一文知道机电一体化系统的接口

一文知道机电一体化系统的接口

一、接口的定义和分类

接口可分为直接接口和接口系统两种形式。

图1 直接接口与接口系统

常用接口的分类方法：

1.根据接口的变换和调整功能，可将接口分为零接口、被动接口、主动接口和智能接口；

2.根据接口的输入/输出对象，可将接口分为机械接口、电气接口、信息接口与环境接口等；

二、电气接口

按照在系统中所起的作用，分为输入接口、输出接口；信号转换与隔离接口；设备专用接口；通信显示接口。

（一）、异步串行通信接口

（二）常用接口元件

光电耦合器作为开关应用时，具有耐用、可靠性高和高速等优点，响应时间一般为数微秒以内，高速型光电耦合器的响应时间有的甚至小于10ns 。

图2 光电耦合器件

（1）单向晶闸管（SCR）

符号和原理如右图所示。SCR有三个极，分别为阳极A阴极K和控制极G（又称门极）从物理结构看，它是一个PNPN器件，其工作原理可以用一个PNP晶体管和一个NPN晶体管的组合来加以说明。SCR有截止和导通两个稳定状态，两种状态的转换可以由导通条件和关断条件来说明。

图3 单向晶闸管

导通条件是指晶闸管从阻断到导通所需的条件，这个条件是在晶闸管的阳极加上正向电压，同时在控制极加上正向电压。关断条件是指晶闸管从导通到阻断所需要的条件。晶闸管一旦导通，控制极对晶闸管就不起控制作用了。只有当流过晶闸管的电流小于保持晶闸管导通所需要的电流即维持电流时，晶闸管才关断。

（2） 双向晶闸管（TRIAC）

图4 双向晶闸管

双向晶闸管是双向导通的，它从一个方向过零进入反向阻断状态只是一个十分短暂的过程，当负载是感性负载时（如电枢），由于电流滞后于电压，有可能使电压过零时电流仍存在，从而导致双向晶闸管失控（不关断）。为使双向晶闸管正常工作，应在其两主电极A1与A2间加RC电路。

双向晶闸管（TRIAC） 具有公共门极的一对反并联普通晶闸管，其结构和符号见图。图中N2区和P2区的表面被整片金属膜连通，构成双向晶闸管的一个主电极，此电极的引出端子称为主端子，用A2表示；N3区和P2区的一小部分被另一金属膜连通，构成一对反并联主晶闸管的公共门极端，用G表示；P1区和N4区被金属膜连通，构成双向晶闸管的另一个主电极，叫做主端子A1。这样，P1-NI-P2-N2和P2-N1-P1-N4就分别构成了双向晶闸管中一对反并联的晶闸管的主体

（3）门极可关断晶闸管（GTO）

内部结构及表示符号如图所示。当门极加上正控制信号时GTO导通，门极加上负控制信号时GTO截止 。GTO是一种介于普通晶闸管和大功率晶体管之间的电力电子器件，它既像SCR那样耐高压、通过电流大、价格便宜，又像GTR那样具有自关断能力、工作频率高、控制功率小、线路简单、使用方便。

图5 门极可关断晶闸管

（4） 光控晶闸管

（5） 温控晶闸管

3．功率晶体管（GTR）

功率晶体管是指在大功率范围应用的晶体管，有时也称为电力晶体管。GTR是20世纪70年代后期的新产品，它把传统双极晶体管的应用范围由弱电扩展到强电领域，在中小功率领域有取代功率晶闸管的趋势。与晶闸管相比，GTR不仅可以工作在开关状态，也可以工作在模拟状态；GTR的开关速度远大于晶闸管，并且控制比晶闸管容易；其缺点是价格高于晶闸管。

图6 功率晶体管

在机电一体化产品中，它基本上被用来做高速开关器件，图b是用功率晶体管做功放元件的步进电动机一相绕组的驱动电路。在实际应用中应注意，当功率晶体管工作在开关状态时，其基极输入电流应选得大一些，否则，晶体管会增加自身压降来限制其负载电流，从而有可能使功率晶体管超过允许功率而损坏。这是因为晶体管在截止或高导通状态时，功率都很小，但在开关过程中，晶体管可能出现高电压、大电流，瞬态功耗会超过静态功耗几十倍。如果驱动电流太小，会使晶体管陷入危险区。

功率场效应晶体管又称功率MOSFET，它的结构和传统MOSFET不同，主要是把传统MOSFET的电流横向流动变为垂直导电的结构模式，目的是解决MOSFET器件的大电流、高电压问题，如图所示。其中G为栅极，即控制极，S为源极，D为漏极。在漏极D和源极S间的反向二极管是在管子制造过程中形成的。

图7 功率场效应晶体管

它具有比双极性功率晶体管更好的特性，主要表现在以下几个方面：

（1）由于功率MOSFET是多数载流子导电，因而不存在少数载流子的储存效应，从而有较高的开关速度；

（2）具有较宽的安全工作区而不会产生热点，同时，由于它具有正的电阻温度系数，所以容易进行并联使用；

（4）具有较高的可靠性和较强的过载能力，短时过载能力通常为额定值的四倍；

C绝缘栅双极晶体管是20世纪80年代出现的新型复合器件，它将MOSFET和GTR的优点集于一身，既具有输入阻抗高、速度快、热稳定性好和驱动电路简单的特点，又具有通态电压低、耐压高和承受电流大等优点。

图8 固态继电器与单片机接口

1.光电耦合器及其驱动电路

图9 光电耦合器4N25的接口电路

2.Mcs-51单片机与继电器的接口

3.单片机与双向晶闸管的接口

4.单片机与功率场效应晶体管的接口

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