嵌入式系统/高压电路
我们经常使用嵌入式系统来控制高功率设备。例如，我们可能想要编写一个微控制器来打开和关闭标准灯泡。
正如我们之前讨论的那样，典型的微控制器输出引脚在 0 V 和 5 V 之间切换，并且可以驱动最大 0.025 A 的电流。但是，典型的灯泡需要 120 VAC 和 0.5 A 的电流才能打开。我们不能将微控制器直接连接到 120 VAC。 [1] 我们该怎么办呢？
一些晶体管，被称为“功率晶体管”，可以使用低电压控制信号来控制高电压源。还有一种称为继电器的机电设备，也可以用来用相对较小的控制电流来控制高电压源。这两种工具都可以用来用嵌入式计算机控制高功率电流的流动。
为了与继电器连接，端口引脚必须能够驱动晶体管达到饱和状态，以避免由于电压变化导致继电器“抖动”。电阻 R1 和 R2 应该这样计算，以确保晶体管的 Ib 和 Ic 值不超过额定值，并且继电器线圈获得额定电流以打开。应该添加一个二极管，如所示，这样当继电器关闭时，可以将其通过二极管放电，并减轻由于电感器中存储的能量而引起的任何潜在电弧。这种二极管也称为续流二极管或反向二极管，这是必需的，因为对于电感器来说，v=L di/dt，其中 v 是电压，L 是电感，i 是电流，t 是时间。电流通过电感器的突然变化会导致电感器两端出现非常大的电压，并可能导致电弧，续流二极管将允许电流流动，并由于二极管压降和其他损耗而逐渐消散。
有时我们需要使用多级放大。要打开大型电机，我们需要一个大型继电器——但要打开大型继电器，我们需要一个功率晶体管——但要打开大型晶体管，我们需要至少一个小型晶体管——最后，我们用微控制器输出引脚打开小型晶体管。
在驱动大型电机时，功率晶体管通常需要一个 散热器。
在使用嵌入式系统或任何昂贵的设备时，我们经常发现将昂贵的组件与高功率组件隔离是一个好主意。我们通过一种称为隔离的技术来实现这一点。隔离本质上是我们将高电流和/或高电压隔离开低电流、低电压设备的方式。隔离器有几种类型。
“隔离屏障”是高电流或高电压设备一侧与低电流、低电压设备另一侧之间的假想线。
- 变压器用于将功率从隔离屏障的一侧传输到另一侧
- 光耦合器用于将信号从隔离屏障的一侧的低功率设备传输到另一侧的低功率设备
- 继电器允许隔离屏障一侧的微控制器打开和关闭另一侧的高功率设备。
变压器使用磁场将电压从一个线圈移动到另一个线圈（过度简化）。输入和输出端子之间没有直接的线连接，因此变压器可以帮助防止一侧的尖峰损坏另一侧的昂贵设备。变压器用于电压升压或降压，这是变压器的基本原理。
光耦合器对于将信号从一个电路发送到另一个电路很有用。光耦合器 (OI) 的一半是一个 LED。连接到该侧的电路打开和关闭灯光。光耦合器的另一半是一个光敏晶体管。当灯光打开时，光敏晶体管吸收光线，并像闭合开关一样工作。当灯光关闭时，光敏晶体管像打开开关一样工作。由于使用光而不是电，并且由于光只能沿一个方向（从 LED 到光敏晶体管）传播，因此它们提供了非常高的可靠隔离水平。
继电器也可以用来隔离，因为它们的工作原理与变压器非常相似。一根电线中的电流流动由另一根电线产生的磁场控制。
继电器通过允许少量电流流入输入线圈来控制电子是否流动，从而产生磁场，该磁场操作开关。
- ↑ (1) 有时有人不小心将集成电路连接到 120 V。集成电路会立即自毁。如果你幸运，它会裂成两半并冒出一小股烟。如果你不幸，它看起来仍然像一个好的芯片，这会导致你花费数小时来弄清楚为什么系统无法工作。