专利名称：用于自动化设备的负逻辑输出的控制和保护系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于例如工业可编程逻辑控制器(或PLC )的自动化设 备的输出通道的电子控制和保护系统，特别地，涉及用于能够依据源于自动 化设备的数字控制信号来驱动电负载的静态输出通道的电子控制和保护系统。
背景技术：
可编程逻辑控制器是能够驱动、控制和/或监^f见一个或多个过程的自动化 设备，特别是在工业自动化、建造或配电领域中。其通常包括一个中央处理 器单元和一定数目的输入通道和输出通道。当可编程逻辑控制器是模块化结 构时，这些输入/输出可以分组集合在输入/输出模块中，每个输入/输出模块 包括例如8个、16个或32个通道。
输入使得可以从与过程相关联的传感器中特定地接收信息。中央处理器 单元首先扫描输入，随后为了驱动输出而运行应用程序(或用户程序)，该 程序可以控制预执行器类型的电负载，诸如电磁开关的励磁线圈或其他装 置。
发生故障时，通过允许输出跳闸(tripping)的电子保护系统，可以保护 静态输出避免过载和短路。通常地，跳闸电流的值被设计为从近似为最大额 定电流值的1.25倍开始跳闸，即对于100mA标称电流的输出，跳闸电流为 125mA,而对于500mA的输出，跳闸电流为625mA。
然而，在某些情况下，特别是针对用于控制电容性负载或白炽灯类的预 执行器的输出通道而言，该跳闸电流值可能是不利的。具体地，已知例如在 白炽灯的情况中，灯的电阻根据灯丝的温度大幅改变，其导致流经灯的电流 根据灯丝的温度大幅改变。当灯丝的温度低的时候，例如在开灯时的环境温 度下，灯丝的电阻低因而通过灯的电流很高。灯丝的温度随后迅速增加和稳 定，这迅速增加了它的电阻且从而减小了电流。
因此，认为在该开始阶段期间可能流经灯的峰值电流的初始值可以因此
4达到标称电流的5倍(例如对于100mA标称电流的24 Vdc输出，该值为 500mA),且在^f又仅约10ms后通过灯的电流稳定在其标称值。这种情况也 可能出现在电容性负载的启动时。因此显而易见，用于保护输出通道的传统 系统将随后被启动跳闸。
文件US 4,750,079已经描述了 一种用于设计用以控制负载的MOS晶体 管的控制和保护电路。然而，该电路不直接测量流经负载的电流值，不包括 任何用以限制通过负栽的电压的装置，并且不包括任何在电流超过预定阈值 一预定时段时可以使MOS晶体管处于截止状态的跳闸装置。
发明内容
因此，本发明的目的是在启动和电流稳定的阶段期间防止晶体管化静态 输出通道的不适当的跳问，同时确保免除由于通过其的电流的增加而生成的 功率的影响以及因而免除损害或甚至破坏的影响。
本发明进一步的目的是在稳定时段期间限制峰值电流，以便因此免除为 了能在启动阶段吸收初始的峰值电流而过度费力设计输出的静态开关元件 (如晶体管)的必要性。有利地，本发明可以用独立的方式控制和保护输出， 而不需要例如额外的热跳闸设备。
为此，本发明描述了 一种用于自动化设备的输出通道的控制和保护系 统，该自动化设备的输出通道设计为依照来自自动化设备的控制信号而驱动 电负载。该系统包括具有负载电阻器和开关MOS晶体管的开关装置，该 开关MOS晶体管可以通过控制信号在其中负载与负载电阻器串联提供的导 通状态、和截止状态之间切换；限制装置，其将负载电阻器端子的电压值限 制为预先确定的最大值；以及用于输出通道的跳闸装置，当流经负载电阻器 的电流值超过预先确定的阈值一预定义时段时，其可以将开关晶体管切换到 截止状态。
依照一个特征，负载电阻器连接在开关晶体管的源极和负电压端子之 间，电负载连接在开关晶体管的漏极和正电压源之间，当开关晶体管处于截 止状态时负载不受控制(这意味着未被供电)。
依照另一个特征，限制装置包括电压降元件，布置其使得负载电阻器端 子的电压的最大值由该元件端子的预先确定的电压降限制。
依照另一个特征，跳闸装置包括可以将负载电阻器端子的电压与参考 电压相比较的比较器模块；定时器模块，其输入连接到比较器模块的输出；
5以及跳闸MOS晶体管，其栅极连接到定时器模块的输出。
依照第一实施例，电压降元件包括其阴极布置在负电压端子的一侧的两 个串联的二极管。可替代地，电压降元件包括其阴极布置在负电压端子的一 侧的稳压二极管。
依照第二实施例，电压降元件包括双极晶体管，其基极连接到开关晶体 管的源极，其发射极连接到负电压端子且其集电极连接到开关晶体管的栅 极，该元件端子的电压降根据所述双极晶体管的基极-发射极的电压来预先 确定。
本发明还涉及一种自动化设备，包括中央处理器单元和至少一个用于控 制电负载目的的输出通道，中央处理器单元在控制和/或监视程序的执行的期 间能够生成控制信号以便切换所述输出通道，自动化设备包括这种用于所述 输出通道的控制和保护系统。
参照给出作为例子的且根据附图描述的实施例，在下面的具体说明中，
其它特征和优点将是明显的，其中
图1表示依照本发明的用于输出通道的电子控制和保护系统的第 一实施 例的简化图2示出本发明的第二实施例的简化图。
具体实施例方式
参照图1和图2,基于源自例如可编程逻辑控制器的自动化设备的输出 通道的数字控制信号S能够控制外部电负载C。控制信号S由可编程逻辑控 制器的中央处理器单元生成，作为例如应用程序的运行结果。基于该控制信 号S,设计电子控制和保护系统来驱动输出电子电路并保护其免受负载C的 过载和/或短路故障的影响。
在图l所示的第一实施例中，电子控制和保护系统包括控制信号S抵达 的控制装置40、可控制电负载C的静态开关装置10、可限制在静态开关装 置10中流过的电流的限制装置20、以及如果发生故障时可切断静态开关装 置IO的控制的跳闸装置30。
开关装置10包括负载电阻器R10和N沟道MOSFET型的开关晶体管 TIO。电负载C连接在正电压源(如24Vdc预执行器电压)和开关晶体管T10的漏极之间。负载电阻器R10连接在负电压端子N (对应于地或电压0 点-零电压)以及开关晶体管T10的源极之间。因此，当开关晶体管T10处 于导通状态时，在正电压源和负电压端子N之间串联地提供负载C和负载 电阻器RIO。当开关晶体管T10处于截止状态时，不提供负载C。
限制装置20的功能是将负载电阻器R10端子的电压限制在预先确定的 最大值，以使得限制流经电阻器RIO的最大电流并因此限制流经开关晶体管 T10的最大电流。限制装置20主要包括NPN双极晶体管T21、 PNP双极晶 体管T22和电压降元件E。
晶体管T22的发射极连接到正电压端子P。晶体管T22的集电极通过电 阻器R22连接到负电压端子N且其还连接到开关晶体管T10的栅极。晶体 管T22的基极通过电阻器R21连接到晶体管T21的集电极。晶体管T21的 发射极连接到开关晶体管T10的源极。晶体管T21的基极连接到控制装置 40的输出信号。晶体管T21的基极形成点M,点M通过电压降元件E连接 到负电压端子N。点M对应于跳闸装置30中所使用的电压测量点。在正电 压端子P和负电压端子N之间，具有例如等于5Vdc的电压V,其可以由预 ^L行器电压(例如24vdc)来生成。
在第一实施例中，电压降元件E由串耳关在点M和负端子N之间的两个 二极管D20和D21组成。二极管D20和D21的阳极指向点M而阴极指向负 端子N。
跳闸装置30包括N沟道MOS型的跳闸晶体管T30，其漏极连接到点M 且其源极连接到负端子N。跳闸装置30还包括比较器模块31和定时器模块 32。比较器模块31具有通过电阻器R30连接到点M的第一输入和接收参考 电压Vref的第二输入。比较器模块31的输出连接到定时器模块32的输入且 定时器模块32的输出连接到晶体管T30的栅极。因此，比较器31用于将点 M处的电压(且因而间接地将负载电阻器R10端子的电压)与参考电压Vref 相比專交。
此外，控制装置40包括N沟道MOS型晶体管T40。晶体管T40的栅 极连接到控制信号S。晶体管T40的源极连接到电路的负端子N。晶体管T40 的漏极一方面通过电阻器R41连接到PNP双极晶体管T41的基极，另一方 面通过电阻器R40连接到正电压端子P。电阻器R41的值优选为高使得可以 忽略R41的下降电流。晶体管T41的发射极连接到正端子P,且晶体管T41 的集电极一方面通过电阻器R43连接到负端子N，另一方面通过电阻器R42连接到点M。
控制和保护系统的通常操作如下
-当控制信号S等于0时，晶体管T40处于截止(打开)状态。晶体管 T41的基极通过R41和R40而拉升到正端子P且晶体管T41因此也截止。 随后晶体管T21的基极通过R42和R43被拉到负端子N且晶体管T21截止。 这样的结果是晶体管T22的基极处于1状态，因此T22截止。在该情况下， T10的栅极通过R22被拉到端子N，因此开关晶体管T10截止而负载C不受 控制。
-当控制信号S变为1时，晶体管T40导通(闭合)。晶体管T41的基 极通过R41被拉到负端子N且晶体管T41因此也导通。随后晶体管T21的 基极通过R42被拉升到正端子P，晶体管T21变为导通。这样的结果是晶体 管T22的基极通过R21和R10被拉到端子N，因此T22导通。在该情况下， T10的栅极净皮拉到正端子P，因此开关晶体管T10导通而负载C受到控制。
元件E端子的电压降Ve等于VE=VR1Q+VBET21,其中V，表示电阻器 R10端子的电压而Vbet2!表示晶体管T21的基极-发射极电压。依照本发明， 选择电压降元件E提供确定的且稳定的电压降Ve以使得当控制输出(提供 负载C )时，可在所有状况中限制电压VR10的最大值等于VR10max。当晶体管 T21导通且饱和时，即当控制输出时，T21的基极和发射极之间的电压降 Vbet2,是固定的并約等于0.6V。
在图1的实施例中，元件E由两个二极管D20和D21组成，其中每个 都提供约等于0.6V的恒定的电压降Vd2q和VD21，其相应于这类部件的常用 值。因此，元件E端子的电压降VE被预先确定且等于VD2()+VD21。这样从而 给出电压Vrk)的但的限制
VR10max=VE-VBET21=VD20+VD21-0.6 V0=VD20=0.6V
流过负载电阻器RIO的最大电流等于
lR10max=VRi0max/R10= Vd20 /R10。
由于确定了 Vmo和RlO，因此即使如果发生短路时，可以在一定时间内 限制流经RIO的电流Ijuo并从而限制流经开关晶体管TIO的电流。因此，晶 体管TIO不需要设计为太强大，其在可编程逻辑控制器的输入/输出模块的 输出通道的热消散和实施方面有很大优势，为了能够在单个模块上安装例如 32个输出通道，每个通道都装备有依照本发明的电子控制和保护系统。
具体地，当负载C短路时，如果正电压等于24Vdc，则在晶体管TIO
8的源极和漏极之间的电压Vdstk)基本上等于VDST1Q=24-VR1。max。晶体管T10
只需要能够在定时器周期内提供如下的功率P,，即Pmax=VDST1() *IR1Qmax，也
就是说P謹K24-V謂隨)* VD20 /R10。
当输出通道正常操作且没有短路时，点M处的电位VM1等于VM1= VBET21+VRU)，其中由于负载C消耗的电流为标称电流，V，具有低值。另一 方面，当输出短路时，点M处的电位Vm2等于VM2= VBET21+VR10max，其中
VRlOmax =VD20=0.6V。
点M通过电阻器R30连接到比较器模块31的第一输入。由于电阻器 R30的值很低而比较器31的输入阻抗很高，所以不必考虑电阻器R30的值。
将参考电压Vd施加到比较器31的第二输入。在值V^和VM2之间选择该 参考电压Vref,以使得比较器31可以检测输出的短路。因此，在正常操作中， 值Vw小于参考电压Vref而比较器的输出为0。在短路情况下，值Vm2大于 Vref而比较器的输出为1。为了增加跳闸阈值的精度并使其与温度无关，优
选地通过与晶体管T21配对的另一双极晶体管的基极-发射极电压来产生参
考电压Vw。因此，比较器模块31能够将负载电阻器R10端子的电压和参 考电压Vw相比较。
当比较器模块31的输出导通时，其接着触发定时器模块32,其持续时
间被预先定义以使得允许可能在一些特定输出开启时发生的暂时性短路的
通过，例如，10ms。如果定时器结束时仍然存在短路，则定时器模块32切 换且控制晶体管T30的栅极，其具有将点M直接地连接到负端子N的效果。 T21的基极随后回到负端子N,其具有将晶体管T21切换为截止状态并因此 将晶体管T10切换到截止状态的效果。负载C不再受到控制。
因此，发生过载或短路时，如果负载电阻器R10端子的电压超出了根据 参考电压Vref预先确定的阈值，则控制和保护系统能够在定时器模块32的 预定义周期的结尾断开输出。此外，在该预定义周期期间，系统能够将流经 开关晶体管T10和负载电阻器RIO的电流限制到由元件E的电压降计算的
最大电Wb lRiOmax。
也可以采用单个稳压二极管来代替元件E的二才及管D20和D21,单个 稳压二极管的阴极布置在负端子N的一侧，且具有例如约等于1.3V的电压 降，虽然稳压二极管提供的电压降精确度较小。
图2示出了本发明的第二实施例。在第二实施例中，电子控制和保护系 统包括控制信号S抵达的控制装置40，、可控制电负载C的静态开关装置10、
9可限制在静态开关装置10中流经的电流的限制装置20，、以及发生故障时可 切断静态开关装置10的控制的跳闸装置30，。开关装置10与图1所描述的 相同。
限制装置20，的功能是将负载电阻器R10端子的电压限制在预先确定的 最大值，以使得限制流经电阻器RIO的最大电流并从而限制流经开关晶体管 T10的最大电流。其主要地包括NPN双极晶体管T25和电压降元件E，。
晶体管T25的发射极连接到负电压端子N。晶体管T25的集电极连接到 开关晶体管T10的栅极。晶体管T25的基极通过电阻器R25连接到测量点 M，。点M，还通过具有很高电阻值的电阻器R26而连接到晶体管T10的源极。 点M，相应于跳闸装置30，中所使用的电压测量点。晶体管T10的栅极连接到 控制装置40，的输出信号。
在图2的实施例中，电压降元件E，包括与晶体管T25顶到底 (head-to-foot)安装的NPN双才及晶体管T20。因此，晶体管T20的发射才及连 接到晶体管T25的发射极，以同样的方式，晶体管T20的集电极连接到晶体 管T25的集电极。晶体管T20的基极连接到晶体管T10的源极。因此，元 件E，的晶体管T20的基极和发射极之间的电压降Ve，等于VE，=VR10。
跳闸装置30，包括P沟道MOS型的跳闸晶体管T30'，其漏极连接到点 M，且其源极连接到正端子P。跳闸装置30，还包括比较器模块31和定时器模 块32。比较器模块31具有通过电阻器R30连接到点M，的具有高阻抗的第 一输入和接收参考电压V,ef的第二输入。比较器模块31的输出连接到定时 器模块32的输入，且定时器模块32的输出连接到晶体管T30，的栅极。因此， 比较器模块31用于比较点M，的电压和参考电压Vref。
另外，控制装置40，包括N沟道MOS型晶体管T40。晶体管T40的栅 极连接到控制信号S。晶体管T40的源极连接到负端子N。晶体管T40的漏 极一方面通过电阻器R41连接到NPN双极晶体管T45的基极，另一方面通 过电阻器R40连接到正端子P。电阻器R41的值非常高4吏得可以忽略不计 R41的下降电流。晶体管T45的发射极连接到负端子N。晶体管T45的集电 极一方面通过电阻器R45连接到正端子P，另一方面通过电阻器R46连接到 晶体管T10的栅极。
控制和保护系统的通常操作如下
-当控制信号S等于0时，晶体管T40处于截止(打开)状态。晶体管 T45的基极通过R41和R40而被_拉升到正端子P且/人而晶体管T45导通。在该情况下，T10的棚-极通过电阻器R46而净皮4i到负端子N,因此开关晶体 管T10截止且负载C不受控制。
-当控制信号S变为1时，晶体管T40导通(闭合)。晶体管T45的基 极通过R41而被拉到负端子N且从而晶体管T45截止。在该情况下，晶体 管T10的栅极通过电阻器R45和R46而被拉到正端子P，因此开关晶体管 T10导通而负载C受到控制。
电阻器R10端子的最大电压Vrk)隨由晶体管T20的基极-发射极电压 Vbet2o限制，其固定且例如为0.6V的量级。因此其给出了电压Viuo的值的 限制
V謂應=VBET2o =0.6V
从而，电阻器RIO中流过的最大电流等于IRlto^=VR1Gmax/R10= VBET20 /R10,其中VBET20和R10是确定的。因此，如第一实施例中一样，即使发生 短路时，可以在一定时段内限制流经R10的电流IR1()以及从而限制流经开关 晶体管T10的电流。
例如，对于24Vdc电压源提供的等于500mA的标称电流的输出，可选 择等于0.33 ohm ( 0R33 )的电阻器RIO，其使得电流Iiuomax等于1.8A。对于 100mA的输出，电阻器R10可以等于2.2Rohm。
点M，处于如下电位vm^vrh)+vr26。实际中，R26具有高的电阻值，因 为其功能是传输电压到R10的端子和当晶体管T30，导通时，T30，不应在电 阻器R10中生成电流，以及因此其终端处的电压不能被忽略。当负载C被 正常控制且没被短路时，点M，处于如下电位Vm，尸Vrh)，其中Viu。具有相对 低的值，因为负载消耗的电流是标称电流。另一方面，当输出被短路时，点 M，则处于如下电位VM,2=VR10max,其中VR10max=VBET20=0.6V。
因此，如第一实施例中一样，比较器模块31使得可以比较负载电阻器 R10端子的电压(点M，连接到比较器31的第一输入)和施加到比较器31 的第二输入的参考电压Vref。该参考电压Vref在值V鹏和VM,2之间选择，以 使得比较器模块31可以检测输出的短路。因此，在正常工作中，伍VmvJ、
于参考电压Vref且比较器输出为0。如果发生短路，则值Vm，2大于Vref且比 较器输出为1。
比较器模块31的输出随后触发定时器模块32，其持续时间被预先定义 使得允许在一些特定输出开启时可能发生的暂时性短路的通过，例如，10ms。 如果在定时器结束时仍然存在短路，则定时器模块32切换且控制晶体管T30，的栅极，其导致点M，直接地连接到正端子P。 T25的基极因此连接到正 端子P且晶体管T25导通。这具有将开关晶体管T10的栅-极拉至负端子N 并从而将开关晶体管T10改变到截止状态的效果。负载C随后不再受到控制。 因此，发生过载或短路时，如果负载电阻器R10端子的电压超出了参考 电压V^预先确定的阈值，则保护系统能够在定时器模块32的预定义周期 的结尾断开输出。此外，在预定义周期期间，保护系统能够将流经开关晶体 管T10和负栽电阻器R10的电流限制在基于元件E，的电压降计算的最大电
流iR10max。
有利地，如上所述用于输出通道的控制和保护系统可以集成为一个且相 同的集成电路。同样地，用于输入/输出模块的输出通道的多个控制和保护系 统可以集成为 一个且相同的集成电^各。
权利要求
1. 用于自动化设备的输出通道的控制和保护系统，自动化设备的输出通道能够依照来自自动化设备的控制信号(S)而驱动电负载(C)，该系统包括开关装置(10)，其包括负载电阻器(R10)和开关MOS晶体管(T10)，所述开关MOS晶体管(T10)可以通过控制信号(S)在其中负载(C)与负载电阻器(R10)串联提供的导通状态、和截止状态之间切换，负载电阻器(R10)连接在开关晶体管(T10)的源极和负电压端子(N)之间，其特征在于所述系统包括-限制装置(20、20’)，其将负载电阻器(R10)端子的电压值限制为预先确定的最大值(VR10max)，-用于输出通道的跳闸装置(30、30’)，当流过负载电阻器(R10)的电流值超过预先确定的阈值一预定义时段时，其能够将开关晶体管(T10)切换到截止状态，该跳闸装置(30、30’)包括比较器模块(31)，其能够比较负载电阻器(R10)端子的电压和参考电压(Vref)。
2. 根据权利要求1所述的控制和保护系统，其特征在于所述电负载 (C )连接在开关晶体管(T10 )的漏极和正电压源之间，当开关晶体管(T10 ) 处于截止状态时，负载(C)不受控制。
3. 根据权利要求1所述的控制和保护系统，其特征在于所述跳闸装 置(30、 30，)包括其输入连接到比较器模块(31 )的输出的定时器模块(32 )、 以及其栅极连接到定时器模块(32 )的输出的跳闸MOS晶体管(T30、 T30')。
4. 根据权利要求1所述的控制和保护系统，其特征在于所述限制装 置(20、 20，)包括电压降元件(E、 E，)，设计该电压降元件以使得负载电 阻器(RIO)端子的电压的最大值(VR1()max)是通过该元件(E、 E，)端子的 预先确定的电压降来限制的。
5. 根据权利要求4所述的控制和保护系统，其特征在于所述电压降 元件(E)包括其阴极布置在负电压端子(N)的一侧的两个串联二极管(D20， D21 )
6. 根据权利要求4所述的控制和保护系统，其特征在于所述电压降 元件(E)包括其阴极布置在负电压端子(N)的一侧的稳压二极管。
7. 根据权利要求4所述的控制和保护系统，其特征在于所述限制装置(20 )包括其发射极连接到开关晶体管(T10 )的源极的双极晶体管(T21 )， 电压降元件(E)连接在负电压端子(N)和所述双极晶体管(T21)的基极 之间，跳闸晶体管(T30)的漏极连接到该双极晶体管(T21)的基极且跳闸 晶体管(T30)的源极连接到负电压端子(N)。
8. 根据权利要求4所述的控制和保护系统，其特征在于所述限制装 置(20，)的电压降元件(E，)包括双极晶体管(T20)，其基极连接到开关 晶体管(T10)的源极，其发射极连接到负电压端子(N)，且其集电极连 接到开关晶体管(T10)的栅极，元件(E，)端子的电压降通过所述双极晶 体管(T20)的基极-发射极电压来预先确定。
9. 根据权利要求8所述的控制和保护系统，其特征在于所述限制装 置(20，)还包括跳闸晶体管(T25)，其基极连接到跳闸晶体管(T30')的 漏极，其发射极连接到负电压端子(N)，且其集电极连接到开关晶体管(TIO) 的栅极，跳闸晶体管(T30')的漏极还连接到开关晶体管(T10)的源极且 跳闸晶体管(T30')的源极连接到正电压端子(P)。
10. 自动化设备，包括中央处理器单元和至少一个能控制电负载(C) 的输出通道，中央处理器单元在控制和/或监视程序的执行的期间能够生成控 制信号(S)来切换所述输出通道，其特征在于所述自动化设备包括根据 在前权利要求之一的用于所述输出通道的电子控制和保护系统。
全文摘要
本发明涉及一种用于设计用以驱动电负载(C)的自动化设备的输出通道的控制和保护系统。该系统包括开关装置(10)，其包括负载电阻器(R10)和可以在其中负载(C)与负载电阻器(R10)串联提供的导通状态、和截止状态之间切换的开关MOS晶体管(T10)；限制装置(20、20’)，限制负载电阻器(R10)端子的电压值为预先确定的最大值；跳闸装置(30、30’)，当流经负载电阻器(R10)的电流值超过预先确定的阈值一预定义时段时，其可以将开关晶体管(T10)切换到截止状态。
文档编号G05B9/02GK101504537SQ200910126759
公开日2009年8月12日 申请日期2009年2月9日 优先权日2008年2月8日
发明者理查德·托尼特 申请人:施耐德电器工业公司