数字输出电路及工业控制设备的制作方法

本实用新型涉及电子设备领域，更具体地说，涉及一种数字输出电路及工业控制设备。

背景技术：

在工业控制设备中，数字输出电路(Digital Output Circle，简称DO电路) 是应用最为广泛的电路，例如可以用于变频器或伺服电机控制器向上位机(例如PLC，即可编程逻辑控制器)传输高低电平状态信息以及脉冲信息等。一般来说DO电路会与上位机的数字输入电路(Digital Input Circle，简称DI电路) 连接，如图1所示。

由于DO电路11和DI电路12之间的连线一般是人手工接线，存在对接线不清楚或者接线失误的问题，例如可能导致DO端口误接DI电路12的供电电源 VCC(例如24V)的情况(该情况可以称之为短路)。若DO电路11的DO端口短路且输出三极管Q处于导通状态，则必然会使流入输出三极管Q的集电极的电流过大(该情况可以称之为过流)，且此时供电电源VCC的电压会直接加在输出三极管Q的集电极和发射极之间，近似于供电电源VCC通过输出三极管Q 对地短路，导致输出三极管Q功率远远超过其额定功率，瞬间会损坏输出三极管Q，且这种损坏是不可恢复的，从而导致该路数字输出电路失效。

针对上述情况，目前主要在DO端口之前加入可恢复保险丝F1，如图1所示。然而，在DO端口之前加入可恢复保险丝F1时，由于可恢复保险丝F1是由于过流后发热导致断开，在断开过程中会持续短到几十毫秒，长到数秒的延迟时间。这段时间内，输出三极管Q必然会发热比较严重，并且由于可恢复保险丝F1的可恢复特性，会一直重复通断切换状态，从而输出三极管Q的温度并不会明显下降。虽然这种方式短时间不会损坏输出三极管Q，但是上述这种工作方式必然会大大降低输出三极管Q和可恢复保险丝F1的寿命，并且最终也会导致该路数字输出电路失效。

技术实现要素：

本实用新型要解决的技术问题在于，针对上述数字输出电路中因接线失误而影响第一开关管和可恢复保险丝寿命的问题，提供一种新的数字输出电路及工业控制设备。

本实用新型解决上述技术问题的技术方案是，提供一种数字输出电路，包括光耦、第一开关管以及数字输出端口，且所述光耦输出端的集电极经由第一电阻连接到第一供电电源、发射极连接到所述第一开关管的控制端，所述数字输出电路还包括第二电阻和过流保护单元，且所述过流保护单元包括侦测子单元以及电压钳位子单元；所述侦测子单元的两端分别连接所述数字输出端口和所述电压钳位子单元的控制端；所述第二电阻串联连接在所述第一供电电源与第一电阻之间，所述电压钳位子单元在所述第一电阻和第二电阻连接点的电压大于或者等于第一预设值且所述电压钳位子单元的控制端电压大于第二预设值时将所述第一电阻和第二电阻连接点的电压钳位到第三预设值。

在本实用新型所述的数字输出电路中，所述侦测子单元包括二极管，且所述二极管的阳极连接到所述电压钳位子单元的控制端，所述二极管的阴极连接到所述数字输出端口。

在本实用新型所述的数字输出电路中，所述电压钳位子单元包括第三电阻和电源基准芯片，且所述电压钳位子单元的控制端由所述电源基准芯片的参考极构成；所述电源基准芯片的阳极连接参考地、阴极连接所述第一电阻和第二电阻的连接点、参考极连接所述二极管的阳极，所述第三电阻的两端分别连接所述电源基准芯片的阴极以及所述参考极。

在本实用新型所述的数字输出电路中，所述电压钳位子单元包括第四电阻、第二开关管以及二极管组；所述第二开关管的第一端连接所述第一电阻和第二电阻的连接点、第二端经由所述二极管组连接参考地、控制端连接所述二极管的阳极，所述第四电阻的两端分别连接所述第二开关管的第一端以及控制端。

在本实用新型所述的数字输出电路中，所述第二开关管为三极管，且所述第二开关管的集电极连接所述第一电阻和第二电阻的连接点、发射极经由所述二极管组连接参考地、基极连接所述二极管的阳极。

在本实用新型所述的数字输出电路中，所述电压钳位子单元包括第五电阻、第三开关管以及比较器；所述比较器的正相输入端连接所述二极管的阳极、反相输入端连接基准电压、输出端连接第三开关管的控制端；所述第三开关管的第一端连接所述第一电阻和第二电阻的连接点、第二端连接参考地；所述第五电阻的两端分别连接所述第一电阻和第二电阻的连接点以及所述比较器的正相输入端。

在本实用新型所述的数字输出电路中，所述电压钳位子单元包括第六电阻和第七电阻，且所述第六电阻和第七电阻串联连接在第二供电电源和参考地之间，并由所述第六电阻和第七电阻的连接点向所述比较器的反相输入端输出基准电压。

在本实用新型所述的数字输出电路中，所述第三开关管为三极管，且所述第三开关管的集电极连接所述第一电阻和第二电阻的连接点、发射极连接参考地、基极连接所述比较器的输出端。

在本实用新型所述的数字输出电路中，所述第三开关管为N沟道金属氧化物半导体场效应管，且所述N沟道金属氧化物半导体场效应管的漏极连接所述第一电阻和第二电阻的连接点、源极连接参考地、栅极连接所述比较器的输出端。

本实用新型还提供一种工业控制设备，包括如上所述的数字输出电路。

本实用新型的数字输出电路及工业控制设备，通过过流保护单元检测数字输出电路的数字输出端口电压来钳位光耦输出电压，从而在不影响数字输出电路功能的同时，有效防止数字输出电路因短路、过流而损坏。本实用新型具有结构简单、成本较低的优点。

附图说明

图1是现有工业控制设备中数字输出电路与数字输入电路的示意图；

图2是本实用新型数字输出电路实施例的示意图；

图3是本实用新型本实用新型数字输出电路中过流保护单元的示意图；

图4是本实用新型本实用新型数字输出电路中过流保护单元第一实施例的示意图；

图5是本实用新型本实用新型数字输出电路中过流保护单元第二实施例的示意图；

图6是本实用新型本实用新型数字输出电路中过流保护单元第三实施例的示意图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

如图2、3所示，是本实用新型数字输出电路实施例的示意图，该数字输出电路可应用于工业控制设备(例如变频器或伺服电机控制器等)中，并可向上位机(例如PLC，即可编程逻辑控制控制器)传输高低电平状态信息以及脉冲信息等。本实施例中的数字输出电路包括光耦U1、第一电阻R1、第一开关管 Q1(具体可采用三极管等)、数字输出端口DO、第二电阻R2以及过流保护单元2，上述光耦U1输出端的集电极经由串联连接的第一电阻R1和第二电阻R2 连接到第一供电电源(+24V)、发射极连接到第一开关管Q1的控制端(第一开关管Q1连接在数字输出端口DO和参考地COM之间)。过流保护单元2包括三个对外端口，且第一对外端口21连接到第一电阻R1和第二电阻R2连接点，第二对外端口22连接到数字输出端口DO，第三对外端口23接地。

过流保护单元2具体可包括侦测子单元24以及电压钳位子单元25。侦测子单元24的两端分别连接第二对外端口22(即数字输出端口DO)和电压钳位子单元25的控制端；电压钳位子单元25在第一对外端口21(即第一电阻R1和第二电阻R2连接点)的电压大于或者等于第一预设值且该电压钳位子单元25的控制端电压大于第二预设值时将第一对外端口21的电压钳位到第三预设值，而在其他状态(即第一对外端口21的电压小于第一预设值或电压钳位子单元25 的控制端电压小于或等于第二预设值)时，电压钳位子单元25不对第一对外端口21的电压进行钳位。上述第一预设值、第二预设值、第三预设值具体可根据第一电阻R1、第二电阻R2的阻值及其他元件参数设置。

上述过流保护单元2的第二对外端口22用于监控输出过流/短路状态，当没有发生过流/短路情况时，第一对外端口21和第三对外端口23之间的阻抗接近无穷大，不会有电流流入过流保护单元2，对于整个数字输出电路的正常功能不会有任何影响；当发生过流/短路情况，且光耦U1处于导通状态时，过流保护单元2的第一对外端口21和第三对外端口23之间阻抗变小或者发生钳位作用，使得第一电阻R1和第二电阻R2的连接点的对参考地COM电位大大降低，由于第一电阻R1、限流电阻R11的限流作用，使第一开关管Q1的基极电流大大减小以至于其功耗可以减低到可以接受的范围，这样就可达到保护第一开关管 Q1的目的。

具体地，如图4所示，侦测子单元24可包括二极管D1，且该二极管D1的阳极连接到电压钳位子单元25的控制端、阴极连接到第二对外端口22(即数字输出端口DO)。电压钳位子单元25包括第三电阻R3和电源基准芯片U2(例如美国德州仪器公司的TL431/TL432芯片)，其中电源基准芯片U2包括三个引脚：参考极(R)、阳极(A)和阴极(K)，且该电源基准芯片U2的阳极连接第三对外端口23、阴极连接第一对外端口21、参考极连接二极管D1的阳极，第三电阻R3的两端则分别连接电源基准芯片U2的阳极以及参考极。

以TL431/TL432为例为例，其基准电压为2.5V，其根据参考极与2.5V电压的大小关系来决定阳极和阴极之间是否能够反向导通，当参考极电压大于或等于2.5V时，阴极和阳极之间的电压最低可以降低到2.5V，当参考极电压小于 2.5V时，阴极和阳极之间几乎无电流，处于截止状态。

当光耦U1导通且数字输出端口DO不过流/短路时，第一开关管Q1开通，且该第一开关管Q1的集电极-发射极电压压降约为0.2V，此时数字输出端口 DO输出为低电平。若此时二极管D1的导通压降为0.7V，则电源基准芯片 U2的参考极输入端电压约为0.9V，电源基准芯片U2不导通，对数字输出电路的数字输出端口DO的输出没有影响。

当光耦U1不导通且数字输出端口DO不过流/短路时，第一开关管Q1的基极没有电压，则不开通，从而第一开关管Q1的集电极电压为第一供电电源的电压，例如为24V，即二极管D1的阴极电压为24V，则必然会高于二极管 D1阳极电压，二极管D1截止，由于电源基准芯片U2的参考极输入为高阻，则第三电阻R3上几乎没有压差。因此电源基准芯片U2的参考极必然高于2.5V 的参考电压，电源基准芯片U2导通，最终其阴极稳定在2.5V。流过电源基准芯片U2的电流约为(24V-2.5V)/R2，可以调节第二电阻R2的阻值满足电源基准芯片U2的推荐应用电流范围。

当光耦U1导通且数字输出端口DO过流/短路(一般应用情况为把24V电源直接接到数字输出端口DO)时，若过流保护单元2不动作时，则第一开关管Q1必然会开通，而此时二极管D1的阴极电压约为数字输出端口DO的电压，例如为24V，则二极管D1必然会截止，则电源基准芯片U2的参考极必然会大于2.5V，因此电源基准芯片U2动作，把电源基准芯片U2阴极处的电位钳位到2.5V。在该情况下可以调整电阻第一电阻R1和限流电阻R11的阻值，来限制第一开关管Q1的基极电流的最大值。若第一开关管Q1为开通状态，则第一开关管Q1的基极电流为：

Ib＝(2.5V-UU2-CE-UQ1-BE)/R1-UQ1-BE/R11 (1)

其中，UU1-CE为光耦U1的输出导通压降，UQ1-BE为第一开关管Q1的基极 -发射极之间的压降。通过调整第一电阻R1和限流电阻R11的阻值，可以使第一开关管Q1的基极电流Ib尽量小，从而大大降低了流入第一开关管Q1集电极的电流Ic，也大大降低了第一开关管Q1的功率，使第一开关管Q1不至于损坏。

当光耦U1不导通且数字输出端口DO过流/短路时，与光耦U1不导通且数字输出端口DO不过流/短路时的情况下的状态一致。

如图5所示，电压钳位子单元25还可通过以下方式实现：包括第四电阻R4、第二开关管Q2以及二极管组(该二极管组可由多个串联连接的二极管D2、 D3、…、Dn组成，二极管的具体数量可根据需要调整)；第二开关管Q2的第一端连接第一对外端口21、第二端经由二极管组连接参考地、控制端连接二极管D1的阳极，第四电阻R4的两端分别连接第二开关管Q2的第一端以及控制端。

为了便于分析，假设二极管组中串联了n-1个二极管(n为大于或等于2的整数)，且所有串联二极管D2、D3、…、Dn的导通压降为VF，二极管D1的导通压降也为VF，第二开关管Q2采用第二三极管。当数字输出端口DO的电压高于(n-2)×VF+VBE时，第二三极管就会导通，则可把过流保护单元2的第一对外端口21钳位到电位：(n-1)×VF+VCE，其中VBE和VCE分别为第二三极管的基极-发射极导通压降和集电极-发射极导通压降。这样就能起到对数字输出电路在短路/过流情况下对第一开关管Q1的保护作用。

如图6所示，电压钳位子单元25还可通过以下方式实现：包括第五电阻 R5、第三开关管Q3以及比较器U3；比较器U3的正相输入端连接二极管D1的阳极、反相输入端连接基准电压VREF、输出端连接第三开关管Q3的控制端；第三开关管Q3的第一端经由电阻R0连接第一对外端口21、第二端连接第三对外端口23；第五电阻R5的两端分别连接第一对外端口21和比较器U3的正相输入端。

特别地，上述基准电压可由串接在第二供电电源+V1和参考地之间的第六电阻R6和第七电阻R7实现，并由第六电阻R6和第七电阻R7的连接点向比较器 U3的反相输入端输出基准电压。

在本实施例中，若二极管D1的导通压降为VF，当数字输出端口DO的电压高于VREF-VF时，比较器U3的正相输入端电压高于反相输入端电压，则比较器 U3输出高电平，第三开关管Q3导通。设置电阻R0、第一电阻R1和第二电阻R2 的比例关系，就可以把过流保护单元2的第一对外端口21钳位到期望的电压，若该钳位的电压大于VREF，则只要数字输出端口DO处于短路/过流状态，比较器U3的正相输入端电压一直大于反相输入端电压，从而对输出三极管Q1进行保护。

上述第三开关管Q3可采用第二三极管，且该第二三极管的集电极经由电阻R0连接到第一对外端口21、发射极连接参考地、基极连接比较器U3的输出端。当然，第三开关管Q3也可采用N沟道金属氧化物半导体场效应管，且该N 沟道金属氧化物半导体场效应管的漏极经由串联电阻R0连接到第一对外端口 21、源极连接参考地、栅极连接比较器U3的输出端。

本实用新型还提供一种工业控制设备，该工业控制设备可以是变频器、伺服电机控制器等，其包括如上所述的数字输出电路，并通过该数字输出电路向上位机(例如可编程逻辑控制器)传输高低电平状态信息以及脉冲信息等。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。