低功耗输入电路制造技术

本发明专利技术涉及低功耗输入电路。用于工业控制器等的I/O模块(14e)的输入电路(30)提供了用于精确控制通过光隔离器(44)的LED(42)的最大电流的分流调节器(38)。电流调节中的实质改进降低了光隔离器元件中的功耗。低电压分流电路(70)防止了来自分流调节器的泄露在低电压处激活光隔离器，从而允许提供附加的功耗节约的、更灵敏的光隔离器。

【技术实现步骤摘要】
对相关申请的交叉引用本申请要求美国临时申请62/143,286的权益，该美国临时申请在2015年4月6日提交，并通过引用合并于此。
本专利技术涉及工业控制系统，并且特别地涉及用于工业控制系统的I/O模块，这些I/O模块提供降低的功耗以及更紧凑的形状系数。
技术介绍
工业控制系统初始被开发为用于对工厂中的设备提供控制逻辑，这些设备进行操作以在装配线上或在批处理中生产产品。早期的工业控制系统利用对继电器进行模拟但使用编程语言的专用电路来代替继电器机架。目前的工业控制系统使用现代的电子计算机处理器和电路来继续这一进展，但与标准计算机的区别可能在于下述架构：该架构提出了对于高稳定性、安全性和对环境破坏和普通污染的抵抗性的要求。后者的关注一般意味着工业控制系统部件被设计成不具有冷却风扇或用于与外界空气连通的端口，从而使得低散热非常重要。工业控制系统必须在高度多样化的制造应用中工作。出于这一原因，工业控制系统通常使用模块化构造形式，其中，一个或多个模块化控制器与本地或远程的I/O模块以及在控制器与驱动工业处理的制动器和传感器的硬件之间提供实际接口的其他控制装置进行协作。一种类型的输入I/O模块作为接口进行操作，以从传感器等接收输入信号，该传感器提供指示低状态的第一电压范围内输出电压以及指示高状态的第二电压范围内的输出电压。通常，可以通过0伏与10伏之间的输入电压代表低状态，并且可以通过10伏至32伏之间的输入电压代表高状态。防止源于所控制的设备或处理中的高电压损坏工业控制系统是很重要的。出于这一原因，I/O模块通常包括隔离器。一种可能的隔离器是光隔离器(光隔离器/光耦合器)，其提供与光电检测器(例如光电二极管)绝缘并且电隔离的电致动的光源(LED)，其中该光电检测器与工业控制系统的剩余部分通信。光隔离器提供良好的共模抑制(即，取消出现在I/O模块的输入侧和地面二者之上的噪音)，并且保护工业控制系统免于可能意外地施加到该I/O模块的输入的极大电压输入。附接到I/O模块的不同装置可能具有不同的输出电压范围，其中高状态电压具有从低如5伏到30伏或更高的范围。适应于该电压范围而不超出光隔离器的电流容量的一种方法是使用串联限流电阻器。这种方法可能对于不同的输入电压范围需要不同的限流电阻器，并且因此对于不同的应用需要制造多个I/O模块。一个替选方式在被授予Bavol的美国专利6,043,703中公开，该专利转让给本专利技术的受让人并且通过引用合并于此。在该专利中，在I/O模块的一个输入和光耦合器的光源之间布置有基于晶体管的串联限流器，以在宽输入电压范围上限制到光耦合器的电流。串联电流的这一激活调节允许单个I/O模块在宽输入电压范围上工作。重要的是，光隔离器不被来自串联限流器的泄露电流所激活。为了确保这一结果，通常使用特别选择的或指定的光隔离器以具有相对更大的激活电流。
技术实现思路
本专利技术人认识到，可以通过提供“更平的”电流调节来获得散热的明显下降，其中可经由使用高增益比较器类型的调节器系统来提供上述“更平的”电流调节。通过降低随着输入电压上升的电流上升，功耗的增长与电压(电压降乘以电流)的平方关系可被降低为功耗的成比例增长，从而实质上降低典型功耗。本专利技术人还认识到，指定或选择具有高电流激活的光隔离器的需要不利地增加了产品中耗散的功率，例如可能趋向于抵消由改进的电流调节所提供的下降的功耗。因此，本专利技术还提供光隔离器旁路电路，其使泄漏电流绕过光隔离器而分流(否则该泄露电流将通过串联电流调节器)，从而允许使用低功耗光隔离器并对于光隔离器的选择提供更高的灵活性。因此，在一个实施例中，本专利技术提供了一种用于工业控制器的输入电路，其具有输入端子，所述输入端子用于接收感测电压以及提供所述输入端子之间的电流路径；并且该输入电路也具有隔离器，所述隔离器具有沿着所述输入端子之间的电流路径串联连接的隔离器输入，以使得所述输入端子之间的第一方向上的电流激活所述隔离器。激活限流器沿着所述电流路径而与所述隔离器输入串联布置，以限制通过所述隔离器输入的电流；并且，所述激活限流器提供比较器，所述比较器将与所述隔离器输入串联的感测电阻器的电压降与固定的电压基准相比较，以用于控制晶体管，该晶体管控制通过所述隔离器输入的串联电流。因此，本专利技术的至少一个实施例的特征是在I/O电路中提供高度稳定的限流以实质上降低功耗。所述激活限流器可以是由所述比较器的输出所控制的、与所述隔离器输入串联的限流晶体管。因此，本专利技术的至少一个实施例的特征是提供要直接插入隔离器的路径中的电流控制元件，该电流控制元件可以容易地适应于必需的功耗和电压范围。所述激活限流器可以是提供下述比较器的电压调节器，该比较器具有连接在所述感测电阻器的一侧的第一输入以及通过具有预定电压降的精确电压基准而连接到所述感测电阻器的第二侧的第二输入，并且其中，来自所述比较器的输出连接到所述限流晶体管的控制输入，以在所述感测电阻器两端的电压降超过预定水平的情况下从该控制输入吸取电流。因此，本专利技术的至少一个实施例的特征是使用标准的电分流调节器来提供高度稳定和精确的电流调节，从而降低功耗。所述比较器可以包括差分放大器电路，该差分放大器电路包括差分晶体管对。因此，本专利技术的至少一个实施例的特征是提供用于电流调节的简单的高增益电路。所述隔离器可以是光隔离器，并且所述隔离器输入可以跨越所述光隔离器的发光二极管而连接，并且所述光隔离器可以具有跨越光电传感器而连接的输出，所述光电传感器接收来自所述发光二极管的光以激活所述光电传感器在给定的光水平(light level)导通。因此，本专利技术的至少一个实施例的特征是提供对于光学隔离适应良好的电路，其中电流控制直接影响在发光二极管中的散热。该输入电路还可以包括齐纳二极管，该齐纳二极管与所述隔离器的输入串联，以在跨越所述输入端子而施加的、低于预定齐纳电压量的电压处阻止通过所述隔离器的电流。因此，本专利技术的至少一个实施例的特征是降低在未采用激活分流的情况下的低电压处的输入电路的错误触发。在一个实施例中，所述输入电路可以包括旁路电路，所述旁路电路在所述预定电压以下的电压处使来自所述激活限流器的电流旁路，否则该电流将会通过所述隔离器输入端子。因此，本专利技术的至少一个实施例的特征是对于光隔离器的选择提供更大的灵活性，例如，通过使光隔离器分流来防止光隔离器在低电流处被触发，而允许使用具有低激活电流或更广的激活电流变化的光隔离器。本专利技术的至少一个实施例的另一个特征是允许使用具有低激活电流的光隔离器，以允许较低水平的串联电流调节并且因而允许光隔离器中的较低的功耗。所述旁路电路可以在所述预定电压以下的电压处使来自所述激活限流器的电流旁路，否则该电流将会通过所述隔离器输入端子。因此，本专利技术的至少一个实施例的特征是适应于与较复杂的电流控制电路(例如比较器)相关联的泄露电流。所述预定电压可以在下述电压之下：该电压提供足以激活所述隔离器的通过所述隔离器输入的电流，或者所述预定电压可以在下述电压之上：该电压提供将会足以激活所述隔离器的来自所述激活限流器的电流。因此，本专利技术的至少一个实施例的特征是适应于较广范围的光隔离器的规格，并且通过对产生较广范围的激活电流的电压范围进行压缩来有效地使切换电压本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于工业控制器的输入电路，包括：输入端子，所述输入端子用于接收感测电压以及提供所述输入端子之间的电流路径；隔离器，所述隔离器具有沿着所述输入端子之间的电流路径串联连接的隔离器输入，以使得所述输入端子之间的第一方向上的电流激活所述隔离器；和激活限流器，所述激活限流器沿着所述电流路径而与所述隔离器输入串联布置，以限制通过所述隔离器输入的电流；其中，所述激活限流器提供比较器，所述比较器将与所述隔离器输入串联的感测电阻器的电压降与固定的电压基准相比较，以用于控制晶体管，该晶体管控制通过所述隔离器输入的串联电流。

【技术特征摘要】
2015.04.06 US 62/143,286;2016.01.26 US 15/006,5121.一种用于工业控制器的输入电路，包括：输入端子，所述输入端子用于接收感测电压以及提供所述输入端子之间的电流路径；隔离器，所述隔离器具有沿着所述输入端子之间的电流路径串联连接的隔离器输入，以使得所述输入端子之间的第一方向上的电流激活所述隔离器；和激活限流器，所述激活限流器沿着所述电流路径而与所述隔离器输入串联布置，以限制通过所述隔离器输入的电流；其中，所述激活限流器提供比较器，所述比较器将与所述隔离器输入串联的感测电阻器的电压降与固定的电压基准相比较，以用于控制晶体管，该晶体管控制通过所述隔离器输入的串联电流。2.根据权利要求1所述的输入电路，其中，所述激活限流器包括由所述比较器的输出所控制的、与所述隔离器输入串联的限流晶体管。3.根据权利要求2所述的输入电路，其中，所述激活限流器是提供下述比较器的电压调节器，该比较器具有连接在所述感测电阻器的一侧的第一输入以及通过具有预定电压降的精确电压基准而连接到所述感测电阻器的第二侧的第二输入，并且其中，来自所述比较器的输出连接到所述限流晶体管的控制输入，以在所述感测电阻器两端的电压降超过预定水平的情况下从该控制输入吸取电流。4.根据权利要求3所述的输入电路，其中，所述比较器包括差分放大器电路，该差分放大器电路包括差分晶体管对。5.根据权利要求4所述的输入电路，其中，所述隔离器是光隔离器，并且其中，所述隔离器输入跨越所述光隔离器的发光二极管而连接，并且所述光隔离器具有跨越光电传感器而连接的输出，所述光电传感器接收来自所述发光二极管的光以激活所述光电传感器在给定的光水平导通。6.根据权利要求5所述的输入电路，还包括齐纳二极管，该齐纳二极管与所述隔离器的输入串联，以在跨...

【专利技术属性】
技术研发人员：约瑟夫·瓦扎奇，特里·德洛里亚，
申请(专利权)人：洛克威尔自动控制技术股份有限公司，
类型：发明
国别省市：美国;US