低功率自限輸入電路的制作方法
【專利摘要】公開了一種輸入模塊（30）的具有多個輸入端（40）的輸入電路（60）。每個輸入電路（60）具有數量減少的部件，在與現有技術輸入模塊（30）尺寸相當的輸入模塊（30）內提供了數量增加的輸入端（40）。可選地，輸入模塊（30）與現有技術輸入模塊（30）相比尺寸減小但卻可具有相同數量的輸入端（40）。部件數量的減少同樣降低了由每個輸入電路（60）消耗的功率。
【專利說明】低功率自限輸入電路
【技術領域】
[0001]本文所公開的主題總體上涉及用于控制工業機器和過程的工業控制器，更具體地涉及配置成接收來自受控的機器或過程的信號的輸入電路。
【背景技術】
[0002]在工業和商業應用中采用工業控制器來控制機器和過程的操作。通常，工業控制器執行所存儲的控制程序，以根據從機器或過程中的傳感器所接收的輸入信號來生成控制機器或過程中的致動器的輸出信號。
[0003]工業控制器不同于傳統計算機之處在于，提供經歷了預定最大延遲的實時控制。另外，工業控制器一般以高度模塊化方式來構建，以允許這些工業控制器的硬件根據不同的控制應用來定制。在后一方面中，至工業控制器的輸入和自工業控制器的輸出一般由輸入/輸出(I/o，input/output)模塊來處理，輸入/輸出(I/O)模塊可以以不同的組合附接至工業控制器，從而為受控的機器提供必要的電氣接口。每個輸入模塊通常包括提供多個傳感器中的一個傳感器與工業控制器之間的物理連接和電氣連接的獨立輸入電路。通常，輸入模塊的輸入電路在插入到輸入模塊中的電路板上組合在一起。
[0004]對本【技術領域】中的普通技術人員來說已知的是，輸入電路通常在受控的過程或機器與工業控制器之間提供光學隔離。光學隔離防止機器側上的雜散電流或過電流損害工業控制器。輸入電路還必須滿足某些操作標準，例如接受一定范圍的輸入電壓和/或輸入電流，并且保證邏輯真或接通，即，高于某個電壓和/或電流的狀態，以及邏輯假或斷開，即，低于某個電壓和/或電流的狀態。因此，開發了輸入電路以滿足這些操作標準。
[0005]參考圖3，例示了個別現有技術輸入電路2。現有技術輸入電路2包括齊納二極管4，齊納二極管4作為浪涌抑制器來操作，以限制通過輸入電路2的其余部分看到的電壓幅度。電流源6包括兩個晶體管Ql、Q2和兩個電阻器R3、R4，并且配置成對提供至輸入電路2的其余部分的電流進行控制。輸入電路2還包括兩個限流電阻器R1、R2以及包括電容器Cl和電阻器R5的濾波器電路，該濾波器電路向光耦合器8提供輸入電壓。如所例示的，該電路包括總共十二個部件，每個部件消耗一定量的功率。另外，其上面將安裝輸入電路2的電路板需要十二個部件中的每個部件的放置空間以及部件之間的互連空間。
[0006]隨著受控的機器或過程的復雜度增加，設置越來越多的傳感器以對操作進行監視。因此，工業控制器需要數量相應增加的配置成接收每個傳感器的輸入信號的輸入電路。輸入模塊的數量和/或每個輸入模塊的輸入電路的數量也必須增加。增加輸入模塊的數量增加了控制盒中需要的空間，而在輸入模塊中增加輸入電路的數量增加了模塊中消耗的功率。每個模塊中消耗的功率的至少一部分作為熱量消耗，這就需要另外的散熱片、風扇或其它冷卻方法以從輸入模塊傳遞額外的熱量。從而，將期望提供一種具有更低功耗并且在電路板上需要更小空間的輸入電路。
【發明內容】
[0007]本文所公開的主題描述了輸入模塊的具有多個輸入端的輸入電路。每個輸入電路具有數量減少的部件，在與現有技術輸入模塊尺寸相當的輸入模塊內提供了數量增加的輸入端或者提供了與現有技術輸入模塊相比尺寸減小但卻具有相同數量輸入端的輸入模塊。部件數量的減小同樣降低了由每個輸入電路消耗的功率。
[0008]根據本發明的一個實施例，工業控制器的輸入電路包括配置成接收電壓的第一端子和第二端子，并且第一端子相對于第二端子配置成電壓的正端子。具有陰極和陽極的齊納二極管經由陰極電連接至第一端子。輸入電路還包括具有陰極和陽極的限流二極管以及具有光發射器和光傳感器的光耦合器。限流二極管的陽極電連接至齊納二極管的陽極，并且光發射器串聯地電連接在限流二極管的陰極與第二端子之間。
[0009]根據本發明的另一實施例，工業控制器中的輸入模塊的輸入電路包括:配置成接收直流(DC)電壓范圍的輸入端、電連接至輸入端以在DC電壓施加于輸入端時操作在擊穿區的齊納二極管、與齊納二極管串聯地電連接以在DC電壓施加于輸入端時操作在限流模式下的限流二極管、以及具有輸入端和光隔離的輸出端的光耦合器。光耦合器的輸入端電連接至串聯連接的齊納二極管和限流二極管，并且當DC電壓施加于輸入端時，光耦合器的光隔離的輸出端生成與邏輯真相對應的信號，以及當從輸入端去除DC電壓時，光耦合器的光隔離的輸出端生成與邏輯假相對應的信號。
[0010]根據詳細的描述和附圖，本發明的這些優點和特征以及其它優點和特征對本領域中的普通技術人員將變得明顯。然而，應當理解的是，詳細的描述和附圖盡管表明了本發明的優選實施例，但這些優選實施例是通過例示的方式而不是限制的方式給出。在不偏離本發明的思想的情況下，可以在本發明的范圍內做出很多變化和修改，并且本發明包括所有這樣的修改。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0011]在附圖中例示了本文所公開的主題的各種示例性實施例，其中所有附圖中相同的附圖標記表示相同的部件，在附圖中:
[0012]圖1是例示結合了本發明的一個實施例的輸入模塊的示例性工業控制器的等軸分解視圖；
[0013]圖2是根據本發明的一個實施例的提供多個DC輸入電路的圖1的簡化輸入模塊的框圖；
[0014]圖3是現有技術輸入電路的示意性表示；
[0015]圖4是根據本發明的一個實施例的輸入電路的示意性表示；以及
[0016]圖5是圖3和圖4中的輸入電路中的每個電路在不同的電壓下所吸取的電流進行比較的圖示。
[0017]在描述附圖中所例示的本發明的各個實施例中，為了清楚起見，將采用特定術語。然而，不應將本發明限制于所選擇的特定術語，應當理解的是，每個特定術語包括以相似方式操作以完成相似目的的所有技術等同物。例如，經常使用詞語“連接”、“附接”或與此相似的術語。這些詞語不限于直接連接，而是包括通過其它元件的連接，在這種情況下，本領域的普通技術人員人員認為這樣的連接是等同的。【具體實施方式】
[0018]首先回到圖1，結合了本發明的一個實施例的示例性工業控制器10包括至少一個輸入模塊30。在實現“底架I/O”的第一實施例中描繪了輸入模塊30,其中,輸入模塊30具有殼體32,殼體32可以連同其它輸入模塊(未不出)、輸出模塊(未不出)和/或包括電源14和可編程邏輯控制器16的其它模塊一起可滑動地容納在底架12內。底架12可以具有背板18，背板18設置由沿著底架12的后壁延伸的背板總線22互連的一組可拆卸的電連接器
20。當輸入模塊30放置在底架12內時，輸入模塊30的殼體32的后部上的相應的連接器34與可拆卸的連接器20相匹配，可拆卸的連接器20提供例如可編程邏輯控制器16與輸入模塊30的電路之間的電連接。總線22通常是提供高效的多位通信的高速串行總線。為了這個目的，工業控制器10的其它模塊諸如電源14、可編程邏輯控制器16以及其它輸入和/或輸出模塊(未示出)可以具有類似的連接器，20和34。
[0019]輸入模塊30的前面板34可以借助于轉門36打開以顯露一組螺栓端子40，電線可以連接至螺栓端子40，以將輸入模塊30的內部輸入電路連接至各種傳感器26或提供與受控的過程的操作狀態相對應的輸入信號28的其它器件。指示燈38對應于不同輸入電路中的每個輸入電路并因此對應于特定輸入端子40，并且定位成透過前面板34上的擋板39可見。
[0020]現在參考圖2,輸入模塊30在輸入端子40處接收輸入信號28。每個輸入信號28由輸入電路60轉換成數字信號42。根據本發明的一個實施例，每個數字信號42表示邏輯真或邏輯假狀態，其中，邏輯真狀態是正電壓而邏輯假是名義上的零電壓。指示燈38通過適當的放大電路連接至數字信號42以向用戶提供特定信號42的狀態的視覺指示。另外，數字信號42均提供至編碼器電路50，編碼器電路50接收數字信號42并且將它們轉換成適合于經由背板18和輸入模塊30的外殼32的后部上的連接器34傳送至可編程邏輯控制器16的格式。盡管僅示出了四個輸入電路60，但是輸入模塊30可以具有八個、十六個、三十二個或各種其它數量的輸入電路60以及對應的一組輸入端子40和輸入電路60。
[0021]接下來轉向圖4，根據本發明的一個實施例的輸入電路60包括一對輸入端子40。第一端子44配置成接收輸入信號，而第二端子46配置成提供返回路徑，完成提供輸入信號28的器件26與輸入模塊30之間的電路。可選地，第二端子46可以是接地端子或公共端子，其中，公共端子通常約零伏，但不可以直接連接至地。根據又一實施例，第二端子可以在輸入模塊30的內部，并且是在多個輸入電路60的第二端子46之間做出的公共接頭。輸入電路60還包括齊納二極管62、限流二極管70以及光耦合器80，光耦合器80還稱為光隔離器。齊納二極管62包括陰極64和陽極66，其中，陰極64電連接至第一端子44。限流二極管70包括陽極72和陰極74，其中，限流二極管70的陽極72電連接至齊納二極管62的陽極66。光稱合器80包括諸如發光二極管(LED)的光發射器82、光傳感器86以及在光發射器82與光傳感器86之間的專用光路84。光發射器串聯地電連接在限流二極管70的陰極74與第二端子46之間。光傳感器86的輸出端90傳輸數字信號42。
[0022]在操作中，器件26生成與受控的機器或過程的操作狀態相對應的輸入信號28。輸入信號28傳輸至輸入模塊30的輸入端子40中的一個端子。輸入信號28是優選地在10-32V DC范圍內的直流(DC)電壓，并且在第一端子44處接收。輸入信號的電流的幅值優選地大于或等于2mA。第二端子46連接至公共電壓(voltage potential),公共電壓通常近似零伏。根據本發明的一個實施例，第二端子連接至接地。
[0023]當輸入信號28出現在第一端子44處時，第一端子44與第二端子46之間的電壓使得齊納二極管62操作在其擊穿區。在擊穿區中操作期間，在齊納二極管62兩端的電壓大于其擊穿電壓，并且齊納二極管允許電流反向流經二極管。根據本發明的一個實施例，選擇了近似3V DC的擊穿電壓。然而，在不偏離本發明的范圍的情況下，可以選擇擊穿電壓變化的齊納二極管。因此，當分別在第一端子44與第二端子46之間的電壓小于擊穿電壓時，齊納二極管62阻止電流流經輸入電路60，并且當分別在第一端子44與第二端子46之間的電壓大于擊穿電壓時，齊納二極管62允許電流流經輸入電路60。
[0024]當輸入信號28出現在第一端子44處時，第一端子44與第二端子46之間的電壓還使得限流二極管70操作在其限流區。限流二極管70需要使限流二極管70開始傳導電流時的最小電壓。隨著在限流二極管70兩端的電壓從最小電壓小幅增加，通過限流二極管70傳導的電流的幅值從零快速上升至最大電流值。隨著在限流二極管70兩端的電壓繼續增加，通過限流二極管70傳導的電流的幅值保持基本恒定。根據應用要求來選擇由限流二極管70傳導的電流的幅值。根據本發明的一個實施例，選擇限流二極管70來傳導與光耦合器80中的LED光發射器82的預期正向電流對應的約2mA電流。然而，在不偏離本發明的范圍的情況下，可以選擇電流額定值變化的限流二極管。
[0025]光耦合器80提供適合傳輸至可編程邏輯控制器16的隔離數字信號42。通過適當的電壓——通常約0.7V DC，以及在LED光發射器82處出現的正向電流，LED82生成光子，光子轉而經由專用光路84傳輸至光傳感器86。如果LED光發射器82處的電壓增加，則LED82繼續生成基本上恒定的光子流，使得隔離數字信號42不受在LED82兩端的突然瞬態電壓尖峰的影響。
[0026]根據本發明的一個實施例，輸入電路60將一定范圍的DC輸入電壓轉換成具有比圖3中示出的現有技術電路2更少的成分和更低的功率等級的隔離數字信號42。電路元件的比較示出了現有技術電路2需要十二個器件，而根據例示的實施例的輸入電路60僅需要三個器件。因此，根據本發明的例示的實施例的輸入電路60實現了用于安裝每個器件以及用于在器件之間布置電線或互連的電路板的面積上的顯著減小。
[0027]還是參考圖4，根據本發明的例示的實施例的輸入電路60與現有技術電路2相比以降低的功耗來操作。曲線100示出了在本發明的例示的實施例的輸入電路60中傳導的電流。可在輸入端子40處出現的操作電壓的整個范圍(例如，5-32V DC)中，限流二極管70保持基本恒定的2mA。相反，現有技術電路在5V DC處傳導2mA，而在32V DC處電流緩慢增加至約4.5mA。如本領域中已知的，DC電路中消耗的功率通過電流的幅值乘以電壓的幅值來確定。因此，在相同電壓范圍內，現有技術電路2比根據本發明的例示的實施例的輸入電路60傳導更多的電流，造成更大的功率損失。
[0028]應當理解的是，本發明在其應用中不限于在本文中所闡述的部件的結構和布置的細節。本發明能夠具有其它實施例或能夠以各種方式來實踐或執行。前述的變化和修改在本發明的范圍內。還應當理解的是，本文所公開和定義的本發明擴展至所提到的或根據正文和/或附圖而顯見的兩個或更多個個別特征的所有可選組合。所有這些不同的組合構成本發明的各種可選方面。本文所描述的實施例解釋了用于實踐本發明的已知最好模式，并且將使本領域其他普通技術人員能夠利用本發明。[0029]部件列表
[0030]
【權利要求】
1.一種工業控制器的輸入電路，包括: 配置成接收電壓的第一端子和第二端子，其中，所述第一端子相對于所述第二端子配置成所述電壓的正端子； 具有陰極和陽極的齊納二極管，所述陰極電連接至所述第一端子； 具有陰極和陽極的限流二極管，所述限流二極管的陽極電連接至所述齊納二極管的陽極；以及 具有光發射器和光傳感器的光耦合器，所述光發射器串聯地電連接在所述限流二極管的陰極與所述第二端子之間。
2.—種工業控制器中的輸入模塊的輸入電路,包括: 配置成接收直流(DC)電壓范圍的輸入端； 齊納二極管，所述齊納二極管電連接至所述輸入端以在所述DC電壓施加于所述輸入端時?呆作在擊芽區； 限流二極管，所述限流二極管與所述齊納二極管串聯地電連接以在所述DC電壓施加于所述輸入端時操作在限流模式下；以及 具有輸入端和光隔離的輸出端的光耦合器，其中，所述輸入端電連接至串聯連接的所述齊納二極管和所述 限流二極管，并且當所述DC電壓施加于所述輸入端時，所述光隔離的輸出端生成與邏輯真相對應的信號，以及當從所述輸入端去除所述DC電壓時，所述光隔離的輸出端生成與邏輯假相對應的信號。
3.根據權利要求2所述的輸入電路，其中，所述DC電壓的范圍在10伏與32伏之間。
4.根據權利要求3所述的輸入電路，其中，所述輸入端處的電流的幅值大于或等于2毫安。
5.根據權利要求2所述的輸入電路，其中，所述輸入端包括第一端子和第二端子。
6.根據權利要求5所述的輸入電路，其中，所述第一端子配置成接收所述DC電壓范圍內的電壓，以及所述第二端子配置成連接至公共端和接地端之中的一個。
7.根據權利要求6所述的輸入電路，其中，所述第二端子是所述輸入電路與所述輸入模塊上的至少一個其它輸入電路之間的共享接頭。
8.根據權利要求6所述的輸入電路，其中，所述第一端子和所述第二端子均配置成容納所述輸入模塊外的電導線。
9.根據權利要求6所述的輸入電路，其中，所述第一端子配置成容納所述輸入模塊外的電導線，而所述第二端子配置成在所述輸入模塊內進行連接。
【文檔編號】H03K19/0175GK104022774SQ201410023719
【公開日】2014年9月3日 申請日期:2014年1月17日 優先權日:2013年1月17日
【發明者】約瑟夫·瓦扎奇, 特里·L·德洛里 申請人:洛克威爾自動控制技術股份有限公司