触发电路。路。 表表13-3列出了列出了MOTOROLA公司公司MOC3000系列光耦合双向可系列光耦合双向可控硅驱动器的参数。控硅驱动器的参数。4546图图13-13 带过零触发的双向晶闸管触发电路带过零触发的双向晶闸管触发电路 4748 5 单片机与集成功率电子开关输出接口单片机与集成功率电子开关输出接口集成功率电子开关是一种专为逻辑电路输出作接口而设计

45、的直集成功率电子开关是一种专为逻辑电路输出作接口而设计的直流功率电子开关器件。它可由流功率电子开关器件。它可由TTL、HTL、DTL、CMOS等数等数字电路直接驱动，该器件开关速度快、工作频率高、无噪声、字电路直接驱动，该器件开关速度快、工作频率高、无噪声、无触点，工作可靠、寿命长，目前在控制系统中常用来取代机无触点，工作可靠、寿命长，目前在控制系统中常用来取代机械触电继电器，已越来越多地在单片机控制应用系统中作微电械触电继电器，已越来越多地在单片机控制应用系统中作微电机控制、电磁阀驱动等。它特别适用于那些需要抗潮湿、抗腐机控制、电磁阀驱动等。它特别适用于那些需要抗潮湿、抗腐蚀和防爆场合中作大

46、电流开关。如在那些机械触点继电器无法蚀和防爆场合中作大电流开关。如在那些机械触点继电器无法胜任工作的高频和高速系统中工作，更能体现其优越性。胜任工作的高频和高速系统中工作，更能体现其优越性。TWH8751和和TWH8778是应用最广泛的两种集成功率电子开是应用最广泛的两种集成功率电子开49关。它们都为标准的关。它们都为标准的TO-220塑料封装，自带散热片，具有五条塑料封装，自带散热片，具有五条外引脚。下面以外引脚。下面以TWH8751为例介绍其性能和基本应用电路。为例介绍其性能和基本应用电路。 5.1 集成功率电子开关集成功率电子开关TWH8751简介简介1. TWH8751的引脚及其功能的

47、引脚及其功能 图图13-14是是TWH8751的引脚图。的引脚图。图图13-1413-14 TWH8751TWH8751的引脚图的引脚图 5050A其中其中2脚脚VIN是输入引脚，是输入引脚，1脚脚ST为选通控制引脚，为选通控制引脚，3脚为脚为V，通常接地，通常接地，4脚脚VO为输出引脚，为输出引脚，5脚脚V为正电源引脚。为正电源引脚。2. TWH8751的性能特点的性能特点 TWH8751器件设计有滞回特性，抗干扰性能好，而且其控器件设计有滞回特性，抗干扰性能好，而且其控制灵敏度高、工作频率高（可达制灵敏度高、工作频率高（可达1.5MHz）、开关特性好、边沿）、开关特性好、边沿延迟仅毫微秒级

48、，控制功率较大，内部开关功率管反向击穿电延迟仅毫微秒级，控制功率较大，内部开关功率管反向击穿电压为压为100V，加上散热器，通过的灌电流可达，加上散热器，通过的灌电流可达3A。由于其输出管。由于其输出管采用集电极开路方式，所以可根据负载的要求选择合适的电源采用集电极开路方式，所以可根据负载的要求选择合适的电源电压，推荐的工作电压范围是电压，推荐的工作电压范围是1224V。由于片内设有自我热保。由于片内设有自我热保护减流电路，当输出电流超过护减流电路，当输出电流超过2A时，可自动使电流减至时，可自动使电流减至1A左右。左右。当断电或在输入端施加控制信号使输出级截止后，开关电路可当断电或在输入端施

49、加控制信号使输出级截止后，开关电路可恢复恢复2A的输出负荷能力。的输出负荷能力。51 TWH8751的开关动作延时为的开关动作延时为1s左右，左右，图图13-15和和图图13-16分分别给出输入别给出输入-输出（输出（VIN-VOUT）和选通）和选通输出（输出（ST-VOUT）的）的开关特性。该电路都可在开关特性。该电路都可在200kHz频率下可靠地工作。频率下可靠地工作。3. TWH8751的使用和注意点的使用和注意点 该器件是逻辑开关，而不是模拟开关，输出不仅受输入的控该器件是逻辑开关，而不是模拟开关，输出不仅受输入的控制，还受选通端的控制。当制，还受选通端的控制。当ST选通脚为高电平时，

50、不论选通脚为高电平时，不论VIN脚脚的电平是什么，这时输出级的达林顿输出管截止，输出脚与地的电平是什么，这时输出级的达林顿输出管截止，输出脚与地（3脚）断开；脚）断开；VIN=1（1.6V），输出级导通，输出脚与地相），输出级导通，输出脚与地相接。接。 由于在片内电源与地之间设有一由于在片内电源与地之间设有一6.8V的稳压管，当工作电源的稳压管，当工作电源电压超过电压超过6.8V，应加限流电阻，应加限流电阻RS，RS的值可按的值可按RS=(VCC51A52图图13-15 VINVOUT开关特性开关特性 图图13-16 STVOUT开关特性开关特性536.8)/10mA来估算。由于输出开关功率管