嵌入式系統/高壓電路
我們經常使用嵌入式系統來控制高功率裝置。例如，我們可能想要編寫一個微控制器來開啟和關閉標準燈泡。
正如我們之前討論的那樣，典型的微控制器輸出引腳在 0 V 和 5 V 之間切換，並且可以驅動最大 0.025 A 的電流。但是，典型的燈泡需要 120 VAC 和 0.5 A 的電流才能開啟。我們不能將微控制器直接連線到 120 VAC。 [1] 我們該怎麼辦呢？
一些電晶體，被稱為“功率電晶體”，可以使用低電壓控制訊號來控制高電壓源。還有一種稱為繼電器的機電裝置，也可以用來用相對較小的控制電流來控制高電壓源。這兩種工具都可以用來用嵌入式計算機控制高功率電流的流動。
為了與繼電器連線，埠引腳必須能夠驅動電晶體達到飽和狀態，以避免由於電壓變化導致繼電器“抖動”。電阻 R1 和 R2 應該這樣計算，以確保電晶體的 Ib 和 Ic 值不超過額定值，並且繼電器線圈獲得額定電流以開啟。應該新增一個二極體，如所示，這樣當繼電器關閉時，可以將其透過二極體放電，並減輕由於電感器中儲存的能量而引起的任何潛在電弧。這種二極體也稱為續流二極體或反向二極體，這是必需的，因為對於電感器來說，v=L di/dt，其中 v 是電壓，L 是電感，i 是電流，t 是時間。電流透過電感器的突然變化會導致電感器兩端出現非常大的電壓，並可能導致電弧，續流二極體將允許電流流動，並由於二極管壓降和其他損耗而逐漸消散。
有時我們需要使用多級放大。要開啟大型電機，我們需要一個大型繼電器——但要開啟大型繼電器，我們需要一個功率電晶體——但要開啟大型電晶體，我們需要至少一個小型電晶體——最後，我們用微控制器輸出引腳開啟小型電晶體。
在驅動大型電機時，功率電晶體通常需要一個 散熱器。
在使用嵌入式系統或任何昂貴的裝置時，我們經常發現將昂貴的元件與高功率元件隔離是一個好主意。我們透過一種稱為隔離的技術來實現這一點。隔離本質上是我們將高電流和/或高電壓隔離開低電流、低電壓裝置的方式。隔離器有幾種型別。
“隔離屏障”是高電流或高電壓裝置一側與低電流、低電壓裝置另一側之間的假想線。
- 變壓器用於將功率從隔離屏障的一側傳輸到另一側
- 光耦合器用於將訊號從隔離屏障的一側的低功率裝置傳輸到另一側的低功率裝置
- 繼電器允許隔離屏障一側的微控制器開啟和關閉另一側的高功率裝置。
變壓器使用磁場將電壓從一個線圈移動到另一個線圈（過度簡化）。輸入和輸出端子之間沒有直接的線連線，因此變壓器可以幫助防止一側的尖峰損壞另一側的昂貴裝置。變壓器用於電壓升壓或降壓，這是變壓器的基本原理。
光耦合器對於將訊號從一個電路傳送到另一個電路很有用。光耦合器 (OI) 的一半是一個 LED。連線到該側的電路開啟和關閉燈光。光耦合器的另一半是一個光敏電晶體。當燈光開啟時，光敏電晶體吸收光線，並像閉合開關一樣工作。當燈光關閉時，光敏電晶體像開啟開關一樣工作。由於使用光而不是電，並且由於光只能沿一個方向（從 LED 到光敏電晶體）傳播，因此它們提供了非常高的可靠隔離水平。
繼電器也可以用來隔離，因為它們的工作原理與變壓器非常相似。一根電線中的電流流動由另一根電線產生的磁場控制。
繼電器透過允許少量電流流入輸入線圈來控制電子是否流動，從而產生磁場，該磁場操作開關。
- ↑ (1) 有時有人不小心將積體電路連線到 120 V。積體電路會立即自毀。如果你幸運，它會裂成兩半並冒出一小股煙。如果你不幸，它看起來仍然像一個好的晶片，這會導致你花費數小時來弄清楚為什麼系統無法工作。