مدارات رابط خروجی

مدارات رابط خروجی فرمان الکتریکی را از PIC ها و میکروکنترلرها می‌گیرند و با تبدیل این فرمان به انرژی مکانیکی ، روشنایی و … دنیای بیرون را کنترل می‌کنند

 همان‌طور که ما در مقاله مدارات رابط ورودی دیدیم؛ یک مدار رابط اجازه می‌دهد یک نوع مدار به مداری دیگر که دارای ولتاژ یا جریان متفاوتی است متصل شود.

المان‌های رابط ورودی سوییچ‌ها و سنسورها می‌باشند و المان‌های رابط خروجی رله‌ها، سلونوئیدهای مغناطیسی و لامپ‌ها می‌باشند.

رابط‌های خروجی به مدارات الکترونیکی و میکروکنترلرها اجازه می‌دهند تا جهان واقعی را کنترل کنند. به عنوان مثال موتورها و بازوهای ربات را به حرکت درمی آورند. علاوه بر این از رابط‌های خروجی می‌توان برای خاموش و روشن کردن چراغ‌ها یا دستگاه‌های مختلف استفاده نمود مدارات رابط خروجی می‌توانند دارای خروجی دیجیتال یا ورودی آنالوگ باشند.

۱. مدارات رابط خروجی

خروجی‌های مدار منطقی یکی از رایج‌ترین انواع سیگنال‌های رابط خروجی است و کنترل آن راحت می‌باشد رابط‌های خروجی دیجیتال سیگنال‌ها را از میکروکنترلرها یا مدارات دیجیتال دریافت می‌کنند و به وسیله آن رله‌ها یا دیگر دستگاه‌های خروجی را راه‌اندازی می‌کنند .

مدارات رابط خروجی آنالوگ از تقویت‌کننده‌ها برای ساخت یک ولتاژ متغیر با یک سیگنال جریان استفاده می‌کنند تا سرعت و موقعیت المان‌های خروجی به عنوان مثال موتور را تعیین کنند. سیگنال‌های خروجی پالس با دیوتی سایکل‌های مختلف نیز راه دیگری برای کنترل خروجی می‌باشد که می‌توان از آن برای تعیین سرعت موتور DC یا مدارات دیمر استفاده نمود.

مدارات رابط ورودی برای سطوح ولتاژ مختلف طراحی شده‌اند تا بتوانند سیگنال را از المان‌های ورودی مختلف با مشخصات مختلف دریافت کنند اما مدارات رابط خروجی باید قادر باشند ولتاژ و جریان‌های بالایی را تولید و تحمل کنند سطح ولتاژ خروجی می‌تواند با استفاده از پیکربندی کلکتور باز یا درین باز افزایش یابد ( معمولاً کلکتور در ترانزیستور‌های BJT و درین در ترانزیستورهای MOSFET به بار متصل می‌شود .)

سطح ولتاژ و جریان میکروکنترلرها، PIC ها یا مدارات منطقی معمولاً به اندازه‌ای می‌باشد که بتواند بخش اعظمی از رابط‌های خروجی را راه‌اندازی کند تا با دنیای واقعی ارتباط برقرار کنند مدار رابط خروجی هم می‌تواند منبع جریان (Source) باشد و هم به عنوان کشنده جریان (Sink) به کار ورد که این قضیه بستگی زیادی به این دارد که بار چگونه به رابط خروجی متصل شده و سطح بالا یا سطح پایین ولتاژ باعث راه اندازی مدار می‌شود.

یکی از راحت‌ترین رابط‌های خروجی المان‌هایی می‌باشند که نور تولید می‌کنند حال این المان می‌تواند سون سگمنت یا یک چراغ باشد البته این نکته را باید در نظر داشت که برخلاف لامپ معمولی، LED ها نمی‌توانند به طور مستقیم به مدار متصل شوند بلکه برای محدود کردن جریان مستقیم باید تعدادی مقاومت با آن‌ها سری شود.

مدارات رابط خروجی

دیودهای انتشاردهنده‌ی نور (LIGHT Emitting Diodes) (LED) یکی از المان‌های خروجی با توان مصرفی فوق‌العاده پایین می‌باشند و در خیلی از مدارات الکترونیکی می‌توانند جایگزین لامپ‌های رشته‌ای پرمصرف و حرارت بالا شوند. LED ها در جریان‌ها و ولتاژهای فوق‌العاده پایین راه‌اندازی می‌شوند و به همین دلیل در مدارات دیجیتال کاربرد گسترده‌ای دارند علاوه بر این در دسته قطعات حالت جامد قرار می‌گیرند که طول عمر بالایی دارند.

مدار رابط با یک LED

ما در مقاله LED‌ها مشاهده کردیم که یک LED المانی نیمه‌رسانا است که تنها در یک جهت جریان را از خود عبور می‌دهد. هنگامی که این قطعه بایاس مستقیم می‌شود ( اختلاف پتانسیل کاتد (k) نسبت به آند (A) به اندازه‌‌ی کافی منفی است) جریان از آن عبور و رنگ‌های متنوعی تولید می‌کند.

بسته به مواد نیمه رسانایی که برای ساخت پیوند PN به کار رفته رنگ نوری که از LED ساطع می‌شود، تغییر می‌کند. رنگ‌های رایج LED ها قرمز، سبز، زرد یا نارنجی می‌باشند.

2. مدار رابط با یک LED

بر خلاف دیودهای سیگنال که افت ولتاژ بایاس مستقیم شان ۰/۷ ولت ( برای سیلیکون) و ۰/۳(برای ژرمانیوم) می‌باشد؛ یک LED افت ولتاژ بایاس مستقیم بالایی دارد که بین ۱/۲ تا ۱/۶ ولت می‌باشد. همچنین شدت نور LED با میزان جریانی که از آن عبور می‌کند رابطه‌ی مستقیم دارد به هر حال از آن جایی که LED نیز یک نوع دیود است به یک مقاومت برای محدود کردن جریان نیاز خواهد داشت چرا که ممکن است با عبور جریان زیاد قطعه بسوزد.

البته می‌توان LEDها را به طور مستقیم به پورت‌های خروجی میکروکنترلرها متصل کرد چرا که اصولاً جریان زیادی از این پورت ها عبور نمی‌کند ( جریان پورت‌های خروجی بین ۵mA تا ۱۲mA است) اکثر LED ها برای اینکه نور قابل قبولی را تولید کنند به ۱۰mA جریان نیاز دارند و اگر فرض کنیم یک LED قرمز افت ولتاژ جریان مستقیمی برابر با ۱/۶ ولت دارد و به یک پورت میکروکنترلر با ولتاژ ۵ ولت و جریان ۱۰ میلی آمپر متصل شده میزان مقاومت سری با LED به صورت زیر محاسبه می‌شود.

خب از آن جایی که مقاومت ۳۴۰Ω وجود ندارد؛ باید نزدیک‌ترین مقدار استاندارد را انتخاب کنیم که ۳۳۰Ω یا ۳۶۰Ω خواهد بود. در واقعیت بسته به ولتاژ تغذیه (VS) و جریان بایاس مستقیم (IF) هر مقاومتی که بین بازه ی ۱۵۰Ω تا ۷۵۰Ω باشد؛ برای این LED  مناسب خواهد بود. فراموش نکنید که مهم نیست ابتدا مقاومت را به پایه میکروکنترلر اتصال دهید یا LED را متصل کنید تنها باید دقت کنید که کاتد LED در جهت زمین مدار و آند در جهت پایه میکروکنترلر باشد در غیراین صورت LED بایاس معکوس شده و روشن نخواهد شد.

مدارات رابط که دارای چند LED می‌باشند

علاوه بر استفاده از LED‌های تکی به عنوان رابط خروجی می‌توان چند LED را نیز به یکدیگر متصل نمود. این نوع اتصال تفاوتی با اتصال تکی ندارد اما نباید فراموش کنیم که افت ولتاژ چند برابر می‌شود.

اگر در مثال بالا به جای یک LED، سه LED داشته باشیم افت ولتاژ برابر با (۱/۶*۳)=۴/۸ ولت می‌شود بنابراین دیگر استفاده از یک منبع ولتاژ ۵ ولتی چندان مناسب نیست و باید از یک منبع ۶ ولت برای روشن کردن LED ها استفاده نمود.

 حال یک منبع ولتاژ ۹ ولتی را با جریان ۱۰mA متصور شوید در اینجا RS به صورت RS=(9-4.8)*10mA محاسبه می‌شود که دوباره بر اساس استانداردها چنین مقاومتی وجود ندارد و نزدیک‌ترین مقدار استاندارد ۴۳۰Ω خواهد بود.

از آن جایی که LED المانی با ولتاژ و جریان مصرفی کم می‌باشد برای چراغ‌های تعیین وضعیت بسیار مناسب می‌باشد چرا که می‌تواند به طور مستقیم به پورت‌های خروجی میکروکنترلر یا دروازه‌های منطقی متصل شود پورت‌های میکروکنترلر و دروازه‌های منطقی TTL قابلیت این را دارند که کشنده یا منبع جریان باشند و بنابراین می‌توانند یک LED را چه از طریق کاتد به زمین ( اگر آند به ۵ ولت متصل باشد) با از طریق اتصال به مقاومت‌های سری روشن کنند.

اتصال LED به خروجی از طریق رابط

4. اتصال LED به خروجی از طریق رابط

مدارات رابط خروجی بالا کارکرد خوبی دارند و می‌توانند برای یک یا چند  LEDیا هر المان دیگری که به جریانی کمتر از ۲۵ میلی امپر نیاز دارد ( چرا که ماکزیمم جریان مستقیم قابل تحمل برای LED بیست و پنج میلی آمپر است ) متصل شوند اما اگر جریان برای راه اندازی LED ناکافی باشد یا بخواهیم به جای LED از یک لامپ توان بالای رشته ای استفاده کنیم باید چه کار کنیم؟ در این شرایط باید از یک المان سوییچینگ دیگر مانند ترانزیستور ماسفت یا رله استفاده کنیم.

اتصال بارهای جریان بالا به خروجی از طریق رابط‌

المان‌هایی مانند موتور، سلونوئید و لامپ‌ها به جریان زیادی نیاز دارند تا به خوبی کنترل شوند. بنابراین می‌توانند توسط یک ترانزیستور قدرت همان‌طور که در شکل نشان داده شده راه اندازی شوند .

سوییچ‌های ترانزیستوری خیلی رایج هستند و می‌توان از آن‌ها به عنوان رابط خروجی برای مدارات با توان ها یا منبع تغذیه متفاوت استفاده نمود. در ضمن سرعت کلیدزنی ترانزیستورها همانند مدارات PWM خیلی بالاست. اما نکاتی وجود دارد که در مورد استفاده از یک ترانزیستور به عنوان یک سوییچ باید به آن‌ها توجه کنیم.

جریانی که از پیوند بیس‌ـ‌امیتر عبور می‌کند برای کنترل جریان بزرگ‌تری به کار می‌رود که از کلکتور به سمت امیتر حرکت می‌کند بنابراین اگر هیچ جریانی به سمت ترمینال بیس حرکت نکند، هیچ جریانی از کلکتور به سمت امیتر نمی‌رود بنابراین در چنین شرایطی ترانزیستور خاموش خواهد بود ( ترانزیستور در ناحیه قطع قرار دارد .)

حال اگر ترانزیستور کاملاً روشن شود ( ناحیه اشباع) همانند یک کلید مدار بسته عمل می‌کند و ولتاژ کلکتور و امیتر برابر خواهند بود اما از آن جایی که این المان یک المان حالت جامد است هنگامی که به ناحیه اشباع می‌رود افت ولتاژ کوچکی در ترمینال‌های ترانزیستور مشاهده می‌شود که به آن VCE(OFF) گفته می‌شود این ولتاژ بسته به نوع ترانزیستور بین ۰/۱ تا ۰/۷ تغییر می‌کند .

همچنین هنگامی که ترانزیستور کاملاً روشن می‌شود مقاومت بار، جریان عبوری از کلکتور (IC) را محدود می‌کند بنابراین جریان بیس فوق‌العاده زیاد می‌تواند باعث ایجاد گرمای زیاد و آسیب رسیدن به ترانزیستوری شود که قرار است از آن به عنوان رابط استفاده کنیم بنابراین استفاده از یک مقاومت در بیس ضروری خواهد بود.

مدارات ساده رابط خروجی از یک ترانزیستور برای کنترل بار استفاده می‌کنند البته در این مدارات استفاده از یک دیود هرزگرد برای سرکوب کردن نیرو محرکه القایی که توسط بارهای القایی تولید شده ضروری خواهد بود و معمولاً دیودهای 1N4001 یا 1N4148 به عنوان دیود هرزگرد به صورت موازی با رله ها ، موتورها و سلونوئیدها و … در مدار قرار می‌گیرند.

مدار پایه سوییچینگ ترانزیستور

۵. مدار پایه سوییچینگ ترانزیستور

حال فرض کنید که می خواهیم یک لامپ ۵ واتی که به یک منبع تغذیه 12V متصل شده را با استفاده از یک دروازه‌ی منطقی TTL پنج ولتی و یک رابط خروجی ترانزیستوری کنترل کنیم اگر بهره جریان DC ترانزیستور (β) یا (نسبت جریان کلکتور به جریان بیس)۱۰۰ باشد و افت ولتاژ دو سر کلکتور و امیتر ۰/۳ ولت باشد مقدار مقاومت بیس RB را برای محدودکردن جریان کلکتور محاسبه کنید.

جریان کلکتور (IC) همان جریانی است که وارد لامپ می‌شود بنابراین اگر توان لامپ ۵ وات باشد جریان کلکتور در حالت اشباع به صورت زیر خواهد بود :

از آن جایی که IC  برابر با جریان بار می‌باشد، جریان بیس ترانزیستور متناسب با بهره‌ی ترانزیستور می‌باشد (IB=IC/β) بهره جریان (β) برابر با ۱۰۰ می‌باشد بنابراین حداقل جریان بیس به صورت زیر محاسبه می‌شود:

حال که مقدار جریان بیس را پیدا کردیم، می‌توانیم ماکزیمم مقدار مقاومت بیس (RBMAX) را به دست بیاوریم بر اساس اطلاعات بیس ترانزیستور باید با ولتاژ خروجی ۵ ولت دروازه‌ی منطقی کنترل شود اگر ولتاژ بایاس مستقیم بیس‌ـ‌امیتر ۰/۷ باشد، مقدار مقاومت RB به صورت زیر محاسبه می‌شود:

پس هنگامی که سیگنال خروجی از دروازه منطقی صفر باشد هیچ جریانی از بیس عبور نمی‌کند و ترانزیستور خاموش است، متعاقباً جریان از مقاومت ۱KΩ نیز نمی‌گذرد و هنگامی که سطح سیگنال خروجی از دروازه منطقی بالاست (5V) جریان بیس 4.2mA خواهد بود در این حالت ترانزیستور روشن می‌شود و ولتاژ دو سر لامپ رشته ای 11.7 ولت می‌شود مقاومت بیس (RB) در حالتی که جریان 4.27mA از آن می‌گذرد کمتر از 18mW تلفات خواهد داشت .

فراموش نکنید هنگامی که از یک ترانزیستور به عنوان یک سوییچ در یک رابط خروجی استفاده می‌کنید باید مقاومت بیس را به گونه‌ای انتخاب کنید که جریان IB پنج درصد یا ده درصد جریان مورد نیاز بار باشد تا ترانزیستور به راحتی در ناحیه اشباع قرار گیرد و میزان افت ولتاژ پیوند کلکتور‌ـ‌امیتر و توان تلفاتی به حداقل برسد.

همچنین به منظور اینکه با سرعت بیشتری مقدار مقاومت‌ها را محاسبه کنیم ، می‌توانیم بین ۰/۱ تا ۰/۵ افت ولتاژ را در دو سر پیوند کلکتور‌ـ‌میتر نادیده بگیریم همچنین می‌توانیم از ۰/۷ افت ولتاژ پیوند بیس‌ـ‌امیتر نیز چشم‌پوشی کنیم در این حالت مقدار محاسبه شده چندان با مقدار اصلی تفاوت نمی‌کند .

مدارهای تک ترانزیستوری سوییچینگ برای کنترل المان‌های کم‌توان مانند لامپ‌های رشته‌ای یا رله‌ها گرینه مناسبی هستند از رله‌ها می‌توان برای کلیدزنی مدارات توان بالاتری مانند موتورها یا سلونوئید ها استفاده کرد .

اما رله‌ها بزرگ می‌باشند و جای زیادی را در مدارات الکتریکی اشغال می‌کنند برای اینکه بتوانیم المان‌ها با جریان‌های فوق‌العاده بالا را به صورت مستقیم با میکروکنترلر راه‌اندازی کنیم می‌توانیم از پیکربندی دارلینگتون استفاده کنیم.

البته یکی از بزرگ‌ترین مضرات ترانزیستورهای قدرت به عنوان مدارات رابط خروجی بهره‌ی جریان آن‌ها می‌باشد بهره جریان برای کلیدزنی بارهایی با جریان خیلی بالا خیلی پایین است که برای غلبه بر این مشکل و کاهش میزان جریان بیس می‌توان از پیکربندی دارلینگتون استفاده کرد.

پیکربندی ترانزیستورهای دارلینگتون

جفت دارلینگتون می‌تواند از دو ترانزیستور NPN یا دو ترانزیستور PNP که به یکدیگر اتصال پیدا کرده‌اند تشکیل شود 2N6045 و TIP100 دو قطعه مدار مجتمع هستند که در آن‌ها دو ترانزیستور قدرت به همراه چند مقاومت تعبیه شده و از آن‌ها می‌توان برای مقاصد کلیدزنی استفاده کرد.

در این پیکربندی ترانزیستور TR1 ترانزیستور کنترل می‌باشد و از آن برای کنترل هدایت ترانزیستور قدرت TR2 استفاده می‌شود سیگنال ورودی به بیس ترانزیستور TR1 اعمال می‌شود و این ترانزیستور جریان بیس ترانزیستور TR2 را کنترل می‌کند این ترانزیستورها حتی در حالت مدار مجتمع نیز دارای ۳ پایه امیتر (E)، بیس (B) و کلکتور (C) هستند.

پیکربندی دارلینگتون می‌تواند بهره جریان DC ( نسبت جریان خروجی کلکتور به جریان ورودی بیس) فوق‌العاده بالایی داشته باشد و در این حالت می‌توانیم لامپ رشته‌ای را تنها با جریان بیس چند میلی‌آمپری کنترل کنیم.

۶. پیکربندی ترانزیستورهای دارلینگتون

بهره جریان ترانزیستور دوم به صورت β۱β۲IB1 خواهد بود و بهره جریان دو ترانزیستور در هم ضرب خواهد شد تا بهره جریان کل پیکربندی به دست بیاید (βT=β۱*β۲) به عبارتی دیگر یک جفت ترانزیستور دو قطبی یک ترانزیستور تکی را تشکیل می‌دهند که بهره‌ی جریان‌شان در هم ضرب شده .

بنابراین با انتخاب ترانزیستور دو قطبی مناسب و به وسیله‌ی بایاس درست می‌توان از یک جفت ترانزیستور بهره جریان فوق‌العاده بالایی را گرفت علاوه بر این امپدانس ورودی نیز خیلی بالا ( در حد چند کیلواهم) خواهد بود .

خوشبختانه IC‌های جفت دارلینگتون در انواع مختلف در بازار موجود هستند و ما می‌توانیم به وسیله‌ی آن‌ها رابط‌های خروجی متعدد برای دستگاه‌ها و المان‌های  گوناگون بسازیم .

آرایه ULN2003A ترانزیستور‌های دارلینگتون

ULN2003A یک آرایه ترانزیستوری دارلینگتون تکی قطبی ارزان‌ قیمت می‌باشد که کارایی بالایی دارد و توان مصرفی پایین آن را برای اتصال به خیلی از المان‌ها و دستگاه‌ها مانند سلونوئیدها، رله‌ها، موتورهای DC، صفحه‌های نمایش LED یا لامپ‌های رشته‌ای مناسب می‌کند.

آرایه‌های دارلینگتونی در ۳ تراشه ULN2002A و ULN2004A دیده می‌شوند این قطعات قابلیت تحمل ولتاژ و جریان‌های فوق‌العاده زیاد را دارند و شمال ۷ جفت پیکربندی دارلینگتون کلکتور باز هستند که در یک پکیج مجتمع شده‌اند. همچنین درایور دارلینگتون ULN2803 تراشه ای است که دارای ۸ جفت ترانزیستور دارلینگتون است.

هر کانال در آرایه قابلیت تحمل جریان تا ۶۰۰mA را دارد و همین امر این قطعات را برای کنترل موتورهای کوچک، لامپ‌ها، گیت‌ها و بیس ترانزیستورهای توان بالا مناسب می‌کند در ضمن در داخل این تراشه تعدادی دیود هرزگرد برای خنثی کردن بارهای القایی وجود دارد و به این وسیله نیاز به استفاده از دیودهای خارجی مرتفع شده است.

آرایه ترانزیستور دارلینگتون ULN2003

7. آرایه ترانزیستور دارلینگتون ULN2003

درایور ULN2003A امپدانس ورودی و بهره جریان فوق‌العاده بالایی دارد علاوه بر این می‌تواند به طور مستقیم به یک TTL یا یک دروازه ی منطقی CMOS  پنج ولت متصل شود. برای دروازه‌های منطقی CMOS  پانزده ولتی از ULN2004A و برای ولتاژهای فوق‌العاده بالا از آرایه دارلینگتون SN75468 استفاده می‌شود.

همچنین اگر به جریان سوییچینگ بیشتری نیاز باشد می‌توانیم دو پایه ورودی و دو پایه خروجی را با هم موازی کنیم به عنوان مثال پین‌های ورودی ۱ و ۲ را به یکدیگر و پین‌های ۱۵ و ۱۶ را به هم اتصال دهیم.

رابط‌های مدار ماسفت قدرت

علاوه بر استفاده از جفت ترانزیستورهای دارلینگتون می‌توان از ماسفت‌های قدرت به عنوان رابط خروجی برای بارهای توان بالا نیز استفاده نمود بر خلاف ترانزیستورهای دو‌قطبی پیوندی (BJT) که به جریان بیس برای رفتن به حالت اشباع نیاز دارند، سوییچ MOSFET از خود جریان عبور نمی‌دهد چرا که ترمینال گیت از کانال حامل جریان ایزوله شده.

مدار یک سوییچ ماسفت

ماسفت کانال N افزایشی ( پیش‌فرض خاموش) دارای ولتاژ آستانه‌ی مثبت و امپدانس ورودی خیلی بالایی است و همین امر این قطعه را برای رابط خروجی میکروکنترلرها به گزینه‌ی ایده‌آلی تبدیل کرده ( میکروکنتلرها ، PIC ها و مدارات منطقی دیجیتال نیز ولتاژ خروجی مثبت دارند .)

سوییچ‌های ماسفت توسط سیگنال ورودی گیت کنترل می‌شوند و از آن جایی که مقاومت ورودی گیت فوق‌العاده بالاست می‌توانیم بدون هیچ محدودیتی چندین ماسفت قدرت را با یکدیگر موازی کنیم تا به توان مورد نیاز برای راه‌اندازی بارمان دست بیایم .

۸. مدار یک سوییچ ماسفت

در مدل کانال N افزایشی هنگامی که ولتاژ گیت‌ـ‌سورس صفر باشد ترانزیستور در ناحیه قطع قرار دارد و مانند یک کلید مدار باز عمل می‌کند اما هنگامی که ولتاژ بایاس مثبت به گیت اعمال می‌شود، جریان از کانال عبور می‌کند میزان جریان عبوری بستگی به ولتاژ بایاس گیت (VGS) خواهد داشت به عبارتی دیگر برای اینکه MOSFET را به ناحیه اشباع ببریم VGS باید به حدی بالا برود تا بتواند جریان کانال و متعاقباً جریان بار را حفظ کند.

همان‌طور که در گذشته گفته شد، ماسفت‌های قدرت افزایشی با ولتاژی که به گیت و سورس اعمال می‌شود راه‌اندازی می‌شوند بنابراین اضافه کردن یک دیود زنر به پیوند گیت‌ـ‌سورس ماسفت برای محافظت از ترانزیستور در برابر ولتاژ‌های ورودی مثبت یا منفی که ممکن است توسط یک آپ‌امپ اشباع شده به وجود بیاید ضروری خواهد بود دیود زنر ولتاژ مثبت گیت را برش می‌زند و اگر ولتاژ گیت به ۰/۷ ولت برسد، هدایت را آغاز می‌کند و اجازه نمی‌دهد ولتاژ پایه گیت به ولتاژ شکست معکوسش برسد.

دروازه‌های ماسفت و کلکتور باز

استفاده از یک ماسفت قدرت به عنوان رابط خروجی برای دروازه‌های TTL هنگامی که درایورهای کلکتور باز استفاده می‌شود ممکن است مشکلاتی را به همراه بیاورد چرا که ممکن است گیت ماسفت نتواند ولتاژ مورد نیاز ما را تأمین کند یک راه برای غلبه بر این مشکل این است که از یک مقاومت Pull_Up استفاده کنیم .

مقاومت Pull_Up بین تغذیه TTL و خروجی دروازه‌های منطقی که به پایه گیت MOSFET متصل شده است قرار می‌گیرد و هنگامی که خروجی دراوزه منطقی TTL صفر است، ماسفت خاموش است اما هنگامی که سطح خروجی TTL بالا برود (۵ ولت) مقاومت باعث می‌شود که ولتاژ گیت نیز به ۵ ولت برسد. با استفاده از این مقاومت Pull_UP می‌توانیم ماسفت را به ناحیه اشباع ببریم .

۹. دروازه‌های ماسفت و کلکتور باز

رابط خروجی موتور

همان‌طور که ذکر شد از ترانزیستورهای دو قطبی پیوندی یا ماسفت‌ها می‌توان به عنوان بخشی از مدار رابط خروجی به منظور کنترل دستگاه‌ها و المان‌های متنوعی بهره برد یکی از این المان‌ها موتور DC می‌باشد که دارای یک حرکت دورانی است.

راه‌های زیادی برای اتصال موتورها و استپ موتورها به میکروکنترلرها وجود دارد. PICها و مدارات دیجیتال از ترانزیستورهای دارلینگتون یا ماسفت استفاده می‌کنند.

مشکل این جاست که موتورها المان‌هایی الکترومکانیکی هستند و با استفاده از میدان‌های مغناطیسی، براش و سیم‌پیچ‌ها حرکت دورانی ایجاد می‌کنند و به همین دلیل موتور به‌خصوص آن‌هایی که در فن‌های کامپیوتر به کار می‌روند نویز الکتریکی زیادی را تولید می‌کنند که ممکن است به ترانزیستور سوییچینگ آسیب برساند.

نویز و ولتاژ‌های نامناسب موتور می‌تواند با استفاده از یک خازن غیرقطبی سرکوب‌گر یا یک دیود هرزگرد که به ترمینال‌های موتور متصل می‌گردد کنترل گردد اما یکی از راه‌های سرکوب کردن نویز الکتریکی و ولتاژ‌های معکوس این است که مدار کنترل و موتور را با استفاده از یک رله از هم جدا کنیم .

اتصالات پایه برای رابط خروجی بین یک رله و موتور DC در شکل زیر نشان داده شده :

کنترل موتور DC

10. کنترل موتور DC

ترانزیستور NPN به عنوان یک سوییچ خاموش روشن جریان دلخواه را برای سیم پیچ رله فراهم می‌کند در اینجا استفاده از دیود هرزگرد ضروری است از آن جایی که جریان در سیم‌پیچ دشارژ شده یک‌باره صفر نمی‌شود هنگامی که ورودی بیس به سطح بالا می‌رسد ، ترانزیستور روشن می‌شود و جریان از سیم‌پیچ رله عبور میکند .

سپس کانتکت‌های رله بسته می‌شود و متعاقباً موتور نیز روشن می‌شود .

هنگامی که سطح ورودی بیس پایین است، ترانزیستور خاموش می‌شود سپس کانتکت‌های رله باز می‌شود و در نهایت موتور از حرکت می‌ایستد در این حالت یک نیروی محرکه القایی از سیم‌پیچ رله به سمت دیود هرزگرد جریان پیدا می‌کند دیود هرزگرد این جریان را خنثی می‌کند و اجازه نمی‌دهد که به ترانزیستور آسیبی وارد شود علاوه بر این از ترانزیستور در برابر نویز و نوساناتی که توسط موتور ایجاد می‌شود نیز محافظت  می‌گردد .

ما مشاهده کردیم که یک موتور DC چگونه از طریق اتصال به رله خاموش و روشن می‌شود اما اگر بخواهیم موتور در هر دو جهت بچرخد باید چه کار کنیم؟ در این حالت می‌توانیم از دو رله به صورتی که در شکل زیر نشان داده شده استفاده کنیم .

کنترل دو جهته موتور DC

11. کنترل دو جهته موتور DC

جهت چرخش یک موتور DC می‌تواند به راحتی توسط تغییر پلاریته اتصالات منبع تغذیه تغییر داده شود با استفاده از دو سوییچ ترانزیستوری که به عنوان رابط خروجی به ۲ رله با کانتکت‌های تک پل دو مسیره متصل شده‌اند جهت حرکت موتور قابل کنترل خواهد بود با روشن شدن هر یک از ترانزیستورها، موتور در یک جهت می‌چرخد البته استفاده از رله باعث می‌شود نتوانیم سرعت گردش موتور را تعیین کنیم چرا که در آن صورت کانتکت‌های رله مدام باز وبسته می‌شود.

در هر صورت سرعت گردش موتورهای DC وابسته به مقدار ولتاژ منبع تغذیه می‌باشد سرعت یک موتور DC می‌تواند از طریق تغییر ولتاژ منبع تغذیه یا از طریق مدولاسیون پهنای پالس کنترل شود علاوه بر این بسیاری از کنترلرهای پل H می‌توانند دیوتی سایکل و متعاقباً سرعت موتور‌های DC را کنترل کنند.

رابط خروجی برای بارهای توان متوسط و توان بالا

در گذشته دیدیم که رله‌ها می‌توانند یک مدار را از لحاظ الکتریکی از مداری دیگر ایزوله کنند در این حالت یک مدار با توان خیلی پایین می‌تواند مدارات توان بالاتری را کنترل کند در ضمن رله‌ها مدارات توان پایین را از نویز و نوسان‌های ولتاژ که ممکن است به قطعات حساس نیمه رسانا آسیب برسانند مصون می‌دارد .

در این حالت می‌توان المان‌های فوق‌العاده توان بالایی چون موتورهای AC ، لامپ‌های ۱۰۰ وات و هیترها را تنها به وسیله یک سیگنال کوچک که از مدارات میکروکنترلری و PIC دریافت می‌شود کنترل کرد البته برای کنترل المان‌های توان بالا می‌توان از اپتوایزولاتورها یا المان الکترونیک قدرت نیز استفاده نمود.

بزرگ‌ترین مزیت اپتوایزولاتور این است که بین ترمینال‌های ورودی و خروجی ایزولاسیون فوق‌العاده بالایی وجود دارد و می‌تواند با جریان فوق‌العاده کمی (5mA) راه‌اندازی شود و این بدان معناست که از اپتوایزولاتورها می‌توان به عنوان رابط بین پورت‌های میکروکنترلر و مدارات قدرت استفاده نمود.

طراحی پایه یک اپتوایزولاتور شامل یک LED که نور مادون قرمز تولید می‌کند و یک المان نیمه‌رسانا که نسبت به نور حساس است می‌باشد این المان نور ساتع شده از LED را دریافت می‌کند المان حساس به نور می‌تواند یک فتوترانزیستور ، فتودارلینگتون یا یک فتوترایاک باشد که در یک بدنه شفاف قرار گرفته و دارای پایه‌های فلزی برای اتصال به مدارات مختلف می‌باشد.

انواع مختلف اپتوایزولاتورها

۱۲. انواع مختلف اپتوایزولاتورها

مقاومتی که با LED سری شده (RS) جریان عبوری از LED را کنترل می‌کند در ضمن می‌توان چند دستگاه را تنها به یک پایه اپتوایزولاتور متصل کرد تا به طور همزمان کنترل شوند .

ایزولاتورهای اپتوترایاک کنترل دستگاه‌های AC و لامپ‌های پر مصرف را میسر می‌کنند ترایاک‌های نوری مانند MOC3020 می‌توانند تا ۴۰۰ وات را تحمل کنند و همین امر این قطعه را تبدیل به گزینه مناسبی برای اتصال مستقیم بارهای پرتوان به مدارات کرده همچنین حداکثر جریان قابل تحمل برای این قطعه ۱۰۰ میلی آمپر می‌باشد برای بارهایی با توان بالاتر می‌توان از اپتوترایاکی استفاده کرد که پالس گیت یک ترایاک بزرگ‌تر را که به بار متصل شده تأمین می‌کند .

رله‌های حالت جامد

۱۳. رله‌های حالت جامد

این نوع پیکربندی اپتوکوپلر اساس کارکرد رله‌های حالت جامد را که می‌توانند برای کنترل بارهای AC میان قدرت مانند لامپ و موتور به طور مستقیم به یک میکروکنترلر، PIC یا مدار دیجیتال متصل شود را نشان می‌دهد.

خلاصه مقاله رابطه‌های خروجی

سیستم‌های کنترلی حالت جامد که از میکروکنترلرها، PICها، مدارات دیجیتال یا دیگر میکروپراسسورها استفاده می‌کنند باید قادر باشند تا با دنیای واقعی ارتباط برقرار کنند و کنترل موتورها یا دیگر المان‌ها با توان بالا را در دست بگیرند در این بخش دیدیم که چگونه انواع مختلف رابط‌های خروجی می‌توانند برای نیل به این منظور به کار گرفته شوند .

ساده‌ترین مدار رابط خروجی یک LED می‌باشد که می تواند به عنوان نشانگر خاموش یا روشن شدن مدار به کار رود اما با استفاده از یک ترانزیستور استاندارد یا ماسفت دما به عنوان سوییچ‌های حالت جامد کنترل بارها با جریان‌های فوق‌العاده بالا به وسیله کنترلرهایی با قابلیت تولید و کشیدن جریان‌های فوق‌العاده پایین میسر خواهد بود .

اگر به عنوان مثال بخواهیم دستگاه‌های مختلفی را به طور همزمان کنترل کنیم می‌توانیم از یک درایور دارلینگتون ULN2003 استفاده کنیم که شامل چندین سوییچ ترانزیستوری در داخل یک پکیج می‌باشد یا اگر بخواهیم یک راه‌انداز AC را کنترل کنیم می‌توانیم از رله یا اپتوایزولاتور کمک بگیریم .

مدارات رابط ورودی و خروجی هر دو دست طراحان مدار الکتریکی و الکترونیکی را استفاده از انواع متنوع میکروپراسسورهای توان پایین برای کنترل و برقراری ارتباط با دنیای واقعی باز می‌گذارند و می‌توان به وسیله پورت ورودی یا خروجی میکروکنترلر یا میکرو پراسسور فرمان‌هایی را به دستگاه‌های مختلف ارسال نمود .