低功率自限输入电路的制作方法
【专利摘要】公开了一种输入模块（30）的具有多个输入端（40）的输入电路（60）。每个输入电路（60）具有数量减少的部件，在与现有技术输入模块（30）尺寸相当的输入模块（30）内提供了数量增加的输入端（40）。可选地，输入模块（30）与现有技术输入模块（30）相比尺寸减小但却可具有相同数量的输入端（40）。部件数量的减少同样降低了由每个输入电路（60）消耗的功率。
【专利说明】低功率自限输入电路
【技术领域】
[0001]本文所公开的主题总体上涉及用于控制工业机器和过程的工业控制器，更具体地涉及配置成接收来自受控的机器或过程的信号的输入电路。
【背景技术】
[0002]在工业和商业应用中采用工业控制器来控制机器和过程的操作。通常，工业控制器执行所存储的控制程序，以根据从机器或过程中的传感器所接收的输入信号来生成控制机器或过程中的致动器的输出信号。
[0003]工业控制器不同于传统计算机之处在于，提供经历了预定最大延迟的实时控制。另外，工业控制器一般以高度模块化方式来构建，以允许这些工业控制器的硬件根据不同的控制应用来定制。在后一方面中，至工业控制器的输入和自工业控制器的输出一般由输入/输出(I/o，input/output)模块来处理，输入/输出(I/O)模块可以以不同的组合附接至工业控制器，从而为受控的机器提供必要的电气接口。每个输入模块通常包括提供多个传感器中的一个传感器与工业控制器之间的物理连接和电气连接的独立输入电路。通常，输入模块的输入电路在插入到输入模块中的电路板上组合在一起。
[0004]对本【技术领域】中的普通技术人员来说已知的是，输入电路通常在受控的过程或机器与工业控制器之间提供光学隔离。光学隔离防止机器侧上的杂散电流或过电流损害工业控制器。输入电路还必须满足某些操作标准，例如接受一定范围的输入电压和/或输入电流，并且保证逻辑真或接通，即，高于某个电压和/或电流的状态，以及逻辑假或断开，即，低于某个电压和/或电流的状态。因此，开发了输入电路以满足这些操作标准。
[0005]参考图3，例示了个别现有技术输入电路2。现有技术输入电路2包括齐纳二极管4，齐纳二极管4作为浪涌抑制器来操作，以限制通过输入电路2的其余部分看到的电压幅度。电流源6包括两个晶体管Ql、Q2和两个电阻器R3、R4，并且配置成对提供至输入电路2的其余部分的电流进行控制。输入电路2还包括两个限流电阻器R1、R2以及包括电容器Cl和电阻器R5的滤波器电路，该滤波器电路向光耦合器8提供输入电压。如所例示的，该电路包括总共十二个部件，每个部件消耗一定量的功率。另外，其上面将安装输入电路2的电路板需要十二个部件中的每个部件的放置空间以及部件之间的互连空间。
[0006]随着受控的机器或过程的复杂度增加，设置越来越多的传感器以对操作进行监视。因此，工业控制器需要数量相应增加的配置成接收每个传感器的输入信号的输入电路。输入模块的数量和/或每个输入模块的输入电路的数量也必须增加。增加输入模块的数量增加了控制盒中需要的空间，而在输入模块中增加输入电路的数量增加了模块中消耗的功率。每个模块中消耗的功率的至少一部分作为热量消耗，这就需要另外的散热片、风扇或其它冷却方法以从输入模块传递额外的热量。从而，将期望提供一种具有更低功耗并且在电路板上需要更小空间的输入电路。
【发明内容】
[0007]本文所公开的主题描述了输入模块的具有多个输入端的输入电路。每个输入电路具有数量减少的部件，在与现有技术输入模块尺寸相当的输入模块内提供了数量增加的输入端或者提供了与现有技术输入模块相比尺寸减小但却具有相同数量输入端的输入模块。部件数量的减小同样降低了由每个输入电路消耗的功率。
[0008]根据本发明的一个实施例，工业控制器的输入电路包括配置成接收电压的第一端子和第二端子，并且第一端子相对于第二端子配置成电压的正端子。具有阴极和阳极的齐纳二极管经由阴极电连接至第一端子。输入电路还包括具有阴极和阳极的限流二极管以及具有光发射器和光传感器的光耦合器。限流二极管的阳极电连接至齐纳二极管的阳极，并且光发射器串联地电连接在限流二极管的阴极与第二端子之间。
[0009]根据本发明的另一实施例，工业控制器中的输入模块的输入电路包括:配置成接收直流(DC)电压范围的输入端、电连接至输入端以在DC电压施加于输入端时操作在击穿区的齐纳二极管、与齐纳二极管串联地电连接以在DC电压施加于输入端时操作在限流模式下的限流二极管、以及具有输入端和光隔离的输出端的光耦合器。光耦合器的输入端电连接至串联连接的齐纳二极管和限流二极管，并且当DC电压施加于输入端时，光耦合器的光隔离的输出端生成与逻辑真相对应的信号，以及当从输入端去除DC电压时，光耦合器的光隔离的输出端生成与逻辑假相对应的信号。
[0010]根据详细的描述和附图，本发明的这些优点和特征以及其它优点和特征对本领域中的普通技术人员将变得明显。然而，应当理解的是，详细的描述和附图尽管表明了本发明的优选实施例，但这些优选实施例是通过例示的方式而不是限制的方式给出。在不偏离本发明的思想的情况下，可以在本发明的范围内做出很多变化和修改，并且本发明包括所有这样的修改。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]在附图中例示了本文所公开的主题的各种示例性实施例，其中所有附图中相同的附图标记表示相同的部件，在附图中:
[0012]图1是例示结合了本发明的一个实施例的输入模块的示例性工业控制器的等轴分解视图；
[0013]图2是根据本发明的一个实施例的提供多个DC输入电路的图1的简化输入模块的框图；
[0014]图3是现有技术输入电路的示意性表示；
[0015]图4是根据本发明的一个实施例的输入电路的示意性表示；以及
[0016]图5是图3和图4中的输入电路中的每个电路在不同的电压下所吸取的电流进行比较的图示。
[0017]在描述附图中所例示的本发明的各个实施例中，为了清楚起见，将采用特定术语。然而，不应将本发明限制于所选择的特定术语，应当理解的是，每个特定术语包括以相似方式操作以完成相似目的的所有技术等同物。例如，经常使用词语“连接”、“附接”或与此相似的术语。这些词语不限于直接连接，而是包括通过其它元件的连接，在这种情况下，本领域的普通技术人员人员认为这样的连接是等同的。【具体实施方式】
[0018]首先回到图1，结合了本发明的一个实施例的示例性工业控制器10包括至少一个输入模块30。在实现“底架I/O”的第一实施例中描绘了输入模块30,其中,输入模块30具有壳体32,壳体32可以连同其它输入模块(未不出)、输出模块(未不出)和/或包括电源14和可编程逻辑控制器16的其它模块一起可滑动地容纳在底架12内。底架12可以具有背板18，背板18设置由沿着底架12的后壁延伸的背板总线22互连的一组可拆卸的电连接器
20。当输入模块30放置在底架12内时，输入模块30的壳体32的后部上的相应的连接器34与可拆卸的连接器20相匹配，可拆卸的连接器20提供例如可编程逻辑控制器16与输入模块30的电路之间的电连接。总线22通常是提供高效的多位通信的高速串行总线。为了这个目的，工业控制器10的其它模块诸如电源14、可编程逻辑控制器16以及其它输入和/或输出模块(未示出)可以具有类似的连接器，20和34。
[0019]输入模块30的前面板34可以借助于转门36打开以显露一组螺栓端子40，电线可以连接至螺栓端子40，以将输入模块30的内部输入电路连接至各种传感器26或提供与受控的过程的操作状态相对应的输入信号28的其它器件。指示灯38对应于不同输入电路中的每个输入电路并因此对应于特定输入端子40，并且定位成透过前面板34上的挡板39可见。
[0020]现在参考图2,输入模块30在输入端子40处接收输入信号28。每个输入信号28由输入电路60转换成数字信号42。根据本发明的一个实施例，每个数字信号42表示逻辑真或逻辑假状态，其中，逻辑真状态是正电压而逻辑假是名义上的零电压。指示灯38通过适当的放大电路连接至数字信号42以向用户提供特定信号42的状态的视觉指示。另外，数字信号42均提供至编码器电路50，编码器电路50接收数字信号42并且将它们转换成适合于经由背板18和输入模块30的外壳32的后部上的连接器34传送至可编程逻辑控制器16的格式。尽管仅示出了四个输入电路60，但是输入模块30可以具有八个、十六个、三十二个或各种其它数量的输入电路60以及对应的一组输入端子40和输入电路60。
[0021]接下来转向图4，根据本发明的一个实施例的输入电路60包括一对输入端子40。第一端子44配置成接收输入信号，而第二端子46配置成提供返回路径，完成提供输入信号28的器件26与输入模块30之间的电路。可选地，第二端子46可以是接地端子或公共端子，其中，公共端子通常约零伏，但不可以直接连接至地。根据又一实施例，第二端子可以在输入模块30的内部，并且是在多个输入电路60的第二端子46之间做出的公共接头。输入电路60还包括齐纳二极管62、限流二极管70以及光耦合器80，光耦合器80还称为光隔离器。齐纳二极管62包括阴极64和阳极66，其中，阴极64电连接至第一端子44。限流二极管70包括阳极72和阴极74，其中，限流二极管70的阳极72电连接至齐纳二极管62的阳极66。光稱合器80包括诸如发光二极管(LED)的光发射器82、光传感器86以及在光发射器82与光传感器86之间的专用光路84。光发射器串联地电连接在限流二极管70的阴极74与第二端子46之间。光传感器86的输出端90传输数字信号42。
[0022]在操作中，器件26生成与受控的机器或过程的操作状态相对应的输入信号28。输入信号28传输至输入模块30的输入端子40中的一个端子。输入信号28是优选地在10-32V DC范围内的直流(DC)电压，并且在第一端子44处接收。输入信号的电流的幅值优选地大于或等于2mA。第二端子46连接至公共电压(voltage potential),公共电压通常近似零伏。根据本发明的一个实施例，第二端子连接至接地。
[0023]当输入信号28出现在第一端子44处时，第一端子44与第二端子46之间的电压使得齐纳二极管62操作在其击穿区。在击穿区中操作期间，在齐纳二极管62两端的电压大于其击穿电压，并且齐纳二极管允许电流反向流经二极管。根据本发明的一个实施例，选择了近似3V DC的击穿电压。然而，在不偏离本发明的范围的情况下，可以选择击穿电压变化的齐纳二极管。因此，当分别在第一端子44与第二端子46之间的电压小于击穿电压时，齐纳二极管62阻止电流流经输入电路60，并且当分别在第一端子44与第二端子46之间的电压大于击穿电压时，齐纳二极管62允许电流流经输入电路60。
[0024]当输入信号28出现在第一端子44处时，第一端子44与第二端子46之间的电压还使得限流二极管70操作在其限流区。限流二极管70需要使限流二极管70开始传导电流时的最小电压。随着在限流二极管70两端的电压从最小电压小幅增加，通过限流二极管70传导的电流的幅值从零快速上升至最大电流值。随着在限流二极管70两端的电压继续增加，通过限流二极管70传导的电流的幅值保持基本恒定。根据应用要求来选择由限流二极管70传导的电流的幅值。根据本发明的一个实施例，选择限流二极管70来传导与光耦合器80中的LED光发射器82的预期正向电流对应的约2mA电流。然而，在不偏离本发明的范围的情况下，可以选择电流额定值变化的限流二极管。
[0025]光耦合器80提供适合传输至可编程逻辑控制器16的隔离数字信号42。通过适当的电压——通常约0.7V DC，以及在LED光发射器82处出现的正向电流，LED82生成光子，光子转而经由专用光路84传输至光传感器86。如果LED光发射器82处的电压增加，则LED82继续生成基本上恒定的光子流，使得隔离数字信号42不受在LED82两端的突然瞬态电压尖峰的影响。
[0026]根据本发明的一个实施例，输入电路60将一定范围的DC输入电压转换成具有比图3中示出的现有技术电路2更少的成分和更低的功率等级的隔离数字信号42。电路元件的比较示出了现有技术电路2需要十二个器件，而根据例示的实施例的输入电路60仅需要三个器件。因此，根据本发明的例示的实施例的输入电路60实现了用于安装每个器件以及用于在器件之间布置电线或互连的电路板的面积上的显著减小。
[0027]还是参考图4，根据本发明的例示的实施例的输入电路60与现有技术电路2相比以降低的功耗来操作。曲线100示出了在本发明的例示的实施例的输入电路60中传导的电流。可在输入端子40处出现的操作电压的整个范围(例如，5-32V DC)中，限流二极管70保持基本恒定的2mA。相反，现有技术电路在5V DC处传导2mA，而在32V DC处电流缓慢增加至约4.5mA。如本领域中已知的，DC电路中消耗的功率通过电流的幅值乘以电压的幅值来确定。因此，在相同电压范围内，现有技术电路2比根据本发明的例示的实施例的输入电路60传导更多的电流，造成更大的功率损失。
[0028]应当理解的是，本发明在其应用中不限于在本文中所阐述的部件的结构和布置的细节。本发明能够具有其它实施例或能够以各种方式来实践或执行。前述的变化和修改在本发明的范围内。还应当理解的是，本文所公开和定义的本发明扩展至所提到的或根据正文和/或附图而显见的两个或更多个个别特征的所有可选组合。所有这些不同的组合构成本发明的各种可选方面。本文所描述的实施例解释了用于实践本发明的已知最好模式，并且将使本领域其他普通技术人员能够利用本发明。[0029]部件列表
[0030]
【权利要求】
1.一种工业控制器的输入电路，包括: 配置成接收电压的第一端子和第二端子，其中，所述第一端子相对于所述第二端子配置成所述电压的正端子； 具有阴极和阳极的齐纳二极管，所述阴极电连接至所述第一端子； 具有阴极和阳极的限流二极管，所述限流二极管的阳极电连接至所述齐纳二极管的阳极；以及 具有光发射器和光传感器的光耦合器，所述光发射器串联地电连接在所述限流二极管的阴极与所述第二端子之间。
2.—种工业控制器中的输入模块的输入电路,包括: 配置成接收直流(DC)电压范围的输入端； 齐纳二极管，所述齐纳二极管电连接至所述输入端以在所述DC电压施加于所述输入端时?呆作在击芽区； 限流二极管，所述限流二极管与所述齐纳二极管串联地电连接以在所述DC电压施加于所述输入端时操作在限流模式下；以及 具有输入端和光隔离的输出端的光耦合器，其中，所述输入端电连接至串联连接的所述齐纳二极管和所述 限流二极管，并且当所述DC电压施加于所述输入端时，所述光隔离的输出端生成与逻辑真相对应的信号，以及当从所述输入端去除所述DC电压时，所述光隔离的输出端生成与逻辑假相对应的信号。
3.根据权利要求2所述的输入电路，其中，所述DC电压的范围在10伏与32伏之间。
4.根据权利要求3所述的输入电路，其中，所述输入端处的电流的幅值大于或等于2毫安。
5.根据权利要求2所述的输入电路，其中，所述输入端包括第一端子和第二端子。
6.根据权利要求5所述的输入电路，其中，所述第一端子配置成接收所述DC电压范围内的电压，以及所述第二端子配置成连接至公共端和接地端之中的一个。
7.根据权利要求6所述的输入电路，其中，所述第二端子是所述输入电路与所述输入模块上的至少一个其它输入电路之间的共享接头。
8.根据权利要求6所述的输入电路，其中，所述第一端子和所述第二端子均配置成容纳所述输入模块外的电导线。
9.根据权利要求6所述的输入电路，其中，所述第一端子配置成容纳所述输入模块外的电导线，而所述第二端子配置成在所述输入模块内进行连接。
【文档编号】H03K19/0175GK104022774SQ201410023719
【公开日】2014年9月3日 申请日期:2014年1月17日 优先权日:2013年1月17日
【发明者】约瑟夫·瓦扎奇, 特里·L·德洛里 申请人:洛克威尔自动控制技术股份有限公司