JP2002229615A - 電流を調整するプログラマブルロジックコントローラ(plc)、その回路及びその方法 - Google Patents
電流を調整するプログラマブルロジックコントローラ(plc)、その回路及びその方法Info
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Abstract
プログラマブルロジックコントローラ(PLC)を提供
する。 【解決手段】 単一のPLC(10)パッケージにおい
て熱的に消散を減少させる方法は、電界効果トランジス
タ(FET)スイッチ(74)を含むパルス幅変調電流
調整器(40)を実現する過程と、FETのターンオン
遅延を利用して電流の広い動作範囲を提供する過程とを
含む。FETは、デューティサイクルが減少するにつ
れ、FETのドレインソース間インピーダンスが出力フ
ィルタ(101)の誘導経路で優位を占め、出力フィル
タリングを増加させるように活用することができる固有
ターンオン時間遅延を有する。
Description
器に関し、特にプログラマブルロジックコントローラ
(PLC)の電流調整器に関する。
御の目的でアナログ電流調整器出力を利用する。代表的
なPLCにおいては、線形回路の出力段は電力を熱的に
消散し、出力段の負荷装置により引き起こされる電圧降
下を変調することにより電流を調整する。場合によって
は、設計の都合上、単一のPLCパッケージで指定の数
の電流出力が要求されることもある。しかし、電流出力
の数は熱的に消散される電力の量によって限定されてし
まう場合がある。線形回路では、消散される電力は回路
を流れる電流と、回路における電圧降下との積である。
線形回路で消散される電力の量を減少させる周知の方法
の1つは、線形回路に代えてパルス幅変調(PWM)回
路を使用する。PWM回路では、電流は飽和スイッチを
介してパルス電流となるため、スイッチにおける電圧降
下は低く押さえられ、その結果、回路電流と回路で起こ
る電圧降下との積は小さくなる。しかし、PWM調整器
によって電流出力を制御する周知の方法及び装置によれ
ば、8対1の範囲、すなわち、約150mAから120
0mAの範囲でしか電流出力を可変にすることができな
い。
が線形回路の消散電力より少なく且つ出力電流を8対1
より大きい範囲にわたり可変にすることができるような
PLCのPWM電力出力回路を提供することが望ましい
であろう。
と、電界効果トランジスタ(FET)スイッチとを含む
駆動回路を含む。駆動回路は、帰還増幅器に接続する出
力回路に接続している。帰還増幅器は、駆動回路に接続
する誤差増幅器回路に接続している。比較器の出力がF
ETのスイッチオフ時間とスイッチオン時間との比を確
定するため、スイッチデューティサイクルは比較器のオ
フ時間とオン時間との比として定義される。FETは、
デューティサイクルが減少するにつれ、FETのドレイ
ン・ソース間インピーダンスが出力フィルタの誘導経路
で優位を占め、出力フィルタリングを増加させるように
活用することができる固有ターンオン時間遅延を有す
る。従って、出力フィルタリングの動的増加は出力の大
きさに比例して出力リプルを減少させ、その結果、0に
近い出力レベルに至るまで相対的に一貫した信号対雑音
比を維持することができる。それにより、電流調整器の
閉ループ制御が安定した状態を保つ範囲は周知の回路と
比較して拡大される。
12と、ランダムアクセスメモリ(RAM)14と、読
み取り専用メモリ(ROM)16と、バスインタフェー
ス18と、入出力(I/O)モジュール20とを含むP
LC10のブロック線図である。I/Oモジュール20
は少なくとも1つのI/O装置22に接続している。別
の実施例では、バスインタフェース18は追加I/Oモ
ジュール、例えば、モータにインタフェースするI/O
モジュール又は複数の装置から様々な入力信号を受信す
る入出力モジュール、すなわち、スイッチ(図示せず)
に接続している。追加I/OモジュールはPLC10の
内部にあっても良いし、あるいは外部に設けられていて
も良い。更に、I/Oモジュール20もPLC10の外
部にあって良い。
ている。ユーザプログラムは、少なくとも一部でモジュ
ール20からの入力に基づいて適切な出力が生成される
ようにCPU12の動作を制御する。モジュール20
は、電流調整出力を発生する電流調整器回路(図1には
図示せず)を含む。以下に説明する通り、様々に異なる
電流需要を有する多様なI/O装置と共に1つの電流調
整器を利用できるように、電流調整器は広範囲にわたる
出力を提供する。
す)の電流調整器40のトップレベル概略図である。電
流調整器40は、帰還増幅器回路46に接続している出
力回路44に接続する駆動回路42を含む。デジタル/
アナログ(DAC)変換器48及び帰還増幅器回路46
は誤差増幅器回路50に接続し、誤差増幅器回路50は
駆動回路42に接続している。DAC変換器48はバス
インタフェース18(図1に示す)にも接続している。
以下に更に詳細に説明するが、帰還増幅器回路46は、
帰還信号を出力回路44に加わる電気的負荷の誤差増幅
器回路50に供給する。誤差増幅器回路50はこの帰還
信号を受信し、それをDAC変換器48により発生され
る基準信号と比較する。比較に基づき、I/Oモジュー
ル20に広範囲にわたる電流を供給するように駆動回路
42のデューティサイクルが調整される。
一実施例の詳細な図である。尚、図中、図2と同じ素子
には同じ図中符号が付されている。駆動回路42は、抵
抗器62の第1のリードに接続する出力端子を含む比較
器60を含む。抵抗器62の第2のリードはpnpトラン
ジスタ64のベースに接続している。トランジスタ64
のエミッタは抵抗器66の第1のリードに接続してい
る。抵抗器66の第2のリードはトランジスタ64のベ
ースに接続している。トランジスタ64のコレクタは、
抵抗器70の第1のリードに接続するノード68に接続
している。抵抗器70の第2のリードは15ボルト電源
72に接続している。トランジスタ64のコレクタはノ
ード68を介して電界効果トランジスタ(FET)スイ
ッチ74のゲートにも接続している。トランジスタ64
のエミッタは、コンデンサ78によってフィルタリング
される公称24ボルト電源76にも接続している。電源
76はFET76のソースリードに接続している。
ドを介して出力回路44に接続している。出力回路44
はインダクタ80を含み、インダクタ80の第1のリー
ドはノード82でFET74のドレインに接続してい
る。ノード82はフライバックダイオード84の陰極リ
ードにも接続し、制動抵抗器86の第1のリードはノー
ド82でFET74のドレインに接続している。フライ
バックダイオード84の陽極リードはノード88で制動
抵抗器86の第2のリードに接続し、ノード88は接地
点に接続している。フライバックダイオード84は、F
ET74が開成しているときに出力回路44の電流経路
を形成する。出力回路44は、第1のリードがインダク
タ80の第2のリードに接続する制動抵抗器90を更に
含む。抵抗器90の第2のリードは、フィルタリングコ
ンデンサ96の第1のリードと、センス抵抗器98の第
1のリードと、帰還増幅器100の第1の入力端子とに
接続するノード94に接続している。インダクタ80、
フライバックダイオード84、制動抵抗器86、抵抗器
90及びコンデンサ96は電気的に接続されて、出力フ
ィルタ101を形成する。センス抵抗器98の第2のリ
ードは、帰還増幅器100の第2の入力端子と、ある範
囲の電気的負荷を受け入れるために利用可能である負荷
端子104とに接続するノード102に接続している。
6を介して誤差増幅器回路50に接続している。出力端
子は抵抗器106の第1のリードに接続している。抵抗
器106の第2のリードは誤差増幅器108の第1の入
力端子に接続している。誤差増幅器108の第2の入力
端子は、コンデンサ112の第1のリードを抵抗器11
4の第1のリードに接続するノード110に接続してい
る。コンデンサ112の第2のリードは接地点に接続し
ている。抵抗器114の第2のリードはDAC変換器4
8に接続している。誤差増幅器108の出力端子は、コ
ンデンサ118の第1のリードに接続するノード116
に接続している。コンデンサ118の第2のリードは、
抵抗器106と誤差増幅器108の第1の入力端子との
間のノード120に接続している。第1の入力端子及び
出力端子はコンデンサ120及び抵抗器106と共に積
分器回路122を形成している。ノード116は比較器
60の第1の入力端子にも接続している。比較器60の
第2の入力端子は、固定周波数三角波を伴う第2の入力
を発生、供給するモノリシックタイミング回路124に
接続している。
ルススイッチ電流が供給される。インダクタ80と、制
動抵抗器90と、フィルタリングコンデンサ96とは電
気的に接続されて、負荷端子104に至るパルススイッ
チ電流を平滑化するための低域フィルタを形成してい
る。端子104の装荷中、センス抵抗器98の両端電圧
は負荷端子104における電流引き込みに比例する。端
子104における装荷は200μA未満から40mAを
越えるまでに変化し、その比は200対1を上回る。セ
ンス抵抗器98の電流は、利得が1の作動増幅器である
増幅器100の入力である。増幅器100はセンス抵抗
器98の電圧差に等しい出力電圧を発生する。この出力
電圧は帰還信号であり、帰還信号に対する基準として使
用されるDAC変換器48からのデジタル/アナログ変
換器電圧と共に誤差増幅器108に印加される。基準信
号としてDAC電圧が使用されるため、DAC電圧出力
は電流調整器40の電流出力レベルを確定する。DAC
電圧の段階変化が誤差増幅器108の出力における段階
変化を発生させないように、抵抗器114とコンデンサ
112はDAC電圧をフィルタリングする。更に、積分
回路122は高い直流誤差利得を提供する。
利用され、この指令信号を固定周波数三角波と比較する
比較器60に印加される。指令信号が三角波の範囲内で
上下動するにつれ、それに従ってFETスイッチ74の
デューティサイクルが修正される。比較器60の出力が
FET74のスイッチオフ時間とスイッチオン時間との
比を確定するので、スイッチのデューティサイクルは比
較器60のオフ時間とオン時間との比として定義され
る。以下に説明するように、FET74は、デューティ
サイクルが減少するにつれて、FET74のドレイン・
ソース間インピーダンスが出力フィルタ101の誘導経
路で優位を占めて、出力フィルタリングを増加させるよ
うに活用することができる固有ターンオン時間遅延を有
する。従って、出力フィルタリングの動的増加によって
出力ニプルは出力の大きさに比例して減少し、その結
果、0に近い出力レベルに至るまで相対的に一貫した信
号対雑音比を維持することができる。そのため、電流調
整器40が安定した状態を保つ範囲は周知の回路に比べ
て拡大される。
FET74が完全にはターンオンしないように、駆動回
路42は比較器60の出力端子及びFET74にインタ
フェースしている。FET74を完全にはターンオンオ
ンさせないことによって、FETを流れる電流は更に妨
害されるため、とりうる負荷電流の値の範囲はFET7
4を完全にターンオンさせた場合と比べて拡大する。pn
pトランジスタ64がターンオンすると、FET74の
ソースからの電圧がFET74のゲートに印加され、そ
の結果、FET74のゲートがターンオフする。FET
74のソースからトランジスタ64を介してFET74
のゲートに至る経路にはほとんどインピーダンスが存在
しないので、FET74のゲートは相対的に急速に充電
し、それにより、FET74は急速にスイッチオフす
る。
と、FET74のソースはFET74のゲートから遮断
され、ゲートは抵抗器70を介して15ボルト電源72
へ放電する。FET74のゲートキャパシタンスの典型
的な値は、ターンオンとほぼ瞬間的なターンオフの間に
0.3μsの時定数を発生させる30ピコファラドであ
る。デューティサイクルが1%であるとき、比較器60
の出力は0.2μsだけスイッチングし、ターンオン時
定数は0.3μsであるため、FET74がターンオフ
する前にゲート電荷を上回ることがなく、従って、出力
回路44に向かう電流の流れが妨害されることから、F
ET74は完全にはターンオンしない。そこで、電流調
整器40は、デューティサイクルが非常に低い場合にパ
ルス幅変調とFET74の固有ターンオン遅延を利用し
て、駆動回路42を周知の回路より広い範囲の電流を提
供する線形駆動回路のように動作させる。
電流となり、デューティサイクルが非常に低い場合を除
いてスイッチがオンである時間の長さを変調することに
よって調整されるので、スイッチの両端における電圧降
下は低く、熱的に消散される電力は線形出力段の場合よ
り少ない。従って、電流調整器40は単一のPLCパッ
ケージにおける熱的に消散を減少させると共に、電流の
広い動作範囲を提供する。
ッチング特性を利用して、単一のPLCパッケージにお
いてパルス幅変調電流調整器から電流の広い動作範囲を
得る。従って、負荷端子104には200μA未満から
40mAを越えるまでの電流引き込みを装荷することが
でき、その比は200対1を越える。更に、先に説明し
た通り、スイッチの両端の電圧降下は低く保たれるた
め、熱的に消散される電力は線形出力段の場合より少な
い。
したが、特許制窮の範囲の趣旨の中で本発明を変形を伴
って実施できることは当業者には認識されるであろう。
トップレベル概略図。
C)、12・・・中央処理装置(CPU)、14・・・ランダ
ムアクセスメモリ(RAM)、18・・・バスインタフェ
ース、20・・・入出力(I/O)モジュール、40・・・電
流調整器、42・・・駆動回路、44・・・出力回路、46・・
・帰還増幅器回路、48・・・デジタル/アナログ変換器
(DAC)、50・・・誤差増幅器回路、60・・・比較器、
74・・・電界効果トランジスタ(FET)、100・・・帰
還増幅器、101・・・出力フィルタ、104・・・負荷端
子、124・・・モノリシックタイミング回路
Claims (28)
- 【請求項1】 単一のPLC(10)パッケージにおけ
る熱的に消散を減少させる方法において、 電界効果トランジスタスイッチ(FET)(74)を含
むパルス幅変調(PWM)電流調整器を実現する過程
と、 前記FETのターンオン遅延を利用して電流の広い動作
範囲を提供する過程とから成る方法。 - 【請求項2】 前記PWM電流調整器を実現する過程
は、帰還制御ループを含むPWM電流調整器を実現する
過程を更に含む請求項1記載の方法。 - 【請求項3】 ほぼ0に近い出力レベルに至るまで相対
的に一貫した雑音対信号比を維持する過程を更に含む請
求項1記載の方法。 - 【請求項4】 前記ターンオン遅延を利用する過程は、
前記FET(74)のターンオン遅延を利用して10対
1より大きい電流の動作範囲を提供する過程を更に含む
請求項1記載の方法。 - 【請求項5】 前記ターンオン遅延を利用する過程は、
前記FET(74)のターンオン遅延を利用して100
対1より大きい電流の動作範囲を提供する過程を更に含
む請求項1記載の方法。 - 【請求項6】 前記ターンオン遅延を利用する過程は、
前記FET(74)のターンオン遅延を利用して200
対1より大きい電流の動作範囲を提供する過程を更に含
む請求項1記載の方法。 - 【請求項7】 前記ターンオン遅延を利用する過程は、
前記PWMのデューティサイクルを減少させる過程を更
に含む請求項1記載の方法。 - 【請求項8】 前記FET(74)を利用して出力フィ
ルタ(101)の誘導経路で優位を占める過程を更に含
む請求項1記載の方法。 - 【請求項9】 前記FET(74)を利用する過程は、
前記FETのソースとドレインとの間のインピーダンス
が前記出力フィルタ(101)の誘導経路で優位を占め
るように前記FETのソースとドレインとの間のインピ
ーダンスを変化させる過程を更に含む請求項8記載の方
法。 - 【請求項10】 前記ターンオン遅延を利用する過程
は、 三角波基準信号を指令信号と比較する過程と、 前記比較に応答してデューティサイクルを減少させる過
程とを更に含む請求項1記載の方法。 - 【請求項11】 単一のPLC(10)パッケージにお
ける熱的に消散を減少させる回路において、 ドレイン及びゲートを含む電界効果トランジスタ(FE
T)(74)を具備する駆動回路(42)と、 前記ドレインに接続し、負荷端子(104)を含む出力
回路(44)と、 前記出力回路に接続する帰還増幅器(100)と、 前記帰還増幅器と、前記ゲートとに接続する誤差増幅器
回路(50)とを具備する回路。 - 【請求項12】 前記駆動回路(42)は、第1の入力
端子と、第2の入力端子と、前記FET(74)の前記
ゲートに接続する出力端子とを含む比較器(60)を更
に具備し、前記比較器は前記第1の入力端子に印加され
る指令信号と、前記第2の入力端子に印加される三角波
とに応答して前記FETのデューティサイクルを調整す
るように構成されている請求項11記載の回路。 - 【請求項13】 前記駆動回路(42)は前記負荷端子
(104)におけるほぼ0に近い出力レベルに至るまで
相対的に一貫した雑音対信号比を維持するように構成さ
れている請求項11記載の回路。 - 【請求項14】 前記駆動回路(42)は前記FET
(74)のターンオン遅延を利用して、10対1より大
きい電流の動作範囲を提供するように構成されている請
求項11記載の回路。 - 【請求項15】 前記駆動回路(42)は前記FET
(74)のターンオン遅延を利用して、100対1より
大きい電流の動作範囲を提供するように構成されている
請求項11記載の回路。 - 【請求項16】 前記駆動回路(42)は前記FET
(74)のターンオン遅延を利用して、200対1より
大きい電流の動作範囲を提供するように構成されている
請求項11記載の回路。 - 【請求項17】 前記駆動回路(42)に三角波を提供
するように構成されたタイミング回路を更に具備する請
求項11記載の回路。 - 【請求項18】 前記タイミング回路はモノリシックタ
イミング回路(124)である請求項17記載の回路。 - 【請求項19】 前記駆動回路(42)は、 三角波基準信号を指令信号と比較し、 前記比較に応答してデューティサイクルを調整するよう
に構成されている請求項11記載の回路。 - 【請求項20】 CPU(12)と、 前記CPUに動作結合されたバスインタフェース(1
8)と、 前記バスインタフェースに動作結合された少なくとも1
つのメモリユニット(14)と、 前記バスインタフェースに動作結合された少なくとも1
つのI/Oモジュール(20)と、 前記I/Oモジュールに動作結合された電流調整器(4
0)であって、 ドレイン及びゲートを含む電界効果トランジスタ(FE
T)を具備する駆動回路(42)と、 前記ドレインに接続し、負荷端子(104)を含む出力
回路(44)と、 前記出力回路に接続する帰還増幅器(100)と、 前記帰還増幅器と、前記ゲートとに接続する誤差増幅器
回路(50)とを具備する電流調整器とを具備するPL
C(10)。 - 【請求項21】 前記駆動回路(42)は、第1の入力
端子と、第2の入力端子と、前記FET(74)の前記
ゲートに接続する出力端子とを含む比較器(60)を更
に具備し、前記比較器は前記第1の入力端子に印加され
る指令信号と、前記第2の入力端子に印加される三角波
とに応答して前記FETのデューティサイクルを調整す
るように構成されている請求項20記載のPLC(1
0)。 - 【請求項22】 前記駆動回路(42)は前記負荷端子
(104)におけるほぼ0に近い出力レベルに至るまで
相対的に一貫した雑音対信号比を維持するように構成さ
れている請求項20記載のPLC(10)。 - 【請求項23】 前記駆動回路(42)は前記FET
(74)のターンオン遅延を利用して、10対1より大
きい電流の動作範囲を提供するように構成されている請
求項20記載のPLC(10)。 - 【請求項24】 前記駆動回路(42)は前記FET
(74)のターンオン遅延を利用して、100対1より
大きい電流の動作範囲を提供するように構成されている
請求項20記載のPLC(10)。 - 【請求項25】 前記駆動回路(42)は前記FET
(74)のターンオン遅延を利用して、200対1より
大きい電流の動作範囲を提供するように構成されている
請求項20記載のPLC(10)。 - 【請求項26】 前記電流調整器(40)は、前記駆動
回路(42)に三角波を提供するように構成されたタイ
ミング回路を更に具備する請求項20記載のPLC(1
0)。 - 【請求項27】 前記タイミング回路はモノリシックタ
イミング回路(124)である請求項26記載のPLC
(10)。 - 【請求項28】 前記駆動回路(42)は、 三角波基準信号を指令信号と比較し、且つ前記比較に応
答してデューティサイクルを調整するように構成されて
いる請求項20記載のPLC(10)。
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