Выход с открытым коллектором: Основы на пальцах. Часть 4

Содержание

Основы на пальцах. Часть 4

Но диоды, резисторы, транзисторы и конденсаторы это так, лишь обвязка. Особо на них не развернешься (нет, маньяки, конечно могут, но габариты устройств там будут феерические). Самое вкусное нас поджидает в микросхемах 🙂
Делятся они на цифровые и аналоговые. Для начала кратко пробегусь по цифровым микросхемам.

Миром правит цифра!

Краеугольным камнем цифровой схемотехники служит понятие нуля и единицы, понятие это совершенно условное, т.к. фактически нет никакого нуля и нет никакой единицы, есть лишь уровни напряжения – высокий и низкий, а также некий порог после которого данный уровень напряжения принято считать высоким или низким. Скажем все, что ниже 0.7 вольт считаем за низкий уровень, т.е. 0, все что выше 2.4 вольт высоким, т.е. единица. Между 0.7 и 2.4 вольта, когда не ясно какой уровень, это состояние совершенно неопределенное его нельзя оценивать как входную величину, иначе на выходе системы в таком случае будет непредсказуемый результат.
Сопротивление входов очень высокое, практически можно считать его бесконечным.

Во избежания путаницы смыслов, в терминологии ключей и транзисторов принято следующее соглашение. Ключ считается открытым или закрытым для протекания тока, как кран на трубе. С точки зрения же механического исполнения он может быть замкнут или разомкнут. Так что открыт = замкнут, закрыт = разомкнут. И не следует путать с англоязычной нотацией, где Open = открыт если речь идет о транзисторе или электронном ключе и Open = разомкнут если речь идет о механическом рубильнике. Там Open-Close следует рассматривать в общем контексте текущего случая. Велик и могуч русский язык! =)

Выход в микросхеме бывает разных типов. Различают push-pull и open drain (в нашей литературе его называют Открытым Коллектором или ОК). Отличие заключается в способе выдачи сигнала на выход. В Push-Pull выходе когда нужен низкий уровень, то выход тупо и беспрекословно замыкается на землю, имеющую нулевой потенциал, а когда высокий, то на напряжение питания.


В открытом коллекторе все несколько иначе. Когда нам надо получить низкий уровень, то мы сажаем ногу на землю, а вот высокий уровень получается подтягивающим резистором (pullup), который, в отсутствии посадки на землю и большого сопротивления висящей на выходе нагрузке, заводит на ногу высокий потенциал. Тут можешь вспомнить закон Ома и посчитать какое будет напряжение выхода на открытом коллекторе если подтягивающий резистор обычно порядка 1КилоОм, а сопротивление входа больше 1МегаОм. Тип выхода определяется из документации на микросхему, некоторые микрухи имеют программируемый выход, например, все контроллеры AVR. Исходя из этого становится понятен смысл регистров Port и DDR в контроллере AVR – они определяют тип выхода Open Drain+PullUp, Push-Pull или просто Open Drain.

О микросхемах дискретной логики И, ИЛИ, НЕ я рассказывать не буду, каждую описать, так это справочник не на одну сотню страниц будет. Да и постепенно они уходят в прошлое, вытесняемые контроллерами и программируемыми матрицами. Скажу лишь главное – работают они по жесткой таблице истинности, которую можно найти в соответствующем datasheet.

Аналог рулит!
Цифра может и правит миром, но я вот последнее время люблю аналоговую технику. Ряд задач автоматики и регулирования на аналоговых цепях сделать в разы проще, чем на микроконтроллере или цифровой логике. Основное отличие от цифровых микрух в том, что тут нет четких состояний, а вход и выход могут изменяться плавно от минус питания до плюс питания. Основой аналоговой схемотехники является операционный усилитель.
Адская вещь, скажу тебе. Содержит выход и два входа. Один вход прямой, другой инверсный. Внутри напряжения по этим двум входам математически складываются (с учетом знака входа), а результат умножается на коэффициент усиления и выдается на выход. Коэффициент усиления этого девайса в идеальном случае достигает бесконечности, а в реальном близок к сотням тысяч. В чем это выражается? А в том, что подаешь ты на вход скажем 1 милливольт, а выход сразу же зашкаливает под максимум – выдавая сразу напряжение питания. Как же тогда работать, если его зашкаливает от малейшего сигнала? А просто. Ну во первых зависит от задачи. Например если нам нужно сравнивать два сигнала, то один мы подаем на отрицательный вход, а другой на положительный. В данном случае выход нам покажет либо минимум напряжения, либо максимум, в зависимости от того больше сигнал на отрицательном входе или на положительном. Такой режим работы операционного усилителя называется компаратором. Я его применил недавно, чтобы отследить просадку напряжения питания на устройстве. Смотри на схему, видишь на минус у меня идет опорное напряжение со стабилитрона. Оно всегда равно 3.3 вольта – за этим следит стабилитрон. А вот на второй вход идет напряжение с делителя – оно зависит от общего напряжения питания. В нормальном режиме, когда на входе 12 вольт, то с делителя идет порядка 4 вольт, это выше чем 3.3 опорного и с компаратора выходит +5 вольт (максимум питающего). При просадке напруги ниже определенного порога с делителя начинает выходить уже менее 3.3 вольт и компаратор резко перекидывается в противоположное положение – 0 вольт (минимум питающего). Этот переход отслеживает микроконтроллер и дает сигнал тревоги.

Испльзование операционных усилителей

Если от операционного усилителя надо получить усиление, то нужно как то обуздать его бешеный коэффициент. Для этого ему добавляют отрицательную обратную связь. Т.е. берут и с выхода подают сигнал на отрицательный вход, подмешивая его к основному входному сигналу. В итоге, выходной сигнал вычитается из входного. А коэффициент усиления становится равным отношению резисторов на входе и выходе (смотри схему).

Но это далеко не все фишки которые умеет делать операционный усилитель. Если в обратную связь сунуть конденсатор, то получим интегратор, выдающий на выходе интеграл от функции входного сигнала. А если скомбинировать конденсатор с резистором, да индуктивность на вход… В общем, тут можно книгу писать, а занимается этими занятными процессами отдельная наука – автоматическое управление. Кстати, именно на операционных усилителях сделаны аналоговые компьютеры, считающие дифференциальные уравнения с такой скоростью, что все цифровые компы нервно курят в уголке.

Полная версия статьи была опубликована в журнале «Хакер»

Типы входов/выходов автоматики: Сухой Контакт (СК) и Открытый Коллектор (ОК) – CS-CS.Net: Лаборатория Электрошамана

Входы и выходы автоматики

Йоу! Сегодня — ещё один из постов серии «заебали, ща расскажу» — потому что спецы и так это всё-всё знают и понимают с полуслова, и даже знают больше, чем я напишу в этом посте (так как я опишу самые распространённые в моей практике варианты и не смогу описать их все)!

Когда мне в комменты или на мыло пишут что-то типа «А подскажите, как мне после Logo три выхода на один автомат подключить» или «Ой! Я читал у тебя, что ты каким-то образом на выход датчика движения Logo подключил, нарисуй схему», то я чуток офигеваю и говорю что-то вроде «Шо ж тут непонятного? Там же ж обычный сухой контакт!». И народ от этого хуеет! =) Вот щас мы и будем разбираться, что это такое за сухие контакты. Как обычно — я дам вам принцип, а дальше — используйте его, чтобы разобраться в аналогичных ситуациях!

Речь идёт о том, как у разных устройств автоматики (всякие контроллеры, датчики, электронные реле управления) устроены выходы, которыми они смотрят во внешний мир. И о том, как этими выходами пользоваться для того, чтобы наши контроллеры могли чем-то управлять. Вообще, вся эта штука ОЧЕНЬ очевидная (такая же как работа обычного реле), и я не знаю, что тут можно выдумать сложно. Поэтому считайте, что пост будет высосан из пальца =)

Как устроен мир автоматики и автоматизации? Ну или все эти ваши датчики движения, «умные реле», «умные дома», «SMS-реле«, «Автоматика котла Zont» и прочие маркетинговые названия? Если смотреть с точки зрения того, как они подключаются, то всё это выглядит как чёрный ящик. Например, есть некое SMS-реле. Оно получает питание, в него втыкается SIM-карта, антенна. И у этого реле есть входы (сейчас они нас не интересуют) и выходы. В зависимости от того, что приходит по SMSкам, реле включает или выключает свои выходы.

Точно так же работает какая-нибудь система контроля доступа. Она может быть какой угодно — с шифрованием, распознаванием лица, да хоть с анализом ДНК — всё равно в конце концов у неё будут какие-то выходы вида «Доступ разрешить», «Доступ запретить», «Тревога», которые можно куда-то подключить. Ну и так далее — большинство устройств автоматики просто имеют выходы, с которых можно снимать сигнал.

Примеры использования их могут быть любыми. Например, можно завести наше SMS-реле на входы Logo или ПЛК (и потом пафосно

говорить что у нас умный дом с управлением по SMS). Или так же завести нашу систему контроля доступа в ПЛК, чтобы он получал сигнал «Доступ разрешить» и «Тревога» и открывал дверь только днём, вечерами передавал этот сигнал на пост охраны, а по сигналу «Тревога» какие-нить стальные решётки опускал =)) И опять же, вокруг таких решений разводят ебучий маркетинг, который я, зная то, как это устроено, ненавижу. Нахуй писать про умный дом, если это кончается тем, что стоит какой-то контроллер, который просто выдаёт сигнал типа «вкл-выкл», который чем-то управляет?..

Сегодня мы разбираемся с тем, какие выходы бывают у устройств и то, как этим пользоваться. Сами устройства могут быть любыми — вообще чем угодно: датчики, системы управления, охраны, климатические системы, кондеи, автоматика бассеина и прочее и прочее… Наплевать на них! Всё, что вам надо — это поднять документацию на устройство и найти там знакомые слова про тип выхода: «сухой контакт без потенциала», «сухой контакт с потенциалом», «открытый коллектор».

Как можно классифицровать выходы? Я придумал такие способы:

  • Привязаны ли они к внутренней схеме устройства или нет.
  • Имеют ли они питание на выходе, или просто контакты.
  • Род тока и мощность, которую можно пропустить через них.
  • Размеры того, что управляет выходом внутри устройства (реле, транзистор, симистор).
1. Выходы типа «Сухой контакт без потенциала» (релейные).

Такие выходы делаются при помощи самого обычного реле, и про них проще всего рассказать. То есть, есть у нас какая-то электронная схема. Эта схема включает или выключает реле, а контакты этого реле выведены наружу как «Выход».

Для любой автоматики это самый удобный тип выхода, потому что реле содержит в себе обычные, механические, контакты. Поэтому их и называют «сухими» — это именно металлические, механические контакты. Что это значит? А то, что по ним можно пропускать что угодно, лишь бы реле позволило это сделать.

Смотрите на схемы:

Типы выходов устройств автоматики: сухой контакт без потенциала

В первом случае у нас выход — это переключающий контакт реле, а во втором случае только замыкающий. И это — обычное реле. Как вы знаете, реле выпускаются на разные токи и напряжения (например, до 250 вольт и до 10А). Если выход релейный, то про него пишут или «

Сухой контакт«, или «Релейный«, или и то и то сразу. И обычно параметры самого реле дают как параметры этого выхода. То есть в инструкции может быть фраза типа «Выходы: Два релейных выхода до 16А/250V». Сокращают сухой контакт чаще всего как «СК» — и вы можете встретить и это в описаниях (и моих постах).

Так как это реле — то делать с ним можно всё, что угодно. Можно завести через него 24V на вход ПЛК. Можно завести 230V на контактор. Можно замыкать им сигнал FUN, чтобы закрывать воду в защите от протечек GidroLock. Можно, если выход потянет, напрямую нагрузкой управлять (лампами, тёплым полом и так далее). Можно несколько выходов (контактов реле) разных устройств подключить параллельно или последовательно. Например, таким образом я делал автоматику вентиляции в щите в Говорово: выход кондиционера преобразовывался в реле — сухой контакт. Этот контакт соединялся вместе с контактом терморегулятора, и через них подавалось питание на реле заслонки.

Теперь тот, кто меня спрашивал про то, как несколько выходов на один автомат в Logo подключить, сможет разобраться. Смотрим на фотку из поста про Siemens Logo и видим там нарисованные контакты реле (как второе реле на моей схеме выше):

Выходы модуля расширения Logo: 8 реле по 5А каждое

Да! Внутри Logo стоят реле! Вот они:

Реле для управления выходами основного модуля Logo (один контакт на 10А)

Контакты этих реле как раз и выведены наружу. Делай что хочешь! =)

Точно так же устроены выходы датчика газа (метан или угарный газ) от ОВЕНа, которые мы ставили в котельную в Папушево.

Датчики температуры (ОВЕН ДТС014) и метана (ОВЕН ДЗ-1-Ch5)

Это реле с переключающим контактом:

Пример выходов типа сухой контакт - это просто обычное реле

2. Выходы типа «Сухой контакт с потенциалом» (тоже реле).

Теперь чуть сложнее! Что думают те, кто только полезли разбираться в электрику? Что если это выход — то там что-то должно ВЫХОДИТЬ: какое-то напряжение, наверное! Вот смотрите, как мне рисовал схему тот товарищ, который спрашивал меня о том, как несколько выходов Logo на один автомат подключить:

Пример того, как люди неправильно понимают релейные выходы из Logo

Еле-еле по этой схеме я понял то, что он думал что на выходах Logo есть напряжение и поэтому сильно тупил. И… если вы думаете о том, что он дурак и такого не существует в природе, то вспомните любой обычный датчик движения для света, который на 230V рассчитан! Сколько у него проводов? Три! А как они разведены? Вот так: Фаза на вход, Фаза на лампу (выход), Ноль.

Да, такие решения применяются. Специального стандарта нет, и разные производители автоматики делают так, как им удобно. У кого-то это будет сухой контакт в виде реле, а у кого-то на то же реле, которое стоит внутри устройства, будет подключено напряжение, от которого это устройство питается. Вот так:

Типы выходов устройств автоматики: сухой контакт с потенциалом

Для простых устройств типа блоков радиоуправления светом или датчиков движения это хорошо. Но иногда и плохо. представьте, что вам тот же датчик движения надо завести на вход ПЛК, который 230 V напрямую не принимает. Что надо сделать? На выход датчика движения подключить реле с катушкой на 230V, контакты которого будут замыкать вход ПЛК. И, причём, внутри датчика движения-то уже есть реле! Но оно подключено к питанию датчика, и это всё портит.

Точно такое же дерьмо сделано в блоке защиты от протечек «Нептун»: там у него на выходе стоит реле с переключающим контактом, но оно тоже подключено к входу питания 230V этого блока. И если мы хотим забрать сигнал — нам тоже понадобится ставить внешние реле развязки.

У такого способа подключения выхода есть важный плюс: клемм или проводов для подключения становится на одну меньше. А где-то это важно, особенно если устройство компактное (какой-нить Z-Wave выключатель в подрозетник, например).

Раз уж мы заговорили про именно высоковольтные выходы, то я напомню о том, что иногда в тех же датчиках движения может стоять не реле, а симистор. Это, если говорить словами для новичков, электронное реле. На больших токах оно греется, но вот на малых оно очень компактно и не щёлкает. Главный его минус в том, что иногда для того, чтобы симистор включался, ему нужна минимальная мощность нагрузки, и поэтому его тяжело будет завести в автоматику щита. В инструкциях могут так и писать: «Минимальная мощность нагрузки — 20 Вт».

То, что я написал выше, не совсем корректно. В большинстве случаев симистор будет нормально включать мелкую релюшку развязки. НО в некоторых модулях умных выключателей, розеток, датчиков движения применяется питание электроники (которая управляет выходом) без нуля сети. Например, если это будет датчик движения, то у него будет всего два контакта: «Фаза вход» и «Фаза на лампу». Это похоже на то, как подключается лампочка подсветки внутри выключателя.

Электроника в этом случае включается последовательно с нагрузкой и забирает себе часть питания. Вот тут-то минимальная мощность и важна: если физически не будет никакой нагрузки, через которую будет замкнута цепь, то и электроника не будет работать. Вот в этом случае и указывают минимальную мощность нагрузки. От этой мощности зависит сопротивление нагрузки, а от сопротивления — ток в цепи «питание — электроника — нагрузка», от которого электроника и питается.

Если вы хотите использовать какие-то модули для того, чтобы заводить их высоковольтные выходы напрямую в Logo (он умеет принимать на входы сетевое напряжение питания, если сам на него рассчитан), то ОБЯЗАТЕЛЬНО проверьте, что у этих модулях стоит на выходе: реле или симистор, и не указана ли минимальная мощность нагрузки. Если указана — то скорее всего там стоит симистор и схема может работать некорректно. В своих проектах я всегда пишу о том, чтобы использовали датчики движения с реле (или с тремя проводами).

3. Выходы типа «транзистор с питанием».

Теперь спустимся с высоких напряжений на низкие. История здесь такая: иногда нам очень важны размеры устройства и его компактность. Часто это устройство даже не рассчитано на 230V, а является просто электронной платкой: например, датчик протечки воды от системы Нептун или какой-нибудь контроллер СКУД, встроенный в замок (Z-5r, Matrix IIk).

Когда размеры устройства очень важны, а его напряжение питания не сетевое, а низковольтное (5/12/24 вольт), то для управления выходом применяют транзистор. Его достоинство в том, что он может быть очень маленьким. А недостатки по сравнению с реле в том, что транзистор уже точно привязан к уровням напряжений и схеме того устройства, в котором он стоит. Ну и ещё транзистор может быть рассчитан на небольшие токи (десятки миллиампер или единицы ампер) и поэтому может зажечь лампочку или включить реле, но не сможет управлять сетевым напряжением или мощной нагрузкой.

Транзистор можно подключить двумя способами. Первый напоминает то, что мы только что делали с реле: берём питание внутри устройства — и пропускаем его через транзистор вот так вот:

Транзисторный выход с плюсовым потенциалом

Решение вроде как логичное — как в электрике мы разрываем фазу, так и тут разываем плюс питания. Когда выход активен — плюс появляется. Когда неактивен — исчезает. Ура! Значит на выход мы можем подключить какую-нибудь нагрузку (такие выходы есть у некоторых кондеев Mitsubishi — они показывают, включен кондей или нет)!

И вот тут-то начинается некоторое западло. Точнее, два западла. Первое в том, что наш выход жёстко рассчитан только на то напряжение питания, которое есть внутри устройства. Вот сделает кто-нить на ES8266 очередную умную поеботу… и выдаст через транзистор на выход 3,3 вольта. И пиздец! =)) Куда их деть? Шо с ними делать? Светодиодом помигать? А нахрена нам светодиод, если эта умная поебота должна нам ворота открывать, включая три фазы на двигатель?

Наученный человек скажет: «Да хрен ли! Ща поставим реле! Или ваще контактор!». И тут выплывает второе западло из трёх частей. Во-первых, ты поди найди контактор или реле с катушкой на 3,3 вольта! =) Во-вторых чем ниже напряжение питания такого реле или контактора — тем больший ток они потребляют. А у нас стоит мелкий транзистор, который этот ток может просто не потянуть.

И, в-третьих, что наиболее важно — всякие внешние нагрузки, в которых есть катушка (в том числе моторчики или сервы у моделистов) за счёт самоиндукции создают выбросы высокого напряжения, которые могут повредить наш транзистор. Поэтому, если есть такой риск (а у нашей области он почти всегда есть, так как к таким выходам мы реле подключаем), то надо ОБЯЗАТЕЛЬНО ставить диод в обратной полярности! Он шунтирует собой эти выбросы и спасёт транзистор.

Если речь идёт про релюшки типа CR-P/CR-M и подобные им, то для них сразу же выпускаются модули со светодиодом для индикации работы катушки реле и с защитным диодом. Они сразу же вставляются в колодку для реле:

Модули индикации CR-P/M

На фотке выше у меня модули для переменного тока, а нам понадобятся эти:

  • 1SVR405652R0000 ABB CR-P/M 42 Втычной модуль для реле CR-P, CR-M (LED+ВстДиод) 6..24V AC/DC (красный)
  • 1SVR405652R1000 ABB CR-P/M 42V Втычной модуль для реле CR-P, CR-M (LED+ВстДиод) 6..24V AC/DC (зелёный)

Если таких модулей нет, то надо ставить диоды прям на колодки реле. Я как-то перепутал и заказал модули без встречных диодов для одного из щитов с GSM-реле Zont, и поэтому закрепил диоды так:

Диоды для шунтирования выходных транзисторов выходов ОК

4. Выходы типа «открытый коллектор» (тоже транзистор на GND).

Ну-ка ещё раз посмотрите внимательно на фотку выше, где диоды на реле стоят? Ничего странного не замечаете? Чего это у меня общий всех реле — это +12 вольт, а отдельные провода с маркировкой выходов — синие? Всё наоборот? Как так?

А вот это и есть второй распространённый тип выходов — Открытый Коллектор (ОК). Смотрите схему:

Типы выходов устройств автоматики: открытый коллектор (на GND)

Что мы сделали? Мы перевернули всё с плюса на минус. Если раньше транзистор у нас соединял выход с плюсом питания, то теперь он соединяет выход с землёй (минусом, который обычно везде общий). Для тех, кто столкнулся с этим после силовой электрики, где мы коммутируем фазу, это будет вынос мозга.

Но почему так сделано? А вот только что я говорил о самом главном неудобстве выхода, когда выдаётся плюс питания — о том, что всё, что мы подключаем к этому выходу, нам надо тоже рассчитывать на такое же напряжения питания, как и этот выход. А это может стать проблемой. Если же наш выход соединяется с землёй — то питание может быть любым (в пределах возможностей транзистора), и вообще от отдельного блока питания. Главное GND вместе соедините!

Из-за того, что на выходы можно вешать любые нагрузки, тип выхода «Открытый Коллектор» очень популярен: размеры схемы могут быть мелкими, а управлять она может релюшкой на 24 вольта без проблем! Или даже контактором с катушкой на 24 вольта, если транзистор сможет выдержать тот ток, который потребляет этот контактор. Обычно катушка модульных контакторов потребляет около 5-7 Вт. Возьмём 10 Вт. Значит 10/24 = 0,24А. Гм… некоторые выходы ОК тянут по 0,5 А — так что контактор прокатит! Главное не забудьте про защитный диод — здесь те же правила!

Вот пример из инструкции к ПЛК ОВЕН. Если брать ПЛК или модули IO с типом выходов «К» — то вы получите тот самый открытый коллектор (ОК):

Пример выходов с открытым коллектором от ОВЕНа

У ОВЕНа они, как обычно, сгруппированы по 4 штуки. GND — общий, а нагрузки выходов даже в одной группе могут быть на разные напряжения.

Тот же принцип используется в датчиках протечки от GidroLock и Нептун. Даже в приёмниках радиодатчиков! =) У них три провода: питание электроники, GND питания и выход ОК. Дальше останется посмотреть, какой ток у выходного транзистора — и понять, вытянет ли он релюшку напрямую, или нет =)

А вот подключить такие датчики напрямую (без подтягивания потенциала и инверсии входа) даже к низковольтному Logo не прокатит: Logo требуется, чтобы на вход приходило напряжение, а не GND. И он их не увидит (те, кто поняли про подтяжку — делают). А вот ОВЕНовские входы можно подключать таким образом, чтобы они принимали на вход или +VCC, или GND. И поэтому датчики там подключаются без извращений!

Вот мы и разобрались с выходами! Теперь, если в инструкции на автоматику «Выходы типа сухой контакт до 3А» или «Выходы — ОК с током до 1А и напряжением до 50 Вольт» — вы знаете, что с этим делать! =)

Порты микроконтроллера с открытым стоком

Есть два распространенных применения с открытым стоком (или с открытым коллектором, в случае BJT):

1) Подключение более одного выхода к одной линии. Это называется проводной ИЛИ. Например, у вас может быть нормально высокий контакт сброса на устройстве, который сбрасывается как с контакта микроконтроллера, так и с другого источника, скажем, кнопки. Штырь сброса имеет высокое сопротивление с помощью подтягивающего резистора. Микроконтроллер настроен как выход с открытым стоком. Кнопка нажимается на землю при нажатии. Если микроконтроллер установит выходной сигнал на 0 или нажмет кнопку, устройство будет сброшено.

Обратите внимание, что когда микроконтроллер устанавливает свой выходной вывод на 1, этот вывод фактически отсоединяется от линии. Он не управляет линией ("источником") с любым напряжением, поэтому, когда кнопка нажимает на линию на землю, короткого замыкания не происходит.

Поскольку конфигурация проводного ИЛИ очень полезна, именно поэтому выводы, такие как сброс на микроконтроллере, линии прерывания, очистка и включение линий на устройствах, таких как триггеры, все имеют «активный низкий уровень» - это означает, что они обычно привязаны к высокому уровню (снова через подтягивающий резистор), и любое из нескольких устройств, сконфигурированных как открытый сток, может снизить их. Такие входы обычно обозначаются как активный-низкий либо с полосой в верхней части имени сигнала, либо с лидирующей! (! CLR) или завершающий знак # (CLR #).

2) Управляющие устройства подключены к различным напряжениям питания. Скажем, у вас есть реле, которое требует 20 мА, но напряжение 5 вольт. Но ваш выход микроконтроллера может приводить контакты только в напряжение питания (VCC) 3.3В. С выходом с открытым стоком вы можете подключить одну сторону реле к 5 В, а другую - к выходному контакту микроконтроллера. Когда выход микроконтроллера в 1 равен 1, ничего не происходит (опять же, действует как разъединенный вывод). Когда он установлен в 0, это заземляет нижнюю сторону реле, замыкая цепь и управляя реле. В таком случае важно поместить «обратный» диод поперек катушки реле, чтобы предотвратить повреждение микроконтроллера при обесточивании устройства.

Для драйверов вывода, таких как ULN2803 (транзисторная матрица Дарлингтона), вы можете управлять нагрузками, подключенными к напряжению до 50 В, и управлять ими с помощью логически совместимого входа.

3.2.4. Типы выходных каскадов Микросхемы с открытым коллектором

Выходы некоторых микросхем выполнены так, что верхний выходной транзистор и относящиеся к нему элементы отсутствуют. Это так называемые элементы со свободным (открытым) коллектором. На их выходе формируется сигнал только низкого уровня. Поэтому для нормальной работы выходного транзистора коллектор такой микросхемы следует подключить к источнику питания через внешнюю нагрузку (рис. 3.29): резистор, элемент индукции, реле и т.п.

Рис. 3.29. Логический элемент с открытым коллектором

Для выпуска таких микросхем есть по меньшей мере две причины:

1. Выходной транзистор может быть использован для управления внешними устройствами, которые к тому же могут работать от других источников питания (см. рис. 3.29 – Uпн). Например, микросхема 155ЛА11 позволяет подводить к выходному транзистору до 30 В. Эти микросхемы легко также вводить в линейный (усилительный) режим.

2. Логические элементы с открытым коллектором допускают параллельное подсоединение нескольких выходов к общей нагрузке. Такое объединение выходов называют монтажной (проводной) логикой.

При подключении к внешнему резистору элемент выполняет функцию И–НЕ. В условном графическом обозначении элемента с открытым коллектором имеется специальный значок – ромб (или подчеркнутый ромб).

Имея дело с монтажной логикой, следует учитывать, что каждый компонент схемы утрачивает самостоятельность и действует как элемент общей системы. Так, если на одном выходе (рис. 3.30) низкий потенциал, то тот же потенциал окажется на выходе всей системы. Чтобы обеспечить логическую 1 на общем выходе, необходимо иметь логические 1 на всех выходах.

Каждый из логических элементов (см. рис. 3.30) производит операцию И-НЕ:

Следовательно,

Преобразовав последнее выражение на основе закона де Моргана, получим

или, можно показать, что

Из этих выражений следует, что логические элементы с объединенными выходами функционируют подобно элементам И–ИЛИ–НЕ, выполняя операцию ИЛИ–НЕ по отношению к входным переменным, связанным операциями И в каждом логическом элементе. Такое толкование послужило причиной наименования монтажное ИЛИ. Однако для положительной логики верно монтажное И.

Рис. 3.30. Псевдомонтажное И: а – схема соединения; б – условное обозначение

Расчет величины сопротивления нагрузки Rн в микросхемах с открытым коллектором можно посмотреть, например, в [9].

Пример микросхем с открытым коллектором серии 155:

ЛН2 – 6 элементов НЕ;

ЛН3 – 6 НЕ с повышенным напряжением питания Uк;

ЛН4 – 6 буферных формирователей;

ЛН5 – 6 элементов НЕ с повышенным Uк;

ЛА7 – 2x4 И –НЕ;

ЛА8 – 4x2 И–НЕ;

ЛА11 – 4x2 И–НЕ с повышенным Uк

ЛА13 – 4x2 И–НЕ буферных формирователей;

ЛА18 – 2x2 И–НЕ с мощным выходом;

ЛИ5 – 2x2 И с мощным выходом;

ЛЛ2 – 2x2 ИЛИ с мощным выходом.

3.2.5. Микросхемы с тремя логическими состояниями

Устройства, оперирующие дискретной информацией, при высоком уровне выходного напряжения имеют малое сопротивление между выводом Выход и шиной питания. В противоположном состоянии у Выхода малое сопротивление по отношению к общей шине. В обоих случаях выходной вывод имеет определенный электрический потенциал, который воздействует на входы последующих приборов.

Существует категория микросхем, способных принимать и третье состояние, когда выход микросхемы отключен от нагрузки. В третьем состоянии выходной ток микросхемы пренебрежимо мал. Такое состояние называют высокоимпедансным. Перевод микросхем в это состояние осуществляется по специальному входу Z. Этот вход часто обозначают ЕZ или ОЕ (Output Enable). В зависимости от конкретного типа микросхемы отключение выхода может осуществляться 1 или 0.

Упрощенная электрическая схема элемента с тремя состояниями и ее условное обозначение представлены на рис. 3.31.

Когда на входе Z низкий уровень, то VT3 заперт и не влияет на работу схемы. Если вход Z имеет высокий уровень, то транзистор VT3 открыт, коллектор транзистора VT2 имеет нулевой потенциал и, следовательно, ток через него не протекает. При этом эмиттер VT2 также имеет нулевой потенциал. Поскольку базы транзисторов VT4 и VT5 соединены с коллектором и эмиттером VT2,то транзисторы VT4 и VT5 закрыты и выходной провод микросхемы отключен и от плюса источника питания и от общего провода.

То есть состояние в отличие от 1 и 0 обозначается буквой Z, и символ такого выхода – ромб с поперечной чертой (рис.3.31.б).

а б

Рис. 3.31. Микросхема с тремя состояниями: а – электрическая схема;

б – условное графическое обозначение

Другой простой вариант перевода микросхемы в третье состояние представлен на рис. 3.32.

В том случае, когда диод VD3 подключен к эмиттеру и коллектору транзисторов VT1 и VT2, а на катод диода подается управляющий сигнал Z с высоким уровнем напряжения (лог. 1), схема работает как элемент 2И–НЕ. Если управляющий сигнал Z представлен низким уровнем напряжения (лог. 0), то эмиттер транзистора VT1 и коллектор транзистора VT2 (а соответственно и база транзистора VT4) подключен через открытый диод VD3 к общему проводу. В этом случае все транзисторы закрыты, и элемент переходит в третье состояние (Z-состояние).

Рис. 3.32. Второй вариант перевода схемы в третье состояние

В третьем варианте (рис. 3.33) для перевода схемы в Z-состояние используются транзистор и два диода. Здесь транзистор VT3 соединен непосредственно с базами транзисторов VT4 и VT5 и его состояние определяет потенциал баз этих транзисторов. Диоды VD3 и VD4 между базами транзисторов VT4 и VT5 и коллектором VT3 включены для исключения влияния цепей друг на друга. Если Z = 0, то транзистор закрыт и микросхема работает в обычном режиме. Если Z = 1, то транзистор VT3 открыт, базы транзисторов VT4 и VT5 через диоды и открытый VT3 соединены с общим проводом, т. е имеют нулевой потенциал и транзисторы VT4 и VT5 закрыты.

Рис. 3.33. Вариант схемы с тремя состояниями

В результате связь логической части элемента с его выходом разрывается, элемент со стороны выхода приобретает высокий импеданс. Уровень потенциала на выходе неопределенный (плавающий) – он может быть любым в зависимости от соотношения токов утечки транзисторов VT4 и VT5, если выход схемы ни к чему не подключен.

Переход в третье состояние может происходить из 1 в Z, или из 0 в Z. Для элементов с тремя состояниями вводятся следующие временные параметры для задания задержек распространения:

t0Z и t1Z – длительность задержки при переходе из низкого или высокого уровней в третье состояние;

tZ0 и tZ1 – длительность задержки при переходе из третьего состояния в состояние низкого или высокого уровней соответственно.

О микросхемах, выходной сигнал которых может принимать значения 0 или 1, говорят, что это микросхемы типа 2С. Микросхемы с открытым коллектором обозначают ОК (ОС), микросхемы с третьим состоянием – 3С (ТС).

Элементы с третьим состоянием выхода разработаны специально для применения в качестве выходного управляемого буфера для подключения цифровых блоков к магистралям, шинам данных. Буфером называют устройство, предназначенное для увеличения мощности, отдаваемой в нагрузку источником сигнала (для увеличения нагрузочной способности источника сигнала). Для этой цели используют микросхемы с выходом ОК. Другая функция буферов – создание двунаправленных линий и мультиплексирование. В этом случае буферы имеют выход 3С.

Под двунаправленными линиями понимаются такие линии, сигналы по которым могут распространяться в двух противоположных направлениях. В отличие от однонаправленных линий, которые идут от одного выхода к одному или нескольким входам, к двунаправленной линии могут одновременно подключаться несколько выходов и несколько входов. Двунаправленные линии могут организовываться только на основе выходов 3С, поэтому почти все буферы имеют именно такие выходы.

Мультиплексированием называется передача сигналов по одним и тем же линиям в разные моменты времени между разными устройствами. Основная цель мультиплексирования состоит в сокращении общего количества соединительных линий. Двунаправленная линия обязательно является мультиплексированной, а мультиплексированная линия может быть как однонаправленной, так и двунаправленной. Но в любом случае к ней присоединяется несколько выходов, только один из которых в каждый момент времени находится в активном состоянии. Остальные выходы в это время отключаются.

С тремя состояниями выхода выпускаются микросхемы различного функционального назначения как комбинационного, так и последовательностного типов. При поочередном действии таких приборов их выходы можно соединять между собой и подключать к общей нагрузке. На рис. 3.34 представлена схема мультиплексирования при работе на общую нагрузку. Выходные сигналы y1, y2,…yn поступают в нагрузку с того элемента, на входе Z которого имеется разрешающий сигнал. Таким способом удается уплотнить каналы передачи данных, а также создавать магистрали с двунаправленными потоками информации.

Поскольку выходной каскад буфера построен на основе двух последовательно включенных транзисторов, подача разрешающих сигналов на Z-входы сразу двух буферов магистрали недопустима: результат будет такой же, как и при объединении выходов двух обычных логических элементов.

Рис. 3.34 схема мультиплексирования

В микропроцессорных устройствах в настоящее время широко используют двунаправленные шинные усилители ДНШУ. Следует отметить, что в таких устройствах обычно используются в качестве выходных каскадов не ключевые элементы, выход которых имеет состояние Z. Это позволяет уменьшить уровень импульсных полей – «иголок», возникающих при коммутации мощных быстродействующих ключей. Если в каждый проводник шины данных установить такой усилитель, то, подав на микросхему команду, можно разрешить передачу сигналов по шине данных слева направо или наоборот. На рис. 3.35, а приведена схема одного двунаправленного канала усиления образованного буферными элементами DD1.1 и DD1.2 Эти составные части ДНШУ имеют взаимно инверсные входы разрешения передачи данных: дляDD1.1 и Z для DD1.2. Если на вход Z подать напряжение низкого уровня, канал будет передавать данные слева направо через DD1.1 (вход х1, выход у1), поскольку выход нижнего по схеме усилителя DD1.2 разомкнут. При напряжении высокого уровня Z = 1 данные можно передавать по проводнику шины данных справа налево через DD1.2 (вход х2,выход у2). Выход элемента DD1.1 окажется отключенным.

На рис. 3.35, б оба элемента имеют разрешающий вход высокого уровня Z = 1.

Рис. 3.35. Функциональная схема двунаправленного шинного усилителя:

а – передача сигнала по одной линии в обоих направлениях; б – при передаче справа налево – выход на другую линию

Для управления направлением передачи сигнала в этой схеме в линию Z одного из элементов следует поставить инвертор. Тогда при Z = 1 сигнал передается справа налево через элемент DD1.2, при Z = 0 – через элемент DD1.2 слева направо.

На рис. 3.36 показан пример организации двунаправленной шины с помощью буфера К555АП6. Этот восьмиканальный буфер может передавать данные между двумя двунаправленными шинами А и В в заданном направлении.

Рис. 3.36. Включение двунаправленного буфера

При единичном уровне на управляющем входе Т (сигнал Направл.) данные передаются из шины А в шину В, а при нулевом уровне – из шины В в шину А. Единичный уровень на входе ЕZ отключает микросхему от обеих шин.

Микросхемы буферов в отечественной системе обозначений имеют разнообразные обозначения: ЛН, ЛП, АП, ИП, что иногда затрудняет их выбор. Буферы с буквами ЛН имеют инверсию, буферы АП и ИП могут быть с инверсией или без инверсии. Все параметры у буферов довольно близки, отличие в инверсии, в количестве разрядов и в управляющих сигналах

Еще два типа выходных каскадов – с открытым эмиттером и с программируемой схемой выхода – будут рассмотрены при изучении микросхем эмиттерно-связанной логики и микросхем на полевых транзисторах.

В чем разница между шестигранным преобразователем 74LS05 и шестигранным преобразователем 74LS04?

Как вы указали, 74LS05 имеет выходы с открытым коллектором, а 74LS04 - нет.

В цифровых схемах есть два основных типа выходов: двухтактный и открытый коллектор (OC). Последнее название восходит к тому времени, когда BJT (биполярные переходные транзисторы) использовались на выходном каскаде, например, логика TTL, такая как серия LS; вы также увидите номенклатурный вывод с открытым стоком (OD) для отражения топологии CMOS.

Двухтактные выходы, которые в 74LS04 приводят высокий уровень выходного сигнала (до уровня входной мощности микросхемы, обычно 5 В или 3,3 В), чтобы отражать логику 1 (это называется «источником»). Они выводят выход на землю, чтобы отразить логическую 0 (это называется «погружением»).

Выходы с открытым коллектором / открытым стоком, которые находятся в 74LS05, также приводят выход в заземление для логической 0, но для логической 1 они оставляют выход в состоянии высокого импеданса - как если бы вывод был отсоединен от микросхемы.

Что в этом хорошего? Что ж, это позволяет связать вывод нескольких чипов, и они не будут мешать друг другу, пытаясь поднять линию. Один пример - несколько устройств с выходами прерывания, которые подаются на один контакт прерывания на микроконтроллере. Когда прерывания нет, линия высокая. Как, если ни один выход не ведет к его росту? Где-то будет «подтягивающий резистор» (общие значения - 4,7 К или 10 К для TTL и более высокие значения для CMOS), привязанный к мощности системы (опять же обычно 5 В или 3,3 В), чтобы вывести линию на уровень логической 1 как по умолчанию.

Затем, когда происходит прерывание, микросхема, вызывающая прерывание, потянет линию на землю. Поскольку подтягивающий резистор имеет довольно высокое значение, он не будет потреблять большой ток, около 1 мА для резистора 4,7 К и логики 5 В. Линия в микроконтроллере, идущая к логическому 0, будет распознаваться как прерывание - так как это вызвано линией, идущей от высокого к низкому уровню, это называется «активным низким» сигналом.

Таким образом, выходы с открытым коллектором / открытым стоком обычно используются, когда более одного выхода связаны между собой и приводят в действие один или несколько входов, хотя обычно это только один. Обычные (двухтактные) выходы используются, когда только один выход управляет одним или несколькими входами, что имеет место в большинстве случаев.

Это связывание нескольких линий с открытым коллектором / открытым стоком аналогично ИЛИ (кроме того, технически это будет сделано с вентилем NOR с инвертированными входами, что, что удивительно, совпадает с вентилем AND), поскольку линии активный низкий. Но таким образом вам не нужно включать физические врата.

74LS05, вероятно, дороже, потому что спрос на чип намного ниже. Шестнадцатеричные инверторы 74LS04 очень распространены и продаются в гораздо больших объемах.

Открытый коллектор

Простая схема открытого коллектора интегральной схемы (ИС).

An открытый коллектор это распространенный тип вывода, который можно найти на многих интегральные схемы (ИС), который ведет себя как выключатель, который либо заземлен, либо отключен. Вместо вывода сигнала определенного напряжения или тока выходной сигнал подается на базу внутреннего NPN транзистор чей коллектор выведен наружу (открыт) на вывод ИС. Излучатель транзистор подключен внутри к контакту заземления. Если выходным устройством является МОП-транзистор вывод называется открытый сток и он работает аналогичным образом. Например, I²C автобус основан на этой концепции.

Функция

На рисунке база транзистора обозначена как «выход IC». Это сигнал от внутренней логики ИС к транзистору. Этот сигнал управляет переключением транзисторов. Внешний выход - коллектор транзистора; транзистор образует интерфейс между внутренней логикой ИС и частями, внешними по отношению к ИС.

В условных обозначениях компонентов схемы открытый выход обозначается этими символами:[1]

  • ⎐ для вывода с низким Z L или привет-Z ЧАС (или ⎒ с внутренним подтягивающий резистор)
  • ⎏ для вывода, который выводит hi-Z L или низкий Z ЧАС (или ⎑ с внутренним понижающим резистором)

Выход образует либо разомкнутую цепь, либо соединение с землей. Выход обычно состоит из внешнего подтягивающий резистор, который увеличивает выходное напряжение при выключенном транзисторе. Когда транзистор, подключенный к этому резистору, включается, на выходе устанавливается напряжение почти 0 вольт. Выходы с открытым коллектором могут быть полезны для аналогового взвешивания, суммирования, ограничения и т.д., но такие приложения здесь не обсуждаются.

А логика с тремя состояниями Устройство не похоже на устройство с открытым коллектором, потому что оно состоит из транзисторов для истока и стока тока в обоих логических состояниях, а также элемента управления для выключения обоих транзисторов и изоляции выхода.

Применение устройств с открытым коллектором

Поскольку подтягивающий резистор является внешним и его не нужно подключать к напряжению питания микросхемы, вместо него можно использовать более низкое или более высокое напряжение, чем напряжение питания микросхемы (при условии, что оно не превышает абсолютный максимальный номинал выхода микросхемы). . Поэтому схемы с открытым коллектором иногда используются для сопряжения различных семейств устройств с разными уровнями рабочего напряжения. Транзистор с открытым коллектором может быть рассчитан на то, чтобы выдерживать более высокое напряжение, чем напряжение питания микросхемы. Этот метод обычно используется логическими схемами, работающими при 5 В или ниже, для управления устройствами, такими как двигатели, 12 В. реле, 50 В вакуумные люминесцентные дисплеи, или же Nixie трубы требующие более 100 В.

Еще одно преимущество состоит в том, что к одной линии можно подключить более одного выхода с открытым коллектором. Если все выходы, подключенные к линии, находятся в состоянии высокого импеданса, подтягивающий резистор будет удерживать провод в состоянии высокого напряжения (логическая 1). Если один или несколько выходов устройства находятся в состоянии логического 0 (земля), они потребляют ток и подтягивают линейное напряжение к земле. Этот проводное логическое соединение имеет несколько применений. Устройства с открытым коллектором обычно используются для подключения нескольких устройств к одному. запрос на прерывание сигнал или общая шина, такая как I²C. Это позволяет одному устройству управлять шиной без помех от других неактивных устройств. Если бы устройства с открытым коллектором не использовались, то выходы неактивных устройств пытались бы поддерживать высокое напряжение на шине, что приводило бы к непредсказуемому выходу.

Проводное ИЛИ с активным низким уровнем / проводное И с активным высоким уровнем с использованием вентилей с открытым стоком.

Связывая выход нескольких открытых коллекторов вместе, общая линия становится логическим элементом «соединенное И» (положительная-истинная логика) или проводное ИЛИ (отрицательная-истинная логика). «Проводное И» ведет себя как логическое И двух (или более) вентилей в том смысле, что это будет логическая 1, когда (все) находятся в состоянии высокого импеданса, и 0 в противном случае. «Проводное ИЛИ» ведет себя как логическое ИЛИ для логики «отрицательная-истина», где на выходе низкий уровень, если на любом из его входов низкий уровень.

SCSI-1 устройства используют открытый коллектор для электрической сигнализации.[2] SCSI-2 и SCSI-3 могут использовать EIA-485.

Одной из проблем устройств с открытым коллектором является энергопотребление, поскольку подтягивающий резистор рассеивает мощность всякий раз, когда выходной сигнал понижается, и чем выше желаемая рабочая скорость, тем меньшее значение резистора (т. Е. Более сильное подтягивание) должно быть, в результате повышенный расход. Даже в выключенном состоянии они часто имеют ток утечки в несколько наноампер (точное значение зависит от температуры).

МОП-транзистор

Аналогичное соединение используется с МОП транзисторы соединение с открытым стоком. Выходы с открытым стоком могут быть полезны для аналогового взвешивания, суммирования и ограничения, а также для цифровой логики. Клемма открытого стока соединяется с землей, когда на затвор подается высокое напряжение (логическая 1), но при этом присутствует высокий импеданс когда на затвор подается низкое напряжение (логический 0). Это состояние с высоким импедансом возникает из-за того, что клемма находится под неопределенным напряжением (плавающее), поэтому для такого устройства требуется внешний подтягивающий резистор, подключенный к шине положительного напряжения (логическая 1), чтобы обеспечить логическую 1 в качестве выхода.

Микроэлектронные устройства, использующие сигналы с открытым стоком (например, микроконтроллеры), могут обеспечивать слабое (высокое сопротивление) внутренний подтягивающий резистор для подключения рассматриваемого терминала к положительному источник питания устройства. Такие слабые подтяжки, часто порядка 100 кОм, снижают энергопотребление, удерживая входные сигналы от плавающих сигналов, и могут избежать необходимости во внешнем подтягивающем компоненте. Внешние подтяжки более сильные (меньшее сопротивление, возможно, 3 кОм), чтобы уменьшить время нарастания сигнала (как с I²C) или минимизировать шум (как в системе ПЕРЕЗАГРУЗИТЬ входы). Внутренние подтягивания обычно можно отключить, если они не нужны.

POD Псевдо открытый сток

В псевдооткрытый сток (POD) драйверы имеют сильную силу натяжения, но более слабую силу натяжения. Для сравнения, драйвер с чистым открытым стоком не имеет силы подтягивания, за исключением тока утечки: все подтягивающее действие осуществляется на внешнем согласующем резисторе. Вот почему здесь должен использоваться термин «псевдо»: на стороне драйвера наблюдается некоторое подтягивание, когда выходной сигнал находится в высоком состоянии, оставшаяся сила подтягивания обеспечивается параллельным завершением приемника на дальнем конце для ВЫСОКОЕ напряжение, часто с использованием переключаемого терминатора на кристалле вместо отдельного резистора. Цель всего этого - снизить общую потребляемую мощность по сравнению с использованием как сильного подтягивания, так и сильного понижения, как в драйверах, таких как HSTL.[3]Память DDR4 использует драйверы POD12, но с той же силой драйвера (34 Ом / 48 Ом) для понижения (RonPd) и подтягивания (RonPu). Термин POD в DDR4 относится только к типу завершения, который является только параллельным подтягиванием без завершения на дальнем конце. Ориентир (VREF) для входа не наполовину, как было в DDR3, а может быть и больше.

Использование Pseudo Open Drain в интерфейсах DDR.

JEDEC стандартизировал POD15,[4] POD125,[5] POD135[6] и POD12[7] для напряжений питания интерфейса 1,5 В, 1,35 В и 1,2 В. Сравнение[8] Схема оконечной нагрузки DDR3 и DDR4 с точки зрения перекоса, апертуры глаза и энергопотребления была опубликована в конце 2011 года.

Смотрите также

Рекомендации

внешняя ссылка

Типы выходов датчиков

26 августа 2021 г. 00:47

Рис. 1. Типы выходов датчиков.

Для расчета стоимости разработки и наладки промышленной автоматики отправьте запрос на адрес [email protected]

В этой статье описаны основные девять типов выходных сигналов различных датчиков, а также способы их обработки. Как видно из рис. 1 каждый сенсор (чувствительный элемент) датчика изначально имеет аналоговый выход, который может быть подключен напрямую к выходу датчика или обрабатываться встроенной схемой для получения на выходе уже готовой к использованию формы сигнала. Например, в термисторах и фоторезисторах, внутреннее сопротивление чувствительного элемента непосредственно передается на выход датчика. Тем не менее существует множество датчиков, в которых встроенная электронная схема на основе полученной информации от сенсора генерирует напряжение, ток, закодированный импульсный сигнал или имеет транзисторный выход с открытым коллектором. Если датчик имеет встроенную обработку сигнала, то выход чаще всего логический(бинарный) или цифровой.


Логический(бинарный) выход имеет два устойчивых состояния: высокий уровень - логическая единица и низкий уровень - логический ноль. Состояние может передаваться непосредственно на выходной вывод датчика или обрабатываться встроенной логикой с формированием потокового импульсного сигнала. Здесь под потоковым импульсным сигналом имеется в виду непрерывное изменение состояний между нулем и единицей с определенной частотой. Существуют различные методы, но наиболее распространенный метод кодирования сигнала - широтно-импульсная модуляция PWM.


Цифровой выход передает один или два байта данных, которые хранятся в регистре (ячейке памяти) внутри электронной схемы, встроенной в датчик. В то время как другие формы выходного сигнала передаются непрерывно на вывод датчика, цифровой выход доступен по запросу от внешнего устройства, такого как микроконтроллер, который должен передать команду в датчик и в качестве ответа получить данные. Такая двухсторонняя связь чаще всего осуществляется посредством I2C или SPI протокола.

 

Выходной сигнал в виде напряжения, безусловно, является наиболее распространенной формой выходного сигнала датчиков. Другие формы сигналов легко могут быть преобразованы в напряжение, используя методы, описанные ниже.

 

Датчики с аналоговым выходом в виде напряжения.


Аналоговый выход - аналоговый вход.

Рис. 2. Схема подключения датчика с выходом в виде напряжения через делитель.


Датчик с аналоговым выходом в виде напряжения может быть подключен напрямую к аналоговому входу, если они имеют совместимые диапазоны напряжений и датчик может обеспечить достаточную силу тока. Например, внешний аналоговый вольтметр, источник света или звука, которые меняют интенсивность, транзистор или операционный усилитель, которые усиливают выходной сигнал для других аудио\визуальных целей. Если выходное напряжение датчика выше допустимого для входа внешнего устройства, то его можно пропорционально понизить до совместимого значения с помощью схемы делителя напряжения на двух резисторах, как показано на рис. 2.

Значения R1 и R2 рассчитываются по следующей формуле: Uout = Usen*(R2/(R1+R2)), где Usen - выходное напряжение датчика, Uout - напряжение на выходе делителя.

 

Аналоговый выход - логический (бинарный, двоичный) вход.


Датчик с аналоговым выходом в виде напряжения может быть подключен к логическому входу через схему, которая преобразует сигнал в двоичную форму. В качестве такой схемы может быть использован триггер Шмидтта, стабилитрон или компаратор. Компаратор обеспечивает такие полезные функции, как регулируемая положительная обратная связь. Это может быть использовано, например, в фотореле - для преобразования медленно изменяющегося сигнала фототранзистора в высокий\низкий сигнал для включения выходного реле.

 

Аналоговый выход - цифровой вход.

 

Сигнал с датчика в виде аналогового напряжения может быть оцифрован с помощью внешней схемы АЦП, которая может быть реализована внутри микроконтроллера или на основе специализированных микросхем АЦП. Если для этой цели используются встроенные средства микроконтроллера, то датчик может быть подключен напрямую ко входу ADC микроконтроллера. Программа микроконтроллера получит доступ к оцифрованному значению аналогового сигнала и выполнит его обработку в соответствии с заданным пользователем алгоритмом или отправит сигнал на цифровой дисплей. При использовании специализированных микросхем АЦП существует множество вариантов их исполнения:

  • параллельный АЦП (Flash converter ADC) - содержит массив компараторов с различным опорным напряжением, генерируемым цепочкой резисторов с равным сопротивлением. Выходы компараторов подключены к элементу Priority Encoder, на единственном выходе которого формируется итоговое двоичное число. Такая система работает очень быстро, но имеет ограниченное разрешение.
  • АЦП последовательных приближений - использует один компаратор, сравнивая входное напряжение с напряжением на выходе ЦАП. Двоичное число, которое поступает на вход этого ЦАП, определяется побитно, начиная со старшего значащего бита и заканчивая младшим. Эти биты сохраняются в специальном регистре последовательных приближений (SAR). Когда процесс определения завершен, SAR содержит двоичное представление входного напряжения. Этот тип АЦП позволяет реализовать высокое разрешение за счет снижения скорости преобразования.
  • АЦП двойного интегрирования. Конденсатор заряжается со скоростью, пропорциональной входному напряжению, затем разряжается и это время измеряется с помощью тактовых импульсов. Результат отсчета появляется на выходе АЦП.
  • АЦП напряжение-частота содержит генератор, управляемый напряжением (ГУН) для формирования импульсов с частотой, пропорциональной входному напряжению. После подсчета определенного количества импульсов, это количество(частота) подсчитанных импульсов пропорционально уровню входного сигнала.

Количество бит на выходе АЦП должно быть достаточным для оцифровки всего диапазона входных напряжений с требуемой точностью. Так как диапазон напряжений может содержать неожиданные выбросы, лучшая стратегия при оцифровке - использовать больше бит, чем необходимо по расчетам. Однако, это означает, что большую часть времени только несколько бит могут быть использованы для измерения значений вблизи нижнего предела диапазона входных напряжений и точность измерений будет снижена.


Например, предположим, что диапазон входных напряжений от 0 до 2В, при этом возможны короткие выбросы до 8В. 8-разрядные АЦП могут обеспечить 256 цифровых значений для всего диапазона входных напряжений. Если измеряемые значения равномерно распределены на протяжении всего диапазона от 0 до 8В, наименьший значащий бит может измерить 1\32 Вольта, или около 31 мВ. Пульсации с меньшим значением будут игнорироваться. С другой стороны, если все 256 значений используются для измерения диапазона от 0 до 2В, наименьший значащий бит может измерить 1\128 Вольта, или чуть меньше 8 мВ, но напряжения выше 2В не будут измерены. Для работы АЦП, как правило, требуется источник опорного напряжения, величина напряжения которого и будет соответствовать верхнему пределу измерения входных значений. Опорное напряжение должно выбираться, исходя из необходимого диапазона и точности измерения напряжения. Микроконтроллер может поддерживать автоматическое масштабирование аналогового входа в пределах значения переменной, заданной в программном коде. Это производится путем сравнения входного напряжения с уровнем выбранного напряжения, такого как непосредственно источник питания МК, внешний или встроенный источник опорного напряжения. Хотя АЦП микроконтроллера по умолчанию оцифровывает значения от 0В до напряжения питания для данного МК, специальные инструкции в коде позволяют использовать все разряды (обычно, 10) для оцифровки диапазона от 0 до 1В. Для более высокой частоты дискретизации специализированная микросхема АЦП может быть подключена к микроконтроллеру через интерфейс I2C или SPI.

 

Датчики с аналоговым выходом в виде сопротивления.

Рис. 3. Схема подключения датчика с выходом в виде сопротивления.

 

Преобразование сопротивления в напряжение. В результате реакции на окружающую среду чувствительный элемент таких датчиков изменяет сопротивление. Для дальнейшего преобразования сопротивления в напряжение может быть использован простой резистивный делитель, как показано на рис. 3. Оптимальное значение резистора Rs для использования с датчиком, который изменяет свое сопротивление от Rmin до Rmax, вычисляется по следующей формуле: Rs = sqrt(Rmin*Rmax). Когда датчик подключен таким образом, дальнейшая обработка выходного сигнала может выполняться теми же способами, как и в случае применения датчиков с выходом в виде аналогового напряжения. Необходимо изучить Datasheet на датчик, чтобы убедиться, что ток через датчик и резистор Rs не превысит допустимый для данного датчика и не выведет его из строя.

 

Датчики с аналоговым выходом в виде открытого коллектора.

Рис. 4. Схема подключения датчика с выходом в виде открытого коллектора (транзистор закрыт).

Рис. 5. Схема подключения датчика с выходом в виде открытого коллектора (транзистор открыт).

 

Многие модульные датчики в качестве выхода включают в себя биполярный транзистор с открытым коллектором или mosfet транзистор с открытым стоком. Этот транзистор может быть также частью встроенного операционного усилителя.
На рис. 4 показано закрытое состояние транзисторного выхода датчика, когда выход находится в высокоимпедансном состоянии, а на рис. 5 отображено открытое состояние того же выхода. Транзисторный выход позволяет напрямую подключать датчик ко входу микроконтроллера или к нагрузке в виде светодиода с небольшим током потребления в 20 мА. Величина подтягивающего резистора зависит от входного сопротивления устройства, подключенного к транзисторному выходу датчика. Например, подтягивающий резистор сопротивлением 10 кОм может использоваться для подключения к микроконтроллеру, имеющему большое входное сопротивление.

 

Датчики с аналоговым выходом в виде переменного тока.

Рис. 6. Схема подключения датчика с выходом в виде переменного тока.

 

Относительно небольшое количество датчиков имеют выход в виде переменного тока. Например, некоторые полупроводниковые датчики температуры работают по такому принципу. Выходной переменный ток может быть преобразован в переменное напряжение путем подключения добавочных резисторов, после чего сигнал может обрабатываться также, как и в случае с датчиками с аналоговым выходом в виде напряжения. Номинал таких резисторов указан в паспорте или Datasheet на конкретный датчик. Схема подключения таких датчиков показана на рис. 6.

 

Датчики с двоичным выходом (логический 0\1).

 

Датчик с двоичным выходом может быть подключен непосредственно ко входу микроконтроллера, если они имеют совместимый диапазон напряжений. Программа микроконтроллера проверяет состояние входа и таким образом производится регистрация срабатывания датчика. Следует иметь в виду, что микроконтроллер может иметь напряжение питания 3.3В, в то же время выход датчика часто формирует сигнал с высоким логическим уровнем в 5В. Двоичный выход также может использоваться для прямого управления твердотельными реле или электромеханическими, если используется дополнительный каскад на транзисторе для усиления выхода.

 

Датчики с импульсным выходом в виде ШИМ (PWM) сигнала.

 

На выходе таких датчиков формируется сигнал прямоугольной формы с постоянной частотой, но с шириной импульса, которая изменяется в соответствии с внешним воздействием на чувствительный элемент. Участок сигнала между началом одного импульса и началом следующего называется рабочим циклом. Рабочий цикл 0% означает, что импульсы отсутствуют, а рабочий цикл 100% - что сигнал без пауз и постоянно установлен уровень логической 1. При рабочем цикле 50% - длительность импульса на уровне логической единице равна длительности паузы на уровне логического нуля. Микроконтроллеры обеспечивают различные методы декодирования потокового ШИМ сигнала. Самый простой из них - цикл проверки состояния входа с как можно большей скоростью до появления логической 1. Микроконтроллер копирует значение внутренних часов в переменную, затем продолжает опрашивать вход до тех пор, пока импульс не закончится и состояние входа не изменится. Ширина импульса вычисляется как разница во времени между состояниями входа. Подобный метод не рекомендуется, так как микроконтроллер может пропустить следующий импульс, пока преобразует значение уже считанного. Для решения этой проблемы в языке микроконтроллера может использоваться функция, блокирующая выполнение кода во время ожидания импульса. Например, для оболочки Arduino это функция pulseIn (pin, value, timeout). Однако ожидание импульса соответственно замедляет выполнение остальных частей кода. Лучшее решение - использование аппаратных прерываний. Другим методом декодирования ШИМ сигнала является использование низкочастотного фильтра, который преобразует импульсы в аналоговое напряжение. Также сигнал ШИМ может использоваться непосредственно для питания светодиода или двигателя постоянного тока с предварительным усилением на транзисторах. Скорость вращения двигателя и яркость светодиода будет зависеть от рабочего цикла.

 

Датчик выходом в виде сигнала с изменяющейся частотой.

 

На выходе таких датчиков также формируется сигнал прямоугольной формы, но с постоянным рабочим циклом и с частотой, которая изменяется в соответствии с внешним воздействием на чувствительный элемент. Для обработки могут применяться те же методы, что и для ШИМ сигнала.

 

Датчик с цифровым выходом I2C.

 

В цифровой электронике обмен данными между компонентами устройства производится по шине связи. Наибольшее распространение получила шина I2C (inter-integrated curcuit bus) разработанная компанией Philips в 1982 г. Стандарт I2C определяет протокол обмена данными, который ограничен частотой 400 kHz(за некоторыми исключениями) и предназначен для работы в пределах одного устройства, чаще всего на одной печатной плате. Протокол прост в разработке, так как данные передаются последовательно по двум проводам и компоненты могут подключаться параллельно к одной шине. Как правило, на шине есть одно ведущее устройство (master) и некоторое количество ведомых (slave). Ведомые и ведущее устройства могут передавать и принимать данные, но инициатором связи всегда является ведущее. Также ведущее устройство генерирует тактовый сигнал для синхронизации данных. Датчик с таким интерфейсом является ведомым устройством, которое может быть опрошено микроконтроллером. Поскольку к одной шине может быть подключено много устройств, каждому присваивается уникальный адрес для точной идентификации. Часто ведомые устройства позволяют изменять пользователю последние два бита адреса, поэтому можно использовать до четырех идентичных устройств на одной шине. Библиотеки для протокола I2C доступны для большинства микроконтроллеров, поэтому для настройки связи достаточно в программе указать адрес датчика. Однако специальные регистры датчика могут быть сложно устроены, поэтому необходимо изучить Datasheet производителя. Например, различные два байта команды могут использоваться для считывания данных с датчика о температуре, времени, а также GPS координат местоположения.

 

Датчики с цифровым выходом SPI.

 

Стандарт SPI (serial peripherals interface) был разработан компанией Motorola для аналогичных задач, что и стандарт I2C. Тем не менее протокол SPI немного сложнее, обеспечивает дуплексный способ связи и более высокую скорость передачи данных. Однако для реализации SPI необходимо уже минимум три провода для подключения всех устройств на шине, а также дополнительную линию выбора для каждого ведомого устройства. Преимущество дополнительной линии заключается в более простом выборе устройства, чем адресация по шине I2C и соответственно меньше программных операторов для установления обмена. Также, как и в случае I2C, для протокола SPI существуют библиотеки для большинства микроконтроллеров.

 

Узнайте условия проведения наладки промышленной автоматики, отправив запрос на [email protected]
Примеры работ
Услуги
Контакты

Время выполнения запроса: 0,00707411766052 секунд.

Выходы с открытым коллектором для биполярных транзисторов

Выходы с открытым коллектором все чаще используются в цифровых микросхемах, операционных усилителях и приложениях типа микроконтроллеров (Arduino), для взаимодействия с другими цепями или для управления сильноточными нагрузками, такими как индикаторные лампы и реле, которые могут быть несовместимы с электрические характеристики цепи управления. Но что означает «открытый коллектор» и как мы можем использовать его в наших схемных решениях.

Из наших предыдущих руководств мы знаем, что биполярный транзистор , независимо от того, является ли он типом NPN или PNP, является трехконтактным устройством. Эти три терминала обозначены как Emitter , Base и Collector . Мы можем использовать биполярные транзисторы для работы либо в качестве усилителя, то есть выходной сигнал имеет большую амплитуду, чем входной сигнал, либо, чаще, в качестве твердотельного электронного переключателя типа «ВКЛ / ВЫКЛ».

Поскольку биполярный переходной транзистор (BJT) является трехконтактным устройством, его можно настроить и использовать в одном из трех различных режимов переключения. Это общая база (CB), общий эмиттер (CE) и общий коллектор (CC), причем конфигурация «общий эмиттер» является наиболее распространенной операцией транзистора при использовании для усиления (активная область) или переключения (отсечка или насыщение). регионов). Итак, это конфигурация транзистора, которую мы рассмотрим здесь, в этом руководстве, около выходов с открытым коллектором .

Рассмотрим стандартную конфигурацию усилителя с общим эмиттером, показанную ниже.

Конфигурация общего эмиттера

Здесь, в этой одноступенчатой ​​конфигурации с общим эмиттером, сопротивление подключено между выводом коллектора транзистора и положительной шиной питания, V CC . Входной сигнал подается между базой транзистора и эмиттерным переходом, при этом вывод эмиттера подключается непосредственно к земле. Отсюда описательный термин «общий эмиттер» (CE).

Ток смещения I B , необходимый для включения транзистора, подается непосредственно на базу NPN-транзистора через базовый резистор R B с выходным сигналом, который составляет 180 o -фаз, инвертированный относительно входной сигнал, взятый между клеммами коллектора и эмиттера. Это позволяет управлять током коллектора транзисторов от нуля (отсечка) до некоторого максимального значения (насыщение). Это стандартное устройство для конфигурации с общим эмиттером, либо смещенное для работы в качестве усилителя класса A, либо в качестве логического переключателя ВКЛ / ВЫКЛ.

Проблема здесь в том, что и транзистор, и сопротивление нагрузки его коллектора связаны вместе с одним общим напряжением питания. Коллекторный резистор R C используется здесь, чтобы позволить напряжению коллектора, V C изменять значение в ответ на входной сигнал, подаваемый на вывод базы транзистора, тем самым позволяя транзистору генерировать усиленный выходной сигнал. Как и без R C , напряжение на клемме коллектора всегда будет равно напряжению питания.

Как упоминалось ранее, биполярный переходной транзистор может работать между его областями отсечки и насыщения, когда V BE намного меньше 0,7 В (нулевой ток базы) или когда оно намного больше 0,7 В (максимальный ток базы ) соответственно. Таким образом, биполярный транзистор NPN может использоваться в качестве электронного переключателя, выполняющего операцию инверсии, потому что, когда транзитор выключен, его коллекторный вывод, и, следовательно, V CE , находится в состоянии «ВЫСОКИЙ» на уровне V CC . , а когда он находится в положении «ВКЛ», (проводящий) выход, принимаемый через V CE , будет «НИЗКИЙ», что является противоположными условиями переключения, если мы хотим управлять реле, соленоидом или лампой, например.

Один из способов преодолеть эту инверсию состояния переключения транзисторов - полностью удалить коллекторный резистор R C и иметь доступный коллекторный вывод транзистора для подключения к некоторой внешней нагрузке. Этот тип настройки дает то, что обычно называют конфигурацией выхода с открытым коллектором .

NPN Выход с открытым коллектором

Когда биполярный транзистор NPN работает в конфигурации с открытым коллектором (OC или o / c), он работает между полным включением или полным выключением, таким образом действуя как электронный твердотельный переключатель.То есть без приложения напряжения смещения базы транзистор будет полностью выключен, а при подаче подходящего напряжения смещения базы транзистор будет полностью включен. Таким образом, когда транзистор работает между областями отсечки (ВЫКЛ) и насыщения (ВКЛ), он не работает как усилительное устройство, как это было бы при управлении в его активной области.

Переключение транзистора между отсечкой и насыщением позволяет его выходу с открытым коллектором управлять внешними подключенными нагрузками, которые требуют более высоких напряжений и / или токов, чем допускала предыдущая конфигурация общего эмиттера.Единственное ограничение - это максимально допустимые значения напряжения и / или тока фактического коммутируемого транзистора.

Тогда преимущество выхода с открытым коллектором состоит в том, что любое коммутируемое выходное напряжение можно получить, просто подключив вывод коллектора к единственному положительному источнику питания, как раньше, или запитав нагрузку от отдельной шины питания. Например, вы можете включить слаботочную лампу или реле, для которых требуется питание +12 В на выходе логического элемента +5 В или выходной контакт Arduino, Raspberry-Pi.

Однако недостатком является то, что при использовании выхода с открытым коллектором для переключения цифровых сигналов, вентилей или входов электронных схем обычно требуется подключенный извне подтягивающий резистор, поскольку вывод коллектора транзистора не имеет выходной мощности возбуждения. Это связано с тем, что для транзистора NPN он может только подтянуть выходной сигнал НИЗКОГО уровня к земле (0 В) при подаче питания, он не может вернуться или снова вернуть его обратно в ВЫСОКОЕ состояние, когда он находится в состоянии ВЫКЛ.

В обесточенном состоянии выход должен быть снова переведен в ВЫСОКОЕ значение с помощью внешнего «подтягивающего резистора», подключенного между его выводом коллектора и напряжением питания, чтобы предотвратить плавание вывода открытого коллектора между ВЫСОКИМ (+ V) и НИЗКИМ. (0 В), когда транзистор выключен.Значение этого подтягивающего резистора не является критическим и будет в некоторой степени зависеть от значения тока нагрузки, требуемого на выходе, при этом типичные значения сопротивления находятся в диапазоне от нескольких сотен до нескольких тысяч Ом. Таким образом, для биполярного транзистора NPN его выходы с открытым коллектором равны , потребляя только выходов.

Цепь транзистора с открытым коллектором

На приведенном выше изображении показана типичная компоновка схемы переключения с открытым коллектором, которая полезна для управления устройствами электромеханического типа, а также во многих других коммутационных приложениях.Базовая схема управления NPN-транзисторами может быть любой подходящей аналоговой или цифровой схемой. Коллектор транзистора подключен к переключаемой нагрузке, а вывод эмиттера транзистора подключен непосредственно к земле.

Для выхода с открытым коллектором типа NPN, когда управляющий сигнал подается на базу транзистора, он включается, и выход, который подключен к клемме коллектора, опускается до потенциала земли через проводящие переходы транзистора. подать питание на подключенную нагрузку и включить ее.Таким образом, транзистор переключается и пропускает ток нагрузки I L , который определяется по закону Ома как:

Ток нагрузки, I нагрузка = Напряжение на нагрузке / Сопротивление нагрузки

Когда привод положительного основания транзистора снимается (ВЫКЛ), транзистор NPN перестает проводить ток, а нагрузка, которая может быть катушкой реле, соленоидом, малым двигателем постоянного тока, лампой и т. Д., Обесточивается и также выключается. Затем выходной транзистор может использоваться для управления внешне подключенной нагрузкой, поскольку действие переключения стока NPN-транзисторов с открытым коллектором действует либо как разомкнутая цепь (ВЫКЛ), либо как короткое замыкание (ВКЛ).

Преимущество здесь состоит в том, что нагрузку коллектора не нужно подключать к тому же потенциалу напряжения, что и схема управления транзисторами, поскольку она может использовать потенциал более низкого или более высокого напряжения, например 12 вольт или 30 вольт постоянного тока. Также одна и та же простая цифровая или аналоговая схема может использоваться для переключения множества различных нагрузок путем простой замены выходного транзистора. Например, 6 В постоянного тока при 10 мА (транзистор 2N3904) или 40 В постоянного тока при 3 амперах (транзистор 2N3506) или даже использовать транзистор Дарлингтона с открытым коллектором.

Пример выхода с открытым коллектором №1

Цифровой выходной контакт +5 В на плате Arduino требуется для управления электромеханическим реле в рамках школьного проекта. Если катушка реле рассчитана на 12 В постоянного тока, 100 Ом, а NPN-транзистор, используемый в его конфигурации с открытым коллектором, имеет коэффициент усиления постоянного тока (бета), равный 50, рассчитайте базовый резистор, необходимый для работы катушки реле.

Ток через катушку можно рассчитать по закону Ома как: I = V / R

Таким образом, для NPN-транзистора с коэффициентом усиления постоянного тока 50, базовый ток равен 2.Требуется 4 мА, игнорируя напряжение насыщения коллектор-эмиттер (V CE (sat) ) около 0,2 вольт. Напомним, что коэффициент усиления постоянного тока транзисторов - это его спецификация того, сколько тока базы требуется для получения результирующего тока коллектора.

Падение напряжения на переходе база-эмиттер (V BE ), когда транзистор полностью открыт, будет 0,7 вольт. Таким образом, номинал базового резистора R B рассчитывается как:

Тогда схема транзистора с открытым коллектором будет:

Цепь открытого коллектора

В то время как схема транзистора с открытым коллектором NPN вырабатывает «втекающий» выход, то есть клемма открытого коллектора транзисторов NPN будет отводить ток на землю (0 В), транзистор типа PNP также может использоваться в конфигурации с открытым коллектором для производить то, что называется «текущим» выходом.

PNP Выход с открытым коллектором

Выше мы видели, что основной характеристикой выхода с открытым коллектором является то, что сигнал нагрузки активно «опускается» до уровня земли за счет переключающего действия биполярного транзистора NPN, когда он полностью включен, и пассивно подтягивается снова, когда он выключен. производящий выходной ток стока. Но мы можем создать противоположное условие переключения, используя выход с открытым коллектором биполярного транзистора PNP для активного переключения его выхода на шину питания и используя подключенный извне «понижающий» резистор, чтобы снова пассивно подтянуть выход на низкий уровень, когда он выключен.

Для выхода с открытым коллектором типа PNP только транзистор может переключить выход ВЫСОКОЕ на шину питания, поэтому его выходная клемма должна быть снова пассивно подтянута «НИЗКОЕ» с помощью подключенного извне «понижающего» резистора, как показано. .

Схема PNP-транзистора с открытым коллектором

Затем мы можем видеть, что конфигурация выхода с открытым коллектором типа NPN или типа PNP может активно подтягивать свой выход НИЗКИЙ к земле или ВЫСОКИЙ к шине питания (в зависимости от типа транзистора), когда он включен, но его клемма коллектора должна быть поднимается или опускается пассивно с помощью подтягивающего или понижающего резистора, подключенного к его выходной клемме, если подключенная нагрузка не может этого сделать.Тип используемого выходного транзистора и, следовательно, его переключающее действие создают либо состояние потребителя тока , либо состояние источника тока .

Помимо использования биполярных транзисторов в их конфигурации с открытым коллектором, также можно использовать полевые МОП-транзисторы с n-канальным и p-канальным режимом расширения или IGBT в их конфигурации с открытым исходным кодом . В отличие от биполярного переходного транзистора (BJT), которому требуется базовый ток для приведения транзистора в состояние насыщения, нормально открытый (расширенный) MOSFET требует подачи подходящего напряжения на его вывод затвора (G).Клемма истока (S) полевого МОП-транзистора подключается непосредственно к земле или шине питания, а клемма с открытым стоком (D) подключается к внешней нагрузке.

Использование полевых МОП-транзисторов (или IGBT) в качестве устройств с открытым стоком , (OD) соответствует тем же требованиям, что и для выходов с открытым коллектором (OC) при возбуждении силовых нагрузок или нагрузок, подключенных к источнику более высокого напряжения, в этом случае применяются подтягивающие или понижающие резисторы. Единственное отличие состоит в номинальной тепловой мощности канала MOSFET и защите от статического напряжения.

Конфигурация MOSFET расширения с открытым стоком

Обзор выходов с открытым коллектором

Мы видели здесь в этом руководстве о выходе с открытым коллектором , что он может обеспечивать сток или выход источника тока в зависимости от типа используемого биполярного транзистора, типа NPN или PNP.

Когда транзистор типа NPN находится в состоянии «ВКЛ», он обеспечивает или «поглощает» путь к земле. В состоянии «ВЫКЛ.» Его выходная клемма может плавать, если выход с открытым коллектором не подключен через подтягивающий резистор к положительному напряжению питания.Обратное верно для транзистора типа PNP. Когда он находится в состоянии «ВКЛ», он будет обеспечивать или «получать» путь от питающей шины. В состоянии «ВЫКЛ.» Его выходная клемма может плавать, если выход с открытым коллектором не подключен через понижающий резистор к земле (0 В).

Преимущество выходов с открытым коллектором или выходов с открытым стоком состоит в том, что переключаемая или управляемая нагрузка может быть подключена к источнику напряжения, которое не зависит от напряжения и / или отличается от напряжения питания, используемого схемой управления, и что они могут «потреблять» или «истощать» внешнее напряжение в зависимости от того, идет ли оно на землю или на источник.Единственным ограничением является максимально допустимое напряжение и ток выходного переключающего транзистора или электронного МОП-транзистора.

Основы

: Выходы с открытым коллектором | Лаборатории злых безумных ученых

Одна из радостей работы с базовой цифровой электроникой - и, в частности, с ИС логических вентилей - это то, что она работает почти как сборка из набора блоков Lego: здесь идет один выход, который здесь подключается к следующему входу, и так далее, пока он делает то, что вы хотели.

Если вы играли с подобными чипами, вы наверняка встречали и чипы с выходом «открытый коллектор». А если нет, о них стоит знать. Выходы с открытым коллектором составляют основу ряда хитроумных приемов для переключения уровня и взаимодействия между различными типами логики, а также от логики к другим типам электронных схем.

Далее мы будем работать с SN7407N, которая является одной из самых простых ИС с выходами с открытым коллектором. Мы обсудим, что значит иметь выходы с «открытым коллектором», и покажем некоторые из различных способов их использования.

Это схематическое изображение SN7407N, показывающее распиновку. Есть питание (номинальное 5 В) и земля, а затем шесть пар ввода-вывода, всего 14 контактов.

Микросхема описывается как шестнадцатеричный буфер (или шестнадцатеричный драйвер), потому что существует шесть независимых каналов, а логическая функция состоит в том, что каждый выход дает непрерывную копию своего входа.

Логическая функция «буфера» обычно обозначается на схематическом символе символом «усилителя» в виде прямого треугольника на каждом канале - буфер - это просто усилитель с «единичным» (X1) усилением - и символ изменяется с помощью подчеркнутый ромбовидный знак, обозначающий выходы с открытым коллектором.

Вот упрощенная модель того, что находится внутри каждого буферного канала.

Вход буфера переходит в логический элемент НЕ. Выход этого затвора НЕ идет на базу биполярного транзистора NPN. Эмиттер транзистора подключен к земле, а коллектор транзистора подключен к выходу. Это «открытый коллектор».

Когда на логическом входе SN7407N низкий уровень, на выходе затвора НЕ высокий уровень, поэтому на базе транзистора поддерживается напряжение выше эмиттера.Это «включает» транзистор, что означает, что если есть какое-либо напряжение (выше примерно 1,5 В), подключенное к коллектору, то есть подключенное к выходу канала SN7407N, то ток будет течь от коллектора через транзистор к земля.

Когда на логическом входе SN7407N высокий уровень, на выходе затвора НЕ низкий уровень, поэтому база транзистора остается на низком уровне при том же напряжении, что и эмиттер. Транзистор выключен и не проводит ток. То есть ток не течет к выходу или от выхода.Как будто выход просто ни к чему не подключен.

Итак, там, где в большинстве цифровых электронных устройств выход буфера (или другого логического элемента) имеет «высокое» или «низкое» напряжение, открытый коллектор имеет два разных состояния: выходной транзистор отключен или выходной транзистор включен. Другими словами, выход (фактически) «не подключен» или выход, подключенный через транзистор к земле.

Вот самый простой пример того, как это может быть полезно. Предположим, что на выходе с открытым коллектором установлен подтягивающий резистор - резистор среднего номинала (обычно 2.2k - 10k) подключен к положительной шине питания, скажем, 12 В.

Затем, когда выходной транзистор отключен (и выход фактически «не подключен»), выход будет подтянут до значения шины питания, в данном случае 12 В. Когда выходной транзистор включен, выход эффективно соединен с землей, и выход приближается к 0 В.

Таким образом, это изящный способ создания устройства сдвига логического уровня. Что мы сделали, так это преобразовали входной сигнал логического уровня (например,, 0-5 В) на другой уровень (0-12 В). Обратите внимание, что выход не нужно тянуть так далеко. Если бы подтяжка была подключена к 3 В, выходной диапазон был бы 0–3 В, и вы могли бы использовать это в качестве входа для цифровой электроники, которая не допускает полных 5 В на своих входах. Для SN7407N выходное напряжение может достигать 30 В, поэтому вы также можете использовать его для переключения выше.

Другой способ использования выходов с открытым коллектором - это компактная замена набора внешних дискретных транзисторов.Предположим, вы хотите управлять шестью наборами по три белых светодиода в каждом, управляемых шестью выходами вашего микроконтроллера. Для этого вы можете подключить каждый выход через резистор к базе транзистора и использовать этот транзистор для переключения тока на светодиоды. SN7407N можно использовать таким же образом, позволяя заменить одну микросхему на шесть резисторов плюс шесть транзисторов.

Вот один канал последней схемы, построенный на макетной плате. Мигающий TTL-сигнал поступает от микроконтроллера на SN7407, а внешние зажимы подают на плату 12 В.Если вы присмотритесь, вы увидите, что на самом деле есть еще один компонент: рудиментарное (но безвредное) подтягивание 10k на выходе SN7407.

Эта схема является примером драйвера «низкой стороны», в котором светодиоды включаются и выключаются со своей «нижней стороны», стороны, более близкой к потенциалу земли.

Есть некоторые вещи, которые не может сделать с выходами с открытым коллектором.

Заманчиво думать, что, поскольку ваш выход работает для переключения 20 мА, его также можно использовать для источника 20 мА, как в «плохой цепи» выше.Это правда, что в сочетании с подтягивающим резистором выход с открытым коллектором может повышаться до 12 В, но это при условии, что только минимально потребляет тока с этого выхода 12 В. Проблема в том, что выход с открытым коллектором вообще не является источником тока; он может только пропускать ток.

Таким образом, если какой-либо ток протекает через светодиоды, он будет идти не с выхода SN7407, а с шины 12 В через резистор 10 кОм. А по закону Ома вы не можете получить 20 мА для прохождения через 10 кОм, если вы не обеспечите минимум 200 В.Эта трасса и близко не подойдет.

Схема выше была бы примером драйвера «высокой стороны», если бы она действительно работала. Драйверы верхнего плеча включают и выключают светодиоды (или другую электронику) с помощью переключателя, подключенного к стороне с более высоким напряжением. На самом деле существует реальная потребность в схемах драйверов как «высокой стороны», так и «нижней стороны». Например, в мультиплексированной светодиодной матрице каждая строка включается по очереди, используя драйвер верхнего уровня, подключенный к каждой строке. Затем драйверы нижнего уровня, подключенные к каждому столбцу, определяют, какие светодиоды в этом ряду включены и выключены в данный момент.

Итак, как мы можем создать работающий высокочастотный драйвер? Поскольку выход с открытым коллектором с подтягиванием не будет обеспечивать ток, который нам нужен, очевидно, что нужно вернуться к обычной логике (которая может истощать и принимать ток ) и вместо этого разместить настоящий переключатель - транзистор - на высокой стороне светодиодов.

И вот ... мы получили еще одну неисправную цепь. Что касается плохих схем, то это одна из самых распространенных. Проблема * заключается в том, что для включения или выключения светодиодов логический выход должен иметь возможность изменять напряжение базы транзистора как выше, так и ниже напряжения в верхней части пакета светодиодов, очень близко к 12 В.Поскольку наш логический вход находится в диапазоне только от 0 до 5 В, светодиоды будут всегда гореть (если выбран транзистор PNP) или всегда выключаться (если выбран транзистор NPN).

* Помимо : Возможно, вы заметили и вторую проблему: даже если транзистор включился, это все равно будет неисправной схемой , потому что мы забыли подключить резистор последовательно со светодиодами.

Оказывается, у нас действительно есть отличный случай для использования одной из тех схем «сдвига уровня», которые мы обсуждали ранее, чтобы мы могли поднять транзисторные входы до 12 В.

Итак, вот решение, которое работает, и на самом деле это отличный драйвер высокого уровня.

Выход SN7407 подтянут до 12 В через 10 кОм? резистор. Он также подключен через 1 кОм к базе транзистора PNP. Когда на входе SN7407 высокий уровень, выходы эффективно отключаются, а база транзистора подтягивается до 12 В, отключая транзистор и обеспечивая отсутствие тока через светодиоды. Когда на входе SN7407 низкий уровень, база транзистора соединена с землей через 1 k? резистор, включающий транзистор и тем самым позволяющий светодиодам включиться.Таким образом, забавный побочный эффект заключается в том, что это не просто драйвер высокого уровня, это , инвертирующий драйвер высокого уровня - светодиоды горят, когда входной сигнал низкий. Если вы хотите изменить это так, чтобы светодиоды горели при высоком уровне входного сигнала, вы можете просто заменить SN7407N на SN7406N, инвертирующий эквивалент SN7407N.

Есть еще один уникальный способ использования выходов с открытым коллектором - это создание специальных логических вентилей путем соединения их выходов вместе.

Выше простой пример. Два канала SN7407, от входов X и Y , имеют свои выходы, соединенные вместе и с подтягивающим резистором. Тогда, если и X , и Y высокие, комбинированный выход также будет высоким. Но если либо X , либо Y низкое, выход будет низким. Это составляет логический элемент И, поскольку на выходе высокий уровень тогда и только тогда, когда оба X и Y имеют высокий уровень.

Этот тип логического элемента называется проводным логическим элементом И (потому что он сделан путем его подключения, а не с использованием кремниевого кристалла логического элемента И), и это очень полезный тип логического элемента.Это особенно полезно, потому что вы можете подключить десятков выходов с открытым коллектором к одной и той же линии, чтобы создать очень большой логический элемент И, который мог бы (например) контролировать десятки критических систем и запускать отключение, если какая-либо из них выходит из строя.

Таким же образом могут быть построены и другие типы логических вентилей с проводным подключением. Например, приведенная выше схема, построенная с инвертированием каналов SN7406, будет вентилем Wired-NOR, который можно снова инвертировать, чтобы получить вентиль Wired-OR.
В качестве сноски, логические вентили с открытым коллектором, подобные этим, в значительной степени вышли из моды.Это отчасти потому, что сложно отладить аппаратную проблему, когда у вас есть несколько десятков вентилей, соединенных вместе, а отчасти из-за разработки (давно) трехсторонних логических микросхем. Но иногда они все еще являются правильным решением проблемы .
Дополнительная литература:

сигналов с открытым коллектором (примечание по приложению) | LabJack

Это примечание к приложению написано для всех LabJack, кроме U12. U12 имеет нагрузку на 1 МОм, а не на 100 кОм на всех других устройствах.

Открытый коллектор (также называемый открытым стоком, NPN или PNP) - очень распространенный тип цифрового сигнала.Вместо того, чтобы обеспечивать низкий импеданс 5 В и землю, как двухтактный или сигнальный, сигнал с открытым коллектором обеспечивает разомкнутость и землю. Этот тип сигнала можно представить как выключатель, подключенный к земле. Различные термины используются несколько вольно, и часто все варианты просто называются «открытый коллектор», но наиболее часто используется следующее:

Открытый коллектор = NPN = Переключение между открытым и низким.

Открытый сток = PNP = Переключение между открытым и высоким.

Поскольку цифровые входы LabJack имеют внутренний подтягивающий резистор 100 кОм, который удерживает их на высоком уровне, когда ничего не подключено, сигнал NPN является естественным подходом и, как правило, может быть подключен непосредственно к входу.Когда сигнал NPN неактивен, он не генерирует никакого напряжения, а подтягивающий резистор переводит цифровой вход на высокий логический уровень. Когда сигнал NPN активен, он генерирует 0 вольт, который подавляет подтягивание и переводит цифровой вход на низкий логический уровень. Иногда устанавливается внешний подтягивающий усилитель (например, 4,7 кОм от напряжения Vs к цифровому входу) для увеличения скорости и силы (т. Е. Большей невосприимчивости к электромагнитным помехам) состояния высокого логического уровня.

Рисунок 1. Общее подключение открытого коллектора (NPN) к цифровому входу

Rground обычно составляет 0 Ом, но иногда используется последовательный резистор для предотвращения протекания больших токов в землю.

Rseries обычно составляет 0 Ом, за исключением случаев, когда требуется создать RC-фильтр нижних частот или если необходимо ограничить ток для напряжений, существенно превышающих 5 вольт. Если есть некоторая неуверенность в том, является ли сигнал на самом деле открытым коллектором или может вызывать напряжение выше 5 вольт, используйте Rseries 22 кОм, как описано в примечании к приложению Driven Signals.

Rpullup (внешний подтягивающий резистор) обычно не требуется, но используется гораздо чаще, чем Rground и Rseries. Иногда добавляется 4,7 кОм, если требуется более сильное подтягивание, чтобы избежать ложных минимумов из-за EMI.Единственным недостатком добавления этого внешнего подтягивания является то, что VS должен подавать небольшой дополнительный ток, а переключатель NPN должен принимать этот дополнительный ток, но он составляет всего около 1 мА при 4,7 кОм.

Без дополнительных резисторов рисунок 1 упрощается до рисунка 2, который является наиболее распространенным подключением:

Рис. 2. Типовое подключение с открытым коллектором (NPN) к цифровому входу

Для переключателя PNP требуется Rpulldown (а не Rpullup) с цифрового входа на GND.Добавьте понижающий резистор 4,7 кОм, который подавляет внутреннее повышение сопротивления 100 кОм и поддерживает низкий уровень цифрового входа, когда PNP неактивен (разомкнут). Когда PNP активен (высокий), он подавляет понижение и удерживает высокий уровень цифрового входа. Обратите внимание, что если высокое напряжение PNP больше 5 вольт, Rseries необходим для защиты цифрового входа, как обсуждалось ранее. В этом случае Rseries объединяется с Rpulldown для создания делителя напряжения (а также внутреннего повышения 100 кОм до 3,3 В, но мы проигнорируем это для грубых расчетов).Rseries = 10k и Rpulldown = 4.7k, означает усиление примерно x0,32, поэтому входной сигнал 12 В будет разделен до ~ 3,8 вольт. Rseries = 22k и Rpulldown = 4.7k, означает усиление около x0,18, поэтому входной сигнал 24 В будет разделен до ~ 4,3 вольт.

Другой вариант для переключателей PNP - LJTick-Divider.

Наше самое старое устройство, U12, имеет нагрузку на 1 МОм, а не на 100 кОм на каждой цифровой линии. Мы рекомендуем всегда использовать подтягивающий резистор 4,7 кОм (до +5 В) с сигналами NPN или 4.Понижающий резистор 7 кОм (к GND) с сигналами PNP.

Выше были упомянуты различные способы защиты от напряжений более 5 вольт. Фактические ограничения можно найти в Приложении A к спецификации каждого устройства. U12 начинает фиксацию с VS + 0,3, в то время как U3, U6, UE9, T4 и T7 начинают фиксацию с фиксированного значения 5,8 вольт, поэтому для напряжений, превышающих эти уровни, следует подумать о дополнительном последовательном резисторе.

Обратите внимание, что отдельное заземление LabJack часто не требуется для каждого сигнала.Любые сигналы, питаемые от одного и того же внешнего источника или иным образом относящиеся к одному и тому же внешнему заземлению, должны по возможности совместно использовать одно заземляющее соединение с LabJack.

Как работает выход с открытым коллектором?

Выход с открытым коллектором - это полупроводниковая переключающая схема, используемая во многих датчиках уровня Gems. Следующие датчики уровня используют выход с открытым коллектором:

  • ELS-1100
  • ELS-1100TFE
  • ELS-1100FLG
  • ELS-1150
  • ELS-1150XP
  • WIF-1250
  • CAP -300
  • XLS-1

Открытый коллектор работает с питанием постоянного тока и в основном переключает ток от провода выходного сигнала к земле.В изображенном ниже символе сигнал датчика - это опорная ветвь, положительный источник питания постоянного тока (также питающий нагрузку в этой понижающейся конфигурации NPN) - коллекторная ветвь, а эмиттер - заземляющая (или отрицательная) ветвь.

W Когда внутренний сигнал датчика положительный (присутствует жидкость), он позволяет току течь от коллектора к эмиттеру:


Когда внутренний сигнал датчика отрицательный (жидкость отсутствует), предотвращает протекание тока к эмиттеру:

Некоторые датчики расхода Gems также имеют выходы с открытым коллектором.К ним относятся следующие модели датчиков потока турбины:

  • FT-110
  • FT-110M
  • FT-210
  • FT-330

Все эти датчики потока используют частотный выход. Выход с открытым коллектором имеет возможность быстрого и точного переключения между двумя состояниями, что дает сигнал прямоугольной формы. Скорость потока измеряется в герцах (Гц), которые представляют собой количество этих импульсов включения / выключения в течение заданного периода времени.

Для импульсных частотных выходов на датчиках расхода турбины Gems требуется подтягивающий резистор.

Выход с открытым коллектором - это полупроводниковая схема переключения, используемая со многими датчиками уровня Gems.

Общие сведения о реле с открытым коллектором - Global Electronic Services

Открытые коллекторы - это электрические компоненты, управляющие входными сигналами для различных устройств. Эти выходные данные имеют простой дизайн, но играют важную роль в приложениях, охватывающих несколько отраслей. Вот посмотрите, что это такое, как они работают и что делают в электрических реле.

Что такое открытый коллектор?

Открытые коллекторы - это выходы, которые можно найти на различной электронике и большинстве плат интегральных схем (ИС). Они работают с питанием постоянного тока и ведут себя так же, как переключатели питания или твердотельные реле (SSR), позволяя переключать входной сигнал для включения или выключения различных схем. Открытый коллектор либо полностью выключен, либо полностью включен - они также не усиливают и не ослабляют. Иногда в серию включают диод с открытым коллектором для защиты от неожиданных скачков напряжения.

Как используются открытые коллекторы?

Выходы

с открытым коллектором представляют собой особый тип конфигурации транзисторов BJT (биполярный переход). Помимо коллектора, выход с открытым коллектором также имеет базу и эмиттер. Эти транзисторы имеют выход с пассивным открытым коллектором, который либо подключается к заземлению, либо генерирует плавающее напряжение.

Компонент принимает входной сигнал от платы IC и активируется. Во время работы транзистора с открытым коллектором BJT-транзистор посылает выходной сигнал на отрицательно-положительно-отрицательный (NPN) транзистор.В отличие от стандартных цифровых выходов, открытый коллектор не питает нагрузку. Вместо этого эти компоненты включают переключатель, который подключает цепь под напряжением к электрическому заземлению.

Каковы применения выходов с открытым коллектором?

Являясь неотъемлемой частью многих микросхем IC, выходы с открытым коллектором полезны для бесчисленных приложений, но для их работы обычно требуются подтягивающие резисторы. Каждый раз, когда вы используете открытый коллектор с плавающей землей, вам необходимо иметь подтягивающий резистор между VCC (общий коллектор напряжения) и землей, чтобы остановить ваши схемы и логические вентили от самосмещения и отправки ложных сигналов.

С помощью подтягивающего резистора можно изменить режим работы транзистора с открытым коллектором для передачи сигналов с разными напряжениями. Эта возможность делает их полезными для управления внешними схемами, такими как питание 12-вольтного реле или взаимодействие с устройствами, требующими различных уровней входного напряжения, такими как цифровые логические вентили, усилители, датчики, серводвигатели и логарифмические преобразователи.

Почему в реле используются открытые коллекторы?

Транзисторы

с открытым коллектором обеспечивают лучшую гибкость по напряжению и току, чем стандартные логические вентили.Компонентная конструкция позволяет подключать несколько выходов к одной подключенной линии. С открытыми разъемами вы можете без помех выбирать, какие устройства хотите активировать. Реле с открытым коллектором также не требует согласования входного напряжения. Вы можете использовать их в 5-вольтовых логических схемах, которые управляют компонентами, требующими напряжения в пять, 10 или более чем в 20 раз выше.

Экспертная проверка и ремонт выходов с открытым коллектором

Поскольку реле играют жизненно важную роль во многих электронных устройствах, неисправности или короткое замыкание являются признаком того, что вам может потребоваться проверить выход с открытым коллектором.Если ваши серводвигатели вышли из строя или вообще перестали работать, Global Electronic Services может оценить их и вернуть в рабочее состояние. Мы обслуживаем клиентов со всего мира, предоставляя быстрые услуги по тестированию, техническому обслуживанию и ремонту.

Заполните нашу форму, чтобы запросить расценки и узнать, что мы можем сделать для вашей компании. Мы составим подробную смету и быстро завершим утвержденный ремонт, чтобы свести к минимуму время простоя.

Использование датчиков с выходами с открытым коллектором

Большинство промышленных датчиков предназначены для подключения к модулям ввода ПЛК с обозначением источника или потребителя.Датчики представлены с терминами, соответствующими NPN и PNP. Однако в некоторых случаях появляются необычные термины.

Одной из наиболее запутанных является идея «выходов с открытым коллектором», которые часто встречаются на устройствах кодирования. Простое объяснение может помочь определить, как использовать эти типы датчиков.

Использование датчиков с выходами с открытым коллектором

Датчики являются неотъемлемой частью любой системы управления. Стратегии подключения могут незначительно отличаться в зависимости от марки и типа используемых датчиков.К счастью, разнообразие стилей проводки не слишком разнообразно.

Это позволяет технику найти и подключить эквивалентный датчик, даже если это не тот номер детали, который указан в техническом описании.

Есть несколько общих узнаваемых терминов, используемых в дискретных (цифровых) датчиках, особенно PNP и NPN. Эти датчики предназначены для согласования соответственно с входными клеммами понижения и источника на контроллере.

Существует менее распространенный термин, который используется особенно на устройствах кодирования, но в некоторых других случаях.Поскольку это менее распространено, не так много внимания уделяется определению того, что это такое и как работает, и, что наиболее важно, тому, как подключать устройства. Это термин «открытый коллектор».

Модель транзистора

Название Collector происходит от модели транзистора, поэтому имеет смысл начать определение с краткого обзора того, как транзистор подключен внутри датчика.

На левой стороне схема энкодера (не показана, но состоящая из светодиодных излучателей / детекторов по мере необходимости и усилителей сравнения) использует 24 В и землю, подаваемые через разъем питания, и выводит небольшое напряжение на сигнальную схему через Базовый вывод транзистора.

Эта сигнальная цепь справа представляет собой транзистор NPN, который соединяет вход ПЛК с землей. Вход ПЛК напрямую подключен к выводу коллектора транзистора. Это дает название «Открытый коллектор», поскольку провод остается открытым на конце жгута проводов, пока не будет подключен к ПЛК. Заземление - это вывод эмиттера транзистора.

Когда сигнал датчика высокий, транзистор пропускает ток от ПЛК к земле. Когда сигнал датчика низкий, транзистор отключается, и ток больше не может течь от ПЛК.

Ни в коем случае ток никогда не течет от датчика к ПЛК. Это означает, что датчик будет считаться датчиком опускания.

Соединения с внешним миром по-прежнему состоят из + V, сигнальной земли и сигнального провода, как показано на схеме. Это точно так же, как и большинство других 3-проводных датчиков. В случае энкодеров большинство из них будет иметь жгут проводов, состоящий более чем из одного выхода. Вы по-прежнему подключите + V и сигнальную землю, но у вас будет дополнительное количество сигнальных проводов.

В этих случаях с несколькими сигнальными проводами убедитесь, что ваш входной модуль может вместить достаточное количество энкодеров. Например, если к энкодеру подключено 3 сигнальных провода, модуль с 8 входами может активировать только 2 энкодера. Если энкодер имеет пять сигнальных проводов, этот 8-входной модуль может работать только с одним энкодером.

Инкрементальный энкодер с открытым коллектором. Изображение любезно предоставлено компанией SICK Sensors.

Важно знать, что для создания датчиков с открытым коллектором всегда используется транзистор NPN, что делает их такими же, как и все другие датчики погружного типа.Это означает, что вы должны использовать модуль ввода Sourcing, который немного реже, чем модули Sinking.

Основная причина использования транзисторов NPN в этих приложениях заключается в том, что ПЛК может подавать любое напряжение на этот коллектор по мере необходимости, даже если сам датчик подключен к источнику питания 24 В.

Если контроллер представляет собой систему с напряжением 12 В, коллектор подключит эти 12 вольт к земле. Если это 5-вольтовая или другая 24-вольтовая система, она все равно будет возвращаться на землю в любом случае.Альтернативой является транзистор PNP, который будет ограничен подачей только напряжения источника. Так что, если бы у вас была 12-вольтовая система управления, вам нужно было бы найти 12-вольтовый источник питания только для этого датчика, что не является очень практичной системой электропроводки.

Соединения модулей

Для энкодеров специальные модули высокоскоростного счетчика считывают сигналы, поскольку эти сигналы энкодера могут изменяться очень быстро.

Для получения подробной информации об этом типе модуля, проконсультируйтесь с дистрибьютором вашей предпочтительной системы управления и спросите о HSC (высокоскоростной счетчик) и их возможностях.Если вы планируете использовать кодировщик типа Open Collector, убедитесь, что входы HSC являются источниками.

Для стандартного 3-проводного датчика с указанным выходом «Открытый коллектор» сигнальный провод кабеля можно подключать непосредственно к входной клемме ПЛК, но опять же, с риском повторения. Это должен быть исходный входной модуль.

Хороший урок, который можно извлечь из этих необычных обстоятельств подключения, состоит в том, что часто бывает полезно понять, почему что-то работает, чтобы использовать это должным образом. Иногда возникает соблазн поискать ответ или схему подключения, но это решает проблему только на время.Если приложить дополнительные усилия для изучения теории чего-то более сложного, это может открыть новые возможности для разработки более совершенных систем и решений в будущем.

Сравнение общих выходных сигналов энкодера

Когда дело доходит до выбора кодировщика для приложения управления движением, необходимо сделать несколько вариантов. Инженер, определяющий датчик, должен решить, требуется ли для его применения инкрементальный, абсолютный или коммутационный энкодер.Как только они узнают, какой тип им нужен, у них появится обширный список других параметров, которые следует учитывать, таких как: разрешение, монтажная схема, размер вала двигателя и многое другое. Кроме того, что иногда упускается из виду, необходим тип выходного сигнала кодировщика. Ответ не всегда ясен, поэтому в этом посте мы рассмотрим три основных типа выходов, которые можно увидеть практически на любом энкодере: открытый коллектор, двухтактный и дифференциальный линейный драйвер. Эти три типа выходных данных описывают физический уровень цифровой связи.

Будь то квадратурный выход инкрементального энкодера, выход полюса двигателя коммутационного энкодера или последовательный интерфейс, использующий определенный протокол, все эти сигналы являются цифровыми и имеют высокое и низкое состояния. Это означает, что для кодировщика 5 В сигналы всегда будут переключаться между 0 В (земля), который имеет низкий уровень или двоичный 0, и 5 В, который является высоким или двоичным 1. В этом посте мы сосредоточимся на выходах инкрементального кодера, которые обеспечивают основная прямоугольная волна.

Типичный цифровой прямоугольный сигнал 5 В

Выходы с открытым коллектором

Большинство вращающихся энкодеров на рынке будут иметь выход с открытым коллектором.Это означает, что выход цифрового сигнала может быть подключен к низкому уровню на землю, а когда сигнал должен быть высоким, выход просто отключается. Выход называется открытым коллектором, потому что коллекторный вывод на транзисторе остается открытым или отключенным, когда входной сигнал высокий.

Биполярный переходной транзистор, используемый в энкодерах с открытым коллектором

. Для взаимодействия с этим устройством требуется внешний резистор, чтобы «подтянуть» коллектор до желаемого высокого уровня напряжения. Это полезный тип выхода, если инженер пытается взаимодействовать с системой с разными уровнями напряжения.Коллектор можно подтянуть, чтобы обеспечить более низкие или более высокие уровни напряжения, чем работает энкодер.

Подтягивающий резистор, добавленный извне к энкодеру с открытым коллектором

. Однако недостатки этого интерфейса часто перевешивают возможность изменения уровней напряжения энкодера. Добавление внешних резисторов к энкодерам с открытым коллектором не является чрезвычайно сложной задачей, и многие стандартные контроллеры уже имеют их встроенными, но эти внешние резисторы потребляют ток для работы и влияют на выходной сигнал, изменяя его характеристики в зависимости от частоты.Рассмотрим снова прямоугольную волну инкрементального энкодера, только на этот раз увеличенную очень близко к одному из изменений его состояния. Нам нравится думать о наших цифровых сигналах как о мгновенном переходе от низкого к высокому, но мы, конечно, знаем, что все требует времени. Мы называем эту задержку скоростью нарастания.

Крупный план прямоугольной волны с более низкой скоростью нарастания

В случае выходов с открытым коллектором на скорость нарастания влияет сопротивление подтягивающего резистора, поскольку резистор действует как резистор R в схеме синхронизации RC.Более низкие скорости нарастания означают пониженную рабочую скорость энкодера (и / или уменьшенную разрешающую способность в случае инкрементальных энкодеров). Скорости нарастания могут быть улучшены с помощью резисторов меньшего номинала (более сильные подтяжки), но этот компромисс означает, что система потребляет больше энергии, так как этот подтягивающий резистор должен пропускать через него больше тока, когда сигнал низкий.

Выходы Push-Pull

Лучшим ответом на недостатки интерфейса с открытым коллектором является двухтактная конфигурация. В двухтактной схеме используются два транзистора вместо одного.Верхний транзистор работает как активный подтягивающий, а нижний транзистор работает так же, как транзистор в конфигурации с открытым коллектором. Двухтактные конфигурации позволяют осуществлять быстрые цифровые переходы с более высокими скоростями нарастания, чем достижимые с резисторами, формирующими сигнальные линии. Без резисторов, рассеивающих мощность, этот тип выхода также потребляет меньше энергии. Это делает двухтактный выход гораздо лучшим вариантом для приложений с батарейным питанием, где доступная мощность очень высока.

Конфигурация двухтактного транзистора

Все несимметричные энкодеры AMT устройств CUI Devices используют двухтактный тип выхода. Для подключения к выходам моделей кодировщиков AMT не требуется никаких внешних подтягивающих устройств. Это значительно упрощает тестирование и создание прототипов, требуя меньше расходных материалов для запуска и работы. Важно отметить, что выход кодера AMT обозначен в таблице как CMOS . Это просто указывает, как интерфейсное устройство должно интерпретировать высокие и низкие уровни напряжения, которые оно видит на двухтактном выходе.Эти высокие и низкие значения различаются в зависимости от устройства, поэтому следует обращаться к техническому описанию нужного продукта.

Выходы дифференциального драйвера линии

Хотя двухтактные энкодеры предлагают повышение производительности по сравнению с их предшественниками с открытым коллектором, они не обязательно подходят для каждого проекта из-за их несимметричных выходов. Если приложение требует большой длины кабеля или если используемые кабели будут подвергаться сильному электрическому шуму и помехам, кодировщик с выходом дифференциального драйвера линии будет лучшим выбором.Дифференциальные выходы генерируются с той же конфигурацией транзисторов, что и двухтактные выходы, но вместо одного сигнала генерируются два сигнала. Эти сигналы называются дифференциальной парой; один из сигналов соответствует исходному сигналу, а другой является полной противоположностью исходному сигналу, поэтому его иногда называют дополнительным сигналом .

При несимметричном выходе приемник всегда связывает передаваемый сигнал с общей землей.Однако на больших расстояниях между кабелями, когда напряжение имеет тенденцию к падению и скорость нарастания напряжения уменьшается, часто возникают ошибки сигнала. В дифференциальном приложении хост генерирует исходный несимметричный сигнал, который затем поступает на дифференциальный передатчик. Этот передатчик создает дифференциальную пару, передаваемую по кабелю. Когда генерируются два сигнала, приемник больше не связывает уровень напряжения с землей, а вместо этого связывает сигналы друг с другом. Это означает, что вместо того, чтобы искать конкретные уровни напряжения, приемник всегда смотрит на разницу между двумя сигналами.Затем дифференциальный приемник преобразует пару сигналов обратно в один несимметричный сигнал, который может интерпретироваться ведущим устройством с использованием надлежащих логических уровней, требуемых ведущим устройством. Этот тип интерфейса также позволяет устройствам с разными уровнями напряжения работать вместе посредством связи между дифференциальными приемопередатчиками. Все это работает вместе, чтобы преодолеть деградацию сигнала, которая могла бы возникнуть в несимметричном приложении при больших расстояниях прокладки кабелей.

Выходной сигнал энкодера управляется дифференциальным драйвером и восстанавливается приемником

. Однако ухудшение сигнала - не единственная проблема, которая возникает при больших расстояниях между кабелями.Чем длиннее кабель внутри системы, тем выше вероятность того, что электрические помехи и помехи попадут на кабели и, в конечном итоге, в электрическую систему. Когда шум попадает на кабели, он проявляется в виде напряжения различной величины. В системах с несимметричными выходными энкодерами это может привести к тому, что принимающая сторона системы будет считывать ложные высокие и низкие логические значения, что приведет к ошибочным данным о местоположении. Это серьезная проблема! К счастью, дифференциальные интерфейсы линейных драйверов хорошо справляются с этим шумом.Устройства CUI обычно рекомендуют использовать драйвер дифференциальной линии для кабелей, длина которых превышает 1 метр.

При использовании драйверов дифференциальной линии необходима витая пара. Кабельная разводка витой пары состоит из сигналов A и A-, переплетенных вместе с определенным числом витков на заданном расстоянии. С этим типом кабеля шум, который генерируется на одном сигнальном проводе, применяется в равной степени к парному проводу. Если пик напряжения возникает на сигнале A, он также применяется к сигналу A-.Поскольку дифференциальный приемник вычитает сигналы друг из друга, чтобы получить восстановленный сигнал, он будет игнорировать шум, одинаково показанный на обоих проводах. Способность дифференциального приемника игнорировать напряжения, одинаковые на обеих сигнальных линиях, называется подавлением синфазного сигнала . Из-за их способности подавлять шум, интерфейсы дифференциальных драйверов линии широко используются в промышленных и автомобильных приложениях.

Дифференциальный приемник игнорирует все, что является общим для обоих сигналов.

Понимая различные типы выходных сигналов кодировщика, их преимущества и недостатки, инженер может лучше выбрать оптимальный тип выходного сигнала для своего приложения.Все кодеры AMT CUI Devices предлагаются с двухтактными выходами для низкого энергопотребления и простоты установки. Варианты драйверов дифференциальной линии также доступны во многих моделях для более требовательных приложений.

Дополнительные ресурсы


У вас есть комментарии к этому сообщению или темам, которые вы хотели бы, чтобы мы освещали в будущем?
Отправьте нам письмо по адресу cuiinsights @ cuidevices.ком

.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *