مدار واسط خروجی — راهنمای جامع

مدار واسط خروجی (Output Interfacing Circuit) در اکثر مدارات الکترونیکی، میکروکنترلرها و PICها مورد استفاده قرار می‌گیرد و به آن‌ها این امکان را می‌دهد که دنیای واقعی پیرامون خود را از طریق حرکت دادن یک شی و یا حتی روش کردن یک لامپ کنترل کنند. در این مطلب قصد داریم به بررسی مدارات واسط خروجی بپردازیم و انواع مختلف آن‌ها را معرفی کنیم.

در مطالب قبلی مجله فرادرس به مدار واسط ورودی پرداختیم. مدار واسط ورودی به یک مدار اجازه می‌دهد تا به المان یا مداری دیگر متصل شود که ممکن است دارای سطح ولتاژ یا جریان متفاوتی باشد. علاوه بر مدارات واسط ورودی مانند کلیدها و سنسورها، گاهی لازم است تا با مدارات خروجی مانند رله‌ها، سلونوئیدهای مغناطیسی و لامپ‌ها ارتباط برقرار کرد. ارتباط ادوات خروجی با مدارات الکترونیکی را ارتباط خروجی می‌نامند و مداری که برای این نوع ارتباط مورد استفاده قرار می‌گیرد، مدار واسط خروجی نام دارد.

ارتباط خروجی در مدارت الکترونیکی و میکروکنترلرها به آن‌ها امکان کنترل پدیده‌های دنیای واقعی را می‌دهد. به عنوان مثال، از طریق حرکت دادن یک موتور و یا بازوهای یک ربات، می‌توان منجر به جابه‌جایی اشیا در محیط شد و فرآیندهای صنعتی مختلفی را کنترل کرد. همچنین از مدار واسط خروجی برای خاموش و روشن کردن یا کلیدزنی لامپ‌ها استفاده می‌شود. مدار واسط خروجی می‌تواند هم سیگنال خروجی آنالوگ و هم سیگنال خروجی دیجیتال داشته باشد.

خروجی‌های منطقی دیجیتال، متداول‌ترین نوع سیگنال‌های خروجی از مدارات واسط خروجی محسوب می‌شوند که کنترل آن‌ها نیز بسیار ساده‌تر از سایر انواع سیگنال‌ها است. مدار واسط خروجی دیجیتال، با استفاده از نرم‌افزارهای مختلف یا رله‌ها، می‌تواند سیگنال خروجی از پورت یک میکروکنترلر یا یک مدار دیجیتال را به یک خروجی خاموش و روشن یا یک سیگنال ON\OFF تبدیل کند.

مدار واسط خروجی آنالوگ از تقویت‌کننده‌ها برای تولید یک سیگنال ولتاژ یا جریان مناسب استفاده می‌کند و از طریق آن خروجی‌های نوع سرعت و یا موقعیت را کنترل می‌کند. کلیدزنی خروجی پالسی (Pulsed Output Switching) نوعی دیگر از کنترل خروجی است که در ان چرخه وظیفه (Duty Cycle) سیگنال خروجی تغییر داده می‌شود و از طریق آن می‌توان مثلا سرعت یک موتور DC و یا خاموش و روشن شدن یک لامپ را تغییر داد. در تصویر زیر نمایی از یک موتور DC نشان داده شده است.

در حالی‌که مدار واسط ورودی به این منظور طراحی شده است که بتوان سطوح ولتاژ مختلفی را از انواع مختلف سنسورها پذیرفت، اما مدار واسط خروجی به این منظور مورد استفاده قرار می‌گیرد که بتوان مقادیر بالاتر ولتاژ یا جریان یا هر دو را تولید کرد. سطح ولتاژ سیگنال خروجی را می‌توان با استفاده از آرایش خروجی کلکتور باز (Open Collector) افزایش داد. در این پیکربندی، ترمینال کلکتور در ترانزیستور و یا ترمینال درین در MOSFET معمولا به بار خروجی متصل می‌شود.

طبقه خروجی اکثر میکروکنترلرها، PICها و یا مدارات منطقی دیجیتال می‌توانند میزان معینی جریان خروجی را برای کلیدزنی و یا کنترل گستره وسیعی از مدارات واسط خروجی جذب (Sink) و یا تامین (Source) کنند و در نتیجه دنیای پیرامون خود را به صورت موثری کنترل کنند. هنگامی که درباره جذب یا چاه جریان و تامین یا منبع جریان سخن می‌گوییم، منظور این است که مدار واسط خروجی می‌تواند هم جریان کلیدزنی (Switching Current) را تامین کند و هم آن را جذب کند.

مدار واسط خروجی

احتمالا ساده‌ترین نوع از مدارات واسط خروجی، ادواتی هستند که برای تولید نور به کار می‌روند. این ادوات ممکن است یک نشان‌گر ساده خاموش و روشن شدن و یا بخشی از یک نمایش‌گر چند قسمتی یا Bar-Graph باشند. اما بر خلاف یک لامپ حبابی عادی، که می‌تواند مستقیما به خروجی مدار متصل شود، یک LED که نوعی دیود است، به مقاومت سری با خود نیاز دارد تا جریان بایاس مستقیم آن را محدود کند.

دیودهای انتشار نور یا LEDها، به عنوان وسیله خروجی برای بسیاری از مدارات الکترونیکی یک انتخاب بسیار کم مصرفی (توان پایین) محسوب می‌شوند. از LEDها می‌توان به عنوان جایگزین برای لامپ‌های حبابی رشته‌ای در نشان‌گرهای وضعیت (Status Indicators) استفاده کرد؛ زیرا برخلاف آن‌ها، هم توان پایین‌تری لازم دارند و هم انرژی حرارتی کمتری تولید می‌کنند. یک LED معمولا با منابع تغذیه با ولتاژ و جریان پایین تغذیه می‌شود و به همین دلیل به عنوان یک المان بسیار کاربردی در اکثر مدارات دیجیتال مورد استفاده قرار می‌گیرند.

همچنین به دلیل این‌که LEDها جزو ادوات حالت جامد‌ (Solid State) هستند، طول عمر عملکردی بالایی در حدود 100.000 ساعت دارند و به همین دلیل بر کاربردهای آن افزوده میشود.

مدار واسط یک LED تکی

در مطالب قبلی مجله فرادرس به این موضوع اشاره شد که LED، یک وسیله نیمه رسانا یک طرفه (Unidirectional) است که اگر در بایاس مستقیم قرار گیرد و کاتد (Cathode) دیود نسبت به آند (Anode) آن به اندازه کافی منفی شود، آن‌گاه می‌تواند گستره وسیعی از نورهای رنگی را در خروجی ایجاد کند. بسته به نوع نیمه رسانای مورد استفاده در ساخت پیوند PN دیود، رنگ نور ساطع شده از آن و نیز ولتاژ بایاس مستقیم روشن شدن دیود، متغیر خواهد بود. متداول‌ترین رنگ‌های LEDها، شامل رنگ‌های آبی، قرمز، زرد و سبز هستند.

بر خلاف دیودهای سیگنال معمولی که دارای افت ولتاژ بایاس مستقیم در حدود ۰٫۷ ولت برای دیودهای نوع سیلیکونی و ۰٫۳ ولت برای دیودهای نوع ژرمانیومی هستند، دیودهای نورافشان یا LEDها افت ولتاژ بایاس مستقیم بیشتری دارند. همچنین این دیودها زمانی که در بایاس مستقیم قرار بگیرند از خود نور مرئی منتشر می‌کنند.

یک LED عادی هنگام انتشار نور می‌تواند افت ولتاژ بایاس مستقیم ($$V_{LED}$$) در حدود ۱٫۲ ولت تا ۱٫۶ ولت داشته باشد. شدت روشنایی در LEDها به صورت مستقیم به جریان بایاس مستقیم آن‌ها بستگی دارد. چون LED در اصل یک نوع دیود است، در نتیجه به مقاومت محدود کننده جریان نیاز دارد تا از اتصال کوتاه منبع تغذیه، هنگامی که در بایاس مستقیم قرار می‌گیرد، جلوگیری شود.

در شکل زیر مدار واسط یک LED تکی نشان داده شده است.

LED را می‌توان به صورت مستقیم به اکثر پورت‌های واسط خروجی متصل کرد؛ زیرا برای عملکرد خود به جریان بایاس مستقیم بسیار کمی در بازه ۵ میلی آمپر تا ۲۵ میلی آمپر، نیاز دارد. یک دیود نورافشان معمولی جریان بایاس مستقیم حدود ۱۰ میلی آمپر لازم دارد تا مقدار نور کافی برای نمایش را از خود ساطع کند. بنابراین اگر فرض کنیم یک دیود LED قرمز تکی دارای افت ولتاژ بایاس مستقیم در حدود ۱٫۶ ولت هنگام انتشار نور باشد و توسط پورت خروجی یک میکروکنترلر ۵ ولتی، جریان ۱۰ میلی آمپر را تامین کند، آن‌گاه مقدار مقاومت محدودکننده جریان $$R_S$$ مورد نیاز به صورت زیر محاسبه می‌شود:

$$R_S = \frac {V_S - V_{LED}} {I_{LED}} = \frac {5 v - 1.6 v} {10 mA } = 340 \Omega$$

اما در مقادیر پکیج مقاومت‌های E24 یا ۵٪، مقاومت ۳۴۰ اهمی وجود ندارد. بنابراین باید نزدیک‌ترین مقدار به آن را نتخاب کنیم. دو مقاومت ۳۳۰ اهم و ۳۶۰ اهم نزدیک‌ترین مقادیر به ۳۴۰ اهم هستند. در کاربردهای عملی، بسته به منبع تغذیه $$V_S$$ و جریان بایاس مستقیم مورد نیاز یعنی $$I_F$$، هر مقدار مقاومت سری بین ۱۵۰ اهم و ۷۵۰ اهم به صورت مناسب عمل خواهد کرد.

البته باید به این نکته توجه کرد که در یک مدار سری، اهمیتی ندارد که کدام سمت از مقاومت و LED به یکدیگر متصل می‌شوند. اما چون LED یک المان تک جهته محسوب می‌شود، در نتیجه باید به صورت صحیح متصل شود. اگر LED را به صورت اشتباه در مدار متصل کرد، آسیبی نمی‌بیند و فقط نور را از خود منتشر نمی‌کند.

مدار واسط خروجی چند LED

علاوه بر استفاده از یک LED تکی (یا لامپ) برای مدار واسط خروجی، می‌توان دو یا تعداد بیشتری LED را نیز به یکدیگر متصل کرد و آن‌ها را از یک ولتاژ خروجی تغذیه کرد. از اتصال چند LED به یکدیگر می‌توان در مدارات الکترونیک نوری (Optoelectronic) و نمایش‌گرها استفاده کرد. نمایی از مدار واسط خروجی چند LED متصل به یکدیگر در تصویر زیر نشان داده شده است.

اتصال سری دو یا تعداد بیشتری LED به یکدیگر، تفاوت زیادی با استفاده از یک LED (که در قسمت قبل بررسی شد.) ندارد. اما در این حالت باید افت ولتاژ بایاس مستقیم تمام دیودهایی که به صورت سری به یکدیگر متصل شده‌اند را حساب کنیم. به عنوان مثال، مدار واسط خروجی ساده بالا را در نظر بگیرید. همان طور که اشاره کردیم، مقدار افت ولتاژ بایاس مستقیم در طول LED برابر با ۱٫۶ ولت است. بنابراین اگر از اتصال سری ۳ عدد LED استفاده کنیم، آن‌گاه مجموع افت ولتاژ بایاس مستقیم برابر با ۴٫۸ ولت خواهد بود. در نتیجه می‌توان از منبع تغذیه ولتاژ ۵ ولتی استفاده کرد، اما بهتر است با منبع ۶ ولتی و یا ۹ ولتی جایگزین شود تا بتواند ۳ LED را روشن کند.

فرض کنید از یک منبع تغذیه ۹ ولتی با مقدار جریان ۱۰ میلی آمپر استفاده کنیم. اگر در مدار سه LED با اتصال سری وجود داشته باشند، آن‌گاه مقدار مقاومت محدودکننده سری $$R_S$$ مورد نیاز برابر است با:

$$R_S = \frac {9 v - 4.8 v} {10 mA } = 420 \Omega$$

باز هم 420 اهم در مقادیر مقاومت‌های استاندارد E24 موجود نیست و نزدیک‌ترین مقدار مقاومت به آن، یعنی ۴۳۰ اهم را انتخاب می‌کنیم. همان طور که قبلا اشاره کردیم، به دلیل ولتاژ و جریان پایین، LEDها برای استفاده به عنوان نشان‌گر وضعیت بسیار ایده‌آل هستند. می‌توان این ادوات را به صورت مستقیم از پورت‌های خروجی میکروکنترلرها و سیستم‌ها و گیت‌های منطقی و دیجیتالی تغذیه کرد.

پورت‌های میکروکنترلرها و گیت‌های منطقی TTL، این توانایی را دارند که جریان را هم جذب و هم تامین کنند. اگر آند یک LED به ولتاژ 5V+ متصل شده باشد، می‌توان آن را از طریق اتصال کاتد به زمین روشن کرد و اگر کاتد LED به زمین متصل باشد، برای روشن شدن باید ولتاژ 5V+ به آند آن اعمال شود. بنابراین در حالت کلی، LED را می‌توان هم از طریق اعمال ولتاژ 5V+ به آند و هم از طریق اعمال ۰ ولت به کاتد روشن کرد. واضح است که در هر دو حالت باید از مقاومت محدودکننده جریان مناسب به صورت سری استفاده کرد.

ارتباط خروجی‌های دیجیتال و LED

مدارات واسط خروجی که در شکل‌های زیر نشان داده شده‌اند، در صورت اتصال یک و تعداد بیشتر LED به خوبی کار می‌کنند. این مدارات همچنین برای هر وسیله دیگر که جریان مورد نیاز آن کمتر از ۲۵ میلی آمپر (بیشینه جریان بایاس مستقیم LED) باشد نیز عملکرد قابل قبولی دارد.

اما ممکن است مقدار جریان درایو خروجی برای روشن کردن LED یا هر وسیله مورد نظر دیگر به اندازه کافی نباشد و یا بخواهیم یک بار را با نرخ جریان و ولتاژ بالا (مانند لامپ‌ های رشته‌ای ۱۲ ولتی) را کلیدزنی کنیم. در این صورت باید از یک المان کلیدزنی اضافی مانند ترانزیستور، ماسفت یا رله استفاده کنیم.

مدار واسط خروجی بارهای جریان بالا

ادوات خروجی متداول مانند لامپ‌ها، سلونوئیدها و موتورها، به مقدار جریان بالایی نیاز دارند. در این حالت، با استفاده از آرایش کلیدهای ترانزیستوری می‌توان این وسایل را به صورت موثرتری درایو و کنترل کرد. با استفاده از این روش، بار (لامپ یا موتور) نمی‌تواند مدار خروجی کنترل‌کننده یا واسط کلیدزنی را دچار اضافه بار (Overload) کند. در شکل زیر نمایی از یک مدار واسط خروجی بارهای جریان بالا با استفاده از ترانزیستور نشان داده شده است.

کلیدهای ترانزیستوری در عمل بسیار متداول هستند و برای کلیدزنی بارهای با توان بالا و یا مدار واسط خروجی منابع تغذیه با توان‌های متفاوت مورد استفاده قرار می‌گیرند. این مدارات همچنین قادرند در صورت نیاز، در یک ثانیه چندین بار روشن و خاموش شوند، در نتیجه در مدارات مدولاسیون پهنای پالس (PWM) بسیار کاربرد دارند. اما پیش از استفاده از ترانزیستورها به عنوان کلید، باید به چند نکته توجه کرد.

جریان عبوری از پیوند بیس امیتر برای کنترل کردن مقدار جریان بزرگ گذرا از کلکتور به امیتر (یا جریان بار متصل به خروجی ترانزیستور) مورد استفاده قرار می‌گیرد. بنابراین، اگر هیچ جریانی در ترمینال بیس ترانزیستور وجود نداشته باشد، آن‌گاه هیچ جریانی از کلکتور به امیتر نیز برقرار نخواهد بود و به عبارت دیگر جریان بار متصل به ترانزیستور برابر با صفر خواهد بود. در این حالت گفته می‌شود که ترانزیستور کاملا قطع یا خاموش (Cut-Off) است.

با تغییر ترانزیستور به ناحیه روشن یا اشباع (Saturation)، کلید ترانزیستوری با دقت بالایی شبیه به یک کلید بسته عمل می‌کند؛ زیرا ولتاژ کلکتور آن با تقریب خوبی برابر با ولتاژ امیتر است. البته به دلیل این که ترانزیستور یک المان حالت جامد است، حتی در حالت اشباع نیز افت ولتاژ کوچکی در طول ترمینال‌های ترانزیستور به وجود می‌آید که $$V_{CE(SAT)}$$ نام دارد. این افت ولتاژ بسته به نوع ترانزیستور از ۰٫۱ ولت تا ۰٫۵ ولت تغییر می‌کند.

هنگامی که ترانزیستور به ناحیه روشن یا اشباع برود، مقاومت بار، جریان کلکتور ترانزیستور ($$I_C$$) را به مقدار واقعی مورد نیاز توسط بار (در مثال بالا جریان لامپ) محدود می‌کند. اگر جریان بیس بالا باشد، می‌تواند منجر به بالا رفتن دمای ترانزیستور و آسیب دیدن ترانزیستور کلیدزنی شود، که مخالف با هدف استفاده از ترانزیستور است؛ زیرا جریان بار بزرگ باید با استفاده از جریان‌های کوچک کنترل شود. بنابراین به استفاده از یک ترانزیستور محدودکننده جریان، برای محدود کردن جریان بیس ($$I_B$$) نیاز است.

یک مدار واسط خروجی ساده در شکل زیر نشان داده شده است که با استفاده از یک ترانزیستور کلیدزنی ایجاد شده و قادر است جریان بار را کنترل کند.

به این نکته توجه کنید که استفاده از یک دیود هرزگرد (Free-Wheeling Diode) در این مدارات بسیار ضروری است؛ زیرا از ترانزیستور در برابر ولتاژ نیروی ضدمحرکه الکتریکی تولید شده در طول بار القایی متصل به خروجی ترانزیستور مانند روتور، لامپ و سلونوئید محافظت می‌کند. از انواع مختلف دیودهای هرزگرد می‌توان به 1N4001 و یا 1N4148 اشاره کرد. ولتاژ ضد محرکه زمانی به مدار آسیب می‌زند که جریان توسط ترانزیستور قطع شود.

فرض کنید می‌خواهیم عملکرد یک لامپ رشته‌ای ۵ واتی متصل به یک منبع تغذیه ۱۲ ولتی را با استفاده از یک گیت دیجیتال TTL پنج ولتی و از طریق یک مدار واسط خروجی کلیدزنی ترانزیستور مناسب بررسی کنیم. اگر بهره جریان DC در ترانزیستور، یعنی نسبت بین جریان کلکتور (خروجی) و بیس (ورودی) که $$\beta$$ نام دارد، برابر با ۱۰۰ باشد و نیز ولتاژ اشباع $$V_{CE}$$ هنگام روشن بودن کامل ترانزیستور برابر با ۰٫۳ ولت باشد، آن‌گاه مقدار مقاومت بیس $$R_B$$ مورد نیاز برای محدود کردن جریان کلکتور چقدر خواهد بود؟ توجه کنید که مقدار $$\beta$$ یا $$h_{FE}$$ را می‌توان در دیتاشیت ترانزیستور به دست آورد.

مقدار جریان کلکتور ترانزیستور $$I_C$$ همان مقداری است که از رشته‌های لامپ عبور می‌کند. اگر نرخ توان مربوط به لامپ برابر با ۵ وات باشد، آن‌گاه با توجه به فرمول توان داریم:

$$P = V \times I$$

بنابراین مقدار جریان هنگام روشن بودن کامل ترانزیستور برابر است با:

$$I = \frac {P } { V}$$

همچنین مقدار ولتاژ اشباع ترانزیستور را از قبل داریم:

$$V_{CE(SAT)} = 0.3 v$$

در نهایت جریان کلکتور به صورت زیر به دست می‌آید:

$$\therefore I_C = \frac {P} {V_S - V_{CE(SAT)}} = \frac {5} {12 - 0.3} = 427\; mA$$

چون $$I_C$$ برابر با جریان بار یا لامپ است، در نتیجه مقدار جریان بیس ترانزیستور به صورت زیر با استفاده از نرخ جریان ترانزیستور به دست می‌آید:

$$I_B = \frac {I_C} {\beta}$$

همان طور که در ابتدا بیان شد، نرخ جریان برابر با ۱۰۰ است، بنابراین کمینه جریان بیس $$I_{B(MIN)}$$ به صورت زیر محاسبه می‌شود:

$$I_{B(MIN)} = \frac {I_{C(SAT)}} {\beta} = \frac {427 mA} {100} = 4.27 mA$$

پس از به دست آوردن مقدار جریان بیس ترانزیستور، حال لازم است که مقدار بیشینه مقاومت بیس $$R_{B(MAX)}$$ را محاسبه کنیم. بر اساس اطلاعات داده شده می‌دانیم که مقدار جریان بیس ترانزیستور به وسیله ولتاژ ۵ ولت خروجی یک گیت منطقی دیجیتال کنترل می‌شود. اگر ولتاژ بایاس مستقیم پیوند بیس امیتر برابر با ۰٫۷ ولت باشد، آن‌گاه مقدار مقاومت $$R_B$$ به صورت زیر محاسبه می‌شود:

$$R_{B(MAX)} = \frac {V_O - V_{BE}} {I_{B(MIN)}}$$

$$R_{B(MAX)} = \frac {5 v - 0.7 v} {4.27 mA} = 1007 \Omega = 1K \Omega$$

بنابراین هنگامی که سیگنال خروجی از گیت منطقی صفر ولت یا سطح Low باشد، هیچ جریانی بیسی از ترانزیستور عبور نخواهد کرد و ترانزیستور کاملا خاموش است. واضح است که در این حالت هیچ جریانی از مقاومت ۱ کیلو اهمی نیز نمی‌گذرد. اما زمانی که سیگنال خروجی از گیت منطقی در سطح ۵ ولت یا High باشد، جریان بیس برابر با ۴٫۲۷ میلی آمپر است و ترانزیستور را روشن می‌کند و باعث به وجود آمدن ولتاژ ۱۱٫۷ ولت در طول رشته‌های لامپ می‌شود. مقاومت بیس $$R_B$$ کمتر از ۱۸ میلی وات را هنگام هدایت جریان ۴٫۲۷ میلی آمپر تلف می‌کند، بنابراین یک مقاومت ۱٫۴ وات وجود دارد.

به این نکته باید توجه کرد که هنگام به کار بردن یک ترانزیستور به عنوان کلید در یک مدار واسط خروجی، بر اساس یک قاعده ساده می‌توان مقدار مقاومت بیس $$R_B$$ را به صورتی انتخاب کرد که جریان بیس $$I_B$$ حدودا ٪۵ یا ٪۱۰ از کل جریان بار مورد نیاز $$I_C$$ باشد تا ترانزیستور را به خوبی در ناحیه اشباع قرار دهد و مقدار $$V_{CE}$$ و اتلاف توان را کمتر کند.

همچنین برای محاسبه سریع‌تر مقدار مقاومت، می‌توان از افت ولتاژ ۰٫۱ یا ۰٫۵ ولت در طول پیوند کلکتور امیتر و افت ولتاژ ۰٫۷ ولت در پیوند بیس امیتر صرف نظر کرد. مقدار به دست آمده در این شرایط نیز دارای دقت کافی خواهد بود. مدار کلید ترانزیستوری برای کنترل ادوات توان پایین مانند لامپ‌های رشته‌ای یا رله‌های کلیدی مفید است که این ادوات خود برای کنترل توان وسایل با توان‌ بالاتر مانند موتورها و سلونوئیدها می‌توانند مورد استفاده قرار گیرند.

اما رله‌ها ادوات الکترومکانیکی بزرگ و جاگیری هستند که قیمت نسبتا بالایی نیز دارند و قسمت عمده از فضای یک برد مداری را مثلا هنگام استفاده به عنوان مدار واسط خروجی یک میکروکنترلر ۸ بیتی اشغال می‌کنند. یک راه برای رفع این مشکل و کلیدزنی ادوات جریان بالا به صورت مستقیم از پین‌های خروجی میکروکنترلر، PIC و یا مدارات دیجیتال، استفاده از پیکربندی زوج دارلینگتون است که از دو ترانزیستور تشکیل شده است.

یکی از بزرگ‌ترین معایب ترانزیستورهای قدرت هنگام استفاده به عنوان مدار واسط خروجی، این است که بهره جریان $$\beta$$ آن‌ها مخصوصا در کلیدزنی بارهای جریان بالا، بسیار پایین و حتی در حدود ۱۰ است. برای حل این مشکل و کاهش مقدار جریان بیس مورد نیاز، مجددا استفاده از زوج ترانزیستوری دارلینگتون ست. نمایی از آرایش زوج ترانزیستوری دارلینگتون در تصویر زیر نشان داده شده است.

آرایش زوج دارلینگتون، از دو ترانزیستور PNP و یا دو ترانزیستور NPN تشکیل شده است که مطابق تصویر بالا به یکدیگر متصل شده‌اند. این آرایش در آی‌سی‌هایی مانند 2N6045 یا TIP100 برای استفاده به صورت آماده وجود دارد که شامل دو ترانزیستور و مقاومت‌های مورد نیاز برای خاموش شدن سریع هستند و در کاربردهای سوئیچینگ مورد استفاده قرار می‌گیرند. در آرایش دارلینگتون تصویر بالا، ترانزیستور TR1 برای کنترل ترانزیستور قدرت کلیدزنی TR2 مورد استفاده قرار می‌گیرد. سیگنال ورودی اعمال شده به بیس ترانزیستور TR1 می‌تواند جریان بیس ترانزیستور TR2 را نیز کنترل کند. آرایش دارلینگتون هم به صورت ترانزیستوری و هم به صورت آی‌سی، دارای سه پایه امیتر، بیس و کلکتور است.

بسته به ترانزیستور مورد استفاده، بهره جریان DC زوج دارلینگتون می‌تواند از چند صد تا چند هزار تغییر کند. در نتیجه این امکان وجود دارد که بتوان مثلا یک لامپ رشته‌ای را با جریان بیس در حدود چند میکرو آمپر کنترل کرد؛ زیرا جریان کلکتور $$\beta_1 I_{B1}$$ اولین ترانزیستور، برابر با جریان بیس دومین ترانزیستور خواهد بود. بنابراین بهره جریان TR2 برابر با $$\beta_1 \beta_2 I_{B1}$$ می‌شود و بهره جریان نهایی از حاص‌ضرب بهره جریان دو ترانزیستور به دست می‌آید. به عبارت دیگر دو ترانزیستور دو قطبی تکی به یکدیگر متصل می‌شوند و یک ترانزیستور دارلینگتون را به وجود می‌آورند که بهره جریان آن از حاصل‌ضرب بهره جریان ترانزیستورهای تکی به دست می‌آید.

بنابراین با انتخاب ترانزیستورهای دو قطبی مناسب و بایاس صحیح آن‌ها، می‌توان آرایش زوج دارلینگتون تعقیب‌کننده امیتر (Emitter Follower) را به عنوان یک ترانزیستور با بهره جریان بالا و در نتیجه امپدانس ورودی بسیار بزرگ در حدود چند هزار اهم در نظر گرفت.  خوشبختانه امروزه استفاده از زوج دارلینگتون در پکیج آی‌سی‌های متنوع با ۱۶ پین به عنوان مدار واسط خروجی بسیار ساده است.

آرایه ترانزیستوری دارلینگتون ULN2003A

ULN2003A یک آرایه ترانزیستوری دارلینگتون تک قطبی ارزان قیمت است که راندمان بالا و مصرف توان بسیار پایینی دارد و به همین دلیل برای استفاده در مدارات واسط خروجی می‌تواند در نظر گرفته شود. این مدار واسط خروجی برای درایو گستره وسیعی از بارها مانند رله‌ها، موتورهای DC، سلونوئیدها، نمایش‌گرهای LED و لامپ‌های رشته‌ای به صورت مستقیم از پورت‌های میکروکنترلرها، PICها یا مدارات دیجیتال مورد استفاده قرار می‌گیرد.

خانواده آرایه‌های دارلینگتونی شامل ULN2002A و ULN2003A و ULN2004A هستند که همگی آرایه‌های دارلینگتونی با ولتاژ و جریان بالا محسوب می‌شوند و شامل ۷ جفت ترانزیستور دارلینگتون کلکتور باز در یک پکیج آی‌سی هستند. ULN2803 نیز یک درایو دارلینگتونی است که به جای هفت زوج دارلینگتون، هشت زوج دارلینگتون دارد. هر کانال ایزوله شده از آرایه در ۵۰۰ میلی آمپر قرار دارد و می‌تواند پیک جریان تا ۶۰۰ میلی آمپر را نیز تحمل کند. به همین دلیل برای کاربردهایی نظیر کنترل موتورهای کوچک، لامپ‌ها و گیت و بیس ترانزیستورهای توان بالا بسیار ایده‌آل است. همچنین دیودهای سرکوب‌کننده اضافی برای درایو بارهای القایی در مدار گنجانده شده‌اند. نحوه اتصال ورودی‌ها و خروجی‌های دیود و مدار داخلی آرایه ترانزیستوری دارلینگتون ULN2003A در تصویر زیر نشان داده شده است.

درایو دارلینگتون ULN2003A دارای امپدانس ورودی و بهره جریان بسیار بالا است که می‌تواند به صورت مستقیم از گیت منطقی TTL یا CMOS پنج ولتی گرفته شود. برای گیت منطقی CMOS پانزده ولت از ULN2004A استفاده می‌شود و برای ولتاژهای سوئیچینگ بالا تا ۱۰۰ ولت بهتر است که از آرایه دارلینگتون SN75468 استفاده شود. اگر ظرفیت جریان سوئیچینگ بیشتری مورد نیاز باشد، آن‌گاه ورودی‌ها و خروجی‌های جفت دارلینگتون می‌توانند با یکدیگر موازی شوند و ظرفیت جریان را افزایش دهند. به عنوان مثال، پین‌های ورودی ۱ و ۲ به یکدیگر و پین‌های خروجی ۱۵ و ۱۶ نیز به یکدیگر متصل شده‌اند تا بار را کلیدزنی کنند.

مدار واسط خروجی ماسفت قدرت

علاوه بر ترانزیستورهای تکی و یا زوج دارلینگتون، ماسفت‌های قدرت (Power MOSFET) نیز می‌توانند برای سوئیچینگ ادوات توان متوسط مورد استفاده قرار گیرند. بر خلاف ترانزیستورهای پیوند دوقطبی یا BJT که به یک جریان بیس برای درایو ترانزیستور به ناحیه اشباع نیاز دارند، کلیدهای ماسفت تقریبا هیچ جریانی را لازم ندارند؛ زیرا ترمینال گیت از ترمینال اصلی حامل جریان ایزوله شده است.

مدار کلید ماسفت ساده

ماسفت قدرت نوع افزایشی کانال N دارای ولتاژ آستانه مثبت و امپدانس ورودی بسیار بزرگ است و به همین دلیل به عنوان مدار واسط مستقیم به میکروکنترلرها، PICها و مدارات منطقی دیجیتال بسیار ایده‌آل محسوب می‌شود و می‌توانند خروجی مثبتی را مطابق با شکل بالا تولید کند. کلیدهای ماسفت توسط سیگنال ورودی گیت کنترل می‌شوند و به دلیل مقاومت بسیار بالای ورودی (گیت) در ماسفت، می‌توان بدون محدودیت تعداد زیادی ماسفت قدرت را با یکدیگر موازی کرد تا به توانایی کنترل توان بار متصل برسیم. در تصویر زیر نمایی از مدار کلید ماسفت ساده نشان داده شده است.

در ماسفت نوع افزایشی N کانال، وسیله در حالت قطع قرار دارد ($$V_{gs}$$) و کانال بسته شده است، در نتیجه مانند یک کلید معمولا باز (Normally Open) عمل می‌کند. زمانی که یک ولتاژ بایاس مثبت به گیت ترانزیستور اعمال شود، جریان در کانال جاری می‌شود. مقدار جریان به ولتاژ بایاس گیت $$V_{gs}$$ بستگی دارد. به عبارت دیگر، برای عملکرد ماسفت در ناحیه اشباع خود، ولتاژ گیت به سورس باید به اندازه کافی باشد تا جریان درین لازم و در نتیجه جریان بار را حفظ کند.

همان طور که قبلا بیان کردیم، ماسفت قدرت افزایشی کانال N توسط یک ولتاژ اعمال شده بین گیت و سورس درایو می‌شود، بنابراین افزودن یک دیود زنر در طول پیوند گیت به سورس مانند تصویر، از ترانزیستور در برابر ولتاژ مثبت یا منفی اضافه ورودی محافظت می‌کند. این ولتاژ اضافه، به عنوان مثال، توسط خروجی یک مقایسه‌گر اپ امپی در مد اشباع تولید می‌شود. دیود زنر قادر است که ولتاژ گیت مثبت را ثابت حفظ (Clamp) کند و مانند یک دیود معمولی عمل کند که اگر ولتاژ گیت به ۰٫۷ ولت برسد، شروع به هدایت می‌کند و ترمینال گیت را به خوبی از محدودیت ولتاژ شکست معکوس حفظ می‌کند.

ماسفت و گیت‌های کلکتور باز

ارتباط خروجی یک ماسفت قدرت و یک گیت منطقی TTL سبب ایجاد مشکلاتی می‌شود. این مشکل زمانی به وجود می‌آید که از گیت‌های منطقی و درایورهای با خروجی کلکتور باز استفاده کنیم. در این حالت ممکن است گیت منطقی همیشه خروجی $$V_{GS}$$ مورد نیاز را ایجاد نکند. یک راه برای غلبه بر این مشکل، استفاده از مقاومت پول آپ (Pull-up Resistor) مانند تصویر زیر است.

در مدار شکل بالا، مقاومت پول آپ بین منبع تغذیه گیت منطقی و خروجی آن قرار گرفته است که خروجی گیت منطقی TTL خود به ترمینال گیت ماسفت متصل شده است. زمانی که خروجی گیت منطقی TTL در سطح صفر یا Low منطقی قرار داشته باشد، ماسفت خاموش است و زمانی که خروجی گیت منطقی TTL در سطح منطقی High یا یک قرار داشته باشد، مقاومت ولتاژ گیت را تا 5+ ولت تغذیه بالا می‌کشد. با استفاده از این آرایش مقاومت پول آپ در مدار، می‌توانیم ماسفت را به صورت کامل روشن کنیم. برای این کار ولتاژ گیت را مطابق شکل به منبع تغذیه متصل می‌کنیم.

مدار واسط خروجی موتور

تا این قسمت دیدیم که می‌توان هم از ترانزیستور پیوند دوقطبی و هم از ماسفت به عنوان بخشی از یک مدار واسط خروجی برای کنترل بازه وسیعی از مدارات استفاده کرد. یکی از متداول‌ترین ادوات خروجی موتور DC است که حرکت دورانی ایجاد می‌کند. راه‌های مختلفی برای ارتباط موتورها و موتورهای پله‌ای با میکروکنترلرها و مدارات دیجیتالی با استفاده از یک ترانزیستور، یک زوج دارلینگتون و یا ماسفت قدرت وجود دارد.

اما مشکلی که وجود دارد این است که موتورها ادوات الکترومکانیکی هستند که از میدان مغناطیسی، جاروبک و سیم‌پیچ استفاده می‌کنند و حرکت دورانی را به وجود می‌آورند و به همین دلیل است که اکثر انواع موتورها نویز بالا و جرقه و پیک ولتاژ (Voltage Spike) ایجاد می‌کنند که در نهایت به کلید ترانزیستوری آسیب می‌رساند. نویزهای الکتریکی تولید شده توسط موتور و نیز اضافه ولتاژ را می‌توان توسط اتصال یک دیود هرزگرد و یا یک خازن سرکوب غیرقطبی (Non-polarised Suppression Capacitor) در طول ترمینال‌های موتور کاهش داد. اما یک راه ساده برای جلوگیری از تاثیر نویز الکتریکی و نیز ولتاژ معکوس روی کلید ترانزیستوری نیمه‌هادی و یا پورت‌های خروجی میکرو کنترلر، استفاده از منابع توان جداگانه برای کنترل موتور از طریق یک رله مناسب است.

دیاگرام مدار واسط خروجی متداول برای اتصال یک رله الکترومکانیکی و یک موتور DC در شکل زیر نشان داده شده است.

ترانزیستور NPN در مدار بالا به عنوان کلید خاموش و روشن و برای فراهم کردن جریان مطلوب برای سیم‌پیچ رله مورد استفاده قرار می‌گیرد. دیود هرزگرد، مشابه در مدار بالا، به این دلیل مورد نیاز است که جریان گذرا از سیم‌پیچ القایی هنگام قطع انرژی، نمی‌تواند به صورت آنی صفر شود. زمانی که جریان ورودی به بیس در سطح High تنظیم شود، ترانزیستور روشن می‌شود. در این حالت جریان درون سیم‌پیچ‌های رله جاری می‌شود و اتصالات آن بسته و موتور را درایو می‌کنند.

زمانی که ورودی‌ها به بیس ترانزیستور در سطح Low قرار داشته باشند، ترانزیستور خاموش می‌شود و موتور از حرکت باز می‌ایستد. در این حالت، اتصالات رله باز هستند. هر نوع نیروی ضد محرکه القایی که در اثر غیرفعال کردن سیم‌پیچ به وجود بیاید، از دیود هرزگرد عبور می‌کند و به آهستگی به صفر کاهش می‌یابد و از آسیب دیدن ترانزیستور جلوگیری می‌کند. با این حال ترانزیستور یا ماسفت ایزوله شده‌ است و در مقابل هرگونه نویز و یا پیک ولتاژ تولید شده توسط عملکرد موتور ایمن محسوب می‌شود.

بنابراین دیدیم که یک موتور DC را با استفاده از اتصال یک جفت رله بین موتور و منبع تغذیه خاموش و روشن کرد. اما اگر بخواهیم موتور در هر دو جهت چرخش کند، باید به چه صورت عمل کنیم؟ چرخش دوجهته موتور برای کاربردهای رباتیکی و سایر پروژه‌های مکاترونیکی بسیار مورد استفاده قرار می‌گیرد. موتور را با استفاده از دو رله مطابق شکل زیر می‌توان کنترل کرد.

جهت چرخش موتور DC را در مدار تصویر بالا می‌توان به سادگی با استفاده از تغییر پلاریته منبع تغذیه، برعکس کرد. با استفاده از ۲ کلید ترانزیستوری، می‌توان جهت چرخش موتور را با استفاده از دو رله کنترل کرد. در این حالت باید هر رله را به یک کلید تک پل تک زبانه (SPDT) متصل کرد تا توان از منبع تغذیه را به موتور قطع و وصل کنند. در هر لحظه فقط یکی از ترانزیستورها عمل می‌کند و در نتیجه موتور را در هر دو جهت ساعتگرد و پادساعتگرد می‌توان به چرخش در آورد.

اگرچه مدار واسط خروجی موتور با استفاده از رله به ما اجازه می‌دهد که موتورها را راه‌اندازی و متوقف کنیم و نیز جهت چرخش در آن‌ها را کنترل کنیم، اما مشکلی که وجود دارد این است که نمی‌توان سرعت چرخش موتور را کنترل کرد؛ زیرا اتصالات رله به صورت پیوسته باز و بسته می‌شوند. می‌دانیم که سرعت چرخش در یک موتور DC متناسب با مقدار ولتاژ منبع تغذیه اعمالی به ترمینال‌های موتور است. بنابراین سرعت چرخش این نوع از موتورها را می‌توان یا از طریق کنترل مقدار متوسط ولتاژ منبع تغذیه و یا از طریق اعمال مدولاسیون پهنای پالس (PWM) کنترل کرد. در مدولاسیون پهنای پالس، نسبت نشانه به فضا (Mark-Space Ratio) ولتاژ منبع تغذیه، از حدود ۵ درصد تا ۹۵ درصد تغییر می‌کند و بسیاری از کنترل‌کننده‌های پل H موتور از این روش استفاده می‌کنند.

مدار واسط خروجی بارهای متصل شبکه

در مطالب بالا دیدیم که رله‌ها می‌توانند یک مدار را از نظر الکتریکی از مدار دیگر ایزوله کنند. دقیقا به همین دلیل است که به یک مدار با توان کمتر اجازه می‌دهند یک مدار با توان بزرگ‌تر را نیز کنترل کنند. تاثیر دیگر رله‌ها این است که می‌توانند از مدار با توان کمتر در برابر نویز الکتریکی در طول گذارها و پیک‌های ولتاژ محافظت به عمل آورند. این نویزها باعث خراب شدن ادوات سوئیچینگ نیمه‌رسانا و ظریف می‌شوند.

رله‌ها همچنین به خروجی مدارات با ولتاژها و زمین‌های مختلف اجازه می‌دهند تا به یکدیگر متصل شوند. نمونه‌ای از این مدارات، اتصال بین میکروکنترلر ۵ ولت و منبع تغذیه شبکه است. اما علاوه بر رله‌ها و کلیدهای ترانزیستوری برای کنترل ادوات توان شبکه مانند موتورهای AC، هیترها و لامپ‌های ۱۰۰ وات، می‌توان از ادوات نوری و عایق‌های نوری (Optoisolator) و المان‌های الکترونیک قدرت نیز برای کنترل استفاده کرد.

مهم‌ترین مزیت عایق‌های نوری در این است که درجه ایزولاسیون الکتریکی بسیار بالایی را بین ترمینال‌های ورودی و خروجی مدار فراهم می‌کند. دلیل ایزولاسیون بالا این است که از نور برای تزویج بین دو مدار مختلف استفاده می‌شود و به همین دلیل به کمترین مقدار جریان ورودی (معمولا در حدود ۵ میلی آمپر) و ولتاژ نیاز دارد. این ویژگی باعث می‌شود که از عایق‌های نوری به عنوان مدار واسط در پورت‌های میکروکنترلرها یا مدارات دیجیتال استفاده شود تا توان کافی برای درایو LED روی پورت‌های خروجی را فراهم کنند.

یک طراحی بسیار ساده مدار عایق نوری، از یک LED که نور مادون قرمز تولید می‌کند و یک وسیله نیمه‌رسانا حساس به نور تشکیل شده است که برای تشخیص نور مادون قرمز ساطع شده از LED مورد استفاده قرار می‌گیرد. LED و وسیله حساس به نور، هر دو در یک پکیج با پایه‌های آهنی برای اتصال الکتریکی قرار دارند. وسیله حساس به نور می‌تواند یک فتوترانزیستور تکی یا یک فتودارلینگتون یا فتوترایاک و یا یک SCR نوری باشد.

در تصویر زیر نمایی از انواع مختلف مدارات عایق نوری را می‌توان مشاهده کرد.

چون ورودی‌های مدار یک LED هستند، در نتیجه باید جریان LED توسط مقاومت $$R_S$$ محدود شود. مقدار مقاومت را می‌توان مانند روش‌های قبل محاسبه کرد. دو یا تعداد بیشتری از LEDها در عایق‌های نوری می‌توانند به صورت سری به یکدیگر متصل شوند و همزمان ادوات چندخروجی را کنترل کنند. یک عایق فتوترایاک به تجهیزات توان AC و لامپ‌های شبکه این امکان را می‌دهد که به سادگی کنترل شوند. ترایاک‌های کوپل نوری مانند MOC 3020 دارای نرخ ولتاژ در حدود ۴۰۰ ولت و بیشینه جریان در حدود ۱۰۰ میلی آمپر هستند که برای اتصال مستقیم به شبکه مناسب هستند. برای بارهای با توان بالاتر، فتوترایاک ممکن است به این منظور مورد استفاده قرار گیرد که پالس‌های گیت برای ترایاک بزرگ دیگری را از طریق مقاومت محدودکننده جریان فراهم کند. نمایی از مدار عایق فتوترایاک برای بارهای توان بالا در تصویر زیر نشان داده شده است.

این پیکربندی از عایق‌های نوری، پایه و اساس یک نوع بسیار ساده از رله‌های حالت جامد را تشکیل می‌دهد که می‌توانند برای کنترل هر بار توان AC مانند لامپ‌ها و موتورها به صورت مستقیم از خروجی میکروکنترلرها و PICها و مدارات دیجیتال مورد استفاده قرار گیرند.

خلاصه مدار واسط خروجی

سیستم کنترل نرم‌افزاری که از میکروکنترلر، PIC، مدارات دیجیتال و سایر سیستم‌های مبتنی بر میکروپردازنده استفاده می‌کند، نیاز دارد که به دنیای واقعی متصل شود تا موتورها را کنترل و یا لامپ‌ها و نمایشگرهای LED را خاموش و روشن کند. در این مطلب دیدیم که مدارات مختلفی وجود دارند که به عنوان واسط خروجی عمل می‌کنند. ساده‌ترین مدار واسط خروجی، یک LED تکی است که به عنوان یک نشان‌‌گر خاموش و روشن عمل می‌کند.

اما با استفاده از مدارات واسط خروجی ترانزیستوری یا ماسفتی به عنوان کلید حالت جامد، می‌توان مقادیر جریان بزرگی را کنترل کرد، حتی اگر پین‌های خروجی میکروکنترلر قادر به تامین (یا جذب) جریان بسیار کوچک باشند. معمولا برای بسیاری از کنترل‌کننده‌ها، مدار واسط خروجی آن‌ها ممکن است یک خروجی چاه جریان (Current Sinking) باشد که در آن، بار معمولا بین منبع ولتاژ تغذیه و ترمینال خروجی وسیله کلیدزنی متصل می‌شود.

اگر بخواهیم به عنوان مثال، خروجی چند وسیله را در یک ربات یا هر پروژه دیگر کنترل کنیم، بسیار راحت‌تر است که از آی‌سی درایور دارلینگتون ULN2003 استفاده کنیم که از چندین کلید ترانزیستوری در یک پکیج تشکیل شده است. همچنین اگر بخواهیم یک محرک (Actuator) با جریان متناوب را کنترل کنیم، می‌توانیم از رله یا اپتوکوپلر به عنوان مدار واسط خروجی استفاده کنیم.

بنابراین دیدیم که مدارات واسط خروجی نیز مانند مدارات واسط ورودی به مهندس طراح این انعطاف‌پذیری را می‌دهند که از سیستم‌های نرم‌افزاری مبتنی بر میکروپروسسور یا سیگنال‌های کوچک استفاده کنند و توانایی کنترل و ارتباط با دنیای بیرون را از طریق پورت‌های ورودی و خروجی به دست آورند.

اگر نوشته بالا برای شما مفید بوده است، آموزش‌های زیر نیز به شما پیشنهاد می‌شوند:

• مجموعه آموزش‌‌های مهندسی الکترونیک
• آموزش الکترونیک ۳
• مجموعه آموزش‌های مهندسی برق
• آموزش مدارهای الکتریکی ۱
• تایمر ۵۵۵ — راهنمای جامع
• مدار چراغ چشمک زن — از صفر تا صد
• فیدبک در الکترونیک — راهنمای جامع

^^