CN103425063A - 用于工业控制的具有生成和吸收性能及低热耗的输出模块 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了用于工业控制的具有生成和吸收性能及低热耗的输出模块。与工业控制器一起使用的I/O电路提供在控制器与I/O电路的现场侧之间通信的光伏光学隔离器，光伏光学隔离器排除了由高电压场信号对I/O电路的现场侧进行供电时对高瓦特功率下降的电路的需求。场效应晶体管型晶体管允许使用低功率光伏光学隔离器，从而能够灵活地连接至各种现场电路类型。

Description

用于工业控制的具有生成和吸收性能及低热耗的输出模块
技术领域
本发明涉及用于工业控制系统的I/O模块，具体地涉及可以灵活地适应交流（AC）或直流（DC）功率的数字控制的低散热I/O模块。
背景技术
工业控制器是用于例如在工厂环境中控制工业过程或机器的专用计算机系统。工业控制器在很多方面不同于传统的计算机。物理上，他们被构造成基本上更强地抵抗撞击和损坏，并更好地抵御外部污染物和极端环境条件。处理器和操作系统被优化为用于实时控制，并且执行使现成的程序定制能够与各种不同的控制器应用相适应的语言。此外，控制器具有高度模块化体系结构，使得不同数量和不同类型的输入和输出模块能够被用于将控制器连接至要控制的过程或机器。通过使用与高可靠和可用的实时通信相适应的专用“控制网络”来推动该模块化。通过保证最大通信延迟（例如，由预先调度网络的带宽和/或对于高可用性提供冗余通信能力来获得），这样的控制网络（例如，以太网IP）与标准的通信网络（例如，以太网）不同。
作为其增强的模块化的一部分，工业控制器可以利用专用于特定类型的电信号和功能（例如，检测输入AC或DC信号或控制输出AC或DC信号）的I/O模块。这些I/O模块中的每个可以具有使得他们连同其他所选择的I/O模块能够以不同的组合被安装到壳体或机架中以满足特定应用的要求的连接器系统。多个机架可以位于接近受控过程或机器的方便控制点处，以经由专门的控制网络（例如以太网IP）与中央工业控制器进行通信。
通常，需要不同的I/O模块来控制AC和DC信号以反映用于信号的控制装置（例如，三端双向可控硅开关元件与晶体管）中的差异。根据DC信号是从DC输出模块“生成（sourced）”还是“吸收（sinked）”到DC输出模块中，可能需要不同的I/O DC模块。
通常，与工业控制器（控制器侧）通信的I/O模块的电路系统和与受控过程或机器（现场侧）通信的电路系统在光学上隔离，以防止现场侧的故障损坏工业控制系统或其他I/O模块。对于输出电路（例如，AC输出或DC输出电路），可能必须提供独立于在控制器侧上可用的功率、用于现场侧电路的操作的低压DC源。这通常，通过使用降压电阻将受控于I/O模块的高电压转换成适于向现场侧电路供电的较低电压来实现。这种降压电阻通常体积较大以处理所需的功耗，并且必须被隔开以帮助耗散伴生的热。
通常通过三端双向可控硅开关元件或晶闸管来提供AC电压的控制，三端双向可控硅开关元件或晶闸管可以通过依赖于受控AC信号的相移方案的常规触发电路来在AC信号的过零处进行转换（以减少电气开关噪声和功耗）。
发明内容
本发明提供了I/O模块的输出电路，其通过使用光伏光学隔离器消除了对用于生成现场侧功率的高瓦特、功率下降的电阻器的需求，光伏光学隔离器通过光能转换来生成自己的电功率。通过使用高压场效应晶体管替代传统的三端双向可控硅开关元件来切换受控功率，来使光伏光学隔离器的使用变得可行。通过有源下拉晶体管检测控制电压下降的开始来对与光伏光学隔离器的低功率输出和场效应晶体管的高阻抗有关的慢关断时间进行管理。使用FET使得该电路能够被用于AC和DC生成（sourcing）和DC吸收（sinking）操作。
可以通过使用独立的过零检测器来实现过零检测，使得能够通过基于与波形过零的可变相位关系而切换波形来灵活地控制AC波形。
更具体地，本发明的一种实施方式提供了一种用于在工业控制系统的I/O模块电路，该I/O模块电路具有壳体，壳体支承的端子，该端子用于接收要由I/O模块电路进行控制的电功率。包含在壳体中的电路包括：至少一个场效应晶体管，场效应晶体管具有在端子之间串联的源极和漏极以根据由场效应晶体管的栅极所接收的信号来控制流经端子的电流；光伏电压光学隔离器，其具有连接至场效应晶体管的栅极的光伏堆并且与发光二极管光学隔离；以及可释放的电连接器，其也由壳体支承，并且接收表示I/O模块的端子处的电功率的期望控制的信号。
因此，本发明的至少一种实施方式的特征在于，提供一种输出I/O模块，该I/O模块不需要用于形成现场侧功率的降压电阻器。本发明的至少一种实施方式的特征在于，提供一种降低热耗的I/O模块，从而允许更紧凑的设计和/或取消冷却功能例如，风扇或易受故障或环境污染物影响的风扇。
包含在壳体中的电路可以包括两个串联连接的FET，并且光伏堆从两个串联连接的FET的被连接源极的连接点连接至两个串联连接的FET的栅极。
因此，本发明的至少一种实施方式的特征在于，提供一种通用输出，该通用输出可以用于控制AC和DC吸收和DC生成的控制配置。本发明的至少一种实施方式的特征在于，提供一种实际上可以由光伏堆供电的高阻抗固态器件。
I/O模块电路还可以包括在第一FET和第二FET的栅极与两个串联连接的FET的连接点之间连接的有源下拉晶体管。
因此，本发明的至少一种实施方式的特征在于提供FET的快速关断以减少关断期间FET中的功耗。
I/O模块电路还可以包括将光伏堆与有源下拉晶体管和FET的栅极的连接分离的二极管，并且有源下拉晶体管的控制输入可以在二极管的与FET的栅极的相对的侧上连接至光伏堆。
因此，本发明的至少一种实施方式的特征在于，提供一种快速关断FET的系统，当FET处于导通状态时该系统并不提供大的负载（或功耗）。本发明的至少一种实施方式的特征在于，当驱动电压衰减直到启动快速关断时保持FET处于完全导通状态，因此进一步减少FET中不必要的功耗。
I/O模块电路还可以包括在光伏堆两端的下拉电阻。
因此，本发明的至少一种实施方式的特征在于，提供一种灵活控制机制和确保系统的关断速度。
I/O模块电路还可以包括连接至端子的过零检测器，以对连接至端子的AC波形的过零进行检测，从而在与AC波形的过零相关的时刻控制FET的切换。
因此，本发明的至少一种实施方式的特征在于，提供一种电路，该电路可以在控制功率的过零期间或在时间上与控制功率的过零相距预定偏移量时进行快速导通或关断，以减少功耗或电气干扰或对用于功率控制等的AC信号进行调制。
I/O模块电路还可以包括电子电路，电子电路接收过零检测器的输入和表示I/O模块的端子处的电功率的期望控制的信号，并且操作来控制在发光二极管上施加表示I/O模块的端子处的电功率的期望控制的信号，以便与AC波形的过零一致。
因此，本发明的至少一种实施方式的特征在于，允许在过零与晶体管的切换之间灵活地变化相位关系，以便于新颖的控制应用。
在一种实施方式中，本发明提供相对于控制侧功率浮动的现场侧功率，使得输出晶体管能够用于吸收或生成模式而不需要专门的跳线等。
具体地，本发明可以提供一种用于工业控制系统的I/O模块电路，I/O模块电路具有壳体以及包含在壳体中的电路，壳体具有由壳体支承的端子以接收由I/O模块电路进行控制的电功率。该电路可以提供至少一个场效应晶体管，场效应晶体管具有在端子之间串联的源极和漏极以根据由场效应晶体管的栅极所接收的第一信号控制流经端子的电流。由壳体支承的可释放电连接器接收表示I/O模块的端子处的电功率的期望控制的第二信号，并且功率隔离器在第一控制器侧接收第二信号并且在第二现场侧提供输出功率以及传送第二信号的信息的第一信号。输出功率由在功率隔离器的第一控制器侧处接收的输入电功率来得出，但相对于该输入功率被隔离和浮动，以及第一信号相对于第二信号被隔离和浮动。
因此，本发明的至少一种实施方式的特征在于，通过相对于外部现场侧功率和其连接浮动栅极控制，允许输出FET用于吸收或生成配置中。
在本发明的一种实施方式中，本发明提供了一种使用电磁耦合的隔离的现场侧功率源。
具体地，本发明可以提供一种用于工业控制系统的I/O模块电路，I/O模块电路具有壳体以及包含在壳体中的电路，壳体具有由壳体支承的端子以接收由I/O模块电路进行控制的电功率。该电路可以包括：至少一个场效应晶体管，场效应晶体管具有在端子之间串联的源极和漏极以根据由场效应晶体管的栅极所接收的第一信号来控制流经端子的电流；以及至少一个与变压器耦合的隔离器，其接收参考第二信号且相对于第二信号隔离的输入电功率，以提供参考相对于第二信号浮动的第一信号的输出电功率。
因此，本发明的至少一种实施方式的特征在于，使用磁耦合提供从控制侧到现场侧的基本上隔离的功率传递，以提供与低阻抗驱动相应的FET的快速导通和关断时间。
这些特定的目的和优点可以适用于落入权利要求范围内的仅一些实施方式，因此不限定本发明的范围。
附图说明
图1为适合于与本发明一起使用的远程I/O机架类型的透视图，其示出了包含有用于经由端子与工业过程通信和经由网络线缆与远程工业控制器通信的多个I/O模块的机架壳体；
图2为示出工业控制系统包含多个远程I/O机架和工业控制器的情形下图1的I/O机架的框图；
图3为远程I/O机架的模块图，其示出了用于将安装在机架中的I/O模块附接至与网络电缆和电功率连通的公共总线的连接器，并且示出了提供功率控制电路和由微控制器控制的过零电路的一个I/O模块；
图4为图3的功率控制模块的详细示意图，功率控制模块例如可以接收控制信号以在输出端子处控制AC或DC信号；
图5为在受控功率的关断期间在功率控制模块内的点处的两个波形的图表，示出了有源下拉晶体管在快速关断受控功率时的动作；
图6a至图6c为在本发明的I/O模块与受控的电路系统之间的可能的不同连接配置，示出了在生成和吸收配置中用于控制AC和DC信号的配置；
图7为实现本发明的一部分的电路板的分解透视图，示出了可替代的FET模块；
图8为与图3类似的图，示出了DC输出模块；
图9为图8的功率控制模块的详细示意图，所述功率控制模块例如可以接收控制信号以在输出端子处控制DC信号；
图10为在图9的电路中使用的磁隔离器的简化框图；
图11a和图11b为与图6b和图6c类似的图，示出了功率控制模块的输出的可能的生成和吸收配置；以及
图12为与图7类似的图，示出了关于图8的配置的可替代的FET模块。
具体实施方式
现参照图1和图2，I/O机架10可以设置具有多个开口14的机架壳体12，以用于定向和支承相应的可替换I/O模块16。通常I/O模块16在工业控制器17与工业过程或机器18之间提供电气接口，工业过程或机器18具有由外部现场侧电源22供电的、表示为负载20的致动器，所述电源22可以是如以下描述的AC源（如图所示）或DC源。I/O模块16中的每个可以具有用于将I/O模块16的电路系统经由电导体26连接至工业过程或机器18的负载20和现场侧电源22的暴露的螺栓型端子24或类似的可释放的端子。
I/O机架10的壳体12可以支承在例如本领域中已知类型的DIN导轨29上或可以设置使得壳体12能够位于所期望的受控负载20附近的其他安装配置。I/O机架10可以经由控制网络28（例如，以太网IP）连接至工业控制器17，以在I/O机架10的I/O模块16与工业控制器17之间进行控制数据的通信。
通常，工业控制器17将包括至少一个处理器30，处理器30执行包含在通信存储器34中的被存储的控制程序32以提供与控制网络28的通信，从而与I/O机架10交换信号，以根据被存储的控制程序32控制工业过程或机器18。被存储的控制程序32读取表示工业过程或机器18的状态的信号（来自传感器等）并且向I/O机架10写入输出，以根据这些感测的输入或控制程序32的逻辑来控制负载20。工业控制器17可以包括至用户接口端子35（例如，包括显示器、计算机、键盘和鼠标等）的连接，从而允许对工业控制器17的编程和其他控制以及向操作者提供信息输出。适合用于本发明的工业控制器17包括，例如来自罗克韦尔（Rockwell）自动化公司的市售的可编程控制器。
每个I/O机架10的一些I/O模块16可以包括在工业过程或机器18的电路系统和电功率与I/O模块16的直接连接部分和包括工业控制器17、网络28、机架10和I/O模块16的其余部分的工业控制系统的电路系统之间设置的隔离层36（由图2中的相同附图标记的虚线表示）。在隔离层36朝向工业过程或机器18的侧的电路系统将被称为“现场侧”电路系统并且在朝向工业控制器17的电隔离侧的电路系统将被称为“控制器侧”电路系统。如本领域中所理解的，电隔离可以通过光学隔离器或变换器来实现，所述光学隔离器或变换器在现场侧电路系统故障的情况下防止DC经过隔离层36传导以防止对控制器侧电路系统的损坏。该隔离防止控制器侧与现场侧的电路之间的电功率通过跨越隔离层36的导体而简单地公用。
I.AC输出模块
现参照图3，每个I/O机架10可以提供背板40，背板40提供与背板总线44通信的且在电力上可释放的一组电连接器42，背板总线44提供并行或串行数字通信和电功率。电功率可以由电源43提供。背板总线44上的数字通信可以由机架控制器46来调节，所述机架控制器46包括与工业控制网络28通信的网络电路45。机架控制器46和网络电路45可以是例如执行存储在存储器等中的被存储程序的一个或更多个电子处理器。
形成背板总线44的电连接器42可以与位于每个I/O模块16的后面的相应的电连接器47连接，使得当I/O模块16被插入I/O机架10中时在I/O机架10的控制器侧电路系统与I/O模块16的控制器侧电路系统之间形成电连接以便在他们之间直接传送数据和功率。在每个I/O模块16内，模块控制器48可以通过与多个输出电路52和相应的单个公用过零检测器电路或多个过零检测器电路54通信来执行被存储程序50以协调I/O模块16的功能。这些输出电路52和过零检测器电路54中的每个可以在内部提供在控制器侧与现场侧电路系统之间的隔离层36，如将描述的那样。这些输出电路52和过零检测器电路54中的每个还与公用的端子组24（为了清楚仅示出了三个）连通，所述端子24可以是例如可释放地接收电导体26的螺栓型端子。通常，端子24中的两个将连接至线电压（在需要用于过零检测的情形下）并且第三个端子24将提供开关输出。
如本技术领域中将理解的，过零检测器电路54对施加到连接至线电压的端子24的波形进行过零检测，以产生被传送至模块控制器48并且表示端子24上的AC波形的过零定时的过零信号55。过零检测器电路可以是多种不同电路类型中的任何类型，例如，通过驱动传统的光耦合器的全波整流器来接收AC信号的电路。光耦合器的输入可以与在AC信号的过零附近提供开关操作的电压阈值敏感装置（例如，齐纳二极管或正确配置的晶体管）串联，以在AC信号的过零附近产生脉冲过零信号55。
接收该过零信号55的模块控制器48（基于信号56）为每个输出电路52提供表示对（基于信号56）端子24处的电功率的期望控制的开关状态信号56。在一种操作模式下，端子24之间的传导（开关状态）通过输出电路52（通过打开或闭合端子24之间的电路）仅在端子24上的AC波形的过零处进行改变，以减少对通过端子24所传导的功率进行控制的内部开关元件中的功耗以适应开关元件特性的体系结构（例如，当使用晶闸管时），和/或减少电磁干扰的生成。
在另一种操作模式下，端子24之间的传导可以通过输出电路52（再次通过打开或闭合端子24之间的电路）在离过零预定的偏移量处来改变。这通过以脉冲宽度调制的方式（大多数情形下），利用不同的占空比，使AC信号接通或关断来允许交流信号的调制，例如以对到负载的功率进行控制。不同于传统的三端双向可控硅开关元件电路系统，FET晶体管76和78可以在AC波形周期中的任何点处接通或关断。
现参照图4，输出电路52可以在例如PNP晶体管60的基极处接收来自控制器17的开关状态信号56。PNP晶体管60又可以驱动光伏光耦合器64中的LED62。PNP晶体管60的发射极例如可以连接至作为正DC电压的控制器侧电源67，并且PNP晶体管60的集电极可以通过限流电阻器65连接至LED62的阳极，LED62的阴极连接至控制器侧电源67的接地端。当晶体管60导通时，来自LED62的光可以在包括一组串联连接的光二极管的光伏堆66上生成电压。光伏堆66可以在连接至电路点B的光伏堆66的阳极处提供相对于光伏堆66的阴极的正电压，光伏堆66的阴极连接至场电路内部接地68。从而，信号56处施加的电压导致电路点B处的电压增加。如下面将描述的，设置旁路电阻器81以对光伏堆66进行分流，从而增加电路的响应时间。
将电路点B连接至二极管70的阳极和PNP下拉晶体管74的基极72，PNP下拉晶体管74的集电极连接至现场电路内部接地68并且PNP下拉晶体管74的发射极在电路点A处与二极管70的阴极连接。电路点A又连接至两个背靠背串联连接的金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）76和78的栅极。晶体管76使其漏极连接至第一端子24，使其源极连接至第二晶体管78的源极。第二晶体管78使其漏极连接至第二端子24。晶体管78和76之间的连接点连接至场电路内部接地68。设置MOV限压装置80，以对端子24进行分流从而保护晶体管76和78不受来自负载存储的电感能量和导体26的高压尖峰的损害。
晶体管76和78串联连接，使得当晶体管76在第一象限模式下导通时，晶体管78在第三象限模式下导通。如果极性相反，晶体管76将在第三象限模式下导通而晶体管78将在第一象限模式下导通。对于n沟道器件，第一象限模式为漏极正且源极负，第三象限为源极正且漏极负。
现参照图4和图5，可以理解的是，当LED62导通（在时刻t0之前）时，电路点B处的电压82上升到关断下拉晶体管74的高态，并且在基本上等于电压82的电压84处，偏置点A以及晶体管76和78的栅极上升到类似的高状态。该晶体管76和78的偏置使得端子24之间的电流能够通过晶体管76和78双极导通。
当LED62为断开（在时刻t0之后）时，由于流经旁路电阻器81的电流对光伏堆66进行分流，点B处的电压82下降。当点B处的电压82下降时，借助于二极管70的阻断作用以及晶体管76和78的栅极的高阻抗，点A处的电压仍然相对较高，从而晶体管76和78继续在低阻抗导通模式下导通。只要点B处的衰退中的电压82仍高于晶体管导通电压86，则下拉晶体管74反向偏置以保持关闭，从而保持电压84的电压电平A。当点B处的电压下降到低于电压86时，下拉晶体管74导通，迅速地将电压电平A拉至接地电平附近。在这些晶体管的关断期间，这种快速关断将减少晶体管76和78中的功耗。注意，在借助于旁路电阻器81使点B处的波形的延迟相对短的情形下，晶体管76和78的关断和导通可以与AC波形的过零点同步。
现参照图6a至图6c，如图所示，MOSFET晶体管76和78的使用允许负载20和现场侧电源22以及至I/O模块16的端子24的连接的具有多种不同的配置。在传统的AC控制情形中，根据图6a，AC现场侧电源22可以连接在现场侧接地与端子24和负载20中的一个之间，负载20连接在剩余端子24与现场侧接地85之间。类似地，但没有示出，负载20可以放置在所示的包括在现场侧电源22与端子24之间的路径的电路路径中的其他位置处。在这种方式，可以获得通用的AC信号控制。
应当强调的是，与现场侧电源22相关联的接地（外部现场侧接地85）与上面所描述的内部现场侧接地68是不同的，并且这两个接地不应当连接。内部现场侧接地68相对于外部现场侧接地85浮动的性能提供了电流电路的灵活性。
参照图6b，对于包括DC现场侧电源22’的DC电路的控制，在现场侧电源22’的正极端与一个端子24之间连接负载20并且剩余的端子24连接至接地端的情形下I/O模块16可以作为“吸收”模块。可替代地，如图6c中所示，现场侧电源22’的正极端可以直接连接至端子24并且剩余的端子24可以连接至负载20，然后负载20以所谓的“生成”模式引向接地。
现参照图7，在一种实施方式中，输出电路52可以提供与多个可移除的模块92和92’相关联的印刷电路板90，可替代地，模块92和92’可以例如通过印刷电路板90上的电连接插座94和模块92或92’上的相应的引脚96来可释放地附接至印刷电路板90。模块92可以保持具有第一电压或电流特性（例如，高电压操作）的FET晶体管76和78并且模块92’可以保持具有不同的电压或电流特性（例如，比晶体管76和78更高的电流操作但更低的电压操作）的FET晶体管76’和78’。印刷电路板90可以保持输出电路52的剩余电路系统，使得FET晶体管76和78能够通过简单地插入模块92或92’中的一个或另一个来在高电压FET晶体管与低电压高电流FET晶体管之间进行选择。以这种方式，通过在分销商或在现场更换模块92或92’，单个I/O模块16可以提供范围广泛的不同接口类型，包括如以上关于图6所讨论的以不同方式配置的AC和DC电压两者并且具有不同的电压或电流要求。
应当理解的是，可以对电路做出很多修改，包括例如使用具有其他固态开关元件配置的光伏光耦合器64，所述其他固态开关元件配置包括例如使漏极和源极连接在端子24之间的单个MOSFET。
Ⅱ.DC输出模块
现参照图8，在备选实施方式中，形成背板总线44的电连接器42可以与位于专用DC输出I/O模块100的后面的相应电连接器47连接。如上面所讨论的，当I/O模块100被插入I/O机架10中时，这些互连可以使得I/O机架10的控制器侧电路系统与I/O模块100的控制器侧电路系统之间能够电连通，以直接在他们之间通信数据和功率。
在每个I/O模块100内，模块控制器48可以执行被存储程序50，以通过与多个输出电路102进行通信来协调I/O模块100的功能。与上面所讨论的AC I/O模块16一样，如将要描述的，这些输出电路102可以在内部提供在控制器侧与现场侧电路系统之间的隔离层36。通常，这些输出电路102中的每个也与公用端子组24（为清楚起见，仅示出了两个）连通，所述端子24可以是例如可释放地接收电导体26的螺栓型端子。
模块控制器48为每个输出电路102提供表示端子24处所期望的电功率控制的开关状态信号56。
现参照图9，每个DC输出电路102可以在提供隔离层36的功率/数据磁隔离器104的控制侧数据输入103处接收来自控制器48的开关状态信号56。开关状态信号56以隔离的方式被中继到现场侧数据输出110，以将来自开关状态信号56的信息通信到现场侧数据输出110。
数据也可以以相反的方向经过功率/数据电磁隔离器104从现场侧数据输入112流向隔离的控制器侧数据输出114，类似地，将在现场侧数据输入112处接收的数据以隔离的方式中继到控制器侧数据输出114。
通常，功率/数据磁隔离器104也可以接收控制器侧功率源106，例如，隔离层36（参照相对于接地150隔离并且浮动的控制器接地152）的控制器侧上的DC电压，并且可以提供现场侧功率输出108，现场侧功率输出108提供由控制器侧功率106（例如，通过DC至DC转换）得出的相同的或不同的DC电压。
还参照图10，在一种实施方式中，功率/数据磁隔离器104可以提供第一隔离变压器118a和第二隔离变压器118b，每个变压器分别具有相应的初级绕组120（120’）和次级绕组122（122’），其中，隔离变压器118a使其初级绕组120在隔离层36的控制器侧上并且使其次级绕组122在隔离层36的现场侧上，并且变压器118b使其初级绕组120’在隔离层36的现场侧上并且使其次级绕组122’在隔离层36的控制器侧上。
可以理解的是，在初级绕组120（120’）与次级绕组122（122’）之间通信的电功率（和数据）将被隔离（表示对于绕组之间的操作电压没有DC电导通路径），以及次级绕组处的电功率将相对于初级绕组处的电压“浮动”（通常表示对于输出电路102内的这两个电压，接地参考点之间不存在DC连接）。
可以通过功率/数据磁隔离器104，在振荡器124处将控制器侧功率106变换成驱动第一变压器118a的初级绕组120的交流波形来传送电功率。相应的振荡的AC波形将在次级绕组122处接收，次级绕组122可以由整流器126和电压调节器130进行处理以提供DC功率输出108。DC功率输出的特定电压将取决于变压器118a的匝数比、电压调节器130的调节电压，所述电压调节器130可以包括例如通过振荡器124的隔离反馈控制进行的DC至DC转换。
通过例如向调制器132提供数据、将二进制脉冲串转换成在传送脉冲串时的高频脉冲，数据可以通过功率/数据电磁隔离器104例如从控制器侧数据输入103被传送。这些高频信号可以由连接至次级绕组122的解调器134接收，以在现场侧数据输出110处提供数据。通常，通过功率/数据磁隔离器104传送的电功率可以向解调器134提供功率和缓冲输出，使得在现场侧数据输出110上的数据被表达为与通过标准逻辑门所获得的电信号类似的电信号。
类似地，在现场侧数据输入112接收到的数据可以在调制器136处接收以被传送至隔离变压器118b的初级绕组120’，进而被传送至与变压器118b的次级绕组122’相连的相应的解调器138，从而被提供给控制器侧数据输出114。
例如，可以使用提供由CMOS电路等的平面层分离的平面线圈的集成电路技术来实现变压器118a和118b。适合于该目的的功率/数据磁隔离器104可以是来自美国马萨诸塞州诺伍德市的模拟装置公司的、商标名称为ADuM5201的产品。
再次参照图9，以隔离的方式经过功率/数据磁隔离器104传送的信号56可以传送经过电阻器140到达金属氧化物半导体场效应（MOSFET）晶体管142的栅极。晶体管142使其漏极连接至第一端子24以及使其源极连接至DC I/O模块100（在图8中示出）的第二端子24。限压保护元件144（例如，齐纳二极管或MOV）可以跨接在漏极至源极上，以保护晶体管142免受高于晶体管142的漏极至源极输出电压的、施加到端子24上的高电压尖峰的损害。
在一种实施方式中，晶体管142可以是通过内部晶体管结构提供电压钳位、电流限制和温度保护中的一种或更多种的自动保护的晶体管。在过高温的情况下，例如，从漏极与源极之间经过晶体管142的路径会断开，栅极与源极之间的路径可以通过内部保护机制使用低电阻来分流。适合在本申请中使用的MOSFET晶体管可以是来自瑞士日内瓦城的意法半导体公司的、商标名称为OmniFet II的产品。
通过使用PNP晶体管146，可以检测到晶体管142的这个和其他类似的故障情况，该PNP晶体管146使其基极通过电阻器141连接至电阻器140与晶体管142的栅极的连接点并且使其发射极连接至电阻140与功率/数据磁隔离器104的现场侧数据输出110的连接点。晶体管146的集电极通过电阻器148连接至与隔离层36的控制器侧上的相应的接地152（为控制器侧功率106提供参考）隔离的接地输出150（为输出108提供参考）。电阻器148和晶体管146的集电极之间的连接点连接至现场侧数据输入112。
在晶体管142的正常操作期间，由于晶体管142的栅极的高阻抗，晶体管146的发射极和基极可以基本上处于相等的电势（无论高电压或低电压）。在这种状态下，晶体管146将被关断，并且现场侧数据输入112处的电压将是低的，表示无故障情况。
当晶体管142发生故障时，栅极经过低电阻到达源极的分流相对于晶体管146的发射极而降低晶体管146的基极上的电压（当现场侧数据输出110处于其高态），从而导致晶体管146导通，升高现场侧数据输入112处的电压。现场侧数据输入112处的电压以隔离的方式被中继到控制器侧数据输出114，以向控制器48提供所连接的晶体管142处于故障情况下的指示。
现参照图11a和图11b，如上面所讨论的，由浮动的栅极电压供电的MOSFET晶体管142的使用允许负载20和现场侧电源22与I/O模块100的端子24的连接具有多种不同的配置。这些配置是可行的，因为MOSFET晶体管142的栅极处的信号（Vgs）不依赖于现场侧电源22，从而至端子24的连接不会受到现场侧电源22的不同配置的影响。参照图11a，对于包括DC现场侧电源22’的DC电路的控制，在现场侧电源22’的正极端与一个端子24（连接至晶体管142的漏极）之间连接负载20并且剩余的端子24连接至外部接地85的情形下I/O模块100可以作为“吸收”模块。可替代地，如图11b中所示，现场侧电源22’的正极端可以直接连接至端子24并且剩余的端子24可以连接至负载20，然后负载20以所谓的“生成”模式引向接地85。
现参照图12，如上面所讨论的，在一种实施方式中，输出电路100可以提供与多个可移除的模块92和92’相关联的印刷电路板90，可替代地，模块92和92’可以例如通过印刷电路板90上的电连接插座94和模块92或92’上的相应的引脚96来可释放地附接至印刷电路板90。模块92可以保持具有第一电压或电流特性（例如，高电压操作）的FET晶体管142并且模块92’可以保持具有不同的电压或电流特性（例如，比晶体管142更高的电流操作但更低电压操作）的FET晶体管142’。印刷电路板90可以保持输出电路100的剩余电路系统，使得FET晶体管142能够通过简单地插入模块92或92’中的一个或另一个来在高电压FET晶体管与较低电压较高电流FET晶体管之间进行选择。以这种方式，通过在分销商或在现场更换模块92或92’，单个I/O模块100可以提供范围广泛的不同的电压或电流要求。
应当理解的是，可以对电路做很多修改，包括例如使用具有其他固态开关元件配置的单个MOSFET的光伏光耦合器64，所述固态开关元件配置包括例如使其漏极和源极连接在端子24之间。
III.AC和DC输出模块
尽管在上面的实施方式中关于切换外部现场侧AC和DC功率的FET晶体管进行了描述，但可以理解的是，FET晶体管也可以用于切换一般的模拟信号（AC或DC），或有效地提供模仿继电器等的操作的无跳动接触。
在本文中使用的某些术语仅用于参考的目的，因此并非意在限制。例如，如“上”、“下”、“上方”和“下方”等术语是指附图中所参考的方向。如“前面”、“背面”、“后面”、“底部”和“侧”等术语描述在一致但任意参照系内部件的部分的取向，其通过参照描述所讨论的部件的文本和相关附图而变得清晰。这些术语可以包括上面具体提及的词语、其派生词以及类似的外来词汇。类似地，术语“第一”、“第二”以及其他涉及结构的这类数值术语并不意味着顺序或次序，除非通过文字明确地表示。
当介绍本公开内容的元素或特征以及示例性实施方式时，冠词“一”、“一个”、“该”和“所述”意在表示存在一个或更多个这样的元素或特征。术语“包括”、“包含”和“具有”意在包括性的并且意指除那些具体提及的之外的元素或特征还可以存在另外的元素或特征。还应该理解，本文所描述的方法步骤、过程和操作不应被解释为必需以所讨论或示出的顺序来执行，除非被具体说明按该执行顺序。还要理解，可以采用另外的或替代的步骤。
“微处理器”和“处理器”或“该微处理器”和“该处理器”的引用可以被理解为包括一个或更多个微处理器，该一个或更多个微处理器可以在单机和/或分布式环境中进行通信并且因此可以被配置为经由有线或无线通信来与其他处理器进行通信，其中这样的一个或更多个处理器可以被配置为在可以是相同或不同的装置的一个或更多个处理器控制的装置上进行操作。此外，除非另有规定，否则存储器的引用可以包括一个或更多个处理器可读且可访问的存储元件和/或部件，其可以在处理器控制的装置内部、在处理器控制的装置外部、以及可以通过有线或无线网络进行访问。
与本发明同日提交的并且被转让给与本发明相同的受让人的题为“用于工业控制的具有低热耗的输入电路（Input Circuit For IndustrialControl With Low Heat Dissipation）”序列号_____________和题为“用于工业控制的具有低热耗的过零检测器（Zero-Crossing Detector ForIndustrial Control With Low Heat Dissipation）”序列号_____________的共同未决的专利申请，其全部内容通过引用并入本文。
要特别注意，本发明不限于本文所包含的实施方式和描述，并且权利要求书应当被理解为包括属于所附权利要求的范围的那些实施方式的修改形式，包括实施方式的部分以及不同实施方式的元素的组合。本文所描述的所有出版物（包括专利和非专利出版物）的全部内容通过引用并入本文。

Claims (33)

1.一种用于工业控制系统的I/O模块电路，包括：
壳体；
端子，所述端子由所述壳体支承，用于接收由所述I/O模块电路控制的电功率；以及
包含在所述壳体中的电路，设置有：
至少一个场效应晶体管，所述场效应晶体管具有在所述端子之间串联的源极和漏极，以根据由所述场效应晶体管的栅极所接收的第一信号来控制流经所述端子的电流；
输入，所述输入由所述壳体支承，接收表示所述I/O模块的端子处的电功率的期望控制的第二信号；
功率隔离器，所述功率隔离器在第一控制器侧接收第二信号并且在第二现场侧提供输出功率以及传送所述第二信号的信息的第一信号；
其中，所述输出功率由在所述功率隔离器的第一控制器侧所接收的输入电功率来得出，但相对于所述输入功率被隔离并且浮动；以及
其中，所述第一信号相对于所述第二信号被隔离并且浮动。
2.根据权利要求1所述的I/O模块，其中，所述输入电功率由所述第二信号得出。
3.根据权利要求2所述的I/O模块，其中，所述功率隔离器包括从所述第二信号所驱动的光源接收光的光伏堆，以及其中，所隔离的输出电功率和第一信号通过所述光伏堆将光转换成电能来产生。
4.根据权利要求1所述的I/O模块，其中，所述输入电功率独立于所述第二信号。
5.根据权利要求4所述的I/O模块，其中，所述功率隔离器包括具有受所述第二信号驱动的至少一个变压器的初级绕组的至少一个变压器，以及其中，所隔离的输出电功率和所述第一信号由所述变压器的次级绕组产生。
6.一种用于工业控制系统的I/O模块电路，包括：
壳体；
端子，所述端子由所述壳体支承，用于接收由所述I/O模块电路控制的电功率；以及
包含在所述壳体中的电路，设置有：
至少一个场效应晶体管，所述场效应晶体管具有在所述端子之间串联的源极和漏极，以根据由所述场效应晶体管的栅极所接收的信号来控制流经所述端子的电流；
光伏电压光学隔离器，所述光伏电压光学隔离器具有连接至所述场效应晶体管的栅极的光伏堆并且与发光二极管光学隔离；以及
输入，所述输入由所述壳体支承，接收表示所述I/O模块的端子处的电功率的期望控制的信号，所述信号控制流经所述发光二极管的电流。
7.根据权利要求6所述的I/O模块电路，其中，包含在所述壳体中电路包括两个串联连接的场效应晶体管，以及其中，所述光伏堆在所述两个串联连接的场效应晶体管的源极的连接点与所述两个串联连接的场效应晶体管的栅极之间相连。
8.根据权利要求7所述的I/O模块电路，其中，所述两个场效应晶体管相连接，第一场效应晶体管的漏极连接至第一端子，所述第一场效应晶体管的源极连接至第二场效应晶体管的源极，并且所述第二场效应晶体管的漏极连接至第二端子。
9.根据权利要求7所述的I/O模块电路，其中，所述两个场效应晶体管由与所述电路的电路板通信的第一模块支承，所述第一模块以可释放的方式电连接至所述电路板，并且还包括也以可释放的方式电连接至所述电路板的第二模块并且保持具有不同的电压或电流限制的两个不同的场效应晶体管。
10.根据权利要求8所述的I/O模块电路，还包括在所述第一场效应晶体管和所述第二场效应晶体管的栅极与所述两个串联连接的场效应晶体管的连接点之间连接的有源下拉晶体管。
11.根据权利要求10所述的I/O模块电路，还包括将所述光伏堆与所述有源下拉晶体管至所述场效应晶体管的栅极的连接分离的二极管，以及其中，所述有源下拉晶体管的控制输入在所述二极管的与所述场效应晶体管的栅极相对的侧上连接至所述光伏堆。
12.根据权利要求6所述的I/O模块电路，还包括在光伏堆两端的下拉电阻器。
13.根据权利要求6所述的I/O模块电路，还包括连接至所述端子的过零检测器，用于对连接至所述端子的AC波形的过零进行检测，以在临近所述AC波形的过零时刻控制所述场效应晶体管的开关。
14.根据权利要求13所述的I/O模块电路，还包括电子电路，所述电子电路接收所述过零检测器的输入和表示所述I/O模块的端子处的电功率的期望控制的信号，并且操作来控制在所述发光二极管上施加表示所述I/O模块的端子处的电功率的期望控制的信号，以便与所述AC波形的过零一致。
15.根据权利要求6所述的I/O模块电路，其中，所述端子为螺栓型端子。
16.根据权利要求6所述的I/O模块电路，还包括支承多个I/O模块电路的机架，每个I/O模块电路与网络通信电路连接以接收来自远程工业控制器的表示所述I/O模块的所述端子处的电功率的期望控制的信号；其中，所述机架包括用于在所述机架中定向和支承所述I/O模块的元件。
17.一种工业控制系统，包括：
工业控制器，所述工业控制器具有至少一个处理器，所述处理器执行存储的程序以接收反映连接的工业过程的状态的输入信号并且提供输出信号，所述输出信号提供所连接的工业过程的状态的期望控制；
网络，所述网络提供协议以确保在与所述工业控制器通信的网络系统上的数据通信中的所保证的最大延迟，以与所述工业控制器通信输入信号和输出信号；
I/O模块，所述I/O模块与所述网络系统通信以与所述网络系统交换所述输入信号和所述输出信号，所述I/O模块还包括：
壳体；
端子，所述端子由所述壳体支承，用于接收由所述I/O模块电路控制的电功率；以及
包含在所述壳体中的电路，提供：
至少一个场效应晶体管，所述场效应晶体管具有在所述端子之间串联的源极和漏极，以根据由所述场效应晶体管的栅极所接收的信号来控制流经所述端子的电流；
光伏电压光学隔离器，所述光伏电压光学隔离器具有连接至所述场效应晶体管的栅极的光伏堆并且与发光二极管光学隔离；以及
输入，所述输入由所述壳体支承，接收表示所述I/O模块的端子处的电功率的期望控制的信号，所述信号控制流经所述发光二极管的电流。
18.根据权利要求17所述的I/O模块电路，其中，包含在所述壳体中的电路包括两个串联连接的场效应晶体管，以及其中，所述光伏堆从所述两个串联连接的场效应晶体管的被连接的漏极和源极处的连接点连接至所述两个串联连接的场效应晶体管的栅极，以及其中，所述两个场效应晶体管相连接，第一场效应晶体管的源极连接至第一端子，所述第一场效应晶体管的漏极连接至第二场效应晶体管的源极，并且所述第二场效应晶体管的漏极连接至第二端子。
19.根据权利要求18所述的I/O模块电路，还包括在所述第一场效应晶体管和所述第二场效应晶体管的栅极与所述两个串联连接的场效应晶体管的被连接的漏极和源极处的连接点之间连接的有源下拉晶体管。
20.根据权利要求19所述的I/O模块电路，还包括将所述光伏堆与所述有源下拉晶体管至所述场效应晶体管的栅极的连接分离的二极管，以及其中，所述有源下拉晶体管的控制输入在所述二极管的与所述场效应晶体管的栅极相对的侧上连接至所述光伏堆。
21.根据权利要求20所述的I/O模块电路，还包括在光伏堆两端的下拉电阻器。
22.一种控制在具有I/O模块的工业控制系统中的信号的方法，所述I/O模块包括：
壳体；
端子，所述端子由所述壳体支承，用于接收由所述I/O模块电路控制的电功率；以及
包含在所述壳体中的电路，提供：
至少一个场效应晶体管，所述场效应晶体管具有在所述端子之间串联的源极和漏极，以根据由所述场效应晶体管的栅极所接收的信号来控制流经所述端子的电流；
光伏电压光学隔离器，所述光伏电压光学隔离器具有连接至所述场效应晶体管的栅极的光伏堆并且与发光二极管光学隔离；以及
可释放电连接器，所述可释放电连接器由所述壳体支承，接收表示所述I/O模块的端子处的电功率的期望控制的信号，所述信号控制流经所述发光二极管的电流；
所述方法包括以下步骤：
（a）将与要被控制的负载串联的外部电功率源连接至所述端子；以及
（b）接收来自远程工业控制器的表示所述端子处的电功率的期望控制的信号。
23.根据权利要求22所述的方法，其中，步骤（a）将与所述负载串联的AC电压源连接至所述端子。
24.根据权利要求22所述的方法，其中，步骤（a）将正DC电压连接至一个端子并且将负载连接至第二端子。
25.根据权利要求22所述的方法，其中，步骤（a）将与正DC电压串联的负载连接至一个端子并且将所述DC电压的接地连接至第二端子。
26.一种用于工业控制系统的I/O模块电路，包括：
壳体；
端子，所述端子由所述壳体支承，用于接收由所述I/O模块电路控制的电功率；以及
包含在所述壳体中的电路，提供：
至少一个场效应晶体管，所述场效应晶体管具有在所述端子之间串联的源极和漏极，以根据由所述场效应晶体管的栅极所接收的第一信号来控制流经所述端子的电流；
至少一个变压器耦合隔离器，所述变压器耦合隔离器接收参考第二信号且相对于所述第二信号被隔离的输入电功率，以提供参考相对于所述第二信号浮动的第一信号的输出电功率；以及
可释放电连接器，所述可释放电连接器由所述壳体支承，接收表示所述I/O模块的端子处的电功率的期望控制的第二信号。
27.根据权利要求26所述的I/O模块，其中，所述场效应晶体管具有连接至所述端子的源极和栅极。
28.根据权利要求26所述的I/O模块，其中，所述场效应晶体管在高功率条件下提供所述栅极至源极的保护分路以及所述漏极至所述源极的开路。
29.根据权利要求28所述的I/O模块，其中，变压器耦合隔离器还在第二侧接收第三信号并且在第一侧提供源自所述第三信号的被隔离的第四信号，以及其中，所述第三信号提供所述栅极的电压的表示。
30.根据权利要求29所述的I/O模块，其中，变压器耦合隔离器经由电阻器连接至所述栅极，并且还包括具有在所述电阻器与所述栅极之间连接的基极的晶体管以提供所述第三信号。
31.根据权利要求30所述的I/O模块，其中，所述晶体管包括连接在第一点与引向地的第二电阻器之间的发射极和集电极，所述第一点在所述电阻器与所述功率隔离器之间，以及其中，所述第三信号在所述晶体管与所述第二电阻器之间的连接点处被获得。
32.根据权利要求26所述的I/O模块，其中，通过调制传送中的窄脉冲而从所述第二信号到所述第一信号的功率隔离信息表示所述第二信号的状态的变化。
33.根据权利要求26所述的I/O模块，其中，所述功率隔离器提供DC至DC转换器。
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