数字输出电路、印刷配线基板以及工业设备的制作方法

本发明涉及一种数字输出电路，该数字输出电路安装有对向负载的电源供给进行on/off控制的输出晶体管。

背景技术：

对于包含可编程控制器的工业设备，为了应对用户的各种各样的用途，存在使用灌电流而对输入设备以及输出设备进行控制的类型、以及使用拉电流而对输入设备以及输出设备进行控制的类型。在输出晶体管使用场效应晶体管的情况下，灌电流型使用n型的输出晶体管，拉电流型使用p型的输出晶体管。在输出晶体管使用双极晶体管的情况下，灌电流型使用npn型的输出晶体管，拉电流型使用pnp型的输出晶体管。

下面，在本说明书中，将在灌电流型的电路结构中使用的n型的场效应晶体管以及npn型的双极晶体管统称为n型的输出晶体管。同样地，将在拉电流型的电路结构中使用的p型的场效应晶体管以及pnp型的双极晶体管统称为p型的输出晶体管。

为了应对用户的各种各样的用途，电子部件的制造者需要将灌电流型的产品和拉电流型的产品两者一起配齐，该产品所具有的印刷配线基板的品种也增加。

这里，下述专利文献1以及专利文献2公开了一种技术，即，在同一基板之上使用较少数量的部件而实现灌电流型和拉电流型的输出电路，在该基板之上对部件的安装状态和非安装状态进行切换或者对部件彼此之间的配线连接进行切换，由此削减基板品种。

在专利文献1的技术中，针对可编程控制器，通过对外部电源和输出晶体管的基极电极之间的连接路径进行切换，从而能够在同一基板之上使输出电路的电路结构在灌电流型和拉电流型之间进行切换。

在专利文献2中，对印刷配线的连接路径进行切换，并且对绝缘电路封装件的安装位置进行切换，由此在同一基板之上使输出电路的电路结构在灌电流型的电路结构和拉电流型的电路结构之间进行切换。

专利文献1：日本特开2000－236143号公报

专利文献2：日本特开2000－164920号公报

技术实现要素：

然而，在专利文献1中，为了与电路结构是灌电流型以及拉电流型的哪一个相对应地通过配线连接的切换而使向输出晶体管输出栅极信号的受光元件的输出逻辑反转，设置有4处配线连接切换部位。因此，即使能够在同一基板进行灌电流型的输出电路以及拉电流型的输出电路的切换，配线连接切换部位也相应于电路结构的类型而变多，因此安装输出电路的印刷配线基板的工时削减效果以及制造成本削减效果并不充分。

本发明就是鉴于上述问题而提出的，其目的在于得到一种数字输出电路，该数字输出电路能够在内置于工业设备的同一印刷配线基板中，使用数量比以往少的配线连接切换部位而使输出电路的电路结构在灌电流型与拉电流型之间进行切换。

为了解决上述课题，本发明提供一种数字输出电路，该数字输出电路由内部绝缘电源电压进行驱动，并且由输出晶体管以及对被控制器处理后的信号进行响应的绝缘电路内的受光元件构成，该输出晶体管通过由所述受光元件输出的栅极信号，对与作为负载的输出设备连接的外部电源进行on/off控制，所述数字输出电路的特征在于，通过具有配线切换功能部以及逻辑调整功能部而在灌电流型的电路结构与拉电流型的电路结构之间对电路结构进行切换，该配线切换功能部对所述受光元件与所述输出晶体管的源极或者发射极之间的配线连接进行切换，该逻辑调整功能部根据所述输出晶体管的类型而对所述受光元件的输出逻辑的反转进行调整。

发明的效果

根据本发明，具有下述效果，即，能够得到一种数字输出电路，该数字输出电路能够在内置于工业设备的同一印刷配线基板中，通过另外设置对受光元件的输出逻辑进行反转的组件，从而使用数量比以往少的配线连接切换部位而使输出电路的电路结构在灌电流型与拉电流型之间进行切换。

附图说明

图1是表示本发明的实施方式涉及的工业设备以及与该工业设备连接的输出设备和外部电源的电路图。

图2是使用了高速型绝缘电路的灌电流型输出电路结构的实施例。

图3是使用了高速型绝缘电路的拉电流型输出电路结构的实施例。

图4是能够安装于实施方式1涉及的输出电路的p型场效应晶体管。

图5是能够安装于实施方式1涉及的输出电路的滤波电路。

图6是能够安装于实施方式1涉及的输出电路的滤波电路。

图7是能够安装于实施方式1涉及的输出电路的驱动电路。

图8是能够安装于实施方式1涉及的输出电路的驱动电路。

图9是能够安装于实施方式1涉及的输出电路的npn型双极晶体管。

图10是能够安装于实施方式1涉及的输出电路的pnp型双极晶体管。

图11是包含光电晶体管的绝缘电路，该光电晶体管能够安装于实施方式1涉及的输出电路。

图12是包含光电ic的绝缘电路，该光电ic能够安装于实施方式1涉及的输出电路。

图13是使用了具有光电晶体管的绝缘电路的灌电流型输出电路结构的实施例。

图14是使用了具有光电晶体管的绝缘电路的拉电流型输出电路结构的实施例。

图15是现有技术中的数字输出电路的电路结构。

具体实施方式

下面，参照附图详细地说明本发明的实施方式涉及的数字输出电路。此外，在本实施方式中，工业设备为可编程控制器，但能够实施本发明的方式并不限定于此。

实施方式1.

图1是表示实施方式1涉及的工业设备以及与该工业设备连接的输出设备和外部电源的电路图。图2以及图3是对在图1所示的输出电路中能够采用的2种电路结构进行例示的电路图。图2的电路结构对应于灌电流型，图3的电路结构对应于拉电流型。

参照图1，工业设备1具有：控制器5，其作为工业设备1的运算部起作用；绝缘电路7，其内置受光元件9，该受光元件9输出后述的栅极信号；以及输出晶体管13，其对外部电源17进行on/off控制。并且，工业设备1具有：印刷配线基板18，其安装配线以及电路元件，该电路元件包含绝缘电路7以及输出晶体管13；以及输出端子15及共用端子16，它们与输出电路2连接。控制器5作为工业设备1的运算部起作用，由未图示的内部电源进行驱动。绝缘电路7构成为具有受光元件9和发光元件8。受光元件9响应于由控制器5处理后的信号而向输出晶体管13输出栅极信号。输出晶体管13根据该栅极信号对向输出设备19的电源进行on/off控制。印刷配线基板18是对控制器5、绝缘电路7、输出晶体管13、电源连接用的端子24a、24b以及将上述各结构部之间电连接的配线进行安装的电路基板。

按照本实施方式而实现的输出电路2还在内置于工业设备1的印刷配线基板18之上具有配线切换功能部14，该配线切换功能部14对受光元件9与输出晶体管13的源极电极或发射极电极之间的配线进行切换。在图1中，配线切换功能部14由用于实现配线切换功能的2个配线切换机构即第1连接切换机构14a以及第2连接切换机构14b构成。此外，作为第1以及第2连接切换机构(14a、14b)，例示出跳线开关。另外，按照本实施方式而实现的输出电路2在印刷配线基板18之上还具有实现后述的逻辑判定调整功能的接口6。接口6是介于控制器5与绝缘电路7之间的接口电路，可作为能够按照输出晶体管13的类型对逻辑的反转进行调整的电路或者机构而进行安装。

在图1中，构成本实施方式的第1实施例的作为基本部分的主要功能部由下述部分构成，即：输出电路2，其由作为工业设备1的运算部的控制器5、接口6、作为滤波电路或者驱动电路起作用的调整电路12、绝缘电路7及输出晶体管13构成；绝缘电源电路4，其生成内部绝缘电源电压而施加至绝缘电路7；输出设备19，其与工业设备1连接；以及外部电源17，其是用于驱动输出设备19的电源。此外，接口6以及调整电路12构成逻辑调整功能部20。另外，图1中例示的调整电路12是滤波电路。

绝缘电源电路4具有用于对绝缘电路7以及输出晶体管13施加电源电压的电源输出端10a以及绝缘gnd端11a，并且与用于对发光元件8施加电源电压的电源端10b以及gnd端11b连接。电源输出端10a以及绝缘gnd端11a与电源端10b以及gnd端11b相互绝缘。此外，在图1中，设为从电源输出端10a连接+v1、从电源端10b连接+v2的电压，但也可以是v1＝v2。另外，如图所示，在作为与外部电源17独立的电源，为了使工业设备1的内部电路进行动作而使用专用电源25的情况下，还能够由升降压电路24对来自专用电源25的电源电压进行升降压，引入升降压后的电压，对来自专用电源25的电流进行绝缘，作为动作电压而供给至绝缘电源电路4。通过以上述方式对绝缘电源电路4进行电源供给，从而能够使绝缘电源电路4以如下方式起作用，即，将该升降压后的电压从电源输出端10a、电源端10b作为动作电压而施加至绝缘电路7。

如上所述，图2是与灌电流型相对应的工业设备1的电路结构例。特别是，在构成灌电流型的输出电路时，作为绝缘电路7，虽然图1中也已示出，但图2中是使用高速型的绝缘电路7a而构成的，作为输出晶体管13，虽然图1中也已示出，但图2中是使用作为n型场效应晶体管的输出晶体管13a而构成的，对于外部电源17，使用对输出晶体管13a的源极电极施加低电位侧的电压的外部电源17a。另外，在图2中，连接切换机构14b与输出晶体管13a的源极电极以及受光元件9的绝缘gnd端11a连接，第1连接切换机构14a设为未连接。这里，设想为第2连接切换机构14b具有0ω的电阻。

另外，如上所述，图3是与拉电流型相对应的工业设备1的电路结构例。与图2相同地，使用作为高速型的绝缘电路的绝缘电路7a，另一方面，作为输出晶体管13，使用图4所示的作为p型场效应晶体管的输出晶体管13b，对于外部电源17，使用对输出晶体管13b的源极电极施加高电位侧的电压的外部电源17b。另外，第1连接切换机构14a与输出晶体管13b的源极以及受光元件9连接而与受光元件9一起被施加电源电压+v1，第2连接切换机构14b为未连接。这里，设想为第1连接切换机构14a具有0ω的电阻。

本实施方式公开一种结构，即，能够在同一基板之上将输出电路2的电路结构在灌电流型与拉电流型之间进行切换。本实施方式通过下述方式而实现上述结构，即，按照在印刷配线基板18之上安装的输出晶体管13的类型，进行印刷配线各自的配线连接切换处理或者对部件安装在该印刷配线之上和没有安装在该印刷配线之上这两种状态之间进行选择。

下面，对本实施方式涉及的数字输出电路的要点进行说明。本实施方式使用与外部电源17(17a、17b)独立、且为了使工业设备1的内部电路进行动作而专门设置的专用电源25，使来自专用电源25的电源电压由升降压电路24进行升降压，由绝缘电源电路4对来自专用电源25的电流进行绝缘，从而将动作电压供给至绝缘电路7。另外，在同一印刷配线基板18之上，实现在灌电流型与拉电流型之间对输出电路2的电路结构进行切换的功能。该功能通过配线切换功能部14而实现。更具体地说明，本实施方式涉及的配线切换功能部14具有能够分别对应于n型的输出晶体管13a以及p型的输出晶体管13b而对2个部位的配线连接进行切换的配线切换功能部14。通过具有上述配线切换功能部14，本实施方式涉及的输出电路2在同一印刷配线基板18之上实现了灌电流型的电路结构和拉电流型的电路结构。

本实施方式中，在内置于工业设备1的同一印刷配线基板18中，除了配线切换功能部14之外，还另外设置有接口6，该接口6是对受光元件9的输出逻辑进行反转的组件。因此，在本实施方式中，与专利文献1相比，能够将配线连接的切换部位从4个部位削减为2个部位。另外，本实施方式能够设为，能够使用作为滤波电路或者驱动电路的调整电路12对由输出晶体管13的每个类型的特性差引起的响应速度差进行调整。本实施方式能够设为，能够使用接口6对与输出晶体管13的类型相应的逻辑的反转进行调整。因此，本实施方式能够对采用灌电流型电路结构的输出电路2与采用拉电流型电路结构的输出电路2之间的性能差进行调整。如以上所述，还能够为了对由输出晶体管13的每个类型的特性差引起的响应速度差或者逻辑的反转进行调整，而使用调整电路12或者接口6的任意者。因此，图1至图3所示的逻辑调整功能部20是将用于调整响应速度差或者逻辑的反转的调整电路12以及接口6这两者总称在一起的功能部。

下面，对内置印刷配线基板18的工业设备1的更详细的动作原理进行更具体的说明。本实施方式的数字输出电路安装有n型的输出晶体管，下面对不使用后述的接口6的逻辑反转功能的情况下的数字输出电路的动作进行说明。将与输出设备19连接的外部电源17设为on的动作的一个实施例如下所述。如果从控制器5输出的输出信号的电压电平从高电平变化为低电平，则电流流过绝缘电路7内的发光元件8，发光元件8点亮，从而受光元件9变为on，由于在从绝缘电源电路4生成的内部绝缘电源电压+v10a与绝缘gnd端11a之间产生的电位差，从而在输出晶体管13a的栅极－源极间或者基极－发射极间产生电位差，输出晶体管13a成为on状态，电流从与输出设备19连接的外部电源17流动至输出设备19。

与上述相同地，在设为不使用后述的接口6的逻辑反转功能的情况下，将与输出设备19连接的外部电源17设为off的动作的一个实施例如下所述。如果从控制器5输出的输出信号的电压电平从低电平变化为高电平，则电流变得不流过绝缘电路7内的发光元件8，所述发光元件8不点亮，由此受光元件9变为off，在输出晶体管13a的栅极－源极(基极－发射极)间不产生电位差，输出晶体管13a成为off状态，电流不从与输出设备19连接的外部电源17流动至输出设备19。

如前所述，对于使用n型输出晶体管的灌电流型电路结构，在本实施方式中，通过从输出晶体管13a的源极电极或者发射极电极观察而在栅极电极或者基极电极产生正的电位，从而能够使电流流过输出设备19。但是，对于使用p型输出晶体管13b的拉电流型电路结构，通过从输出晶体管13b的源极电极或者发射极电极观察而在栅极电极或者基极电极产生负的电位，从而能够使电流流过输出设备19。

在控制器5具有对输出晶体管的类型进行识别，根据该识别结果而对输出电压电平的逻辑进行变更的功能的情况下，能够省略接口6。相反，在控制器5不能对输出晶体管的类型进行识别而对输出电压电平的逻辑进行变更的情况下，对于n型或者p型的输出晶体管13而言，施加于源极电极或者发射极电极与栅极电极或者基极电极之间的信号的逻辑发生反转。因此，在控制器5不能对上述类型进行识别的情况下，本实施方式通过在接口6内使逻辑进行反转而能够进行逻辑调整。另外，接口6可作为能够根据输出晶体管13的类型而对逻辑的反转进行调整的任意机构进行安装。取而代之，对该逻辑进行调整的功能也可以作为内置于控制器5的功能、设置于控制器5外部的功能、向逻辑反转后的绝缘电路7b进行置换的功能、或者具有对绝缘后的逻辑进行调整的功能的调整电路12”b或者其他元件进行安装，但并不限定于此。

在对灌电流型的输出电路和拉电流型的输出电路进行切换时，将n型的输出晶体管由p型的输出晶体管置换，但为了将输出电路2的性能变得等同，能够利用互补的输出晶体管对已有的输出晶体管进行置换。另外，在本实施方式中，不限定于利用互补的输出晶体管实现的置换，也可以利用如特性相近的n型的输出晶体管和p型的输出晶体管这种相互处于管脚兼容关系的晶体管元件而对已有的输出晶体管进行置换。

在本实施方式中，由于n型的输出晶体管13a与p型的输出晶体管13b之间的特性的差异，对与输出设备19连接的外部电源17进行on/off切换的响应速度产生差异。因此，在本实施方式中，调整电路12通过对输出晶体管13a、13b的on状态或off状态的时间宽度进行变更，从而对响应速度进行调整。例如，在p型的输出晶体管的响应速度比n型的输出晶体管的响应速度慢的情况下，使用调整电路12内的电阻和电容器，针对p型的输出晶体管和n型的输出晶体管来变更元件的常数，从而能够调整响应速度差。对该响应速度差进行调整的功能可以通过能够对上述响应速度进行调整的任意机构进行安装。能够对该响应速度差进行调整的机构可以通过对向输出晶体管的栅极输出的栅极信号的on状态或off状态中任意者的时间宽度进行调整的图5的滤波电路12’a或图6的12’b、或者对响应速度进行调整的图7的驱动电路12”a或图8的12”b来实现。另外，能够对该响应速度差进行调整的机构还可以通过将控制器5设为对on/off控制的栅极信号宽度进行控制的结构来实现。另外，能够对该响应速度差进行调整的机构并不限定于此。但是，根据工业设备1的特定的规格或者输出电路的特定的结构，在无需调整响应速度差的情况下，有时能够省略对响应速度差进行调整的电路或功能。

此外，在本实施方式中，作为输出晶体管13a以及13b而使用了场效应晶体管，但还可以使用如图9的输出晶体管13’a或者图10的输出晶体管13b’这样的双极晶体管。

并且，假设为第1以及第2连接切换机构(14a、14b)具有0ω的电阻，但在本实施方式中，可以与输出电路2的类型匹配地选择性地对配线连接进行手动切换。另外，在本实施方式中，还可以采用下述机构，即，控制器5对输出电路2的电路结构的类型进行识别，根据该识别的结果而使用模拟开关或者模拟通道(channel)等，与输出电路2的电路结构的类型匹配地选择性地对配线连接进行切换。

还可以在输出端子15和共用端子16处插入二极管即保护电路、滤波电路，或者在输出晶体管13与绝缘电路7之间或绝缘电路7与控制器5之间设置使逻辑稳定的上拉电阻、下拉电阻或者抗噪音过滤器。

在绝缘电路7的受光元件9为图11的光电晶体管9’或者图1、图12的光电ic9a、9b的情况下，图13中示出具有灌电流型电路结构的输出电路的一个实施例。另外，在绝缘电路7的受光元件9为光电晶体管9’的情况下，图14中示出具有拉电流型电路结构的输出电路的一个实施例。

在图13中，输出晶体管13’a被用作n型的输出晶体管，连接切换机构14b与输出晶体管13’a的发射极和绝缘gnd端11连接，并且第1连接切换机构14a设为未连接。另外，在图14中，输出晶体管13’b被用作p型的输出晶体管，第1连接切换机构14a与输出晶体管13b的发射极和内部绝缘电源+v10a连接，第2连接切换机构14b设为未连接。

绝缘电路7的发光元件8并不限定于双方向型的发光元件，并且绝缘电路7只要是能够电绝缘的电路或者元件即可，可以为任意元件，受光元件9并不限定于光电晶体管或者光电ic。

由此，根据本实施方式，在内置于工业设备1的同一印刷配线基板18中，通过另外设置对受光元件9的输出逻辑进行反转的组件即逻辑调整功能部20，从而具有下述效果，即，能够得到一种数字输出电路，该数字输出电路能够使用数量更少的配线连接切换部位而在灌电流型与拉电流型之间对输出电路2的电路结构进行切换。

并且，根据本实施方式，能够实现在同一印刷配线基板18中，在使输出电路2的电路结构在灌电流型和拉电流型之间进行切换时，对灌电流型与拉电流型的元件特性的差异进行吸收的组件。因此，本实施方式具有下述效果，即，能够得到一种输出电路2，该输出电路2能够在使用较少数量的部件的同时，在灌电流型与拉电流型之间维持同一性能的状态下对电路结构进行切换。

为了对本实施方式和现有技术的数字输出电路方式进行比较，图15中示出电路结构，该电路结构示出专利文献1的主要功能部、与该主要功能部连接的输出设备、以及外部电源。图15中示出的专利文献1的输出电路方式是通过可编程控制器的切换动作而对外部电源与输出晶体管的基极电极之间的连接路径进行切换。由此，专利文献1的输出电路方式能够在同一基板之上使输出电路的电路结构在灌电流型与拉电流型之间进行切换。另外，专利文献2的输出电路方式是通过对专利文献1的印刷配线的连接路径进行切换，并且对绝缘电路封装件的安装位置进行切换，从而在同一基板对灌电流型的输出电路以及拉电流型的输出电路进行切换。

与通常的工业设备连接的输出设备用外部电源的电压范围多种多样，但在专利文献1以及专利文献2中，输出晶体管驱动用电源、连接至绝缘电路的电源与输出设备用外部电源相同。并且，在成为负载的输出设备为感性负载或者容性负载的情况下，工业设备内的输出电路受到输出设备的负载的不少影响。因此，根据与该工业设备连接的负载的种类的不同，工业设备内的输出电路有可能进行误动作。

并且，在输出电路中使用高速型的绝缘电路的情况下，需要另外设置电源以用于高速型的绝缘电路，对于绝缘电路驱动用电源和输出设备用外部电源，有时应当输出的电压的适当范围不同。因此，在绝缘电路驱动用电源和输出晶体管驱动用电源是与输出设备用外部电源从相同的电源供给电力的情况下，对于元件或者电源的选择而存在以下的限制。首先，与工业设备连接的输出设备依赖于高速型的绝缘电路所使用的驱动用电源应当输出的适当的电压范围，必须选择能够输出适当的电压范围的电源。另外，在使用高速型的绝缘电路时，需要选定在输出设备的外部电源能够输出的电压范围内正常地进行驱动的高速型绝缘电路。

并且，在绝缘电路驱动用电源和输出晶体管驱动用电源是与输出设备用外部电源从相同的电源供给电力的情况下，需要针对向多个输出设备分别供给电力的每个通道，从外部电源向与绝缘电路连接的端子实施配线。其结果，在专利文献1以及专利文献2的技术中，用于输出设备的连接的配线工时增加。另外，在从外部电源通过单一配线而向与绝缘电路连接的端子进行连接的情况下，所有通道的绝缘电路驱动用电流都会流过单一配线。因此，需要将对多个输出设备供给电力的通道的总数限制于单一配线所能够容许的电流范围内的通道数量，或者减小绝缘电路的驱动能力，因此存在输出电路的响应速度受到限制的课题。

但是，已知在为了使工业设备1的内部电路动作而使用与外部电源17不同的专用电源25的情况下，可以出于使来自专用电源25的电源电压由升降压电路24进行升降压，引入升降压后的电压，对来自专用电源25的电流进行绝缘这一目的，使用绝缘电源电路4。就该使用目的而言，能够以将该升降压后的电压作为动作电压而从内部绝缘电源+v10a和绝缘gnd端11a输出至绝缘电路7的方式使绝缘电源电路4起作用。

如果以上述方式使绝缘电源电路4起作用，则在本实施方式中，能够避免由于因输出设备19是感性负载或者容性负载引起的阻抗变动而使工业设备1内的输出电路2误动作的可能性。另外，即使外部电源17能够输出的电压范围与能够驱动绝缘电路7的电压范围不同，如果进行上述的绝缘和升降压，则能够向绝缘电路7供给适当的电压范围的电源电压。另外，通过进行绝缘电源电路4内的上述的电源的绝缘，从而不会在单一配线流过全部通道的绝缘电路7驱动用电流。因此，能够减少将输出设备19向工业设备1进行配线连接所需的配线工时而不受到由所要连接的输出设备的数量或者种类引起的限制。

由此，根据本实施方式，能够得到一种数字输出电路，该数字输出电路通过使用内部绝缘电源，从而减少配线连接所需的配线工时而不会限制输出设备的负载的种类以及绝缘电路驱动能力，能够实现输出电路2的响应速度的高速化而不会受到由所要连接的输出设备的数量或者种类引起的限制。

标号的说明

1工业设备，2输出电路，4绝缘电源电路，5控制器，6接口，7a高速型的绝缘电路，7b高速型的绝缘电路，7’通用型的绝缘电路，8发光元件，9受光元件，9a光电ic，9b光电ic(9a的逻辑反转)，9’光电晶体管，10a、10b电源输出端，11a、11b绝缘gnd端，12、12’a、12’b、12”a、12”b调整电路，13a输出晶体管，13’a、13b、13’b输出晶体管，14配线切换功能部，14a第1连接切换机构，14b第2连接切换机构，15输出端子，16共用端子，17外部电源，18印刷配线基板，19输出设备，20逻辑调整功能部，24升降压电路，25专用电源。