CN103885382B - 一种带过流保护的plc输出电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带过流保护的PLC输出电路，与外部负载及电源单元连接，所述PLC输出电路包括依次连接的开关控制电路以及过流保护电路，所述过流保护电路包括过流检测电路、锁定电路、与门电路以及串联连接在所述外部负载及电源单元之间的开关管和检测电阻。实施本发明的有益效果是：通过在PLC输出电路中增加过流保护电路，可以选用较低功率的开关管Q，从而降低了成本，并有利于提高其开关速度；当发生短路或者过流时，过流检测电路检测到的电压值大于基准电压，此时通过锁定电路锁定输出，从而控制开关管Q关断，达到过流保护的目的，使用元器件少，结构简单，成本低廉。

Description

一种带过流保护的PLC输出电路

技术领域

本发明涉及PLC数字量输出领域，更具体地说，涉及一种低成本的带过流保护的PLC输出电路。

背景技术

PLC(Programmable logic Controller，可编程逻辑控制器)是一种专门在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置，具有高的抗干扰能力和带负载能力，并得到了广范的应用。它采用可编程的存储器存储程序、执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。但是在实际应用中，有可能将有功率限制的PLC数字输出端口误接到大功率的负载，或者因负载损坏而发生短路等情况，从而造成端口过流烧毁，带来售后服务的麻烦。因此，对PLC输出采取过流保护措施十分必要。

目前市场上的PLC输出典型电路如图1所示，直接采用大功率场效应管Q0，该大功率场效应管Q0连接在开关控制电路2和外部负载及电源单元1之间。外部负载及电源单元1包括外部直流电源Vdc和负载电阻RL；开关控制电路2包括光耦U0、隔离DC-DC变换器U以及反向缓冲器U1。其中，光耦U0的输入端连接数字输入信号，光耦U0的输出端连接反向缓冲器U1的输入端，反向缓冲器U1由PLC内部电源经隔离DC-DC转换后进行供电，缓冲器U1的输出端连接大功率场效应管Q0的栅极，在数字输入信号为高电平时，开关控制电路输出高电平，大功率场效应管导通，在数字输入信号为低电平时，开关控制电路输出低电平，大功率场效应管关断。因此上述的PLC输出电路在外部负载及电源单元中的负载RL短路或者过流时使外部负载及电源单元中的直流电源进入打隔保护状态来实现总保护。

此外，也有通过在PLC内部采用集成电路，如运放、比较器等器件对PLC输出实现过流保护。

但上述两种方式分别存在以下缺陷：1)在PLC内部不对PLC输出进行过流保护，而是直接采用大功率场效应管，但大功率场效应管需要降额较大，在正常使用下浪费较大，而且对于外部直流电源的功率是不可预知的，无法对所有短路或者过流情况进行保护，同时对于PLC开漏输出，采用大功率器件将会导致其寄生电容较大，开关速度较慢；2)采用集成电路对PLC输出进行过流保护，其成本过高。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种低成本的带过流保护的PLC输出电路，该PLC输出电路与外部负载及电源单元连接，所述PLC输出电路包括依次连接的开关控制电路以及过流保护电路，所述过流保护电路包括过流检测电路、锁定电路、与门电路以及串联连接在所述外部负载及电源单元之间的开关管和检测电阻；

所述过流检测电路与所述检测电阻并联连接，用于将流过所述检测电阻的电流转换为相应的电压值；

所述锁定电路根据过流检测电路(31)检测到的电压值与基准电压进行比较，用于在检测到的电压值大于基准电压时进入锁定状态，输出低电平信号给所述与门电路；

所述与门电路根据接收到的低电平信号控制所述开关管关断。

在上述PLC输出电路中，所述开关管为N沟道场效应管；所述开关管的栅极与所述与门电路的输出端连接，所述开关管的漏极与所述外部负载及电源单元的正接线端连接，所述开关管的源极与所述检测电阻的一端连接，所述检测电阻的另一端与所述外部负载及电源单元的负接线端连接并接地。

在上述PLC输出电路中，所述过流检测电路包括第一电阻和第二电阻；所述第一电阻和所述第二电阻串联连接在所述检测电阻之间。

在上述PLC输出电路中，所述过流检测电路还包括电容，所述电容的一端与所述第一电阻和所述第二电阻的连接点连接，所述电容的另一端接地。

在上述PLC输出电路中，所述锁定电路包括第三电阻、第四电阻、第一三极管以及第二三极管；所述第一三极管的基极与所述第一电阻的一端连接，所述第一电阻的另一端和所述第一三极管的发射极均接地；

所述第一三极管的集电极分别与所述第二三极管的基极连接，所述第二三极管的集电极与所述第一电阻和所述第二电阻的连接点连接，所述第二三极管的发射极与所述第三电阻的一端连接，所述第三电阻的另一端与所述开关控制电路连接，所述第四电阻与所述第二三极管的基极连接，所述第四电阻的另一端与所述第二三极管的发射极连接。

在上述PLC输出电路中，所述与门电路包括二极管以及第五电阻和第六电阻；所述第五电阻的一端与所述开关控制电路连接，所述第五电阻的另一端分别与所述二极管的阳极、开关管的栅极以及所述第六电阻的一端连接，所述二极管的阴极与所述第三电阻和所述第四电阻的连接点连接，所述第六电阻的另一端接地。

在上述PLC输出电路中，所述第一三极管为NPN型三极管。

在上述PLC输出电路中，所述第二三极管为PNP型三极管。

实施本发明的带过流保护的PLC输出电路，具有以下有益效果：通过在PLC输出电路中增加过流保护电路后，可以选用较低功率的开关管Q，从而降低了成本，并且在选用低功率器件后，开关管Q更加容易驱动，有利于提高其开关速度。在该PLC输出电路中，当发生短路或者过流时，过流检测电路检测到的电压值大于基准电压，此时通过锁定电路锁定输出，从而控制开关管Q关断，达到过流保护的目的，使用元器件少，结构简单，成本低廉。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是现有的PLC输出电路的电路示意图；

图2是是本发明带过流保护的PLC输出电路实施例的示意图；

图3是图2中过流保护电路的电路结构示意图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

如图2所示，是本发明带过流保护的PLC输出电路实施例的示意图。该PLC输出电路连接图1中所示的外部负载及电源单元1，本实施例中的PLC输出电路不仅包括图1中的开关控制电路2，还包括连接在开关控制电路2和直流输入单元1之间的过流保护电路3。其中，过流保护电路3包括过流检测电路31、锁定电路32、与门电路33以及串联连接在外部负载及电源单元1之间的开关管Q和检测电阻R。该外部负载及电源单元1包括直流电源Vdc以及负载电阻RL，开关管Q为N沟道场效应管。直流电源Vdc的正极与负载电阻RL的一端连接，负载电阻RL的另一端与开关管Q的漏极连接，开关管Q的源极与检测电阻R的一端连接，检测电阻R的另一端与直流电源Vdc的负极连接并接地。

其中，过流检测电路31与检测电阻R并联连接，用于将流过检测电阻的电流转换为相应的电压值，锁定电路32则根据检测到的电压值与基准电压进行比较，在检测到的电压值大于基准电压时即可能因负载损坏而发生短路或者过流，此时锁定电路进入锁定状态，输出低电平信号给与门电路33。而与门电路33的输出端与开关管Q的栅极连接，因此在与门电路33接收到该低电平信号后，无论开关控制电路2输出高电平还是低电平，开关管Q的栅极电平均为低电平，始终处于关断状态，即使开关管Q在开关控制电路2输出高电平时也无法导通，在排除故障后上电即可正常工作。

因此，在上述PLC输出电路中，当外部负载及电源单元1内由负载损坏等导致发生短路或者过流时，检测电阻R上的电流会比较大，过流检测电路31检测到的电压值就会超过基准电压，锁定电路32便处于锁定状态，输出低电平信号给与门电路33，此时无论开关控制电路2输出高电平还是低电平，开关管Q的栅极电平均是低电平，开关管Q无法导通，因此实现了对PLC输出的过流保护，而且因有了过流保护，开关管Q可以选择较低功率的场效应管，不仅降低了成本，而且选用低功率器件后，开关管Q更加容易驱动，因此有利于提高开关管Q的开关速度。

如图3所示，是图2中过流保护电路3的电路结构示意图。其中，过流检测电路31包括电阻R1和电阻R2，电阻R1和第二电阻R2串联连接在检测电阻R之间。通过电阻R1和电阻R2组成的过流检测电路可以对电阻R1和电阻R2的连接点电压进行检测，该电压值反映了流过检测电阻R的电流。

在上述过流检测电路31中，还可包括与电阻R1并联连接的滤波电容C1，滤波电容C1的一端连接电阻R1和电阻R2的连接点，滤波电容C1的另一端接地。该电容C1可防止开关管Q在导通瞬间的杂散信号的干扰，并当外部负载及电源单元中的负载为容性负载时，其储能作用可以允许一段时间的过流，而且过流时间可灵活设置。

锁定电路32包括电阻R3、电阻R4、三极管Q1以及三极管Q2，三极管Q1的基极与电阻R1的一端连接，电阻R1的另一端和三极管Q1的发射极均接地。三极管Q1的集电极分别与三极管Q2的基极连接，三极管Q2的集电极与电阻R1和电阻R2的连接点连接，三极管Q2的发射极与电阻R3的一端连接，电阻R3的另一端与开关控制电路2中的隔离DC-DC的输出端连接，电阻R4的一端与三极管Q2的基极连接，电阻R4的另一端与三极管Q2的发射极连接。

其中，三极管Q1为NPN型三极管，其基极与发射极之间的导通电压即为基准电压，在电阻R1和R2的连接点电压大于该基准电压时，此时三极管Q1导通，即三极管Q1的发射极与集电极直通，三极管Q1的发射极电平为低电平。锁定电路中的三极管Q2为PNP型三极管，三极管Q2的基极电平为低电平，而三极管Q2的发射极电平为高电平，因此三极管Q2也将导通，且Q2的导通也会导致Q1导通，因此Q1与Q2之间形成了正反馈，即相当于形成了一个锁定电路，此时电阻R3和R4之间的连接点电压相当于三极管Q2的发射极与基极之间导通的电压，为低电平，因此锁定电路输出低电平信号。在锁定电路中，三极管Q1既作为比较器，在电阻R1和电阻R2的连接点电压大于其基极与发射极之间的导通电压时即可导通，同时又与三极管Q2形成正反馈电路，在三极管Q1导通时锁定输出，因此大大降低了电路的元器件个数，节约了成本。

与门电路包括二极管D1以及电阻R5和电阻R6，电阻R5的一端与图1所示的开关控制电路2中的反向缓冲器U1的输出端连接，电阻R5的另一端分别与二极管D1的阳极、开关管Q的栅极和电阻R6的一端连接，二极管D1的阴极与电阻R3和电阻R4的连接点连接，电阻R6的另一端接地。因此，当三极管Q1和三极管Q2均导通，此时电阻R4两端的电压相当于三极管Q2的发射极与基极之间的导通电压，因此锁定电路输出低电平信号，即二极管D1的阴极电平为低电平，此时即使开关控制电路输出高电平至二极管D1的阳极，场效应管Q的栅极电平仍然为低电平，因此开关管Q无法导通，从而实现了过流保护。在该过流保护电路中，通过一个简单的二极管D1便可实现与操作，大大降低了元器件的个数，节约了成本。

结合图1和图3，再详细介绍本发明带过流保护的PLC输出电路的具体工作原理如下：过流检测电路检测到的与检测电阻R对应的电压值其中，I为流过检测电阻R的电流。在正常情况下，外部直流电源Vdc给负载电阻RL供电，此时负载电阻RL工作电流正常，流过检测电阻R的电流也正常，过流检测电路检测到的电阻R1和电阻R2之间的连接点电压不会大于三极管Q1的基极与发射极之间的导通电压即基准电压Vbe1(on)，此时三极管Q1的基极电平为低电平，处于关断状态，二极管D1截止，因此在开关控制电路输出高电平时，场效应管Q的栅极电平也为高电平，场效应管Q导通，同样地，在开关控制电路输出低电平时，场效应管Q关断，即所述电路不影响正常情况的工作。

当外部负载及电源单元1中因负载损坏而发生短路或者过流时，其负载工作电流大于设计的过流保护电流值，电阻R1和电阻R2之间的连接点电压升高，该电压值会大于三极管Q1的基准电压Vbe1(on)，此时三极管Q1的基极由低电平变成高电平进入导通状态，即三极管Q1的集电极与发射极直通，三极管Q2的基极与三极管Q1的集电极连接，因此此时三极管Q2的基极电平为低电平，而三极管Q2为PNP型三极管，所以三极管Q2导通，此时电阻R4两端的电压为三极管Q2的发射极与基极之间的电压Vbe2，而当三极管为硅管时该电压一般为0.7V，为锗管时，该电压为0.3V，三极管Q1与Q2均为饱和导通，其集电极与发射极之间的直通电压也很小，此时二极管D1的阴极电平为低电平，即锁定电路此时输出为低电平信号，即使开关控制电路输出高电平，即二极管D1的阳极电平为高电平，N型场效应管Q的栅极电平始终为低电平，进入关断状态，N型场效应管Q的漏极和源极断开，无法导通，外部直流电源不再给负载电阻供电，从而实现了对PLC输出的过流保护。并且在该过流保护电路中，在发生短路或者过流后，过流检测电路检测到的电压值可以通过检测电阻R、电阻R1和电阻R2进行设置，因此可以针对不同的应用场合做调整，适用于对不同短路或者过流情况进行保护。

此外，在更换正常负载重新上电后，负载电阻工作电流恢复正常，此时即三极管Q1又由导通状态转为关断状态，二极管D1的阴极电平为高电平，在开关控制电路输出为高电平时，二极管D1由导通转为截止状态，N型场效应管Q的栅极电压也为高电平，场效应管Q又正常导通，因此在更换正常负载后又可实现恢复，降低了设备维护的成本，提高了设备的可靠性。

在本发明中，通过在PLC输出电路中增加过流保护电路后，可以选用较低功率的开关管Q，从而降低了成本，并且在选用低功率器件后，开关管Q更加容易驱动，有利于提高其开关速度。在该过流保护电路中，通过检测电阻实现过流检测，并使用一个微功率NPN型三极管和一个微功率PNP型三极管实现过流锁定保护，采用一个简单的普通二极管D1实现与操作，大大降低了元器件个数，节约了成本。此外，检测过流电流可以通过检测电阻R以及电阻R1和R1灵活设置，因此可以根据不同应用场合进行调整。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (8)

1.一种带过流保护的PLC输出电路，与外部负载及电源单元(1)连接，其特征在于，所述PLC输出电路包括依次连接的开关控制电路(2)以及过流保护电路(3)，所述过流保护电路(3)包括过流检测电路(31)、锁定电路(32)、与门电路(33)以及串联连接在所述外部负载及电源单元(1)之间的开关管(Q)和检测电阻(R)；

所述过流检测电路(31)与所述检测电阻(R)并联连接，用于将流过所述检测电阻(R)的电流转换为相应的电压值；

所述锁定电路(32)用于根据过流检测电路(31)检测到的电压值与基准电压进行比较，在检测到的电压值大于基准电压时进入锁定状态，输出低电平信号给所述与门电路(33)；

所述与门电路(33)根据接收到的低电平信号控制所述开关管(Q)关断。

2.根据权利要求1所述的PLC输出电路，其特征在于，所述开关管(Q)为N沟道场效应管；所述开关管(Q)的栅极与所述与门电路(33)的输出端连接，所述开关管(Q)的漏极与所述外部负载及电源单元(1)的正接线端连接，所述开关管(Q)的源极与所述检测电阻(R)的一端连接，所述检测电阻(R)的另一端与所述外部负载及电源单元(1)的负接线端连接并接地。

3.根据权利要求1所述的PLC输出电路，其特征在于，所述过流检测电路(3)包括第一电阻(R1)和第二电阻(R2)；所述第一电阻(R1)和所述第二电阻(R2)串联连接在所述检测电阻(R)之间。

4.根据权利要求3所述的PLC输出电路，其特征在于，所述过流检测电路(31)还包括电容(C1)，所述电容(C1)的一端与所述第一电阻(R1)和所述第二电阻(R2)的连接点连接，所述电容(C1)的另一端接地。

5.根据权利要求3所述的PLC输出电路，其特征在于，所述锁定电路(32)包括第三电阻(R3)、第四电阻(R4)、第一三极管(Q1)以及第二三极管(Q2)；所述第一三极管(Q1)的基极与所述第一电阻(R1)的一端连接，所述第一电阻(R1)的另一端和所述第一三极管(Q1)的发射极均接地；

所述第一三极管(Q1)的集电极分别与所述第二三极管(Q2)的基极连接，所述第二三极管(Q2)的集电极与所述第一电阻(R1)和所述第二电阻(R2)的连接点连接，所述第二三极管(Q2)的发射极与所述第三电阻(R3)的一端连接，所述第三电阻(R3)的另一端与所述开关控制电路(2)连接，所述第四电阻(R4)与所述第二三极管(Q2)的基极连接，所述第四电阻(R4)的另一端与所述第二三极管(Q2)的发射极连接。

6.根据权利要求5所述的PLC输出电路，其特征在于，所述与门电路(33)包括二极管(D1)以及第五电阻(R5)和第六电阻(R6)；所述第五电阻(R5)的一端与所述开关控制电路(2)连接，所述第五电阻(R5)的另一端分别与所述二极管(D1)的阳极、开关管(Q)的栅极以及所述第六电阻(R6)的一端连接，所述二极管(D1)的阴极与所述第三电阻(R3)和所述第四电阻(R4)的连接点连接，所述第六电阻(R6)的另一端接地。

7.根据权利要求5所述的PLC输出电路，其特征在于，所述第一三极管(Q1)为NPN型三极管。

8.根据权利要求5所述的PLC输出电路，其特征在于，所述第二三极管(Q2)为PNP型三极管。