Elektronik devrelerin, PIC’lerin ve mikro denetleyicilerin Çıkış Arabirimi, nesneleri hareket ettirerek veya birkaç ışık yakarak gerçek dünyayı kontrol etmelerini sağlar.
Önceki giriş arayüzü eğitiminde gördüğümüz gibi, bir arayüz devresi, bir tür devrenin farklı bir voltaj veya akım derecesine sahip olabilecek başka bir devre tipine bağlanmasına izin verir.
Ancak, anahtarlar ve sensörler gibi giriş cihazlarının yanı sıra röleler, manyetik solenoidler ve ışıklar gibi çıkış cihazlarını da arayüzleyebiliriz. Daha sonra çıkış cihazlarının elektronik devrelere arayüzlenmesi genel olarak şu şekilde bilinir: Çıkış Arayüzleme.
Elektronik devrelerin ve mikro denetleyicilerin Çıkış Arabirimi , robotların motorları veya kolları gibi şeyleri hareket ettirerek gerçek dünyayı kontrol etmelerini sağlar. Ancak çıkış arabirim devreleri, göstergeler gibi şeyleri AÇMAK veya KAPATMAK için de kullanılabilir. Daha sonra çıkış arayüz devreleri bir dijital çıkışa veya bir analog çıkış sinyaline sahip olabilir.
Dijital mantık çıkışları, en yaygın çıkış arabirim sinyali türüdür ve kontrol edilmesi en kolay olanıdır. Dijital çıkış arabirimleri, denetleyici yazılımını kullanarak röleleri kullanarak mikro denetleyicilerin çıkış bağlantı noktasından veya dijital devrelerden gelen bir sinyali AÇIK/KAPALI kontak çıkışına dönüştürür.
Analog çıkış arabirim devreleri, hız veya konumsal kontrol tipi çıkışlar için değişen bir voltaj veya akım sinyali üretmek için amplifikatörler kullanır. Darbeli çıkış anahtarlama, bir DC motorun lamba karartması veya hız kontrolü için çıkış sinyalinin görev döngüsünü değiştiren başka bir çıkış kontrolü türüdür.
Giriş arayüz devreleri farklı sensör tiplerinden farklı voltaj seviyelerini kabul edecek şekilde tasarlanırken, daha büyük akım sürme kapasitesi ve/veya voltaj seviyeleri üretmek için çıkış arayüz devreleri gereklidir. Açık kollektör (veya açık drenaj) çıkış konfigürasyonları sağlanarak çıkış sinyallerinin voltaj seviyeleri arttırılabilir. Bu, bir transistörün kollektör terminali (veya bir MOSFET’in tahliye terminali) normalde yüke bağlanır.
Neredeyse tüm mikro denetleyicilerin, PIC’lerin veya dijital mantık devrelerinin çıkış aşamaları, gerçek dünyayı kontrol etmek için çok çeşitli çıkış arabirim aygıtlarını anahtarlamak ve kontrol etmek için yararlı miktarlarda çıkış akımı sağlayabilir veya kaynak sağlayabilir. Batan ve kaynak akımları hakkında konuştuğumuzda, çıkış arayüzü hem bir anahtarlama akımı “verebilir” (kaynak) ya da bir anahtarlama akımını “absorbe edebilir” (batabilir). Bu, yükün çıkış arayüzüne nasıl bağlandığına bağlı olarak, YÜKSEK veya DÜŞÜK bir çıkışın onu etkinleştireceği anlamına gelir.
Belki de tüm çıkış arabirim aygıtlarının en basiti, tek bir AÇIK/KAPALI göstergesi olarak veya çok bölümlü veya çubuk grafikli ekranın bir parçası olarak ışık üretmek için kullanılanlardır. Ancak, doğrudan bir devrenin çıkışına bağlanabilen normal bir ampulün aksine, diyot olan LED’lerin ileri akımlarını sınırlamak için seri bir dirence ihtiyacı vardır.
Çıkış Arayüz Devreleri
Işık yayan diyotlar veya kısaca LED’ler, durum göstergeleri olarak yüksek voltajlı, yüksek sıcaklıklı filament ampullerin yerini alabilecekleri için birçok elektronik devre için bir çıkış cihazı olarak mükemmel bir düşük güç seçimidir. Bir LED tipik olarak düşük voltajlı, düşük akımlı bir kaynakla çalıştırılır ve bu onları dijital devrelerde kullanım için çok çekici bir bileşen yapar. Ayrıca, katı hal cihazı olarak, 100.000 saatin üzerinde çalışma ömrü beklentisine sahip olabilirler ve bu da onları mükemmel bir kullan-unut bileşeni haline getirir.
Tek LED Arayüz Devresi
Işık Yayan Diyot Eğitimimizde bir LED’in tek yönlü bir yarı iletken cihaz olduğunu gördük; bu, ileriye doğru kutuplandığında, yani katotu (K) anoduna (A) göre yeterince negatif olduğunda, bir dizi renkli çıktı üretebilir. ışık ve parlaklık.
LED’in pn-bağlantısını oluşturmak için kullanılan yarı iletken malzemelere bağlı olarak, yayılan ışığın rengini ve açılma ileri voltajını belirleyecektir. En yaygın LED renkleri kırmızı, yeşil, kehribar veya sarı ışıktır.
Silisyum için yaklaşık 0,7 volt veya Germanyum için yaklaşık 0,3 volt ileri voltaj düşüşüne sahip geleneksel bir sinyal diyotunun aksine, ışık yayan bir diyot, ortak sinyal diyotundan daha büyük bir ileri voltaj düşüşüne sahiptir. Ancak ileriye doğru öngerilimli olduğunda görünür ışık üretir.
Tipik bir LED, aydınlatıldığında sabit bir ileri voltaj düşüşüne, yaklaşık 1,2 ila 1,6 volt V LED’e sahip olabilir ve ışık şiddeti, ileri LED akımıyla doğrudan değişir. Ancak LED etkin bir şekilde bir “diyot” olduğundan (ok benzeri sembolü bir diyotu andırır, ancak LED sembolünün yanında ışık yaydığını belirtmek için küçük oklar bulunur), aşağıdaki durumlarda kaynağın kısa devre yapmasını önlemek için bir akım sınırlama direncine ihtiyaç duyar.
Standart LED’ler 5mA ile 25mA arasındaki ileri akımlarla çalışabildiğinden, LED’ler doğrudan çoğu çıkış arabirim bağlantı noktasından çalıştırılabilir. Tipik bir renkli LED, makul derecede parlak bir ekran sağlamak için yaklaşık 10 mA’lik bir ileri akım gerektirir. Yani, tek bir kırmızı LED’in 1,6 volt yandığında ileri voltaj düşüşüne sahip olduğunu ve 10mA besleyen 5 voltluk bir mikro denetleyicinin çıkış portu tarafından çalıştırılacağını varsayarsak. Daha sonra akım sınırlayıcı seri direncin değeri, gerekli R S şu şekilde hesaplanır:
Ancak, E24 (%5) serisi tercih edilen direnç değerlerinde 340Ω direnç yoktur, bu nedenle seçilen en yakın tercih edilen değer 330Ω veya 360Ω olacaktır. Gerçekte, besleme gerilimine ( V S ) ve gerekli ileri akıma ( I F ) bağlı olarak, 150Ω ile 750Ω arasında herhangi bir seri direnç değeri mükemmel bir şekilde çalışacaktır.
Ayrıca, seri bir devre olduğu için direncin hangi yöne bağlandığı önemli değildir. Ancak LED’in tek yönlü olması nedeniyle doğru şekilde bağlanması gerekir. LED’i yanlış bağlarsanız zarar görmez, sadece yanmaz.
Çoklu LED Arayüz Devresi
Çıkış arabirim devreleri için tekli LED’ler (veya lambalar) kullanmanın yanı sıra, iki veya daha fazla LED’i birbirine bağlayabilir ve optoelektronik devrelerde ve ekranlarda kullanım için aynı çıkış voltajından güç sağlayabiliriz.
İki veya daha fazla LED’i seri olarak birbirine bağlamak, yukarıda gördüğümüz gibi tek bir LED kullanmaktan farklı değildir, ancak bu sefer ekstra ileri voltaj düşüşlerini, seri kombinasyonundaki ek LED’lerin V LED’ini hesaba katmamız gerekiyor.
Örneğin yukarıdaki basit LED çıkış arayüzü örneğimizde LED’in ileri voltaj düşüşünün 1,6 volt olduğunu söylemiştik. Seri olarak üç LED kullanırsak, üçünün tamamındaki toplam voltaj düşüşü 4,8 (3 x 1,6) volt olur. O zaman 5 voltluk kaynağımız hemen hemen kullanılabilirdi, ancak üç LED’e güç vermek yerine 6 volt veya 9 volt daha yüksek bir kaynak kullanmak daha iyi olurdu.
10mA’da 9,0 voltluk bir besleme olduğu varsayılarak (önceki gibi), seri akım sınırlama direncinin değeri, gerekli R S şu şekilde hesaplanır: R S = (9 – 4.8)/10mA = 420Ω . Yine E24 (%5) serisi tercih edilen direnç değerlerinde 420Ω direnç olmadığı için en yakın tercih edilen değer 430Ω olacaktır.
Alçak gerilim, düşük akım cihazları olan LED’ler, doğrudan mikro denetleyici ve dijital mantık kapıları veya sistemlerin çıkış portlarından sürülebilen durum göstergeleri olarak idealdir. Mikro denetleyici portları ve TTL mantık kapıları akım verme yeteneğine sahiptir ve bu nedenle, katodu topraklayarak (anot +5v’ye bağlıysa) veya anoda +5v uygulayarak (katot ise) bir LED’i yakabilir topraklanır).
Bir LED’i Arayüz Eden Dijital Çıkış
Yukarıdaki çıkış arabirim devreleri, bir veya daha fazla seri LED için veya akım gereksinimleri 25 mA’dan (maksimum LED ileri akımı) daha az olan diğer herhangi bir cihaz için iyi çalışır. Ancak, çıkış sürücü akımı bir LED’i çalıştırmak için yetersizse veya 12v filament lamba gibi daha yüksek voltaj veya akım derecesine sahip bir yükü çalıştırmak veya değiştirmek istersek ne olur? Cevap, gösterildiği gibi transistör, mosfet veya röle gibi ek bir anahtarlama cihazı kullanmaktır.
Çıkış Arayüzleme Yüksek Akım Yükleri
Motorlar, solenoidler ve lambalar gibi ortak çıkış arabirim cihazları, gösterildiği gibi bir transistör anahtar düzenlemesi tarafından en iyi şekilde kontrol edilmeleri veya çalıştırılmaları için büyük akımlar gerektirir. Bu şekilde yük, (lamba veya motor) anahtarlama arabiriminin veya kontrolörün çıkış devresini aşırı yükleyemez.
Transistör anahtarları çok yaygındır ve yüksek güç yüklerini anahtarlamak veya farklı güç kaynaklarının çıkış arayüzleri için çok kullanışlıdır. Ayrıca, darbe genişlik modülasyonunda, PWM devrelerinde olduğu gibi, gerekirse saniyede birkaç kez “AÇIK” ve “KAPALI” duruma getirilebilirler. Ancak, transistörü anahtar olarak kullanma konusunda önce düşünmemiz gereken birkaç şey var.
Taban-yayıcı bağlantısına akan akım, kollektörden emitöre akan daha büyük akımı kontrol etmek için kullanılır. Bu nedenle, taban terminaline akım akmazsa, kollektörden emitere (veya kollektöre bağlı yük üzerinden) akım akmazsa, transistörün tamamen KAPALI (cut-off) olduğu söylenir.
Transistör tamamen AÇIK (doygunluk) konumuna getirildiğinde, transistör anahtarı etkin bir şekilde kapalı bir anahtar gibi davranır, yani kollektör voltajı emiter voltajıyla aynı voltajdadır. Ancak katı hal cihazı olarak, doymuş olduğunda bile, V CE(SAT) adı verilen transistör terminallerinde her zaman küçük bir voltaj düşüşü olacaktır. Bu voltaj, transistöre bağlı olarak yaklaşık 0,1 ila 0,5 volt arasında değişir.
Ayrıca, transistör tamamen AÇIK konuma getirileceğinden, yük direnci, transistör kollektör akımını I C yükün gerektirdiği gerçek akımla (bizim durumumuzda, lambadan geçen akım) sınırlayacaktır . O zaman çok fazla baz akımı, daha büyük bir yük akımını daha küçük bir akımla kontrol etmek olan bir transistör kullanma amacını bir şekilde bozan anahtarlama transistörüne aşırı ısınabilir ve zarar verebilir. Bu nedenle, temel akımı sınırlamak için bir direnç gereklidir, I B .
Bir yükü kontrol etmek için tek bir anahtarlama transistörü kullanan temel çıkış arabirim devresi aşağıda gösterilmiştir.
Temel Transistör Anahtar Devresi
12 voltluk bir kaynağa bağlı 5 watt’lık bir filament lambanın çalışmasını, uygun bir çıkış arabirim transistör anahtar devresi aracılığıyla bir TTL 5.0v dijital mantık geçidinin çıkışını kullanarak kontrol etmek istediğimizi varsayalım. Transistörün DC akım kazancı (kolektör (çıkış) ile taban (giriş) akımı arasındaki oran), beta (β) 100 ise (bu Beta veya h FE değerini kullandığınız transistörün veri sayfasından bulabilirsiniz ) ve bunun V CE tam 0.3 volt olduğu zamaN, baz direncinin değeri ne olacağının, satürasyon voltajı, R, B kollektör akımını sınırlamak için gerekli zamandır.
Transistör kollektör akımı, I C , filaman lambasından geçen akımın aynı değeri olacaktır. Lambanın güç derecesi 5 watt ise, tamamen AÇIK durumdayken akım şu şekilde olacaktır:
Olarak bir Cı- lambası (yük) akıma eşittir, transistörler taban akımı olarak transistörün akım kazancı bağlı olacaktır I B = I C / P . Akım kazancı daha önce şu şekilde verilmişti: β = 100 , bu nedenle minimum temel akım I B(MIN) şu şekilde hesaplanır:
Gerekli taban akımının değerini bulduktan sonra, şimdi taban direncinin maksimum değerini, R B(MAX) hesaplamamız gerekiyor. Verilen bilgiler, transistörün tabanının bir dijital mantık geçidinin 5.0v çıkış voltajından ( Vo ) kontrol edileceğini belirtti . Baz emitör ileri ön gerilim gerilimi 0,7 volt ise, R B değeri şu şekilde hesaplanır:
Ardından, mantık geçidinden gelen çıkış sinyali DÜŞÜK (0v) olduğunda, taban akımı akmaz ve transistör tamamen kapalıdır, yani 1kΩ direncinden akım geçmez. Mantık geçidinden çıkış sinyali YÜKSEK (+5v) olduğunda, temel akım 4.27mA’dır ve filaman lambasına 11.7V koyarak transistörü AÇAR. Temel direnç R B , 4.27mA iletirken 18mW’dan daha az dağılır, bu nedenle 1/4W’lık bir direnç çalışacaktır.
Bir çıkış arabirim devresinde bir anahtar olarak bir transistör kullanırken, iyi bir temel kural , temel sürücü akımı I B’nin gerekli yükün yaklaşık %5’i veya hatta %10’u olacak şekilde bir temel direnç, R B değeri seçmektir. akım, I C , transistörün doygunluk bölgesine iyi bir şekilde sürülmesine yardımcı olmak için V CE ve güç kaybını en aza indirir.
Ayrıca, direnç değerlerinin daha hızlı hesaplanması ve matematiği biraz azaltmak için, hesaplamalarınızda isterseniz, kollektör emitör bağlantısı boyunca 0,1 ila 0,5 voltaj düşüşünü ve taban emitör bağlantısı boyunca 0,7 volt düşüşünü göz ardı edebilirsiniz. Ortaya çıkan yaklaşık değer, yine de gerçek hesaplanan değere yeterince yakın olacaktır.
Tek güç transistörlü anahtarlama devreleri, filament lambalar gibi düşük güçlü aygıtları kontrol etmek veya motorlar ve solenoidler gibi çok daha yüksek güçlü aygıtları anahtarlamak için kullanılabilen anahtarlama röleleri için çok kullanışlıdır.
Ancak röleler, örneğin 8 portlu bir mikro denetleyiciyi çıkış arayüzü olarak kullanmak için kullanıldığında pahalı olabilen veya bir devre kartında çok fazla yer kaplayabilen büyük, hacimli elektromekanik cihazlardır.
Bunu aşmanın ve ağır akım cihazlarını doğrudan bir mikro denetleyicinin, PIC’nin veya dijital devrenin çıkış pinlerinden değiştirmenin bir yolu, iki transistörden oluşan bir darlington çifti konfigürasyonu kullanmaktır.
Güç transistörlerinin çıkış arayüzleme cihazları olarak kullanıldığında ana dezavantajlarından biri, özellikle yüksek akımları anahtarlarken akım kazancının ( β ) çok düşük olabilmesidir. Bu sorunun üstesinden gelmek ve gereken temel akımın değerini azaltmak için Darlington konfigürasyonunda iki transistör kullanmaktır.
Darlington Transistör Yapılandırması
Darlington transistör konfigürasyonları, birbirine bağlı iki NPN veya iki PNP transistörden veya 2N6045 veya TIP100 gibi, hızlı kapanmaya yardımcı olmak için tek bir paket içinde hem transistörleri hem de bazı dirençleri entegre eden hazır Darlington cihazı olarak yapılabilir.
Bu Darlington yapılandırmada, transistor, TR 1 kontrol transistörü ve güç çevirmeli transistörün iletimini kontrol etmek için kullanılır TR 2 . TR 1 transistörünün tabanına uygulanan giriş sinyali, TR 2 transistörünün taban akımını kontrol eder . Darlington düzenlemesi, ister tekli transistörler ister tek bir paket olarak aynı üç kabloya sahiptir: Verici ( E ), Baz ( B ) ve Kollektör ( C ).
Darlington transistör konfigürasyonları, kullanılan transistörlere bağlı olarak birkaç yüz ila birkaç bin arasında DC akım kazancına (yani kollektör (çıkış) ve taban (giriş) akımı arasındaki orandır) sahip olabilir. O zaman, yukarıdaki filaman lamba örneğimizi, kollektör akımı olarak (uA) sadece birkaç mikro amperlik bir taban akımı ile kontrol etmek mümkün olacaktır , birinci transistörün β 1 I B1 , ikinci transistörün taban akımı olur.
O zaman iki kazanç β T = β 1 ×β 2 olarak çarpıldığından TR 2’nin mevcut kazancı β 1 β 2 I B1 olacaktır . Başka bir deyişle, tek bir Darlington transistör çifti yapmak için bir araya getirilen bir çift bipolar transistör, mevcut kazançlarını birlikte çarpacaktır.
Bu nedenle, uygun bipolar transistörler seçilerek ve doğru öngerilimleme ile çift emitör takipçisi darlington konfigürasyonları, çok yüksek bir β değerine ve sonuç olarak binlerce ohm’a yüksek bir giriş empedansına sahip tek bir transistör olarak kabul edilebilir.
Neyse ki bizim için birileri zaten birkaç darlington transistör konfigürasyonunu tek bir 16 pinli IC paketine yerleştirdi ve bu sayede bir dizi cihaza arabirim çıkışı yapmamızı kolaylaştırdı.
ULN2003A Darlington Transistör Dizisi
ULN2003A, yüksek verimliliğe ve düşük güç tüketimine sahip, ucuz bir tek kutuplu darlington transistör dizisidir, bu da onu solenoidler, röleler DC Motorlar ve LED ekranlar veya doğrudan mikro denetleyicilerin bağlantı noktalarından filament lambaları dahil olmak üzere çok çeşitli yükleri sürmek için son derece kullanışlı çıkış arabirim devresi haline getirir.
Darlington dizileri ailesi, her biri tek bir IC paketi içinde yedi açık toplayıcı darlington çifti içeren yüksek voltajlı, yüksek akımlı darlington dizileri olan ULN2002A, ULN2003A ve ULN2004A’dan oluşur. Yedi yerine sekiz darlington çifti içeren ULN2803 Darlington Sürücüsü de mevcuttur.
Dizinin izole edilmiş her kanalı 500mA olarak derecelendirilmiştir ve 600mA’ya kadar tepe akımlarına dayanabilir, bu da onu küçük motorları veya lambaları veya yüksek güçlü transistörlerin kapıları ve tabanlarını kontrol etmek için ideal hale getirir. Endüktif yük sürüşü için ek bastırma diyotları dahil edilmiştir ve bağlantıları ve kart düzenini basitleştirmek için girişler çıkışların karşısına sabitlenmiştir.
ULN2003 Darlington Transistör Dizisi
ULN2003A Darlington sürücüsü, doğrudan bir TTL veya +5V CMOS mantık kapısından sürülebilen son derece yüksek bir giriş empedansına ve akım kazancına sahiptir. +15V CMOS mantığı için ULN2004A’yı kullanın ve 100V’a kadar daha yüksek anahtarlama voltajları için SN75468 Darlington dizisini kullanmak daha iyidir.
Daha fazla anahtarlama akımı kapasitesi gerekiyorsa, daha yüksek akım kapasitesi için Darlington çiftlerinin girişleri ve çıkışları birbirine paralel hale getirilebilir. Örneğin, yükü değiştirmek için giriş pimleri 1 ve 2 birbirine bağlanır ve çıkış pimleri 16 ve 15 birbirine bağlanır.
Güç MOSFET Arayüz Devreleri
Tekli transistörler veya Darlington çiftleri kullanmanın yanı sıra, orta güçteki cihazları değiştirmek için güç MOSFET’leri de kullanılabilir. Transistörü doygunluğa sürmek için bir temel akım gerektiren bipolar bağlantı transistörünün, BJT’nin aksine, MOSFET anahtarı, kapı terminali ana akım taşıma kanalından izole edildiğinden neredeyse hiç akım almaz.
Temel MOSFET Anahtar Devresi
Pozitif eşik voltajı ve son derece yüksek giriş empedansı ile N-kanal, geliştirme modu (normalde kapalı) güç MOSFET’leri (eMOSFET), onu mikro denetleyicilere, PIC’lere ve dijital mantık devrelerine doğrudan arabirim için ideal bir cihaz yapar.
MOSFET anahtarları bir kapı giriş sinyali tarafından kontrol edilir ve MOSFET’in son derece yüksek giriş (kapı) direnci nedeniyle, bağlı yükün güç işleme yeteneklerini elde edene kadar neredeyse sınırsız birçok güç MOSFET’ini birlikte paralel hale getirebiliriz.
N-kanal geliştirme tipi MOSFET’te, cihaz kesilir (Vgs = 0) ve kanal, normalde açık bir anahtar gibi davranarak kapalıdır. Kapıya pozitif bir ön gerilim uygulandığında, kanaldan akım akar. Akım miktarı, kapı ön gerilimine, Vgs’ye bağlıdır . Başka bir deyişle, MOSFET’i doygunluk bölgesinde çalıştırmak için, kapıdan kaynağa voltaj, gerekli tahliyeyi ve dolayısıyla yük akımını sürdürmek için yeterli olmalıdır.
Daha önce tartışıldığı gibi, n-kanallı eMOSFET’ler kapı ve kaynak arasına uygulanan bir voltaj tarafından sürülür, bu nedenle gösterildiği gibi MOSFET’lerin kapıdan kaynağa bağlantısına bir zener diyotu eklemek, transistörü aşağıdaki gibi aşırı pozitif veya negatif giriş voltajlarından korumaya yarar. Örneğin doymuş bir op-amp karşılaştırıcı çıkışından üretilenler. Zener, pozitif kapı voltajını kıstırır ve kapı voltajının –0.7V’a ulaştığını iletmeye başlayan geleneksel bir diyot görevi görür ve kapı terminalini ters arıza voltajı sınırından oldukça uzak tutar.
MOSFET’ler ve Açık toplayıcı Kapılar
TTL’den bir güç MOSFET’ini arayüzleyen çıkış, mantık kapısı bize her zaman gerekli V GS çıkışını vermeyebileceğinden, açık toplayıcı çıkışlı kapıları ve sürücüleri kullandığımızda bir sorun teşkil eder. Bu sorunun üstesinden gelmenin bir yolu, gösterildiği gibi bir çekme direnci kullanmaktır.
Yukarı çekme direnci, TTL besleme rayı ile MOSFET’lerin kapı terminaline bağlı olan mantık kapıları çıkışı arasına bağlanır. TTL mantık kapıları çıkışı mantık seviyesi “0” (DÜŞÜK) olduğunda, MOSFET “KAPALI” ve mantık kapıları çıkışı mantık seviyesi “1” (YÜKSEK) olduğunda, direnç kapı voltajını + değerine kadar çeker.
Bu pull-up direnç düzenlemesi ile, kapı voltajını gösterildiği gibi üst besleme rayına bağlayarak MOSFET’i tamamen “AÇIK” duruma getirebiliriz.
Çıkış Arabirim Motorları
Bir dizi aygıtı kontrol etmek için bir çıkış arabirim devresinin parçası olarak hem bipolar bağlantı transistörlerini hem de MOSFET’leri kullanabileceğimizi gördük. Yaygın bir çıkış aygıtı, bir dönme hareketi oluşturan DC motordur. Tek bir transistör, darlington transistör veya MOSFET kullanarak motorların ve step motorların mikro denetleyicilere, PIC’lere ve dijital devrelere arabirim oluşturmasının yüzlerce yolu vardır.
Sorun şu ki, motorlar dönme hareketini oluşturmak için manyetik alanlar, fırçalar ve bobinler kullanan elektromekanik cihazlardır ve bu nedenle motorlar ve özellikle ucuz oyuncak veya bilgisayar fan motorları çok fazla “elektriksel gürültü” ve “voltaj yükselmeleri” üretir. anahtarlama transistörüne zarar verebilir.
Bu motor tarafından üretilen elektrik gürültüsü ve aşırı voltaj, motor terminallerine bir serbest tekerlek diyotu veya polarize olmayan bastırma kapasitörü bağlanarak azaltılabilir. Ancak elektriksel gürültünün ve ters voltajların yarı iletken transistör anahtarlarını veya mikro denetleyicilerin çıkış portlarını etkilemesini önlemenin basit bir yolu, uygun bir röle aracılığıyla kontrol ve motor için ayrı güç kaynakları kullanmaktır.
Bir elektromekanik röleyi bir DC motora arayüzlemek için tipik bir bağlantı şeması aşağıda gösterilmiştir.
AÇIK/KAPALI DC Motor Kontrolü
NPN transistörü, röle bobinine istenilen akımı sağlamak için ON-OFF anahtarı olarak kullanılır. Enerji kesildiğinde endüktif bobinden akan akım anında sıfıra düşürülemeyeceğinden, yukarıdakiyle aynı şekilde serbest dönen diyot gereklidir. Tabana giriş YÜKSEK olarak ayarlandığında, transistör “AÇIK” duruma gelir. Akım, röle bobininden akar ve kontakları motoru çalıştırarak kapanır.
Transistör tabanına giriş DÜŞÜK olduğunda, transistör “KAPALI” duruma gelir ve röle kontakları artık açık olduğundan motor durur. Bobinin devre dışı bırakılmasıyla üretilen herhangi bir geri emk, serbest dönen diyottan akar ve transistörün zarar görmesini önlemek için yavaşça sıfıra düşer. Ayrıca, transistör (veya MOSFET) izole edilmiştir ve motorun çalışması tarafından üretilen herhangi bir gürültü veya voltaj yükselmelerinden etkilenmez.
Bir DC motorun, motor ile güç kaynağı arasındaki bir çift röle kontağı kullanılarak açılıp kapatılabileceğini gördük. Ancak, bir robotta veya başka bir motorlu projede kullanım için motorun her iki yönde de dönmesini istiyorsak ne olur? Daha sonra motor, gösterildiği gibi iki röle kullanılarak kontrol edilebilir.
Tersinir DC Motor Kontrolü
Bir DC motorun dönüş yönü, besleme bağlantılarının polaritesini değiştirerek basitçe tersine çevrilebilir. İki transistör anahtarı kullanılarak, motorların dönüş yönü, her biri tek voltaj kaynağından beslenen tek kutuplu çift atışlı (SPDT) kontaklara sahip iki röle aracılığıyla kontrol edilebilir. Bir seferde transistör anahtarlarından birini çalıştırarak motorun her iki yönde (ileri veya geri) dönmesi sağlanabilir.
Röleler aracılığıyla motorların çıkış arabirimi, onları başlatmamıza ve durdurmamıza veya dönüş yönünü kontrol etmemize izin verirken. Rölelerin kullanımı, röle kontakları sürekli açılıp kapanacağı için dönüş hızını kontrol etmemizi engeller.
Bununla birlikte, bir DC motorun dönüş hızı, güç kaynağı voltajının değeri ile orantılıdır. Bir DC motorunun hızı, DC besleme voltajının ortalama değeri ayarlanarak veya darbe genişlik modülasyonu kullanılarak kontrol edilebilir. Bu, besleme voltajının işaret-boşluk oranını %5’ten %95’e kadar değiştirerek yapılır ve birçok motor H-köprü kontrol cihazı tam da bunu yapar.
Çıkış Arabirimi Şebekeye Bağlı Yükler
Rölelerin bir devreyi diğerinden elektriksel olarak izole edebildiğini daha önce görmüştük, yani daha küçük bir güçlü devrenin muhtemelen daha büyük bir güç devresini kontrol etmesine izin veriyorlar. Röleler aynı zamanda daha küçük devreyi elektriksel gürültüden, aşırı voltaj yükselmelerinden ve hassas yarı iletken anahtarlama cihazına zarar verebilecek geçici akımlardan korur.
Ancak röleler ayrıca 5 voltluk bir mikro denetleyici veya PIC ile ana voltaj kaynağı arasındakiler gibi farklı voltajlara ve topraklara sahip devrelerin çıkış arabirimine de izin verir. Ancak AC motorlar, 100W lambalar veya ısıtıcılar gibi ana şebekeden güç alan cihazları kontrol etmek için transistör (veya MOSFET) anahtarları ve röleleri kullanmanın yanı sıra opto-izolatörler ve güç elektroniği cihazları kullanarak da kontrol edebiliriz.
Opto-izolatörün ana avantajı, optik olarak bağlı olduğu ve bu nedenle minimum giriş akımı (tipik olarak sadece 5mA) ve voltaj gerektirdiği için giriş ve çıkış terminalleri arasında yüksek derecede elektriksel izolasyon sağlamasıdır. Bu, opto-izolatörlerin, çıkışında yeterli LED sürücü özellikleri sunan bir mikro denetleyici bağlantı noktasından veya dijital devreden kolayca arabirim oluşturabileceği anlamına gelir.
Bir opto-izolatörün temel tasarımı, kızıl ötesi ışık üreten bir LED ve yayılan kızıl ötesi ışını algılamak için kullanılan yarı iletken ışığa duyarlı bir cihazdan oluşur. Tek bir foto-transistör, foto-darlington veya foto-triyak olabilen hem LED hem de ışığa duyarlı cihaz, gösterildiği gibi elektrik bağlantıları için ışık geçirmez bir gövde veya metal ayaklı paket içine alınır.
Farklı Opto-izolatör Türleri
Giriş bir LED olduğundan, seri direncin değeri , LED akımını sınırlamak için gereken R S yukarıdaki gibi hesaplanabilir. Aynı anda birden fazla çıkış cihazını kontrol etmek için iki veya daha fazla opto-izolatörün LED’leri seri olarak birbirine bağlanabilir.
Opto-triyak izolatörler, AC ile çalışan ekipmanın ve ana şebeke lambalarının kontrol edilmesini sağlar. MOC 3020 gibi opto-bağlı triyaklar, onları doğrudan şebeke bağlantısı ve yaklaşık 100mA maksimum akım için ideal kılan yaklaşık 400 voltluk voltaj değerlerine sahiptir. Daha yüksek güçlü yükler için, opto-triyak, gösterildiği gibi bir akım sınırlayıcı direnç yoluyla başka bir daha büyük triyak için kapı darbesi sağlamak için kullanılabilir.
Katı Hal Rölesi
Bu tip optokuplör konfigürasyonu, lambalar ve motorlar gibi herhangi bir AC şebekeden beslenen yükü doğrudan bir mikro denetleyicinin, PIC’nin veya dijital devrenin çıkış arayüzünden kontrol etmek için kullanılabilen çok basit bir katı hal röle uygulamasının temelini oluşturur.
Çıktı Arabirim Özeti
Mikro denetleyicileri, PIC’leri, dijital devreleri ve diğer mikroişlemci tabanlı sistemleri kullanan katı hal yazılım kontrol sistemleri, motorları kontrol etmek veya LED göstergeleri ve lambaları AÇMAK veya KAPATMAK için gerçek dünyaya bağlanabilmelidir ve bu durumda bu elektronik öğreticisinde, bu amaç için farklı tipte çıkış arayüz devrelerinin kullanılabileceğini gördük .
Şimdiye kadarki en basit arabirim devresi, basit bir AÇIK/KAPALI göstergesi olarak işlev gören bir ışık yayan diyot veya LED devresidir. Ancak katı hal anahtarları olarak standart transistör veya MOSFET arabirim devrelerini kullanarak, kontrolörün çıkış pinleri yalnızca çok az miktarda akım sağlasa (veya batırsa) bile çok daha büyük bir akım akışını kontrol edebiliriz. Tipik olarak, birçok kontrolör için bunların çıkış arayüz devresi, yükün genellikle besleme gerilimi ile anahtarlama cihazının çıkış terminali arasına bağlandığı bir akım batan çıkış olabilir.
Örneğin, bir projede veya robotik uygulamada bir dizi farklı çıkış cihazını kontrol etmek istersek, tek bir paket içinde birkaç transistör anahtarından oluşan bir ULN2003 Darlington sürücü IC kullanmak daha uygun olabilir. Veya bir AC aktüatörü kontrol etmek istediğimizde, bir röle veya opto-izolatör (optocoupler) arayüzüne çıkış verebiliriz.