正如我们在之前的输入接口教程中看到的，接口电路允许一种类型的电路连接到另一种可能具有不同电压或电流额定值的电路。

但是，除了连接开关和传感器等输入设备外，我们还可以连接继电器、电磁阀和灯等输出设备。然后将输出设备连接到电子电路通常称为：输出接口。

电子电路和微控制器的输出接口允许它们通过移动物体来控制现实世界，例如机器人的电机或手臂等。但输出接口电路也可用于打开或关闭物体，例如指示灯或灯。然后输出接口电路可以有数字输出或模拟输出信号。

直流电机是一种
输出设备

数字逻辑输出是最常见的输出接口信号类型，也是最容易控制的。数字输出接口使用控制器软件将来自微控制器输出端口或数字电路的信号转换为使用继电器的开/关触点输出。

模拟输出接口电路使用放大器为速度或位置控制类型输出产生变化的电压或电流信号。脉冲输出开关是另一种类型的输出控制，它改变输出信号的占空比，用于灯调光或直流电机的速度控制。

虽然输入接口电路设计用于接受来自不同类型传感器的不同电压电平，但输出接口电路需要产生更大的电流驱动能力和/或电压电平。可以通过提供集电极开路（或漏极开路）输出配置来提高输出信号的电压电平。即晶体管的集电极端子（或 MOSFET 的漏极端子）通常连接到负载。

几乎所有微控制器、PIC 或数字逻辑电路的输出级都可以吸收或提供有用的输出电流量，用于切换和控制大范围的输出接口设备以控制现实世界。当我们谈论灌电流和拉电流时，输出接口既可以“发出”（源）开关电流，也可以“吸收”（灌）开关电流。这意味着根据负载与输出接口的连接方式，高电平或低电平输出将激活它。

也许所有输出接口设备中最简单的是那些用于产生光的设备，既可以作为单个开/关指示器，也可以作为多段或条形图显示的一部分。但与可以直接连接到电路输出的普通灯泡不同，作为二极管的 LED 需要一个串联电阻来限制其正向电流。

输出接口电路

发光二极管，简称 LED，是许多电子电路输出设备的极佳低功率选择，因为它们可用于替代高瓦数、高温灯丝灯泡作为状态指示器。LED 通常由低电压、低电流电源驱动，这使其成为用于数字电路的非常有吸引力的组件。此外，作为一种固态设备，它们的预期运行寿命可以超过 100,000 小时，这使它们成为非常适合和忘记的组件。

单LED接口电路

我们在发光二极管教程中看到，LED 是一种单向半导体器件，当正向偏置时，即当其阴极 (K) 相对于其阳极 (A) 足够负时，可以产生整个范围的彩色输出光和亮度。

根据用于构建 LED 的 pn 结的半导体材料，将决定发出的光的颜色及其导通正向电压。最常见的 LED 颜色是红色、绿色、琥珀色或黄色。

与硅的正向压降约为 0.7 伏或锗的正向压降约为 0.3 伏的传统信号二极管不同，发光二极管具有比普通信号二极管更大的正向压降。但是当正向偏置时会产生可见光。

典型的 LED 在点亮时可以具有恒定的正向压降，V LED约为 1.2 至 1.6 伏，其发光强度直接随正向 LED 电流变化。但由于 LED 实际上是一个“二极管”（它的箭头状符号类似于二极管，但 LED 符号旁边有小箭头表示它发光），它需要一个限流电阻来防止它在供电时短路前向偏向。

LED 可以直接从大多数输出接口端口驱动，因为标准 LED 可以在 5mA 到 25mA 之间的正向电流下工作。典型的彩色 LED 需要大约 10 mA 的正向电流才能提供相当明亮的显示。因此，如果我们假设单个红色 LED 在点亮时具有 1.6 伏的正向压降，并且将由提供 10mA 电流的 5 伏微控制器的输出端口操作。那么所需的限流串联电阻R S的值计算如下：

然而，在 E24 (5%) 系列的首选电阻值中，没有 340Ω 电阻器，因此选择的最接近的首选值将是 330Ω 或 360Ω。实际上，根据电源电压 (  V S  ) 和所需的正向电流 (  I F  )，任何介于 150Ω 和 750Ω 之间的串联电阻值都可以很好地工作。

另请注意，作为串联电路，电阻和 LED 的连接方式无关紧要。然而，LED 是单向的，必须以正确的方式连接。如果您以错误的方式连接 LED，它不会损坏，只是不会点亮。

多LED接口电路

除了将单个 LED（或灯）用于输出接口电路外，我们还可以将两个或多个 LED 连接在一起，并使用相同的输出电压为它们供电，以用于光电电路和显示器。

将两个或多个 LED 串联在一起与使用单个 LED 没有什么不同，就像我们在上面看到的那样，但是这次我们需要考虑额外的正向压降，即串联组合中额外 LED 的V LED 。

例如，在我们上面简单的 LED 输出接口示例中，我们说 LED 的正向压降为 1.6 伏。如果我们串联使用三个 LED，则所有三个 LED 的总压降将为 4.8 (3 x 1.6) 伏。然后我们的 5 伏电源几乎可以使用，但最好使用更高的 6 伏或 9 伏电源来为三个 LED 供电。

假设电源电压为 9.0 伏，电流为 10mA（如前所述），所需的串联限流电阻R S的值计算如下：R S  = (9 – 4.8)/10mA = 420Ω。同样在 E24 (5%) 系列的首选电阻值中，没有 420Ω 电阻器，因此选择的最接近的首选值将是 430Ω。

作为低电压、低电流设备，LED 是理想的状态指示器，可以直接从微控制器和数字逻辑门或系统的输出端口驱动。微控制器端口和 TTL 逻辑门具有灌电流或拉电流的能力，因此可以通过将阴极接地（如果阳极连接到 +5v）或将 +5v 施加到阳极（如果阴极接地）通过一个适当的串联电阻如图所示。

连接 LED 的数字输出

上述输出接口电路适用于一个或多个串联 LED，或适用于电流要求小于 25 mA（最大 LED 正向电流）的任何其他设备。但是，如果输出驱动电流不足以操作 LED，或者我们希望操作或切换额定电压或电流更高的负载（例如 12v 白炽灯），会发生什么情况。答案是使用额外的开关设备，例如如图所示的晶体管、mosfet 或继电器。

输出接口连接高电流负载

常见的输出接口设备，如电机、螺线管和灯需要大电流，因此它们最好由晶体管开关装置控制或驱动，如图所示。这样负载（灯或电机）就不会使开关接口或控制器的输出电路过载。

晶体管开关非常常见，对于切换高功率负载或不同电源的输出接口非常有用。如果需要，它们也可以每秒多次“打开”和“关闭”，就像在脉冲宽度调制、PWM 电路中一样。但是关于使用晶体管作为开关，我们首先需要考虑一些事情。

流入基极-发射极结的电流用于控制从集电极流向发射极的较大电流。因此，如果没有电流流入基极端子，则没有电流从集电极流向发射极（或通过连接到集电极的负载），则称晶体管完全截止（截止）。

将晶体管完全导通（饱和），晶体管开关有效地充当闭合开关，即其集电极电压与其发射极电压处于相同电压。但作为固态设备，即使在饱和状态下，晶体管端子上总会有一个小压降，称为V CE(SAT)。该电压范围从大约 0.1 到 0.5 伏，具体取决于晶体管。

此外，由于晶体管将完全导通，负载电阻会将晶体管集电极电流I C限制为负载所需的实际电流（在我们的例子中，是通过灯的电流）。然后过多的基极电流会过热并损坏开关晶体管，这在某种程度上违背了使用晶体管的目的，即用较小的晶体管控制较大的负载电流。因此，需要一个电阻来限制基极电流I B。

使用单个开关晶体管控制负载的基本输出接口电路如下所示。请注意，通常连接一个续流二极管，也称为续流二极管或反电动势抑制二极管，例如 1N4001 或 1N4148，以保护晶体管免受电感负载（例如继电器、电机和螺线管等，当它们的电流被晶体管切断时。

基本晶体管开关电路

假设我们希望通过合适的输出接口晶体管开关电路使用 TTL 5.0v 数字逻辑门的输出来控制连接到 12 伏电源的 5 瓦白炽灯的运行。如果直流电流增益（集电极（输出）和基极（输入）电流之间的比率），晶体管的 beta (β) 为 100（您可以从您使用的晶体管的数据表中找到此 Beta 或 h FE 值）和其完全导通时的 V CE饱和电压为 0.3 伏，限制集电极电流所需的基极电阻R B的值是多少。

晶体管集电极电流I C与通过白炽灯的电流值相同。如果灯的额定功率为 5 瓦，则完全打开时的电流为：

由于I C等于灯（负载）电流，晶体管基极电流将与晶体管的电流增益相关，即I B  = I C /β。之前给出的电流增益为：β = 100，因此最小基极电流I B(MIN)计算如下：

找到所需的基极电流值后，我们现在需要计算基极电阻的最大值R B(MAX)。给出的信息表明晶体管的基极将由数字逻辑门的5.0v 输出电压 ( Vo )控制。如果基极-发射极正向偏置电压为 0.7 伏，则R B的值计算如下：

然后，当逻辑门的输出信号为低电平（0v）时，没有基极电流流过，晶体管完全截止，即没有电流流过 1kΩ 电阻。当逻辑门的输出信号为高电平 (+5v) 时，基极电流为 4.27mA 并打开晶体管，将 11.7V 电压施加到灯丝灯上。当传导 4.27mA 电流时，基极电阻RB的功耗将小于 18mW，因此 1/4W 电阻即可工作。

请注意，在输出接口电路中使用晶体管作为开关时，一个好的经验法则是选择基极电阻R B值，以便基极驱动电流I B约为所需负载的 5% 甚至 10%当前，I C有助于将晶体管很好地驱动到其饱和区，从而最大限度地减少V CE和功率损耗。

此外，为了更快地计算电阻值并稍微减少数学运算，如果您希望在计算中忽略集电极发射极结上 0.1 至 0.5 的压降和基极发射极结上的 0.7 伏压降。无论如何，所得的近似值将足够接近实际计算值。

单功率晶体管开关电路对于控制低功率设备（例如白炽灯）或用于开关继电器非常有用，后者可用于切换更高功率的设备，例如电机和螺线管。

但是继电器是大而笨重的机电设备，例如，当用于输出接口 8 端口微控制器时，它们可能很昂贵或占用电路板上的大量空间。

克服这一问题并直接从微控制器、PIC 或数字电路的输出引脚切换大电流设备的一种方法是使用由两个晶体管形成的达林顿对配置。

功率晶体管用作输出接口设备时的主要缺点之一是它们的电流增益 ( β ) 可能太低，尤其是在切换高电流时。低至 10。要克服这个问题并降低所需的基极电流值，可以在达林顿配置中使用两个晶体管。

达林顿晶体管配置

达林顿晶体管配置可以由连接在一起的两个 NPN 或两个 PNP 晶体管组成，或者作为现成的达林顿器件（例如 2N6045 或 TIP100，它集成了晶体管和一些电阻器，以协助在单个 TO- 内快速关断） 220 封装用于开关应用。

在这种达林顿配置中，晶体管TR 1是控制晶体管，用于控制功率开关晶体管TR 2的导通。施加到晶体管TR 1基极的输入信号控制晶体管TR 2的基极电流。达林顿排列，无论是单个晶体管还是作为单个封装，都具有相同的三个引线：发射极 ( E )、基极 ( B ) 和集电极 ( C )。

达林顿晶体管配置的直流电流增益（即集电极（输出）和基极（输入）电流之间的比率）可以达到几百到几千，具体取决于所使用的晶体管。这样就可以用只有几微安 (uA) 的基极电流来控制我们上面的白炽灯示例，作为集电极电流，第一个晶体管的β 1 I B1成为第二个晶体管的基极电流。

然后TR 2的当前增益将为β 1 β 2 I B1，因为两个增益相乘为β T  = β 1 ×β 2。换句话说，将一对双极晶体管组合在一起形成单个达林顿晶体管对，它们的电流增益将一起倍增。

因此，通过选择合适的双极晶体管和正确的偏置，双发射极跟随器达林顿配置可以被视为具有非常高 β 值的单个晶体管，因此具有高达数千欧姆的高输入阻抗。

对我们来说幸运的是，有人已经将多个达林顿晶体管配置放入单个 16 引脚 IC 封装中，使我们可以轻松地输出接口各种设备。

ULN2003A 达林顿晶体管阵列

ULN2003A 是一种廉价的单极达林顿晶体管阵列，具有高效率和低功耗，使其成为非常有用的输出接口电路，可直接从微控制器的端口驱动各种负载，包括螺线管、继电器直流电机和 LED 显示器或白炽灯、 PIC 或数字电路。

达林顿阵列系列包括 ULN2002A、ULN2003A 和 ULN2004A，它们都是高电压、高电流达林顿阵列，每个阵列在单个 IC 封装内包含七个集电极开路达林顿对。还提供 ULN2803 达林顿驱动器，它包含八个达林顿对而不是七个。

该阵列的每个隔离通道的额定电流为 500mA，可承受高达 600mA 的峰值电流，使其成为控制小型电机或灯或大功率晶体管的栅极和基极的理想选择。额外的抑制二极管用于感性负载驱动，输入固定在输出的对面，以简化连接和电路板布局。

ULN2003 达林顿晶体管阵列

ULN2003A 达林顿驱动器具有极高的输入阻抗和电流增益，可直接从 TTL 或 +5V CMOS 逻辑门驱动。对于 +15V CMOS 逻辑，使用 ULN2004A，对于高达 100V 的更高开关电压，最好使用 SN75468 达林顿阵列。

如果需要更大的开关电流能力，则可以将达林顿对输入和输出并联在一起以获得更高的电流能力。例如，输入引脚 1 和 2 连接在一起，输出引脚 16 和 15 连接在一起以切换负载。

功率 MOSFET 接口电路

除了使用单个晶体管或达林顿对，功率 MOSFET 也可用于切换中等功率设备。与需要基极电流来驱动晶体管进入饱和状态的双极结型晶体管 BJT 不同，MOSFET 开关几乎不需要电流，因为栅极端子与主要载流通道隔离。

基本 MOSFET 开关电路

N 沟道增强型（常关）功率 MOSFET (eMOSFET) 具有正阈值电压和极高的输入阻抗，使其成为直接连接到微控制器、PIC 和数字逻辑电路的理想器件产生如图所示的正输出。

MOSFET 开关由栅极输入信号控制，并且由于 MOSFET 的输入（栅极）电阻极高，我们可以几乎没有限制地将许多功率 MOSFET 并联在一起，直到我们实现所连接负载的功率处理能力。

在 N 沟道增强型 MOSFET 中，器件处于截止状态 (Vgs = 0)，通道处于关闭状态，就像一个常开开关。当向栅极施加正偏置电压时，电流流过沟道。电流量取决于栅极偏置电压Vgs。换句话说，要在饱和区运行 MOSFET，栅源电压必须足以维持所需的漏极，从而维持负载电流。

如前所述，n 沟道 eMOSFETS 由施加在栅极和源极之间的电压驱动，因此如图所示在 MOSFET 栅极 - 源极结上添加一个齐纳二极管，用于保护晶体管免受过大的正或负输入电压影响，例如例如，由饱和运算放大器比较器输出产生的那些。齐纳二极管钳位正栅极电压并充当传统二极管，在栅极电压达到 –0.7V 时开始导通，使栅极端子远离其反向击穿电压限制。

MOSFET 和集电极开路门

当我们使用具有集电极开路输出的门和驱动器时，来自 TTL 的功率 MOSFET 的输出接口会带来问题，因为逻辑门可能并不总是为我们提供所需的 V GS输出。克服这个问题的一种方法是使用如图所示的上拉电阻。

上拉电阻连接在 TTL 电源轨和连接到 MOSFET 栅极端子的逻辑门输出之间。当 TTL 逻辑门输出处于逻辑电平“0”（低电平）时，MOSFET 处于“关断”状态，当逻辑门输出处于逻辑电平“1”（高电平）时，电阻将栅极电压上拉至 + 5v 轨。

通过这种上拉电阻布置，我们可以通过将 MOSFET 的栅极电压连接到上电源轨来将 MOSFET 完全“导通”，如图所示。

输出接口电机

我们已经看到，我们可以使用双极结型晶体管或 MOSFET 作为输出接口电路的一部分来控制整个范围的设备。一种常见的输出设备是产生旋转运动的直流电机。有数百种方法可以使用单个晶体管、达林顿晶体管或 MOSFET 将电机和步进电机连接到微控制器、PIC 和数字电路。

问题在于，电机是使用磁场、电刷和线圈来产生旋转运动的机电设备，因此，电机，尤其是便宜的玩具或电脑风扇电机会产生大量“电噪声”和“电压尖峰”，这会损坏开关晶体管。

通过在电机端子间连接一个续流二极管或非极化抑制电容器，可以降低该电机产生的电气噪声和过电压。但防止电噪声和反向电压影响半导体晶体管开关或微控制器输出端口的一种简单方法是通过合适的继电器为控制和电机使用单独的电源。

机电继电器与直流电机输出接口的典型连接图如下所示。

开/关直流电机控制

NPN 晶体管用作 tn ON-OFF 开关，为继电器线圈提供所需的电流。同上需要续流二极管，因为断电时流过电感线圈的电流不能瞬间降为零。当基极输入设置为高电平时，晶体管“导通”。电流流过继电器线圈，其触点闭合驱动电机。

当晶体管基极的输入为低电平时，晶体管切换为“OFF”，电机停止，因为继电器触点现在打开。停用线圈产生的任何反电动势都会流过续流二极管并缓慢衰减至零，从而防止损坏晶体管。此外，晶体管（或 MOSFET）是隔离的，不受电机运行产生的任何噪声或电压尖峰的影响。

我们已经看到，可以使用电机与其电源之间的一对继电器触点来打开和关闭直流电机。但是，如果我们希望电机在两个方向上旋转以用于机器人或其他形式的机动项目怎么办？然后可以使用两个继电器控制电机，如图所示。

可逆直流电机控制

直流电机的旋转方向可以通过简单地改变其电源连接的极性来反转。通过使用两个晶体管开关，可以通过两个继电器控制电机的旋转方向，每个继电器都有一个由单电压电源连接的单刀双掷 (SPDT) 触点。通过一次操作其中一个晶体管开关，可以使电机沿任一方向（正向或反向）旋转。

而通过继电器输出的电机接口允许我们启动和停止它们，或控制旋转方向。继电器的使用使我们无法控制旋转速度，因为继电器触点会不断打开和关闭。

然而，直流电机的转速与其电源电压值成正比。可以通过调整直流电源电压的平均值或使用脉宽调制来控制直流电机的速度。这是通过将其电源电压的占空比从低至 5% 改变到超过 95%，许多电机 H 桥控制器就是这样做的。

输出接口电源连接负载

我们之前已经看到，继电器可以将一个电路与另一个电路进行电气隔离，也就是说，它们允许一个较小的供电电路控制另一个可能较大的供电电路。同时，继电器还为较小的电路提供保护，使其免受电气噪声、过电压尖峰和瞬变的影响，这些可能会损坏精密的半导体开关设备。

但继电器还允许输出连接具有不同电压和接地的电路，例如 5 伏微控制器或 PIC 与电源电压电源之间的电路。但是，除了使用晶体管（或 MOSFET）开关和继电器来控制交流电机、100W 灯或加热器等电源供电设备外，我们还可以使用光隔离器和电力电子设备来控制它们。

光隔离器的主要优点是它在其输入和输出端子之间提供高度的电气隔离，因为它是光耦合的，因此需要最小的输入电流（通常仅为 5mA）和电压。这意味着光隔离器可以很容易地与微控制器端口或数字电路连接，从而在其输出上提供足够的 LED 驱动能力。

光隔离器的基本设计由产生红外光的 LED 和用于检测发射的红外光束的半导体光敏器件组成。如图所示，LED 和光敏器件（可以是单个光电晶体管、光电达林顿管或光电三端双向可控硅开关）都封装在不透光的主体或带有用于电气连接的金属支脚的封装中。

不同类型的光隔离器

由于输入为LED，限制LED电流所需的串联电阻R S的值可按上述相同方式计算。两个或多个光隔离器的LED也可以串联在一起，以同时控制多个输出设备。

光电双向可控硅隔离器允许控制交流供电设备和电源灯。MOC 3020 等光耦合双向晶闸管的额定电压约为 400 伏，非常适合直接连接电源，最大电流约为 100mA。对于更高功率的负载，可以使用光电三端双向可控硅开关元件通过限流电阻向另一个更大的三端双向可控硅开关元件提供栅极脉冲，如图所示。

固态继电器

这种类型的光耦合器配置构成了非常简单的固态继电器应用的基础，可用于直接从微控制器、PIC 或数字电路的输出接口控制任何交流电源供电的负载，例如灯和电机。

输出接口总结

使用微控制器、PIC、数字电路和其他此类基于微处理器的系统的固态软件控制系统需要能够连接到现实世界以控制电机或打开或关闭 LED 指示灯和灯，并且在这个在电子教程中，我们已经看到不同类型的输出接口电路可用于此目的。

到目前为止，最简单的接口电路是用作简单开/关指示器的发光二极管或 LED。但是通过使用标准晶体管或 MOSFET 接口电路作为固态开关，即使控制器的输出引脚只能提供（或吸收）非常少量的电流，我们也可以控制更大的电流。通常，对于许多控制器，它们的输出接口电路可以是电流吸收输出，其中负载通常连接在电源电压和开关设备的输出端子之间。

例如，如果我们希望在一个项目或机器人应用中控制多个不同的输出设备，那么使用 ULN2003 达林顿驱动器 IC 会更方便，该驱动器 IC 在一个封装内包含多个晶体管开关。或者我们希望控制交流执行器，我们可以输出接口继电器或光隔离器（光耦合器）。

然后我们可以看到，输入和输出接口电路使电子设计师或学生能够灵活地使用基于小信号或微处理器的软件系统，无论是小型学校项目，都可以通过其输入/输出端口控制现实世界并与之通信或大型工业应用。