JP4429987B2

JP4429987B2 - 安全ｐｌｃ

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Publication number: JP4429987B2
Application number: JP2005222039A
Authority: JP
Inventors: 誠河村; 邦幸丹羽; 捨間呂加藤; ニーハウスミハエル
Original assignee: JTEKT Corp
Current assignee: JTEKT Corp
Priority date: 2005-07-29
Filing date: 2005-07-29
Publication date: 2010-03-10
Anticipated expiration: 2025-07-29
Also published as: EP1748337A3; US7554782B2; EP1748337A2; JP2007041654A; US20070052299A1

Description

本発明は、電源回路を二重化した安全ＰＬＣに関する。

通常のＰＬＣに対して、ハードウェア構成またはソフトウェア構成を二重化して信頼性を高めたＰＬＣ（安全ＰＬＣ）が広く普及しつつある。その様な安全ＰＬＣとしては、例えば、下記の特許文献１に記載されているものなどが公知である。

図５に、その他の従来の安全ＰＬＣのハードウェア構成例を例示する。本図５は、単体の安全ＰＬＣにおいて二重化されたシステムを具現する各システムａ，ｂとこれらのシステム間に設けられた信号転送路を示している。これらの各システムａ，ｂは、別系統の直流電源から給電を受けており、例えば、システムｂの方に給電する電源回路の短絡故障によって、上記の信号転送路に対して２４ｖの直流電圧が掛かってしまう場合であっても、信号転送路上に設けた抵抗Ｒ₀の抵抗値を１２ｋΩ以上に設定しておけば、システムａが有するトランジスタＴｒａに流れる電流を２ｍＡ以下に抑えることができる。

これらの従来の安全ＰＬＣにおいては、上記の様な各システムａ，ｂ間の信号転送路に、例えば凡そ１０ＫΩ程度の抵抗値を有する抵抗器を備えた配線が用いられることが多い。即ち、この様な従来の技法に従えば、システム間を結ぶ信号転送路上に、大抵抗の抵抗器（Ｒ₀）を介在させた配線を使用していれば、一つの系（例：システムｂ）の電源回路が故障した場合などにも、その他の系の回路（例：トランジスタＴｒａ）を確実に保全することができる。
特開２００２−３５８１０６

しかしながら、上記の様なシステムａ，ｂ間を結ぶ信号転送路上に１０ＫΩ程度以上の大抵抗を介在させた配線を用いた場合、その大抵抗回路に寄生する浮遊容量の影響によって、その信号転送路上を伝送させるべきデジタル信号（矩形波）の周波数を従来以上に高くすることが次第に困難となる。この現象は、例えばＭＥＬＦ抵抗などの様な大抵抗回路に寄生する浮遊容量が、ローパスフィルタの作用を奏してしまい、その結果、伝送目的のデジタル信号（矩形波）の波形が崩れてしまうために発生するものである。

本発明は、上記の課題を解決するために成されたものであり、その目的は、二重化された電源回路を有する安全ＰＬＣにおいて、安全ＰＬＣ内部の信号転送路上を伝送させるデジタル信号の周波数を従来よりも高くすることが可能な安全ＰＬＣを実現することである。

上記の課題を解決するためには、以下の手段が有効である。
即ち、本発明の第１の手段は、電源回路が二重化された安全ＰＬＣにおいて、第１の直流電源により駆動される第１の出力段トランジスタと、第２の直流電源により駆動される第２の出力段トランジスタとを設け、第１の出力段トランジスタと第２の出力段トランジスタとを、抵抗器を有する信号転送路を介してそれぞれ互いに接続し、第１及び第２の各直流電源において、該直流電源の２つの出力端子間にその出力電位差の最大値を制限する過電圧防止手段を設けることである。
なお、上記の過電圧防止手段は、例えば、ツェナーダイオードやアレスタなどの周知の電子部品を用いて構成することができる。

また、本発明の第２の手段は、上記の第１の手段において、上記の過電圧防止手段を、上記の出力端子間に接続されたツェナーダイオードから構成することである。

また、本発明の第３の手段は、上記の第１の手段において、コレクタ端が上記の２つの出力端子の内の高電位側の端子に接続され、かつ、エミッタ端がその２つの出力端子の内の低電位側の端子に接続されたＮＰＮ形のトランジスタと、カソード端がその高電位側の端子に接続され、アノード端が上記のトランジスタのベース端に接続されたツェナーダイオードと、上記のベース端と上記の低電位側の端子とを接続する抵抗器とから、上記の過電圧防止手段を構成することである。

以上の本発明の手段によって得られる効果は以下の通りである。
即ち、本発明の第１の手段によれば、信号転送路上に大きな抵抗を介在させなくても、上記の過電圧防止手段の作用によって、故障した直流電源を有するシステムからその他のシステムに対して過電圧が与えられたり、その他のシステムに向って過電流が流れたりする恐れがなくなる。

このため、本発明の第１の手段によれば、二重化されたシステムの保全を確保しつつ、上記の信号転送路上の抵抗器の抵抗値を効果的に低減させることができる。また、この時、上記の浮遊容量は、その抵抗値の減少に伴って効果的に減少する。
したがって、本発明の第１の手段によれば、信号転送路上を伝送させるデジタル信号の周波数を従来よりも高くすることが可能な安全ＰＬＣを容易に実現することができる。

また、本発明の第２の手段によれば、電源の出力端子（電極）間にツェナーダイオードを接続することで、上記の過電圧防止手段を構成することができる。このため、非常に安価かつ簡単に本発明の手段を構成することができる。

また、本発明の第３の手段によれば、上記のトランジスタのベース端が上記のツェナーダイオードのアノード端に接続されるので、直流電源から出力される直流電圧がツェナーダイオードのツェナー電圧を上回った場合には、その上昇と共に急激に上記のトランジスタを流れるコレクタ電流も増えるので、直流電源から出力される直流電圧をより確実かつ効果的にトランジスタの定格値以内に抑えることができる。

図１に本発明の安全ＰＬＣの構成図を例示する。この安全ＰＬＣは、ＣＰＵモジュールにＩ／Ｏモジュールを１列に連結する接続形態を採用するものである。直流電源装置１０１にはシステムＡが接続されており、直流電源装置１０２にはシステムＢが接続されており、この様なハードウェア構成の二重化構成によって、電源回路をも含めた安全ＰＬＣの信頼性の向上を図っている。そして、直流電源装置１０１の直流電圧の出力段に設けた、符号１Ａで示す部分が本発明の過電圧防止手段に相当する部分である。勿論、直流電源装置１０２の直流電圧の出力段に設けた、符号１Ｂで示す部分についても同様である。
本発明は、例えばこの様なハードウェア構成の安全ＰＬＣにおいて大いにその効果を発揮する。

以下、本発明を具体的な実施例に基づいて説明する。
ただし、本発明の実施形態は、以下に示す個々の実施例に限定されるものではない。

図２に本実施例１の安全ＰＬＣの電源系１００の回路図を示す。この電源系１００は、上記の安全ＰＬＣ（図１）に搭載するもので、システムＡ用の直流電源装置１０１とシステムＢ用の直流電源装置１０２の２台の装置から主に構成されており、この両者はそれぞれ２４ｖの外部直流電源に対して、互いに並列に接続されて給電される。図１の過電圧防止手段１Ａに相当するツェナーダイオードＺＤ１のカソード端は直流電源装置１０１の一方の出力端子（正電極）に接続されており、ツェナーダイオードＺＤ１のアノード端は直流電源装置１０１の他方の出力端子（アース）に接続されている。また、同様に、図１の過電圧防止手段１Ｂに相当するツェナーダイオードＺＤ２のカソード端は直流電源装置１０２の一方の出力端子（正電極）に接続されており、ツェナーダイオードＺＤ２のアノード端は直流電源装置１０２の他方の出力端子（アース）に接続されている。各ツェナーダイオードＺＤ１，ＺＤ２のツェナー電圧はそれぞれ４．０ｖである。

以下、直流電源装置１０１の直流出力電圧をＡ＿Ｖccと書き、直流電源装置１０２の直流出力電圧をＢ＿Ｖccと書く。本実施例１の安全ＰＬＣシステムにおいては、各システムＡ，Ｂに供給されるべきＡ＿Ｖcc，Ｂ＿Ｖccの定格値は、何れも直流３．３ｖである。
ここで、直流電源装置１０２の内部で短絡が発生した場合を考える。この時、直流電源装置１０２の直流出力電圧Ｂ＿Ｖccは、定格値の３．３ｖを大きく上回ることがあるが、この場合でも上記のツェナーダイオードＺＤ２の作用によって、システムＢ側に給電される直流電圧は、常に約４．０ｖにまで抑制される。また、この時発生する過電流ｉは、迂回路を構成するツェナーダイオードＺＤ２上を通って直流電源装置１０２のアース側に迂回する。

図３に、上記の場合における本実施例１の安全ＰＬＣシステムの情報処理系２００の回路図を示す。システムＡ（回路２０１）とシステムＢ（回路２０２）とは、ＭＥＬＦ抵抗Ｒ₁を有する信号転送路Ｌによって結ばれており、この信号転送路Ｌを介して両システムは通信を実行することができる。点ｐ_Bは、直流電源装置１０２からの給電点であり、常時、直流出力電圧Ｂ＿Ｖccが与えられている。

以上のような構成に従えば、直流電源装置１０２が上記の様な故障を起こした場合でも、直流電源装置１０２の直流出力電圧Ｂ＿Ｖccは４．０ｖ以下であるので、システムＡ（回路２０１）が有する演算回路（例：トランジスタＴｒａ）の定格電流が２ｍＡであっても、ＭＥＬＦ抵抗Ｒ₁の抵抗値は、２ｋΩにまで小さく設定することができる。

例えば、システムＡ側に対する入力信号がＬ（Ｌow：ＯＦＦ指令）であった場合、トランジスタＴｒｘはＯＦＦ状態となり、逆にトランジスタＴｒａはＯＮ状態となるので、抵抗器Ｒ₁上を図面左向きに流れる電流、即ち、直流出力電圧Ｂ＿Ｖccが与えられた給電点ｐ_BからトランジスタＴｒｙ，抵抗器Ｒ₁，トランジスタＴｒａを通ってシステムＡ側のアースに落ちる電流が、信号転送路Ｌ上を通る。
しかしながら、この時、直流出力電圧Ｂ＿Ｖccが４．０ｖ以下であれば、信号転送路Ｌ上に介在させる抵抗Ｒ₁の抵抗値を２ｋΩにまで下げても、この電流を小さく抑えることができるので、システムＡ（回路２０１）を構成する演算回路（例：トランジスタＴｒａなど）を常時保全することができる。また、電源故障が発生した自システムＢ側の演算回路（例：トランジスタＴｒｙなど）をも同時に保全することができる。

また、例えば、システムＡ側に対する入力信号がＨ（High：ＯＮ指令）であった場合、トランジスタＴｒｘはＯＮ状態となり、逆にトランジスタＴｒａはＯＦＦ状態となるので、抵抗器Ｒ₁上を図面右向きに流れる電流、即ち、直流出力電圧Ａ＿Ｖccが与えられた給電点ｐ_AからトランジスタＴｒｘ，抵抗器Ｒ₁，トランジスタＴｒｂを通ってシステムＢ側のアースに落ちる電流が、信号転送路Ｌ上を通る。
しかしながら、この時、直流出力電圧Ａ＿Ｖccが４．０ｖ以下であれば、信号転送路Ｌ上に介在させる抵抗Ｒ₁の抵抗値を２ｋΩにまで下げても、この電流を小さく抑えることができるので、システムＢ（回路２０２）を構成する演算回路（例：トランジスタＴｒｂなど）を常時保全することができる。また、電源故障が発生した自システムＡ側の演算回路（例：トランジスタＴｒｘなど）をも同時に保全することができる。

したがって、本実施例１の構成に従えば、信号転送路Ｌ上に介在させる抵抗Ｒ₁の抵抗値を従来よりも大幅に削減することができるので、抵抗回路に寄生する浮遊容量による悪影響をも同時に大幅に削減することができる。したがって、本実施例１の構成に従えば、システムＡ（回路２０１）とシステムＢ（回路２０２）との間における通信に用いるデジタル信号の周波数を従来よりも大幅に増大させることがき、よって、その通信速度も大幅に向上させることができる。

以上の作用・効果は、上記の通りシステムＡ，Ｂ間において、対称的に得ることができるものであり、勿論、これらの作用・効果は、図２のツェナーダイオーＺＤ１が、上記のツェナーダイオーＺＤ２と全く同様に作用することに基づいている。
そして、この様な情報処理系統（ＰＬＣ）の回路の相互的な保全機構は、ＰＬＣを用いて構成される各システム間で互いに安全性を監視しあう安全ＰＬＣの分野では、特に、非常に有用となる。

〔その他の変形例〕
本発明の実施形態は、上記の形態に限定されるものではなく、その他にも以下に例示される様な変形を行っても良い。この様な変形や応用によっても、本発明の作用に基づいて本発明の効果を得ることができる。

（変形例１）
例えば、上記の実施例１では、直流電源装置１０１の一方の出力端子（正電極）と他方の出力端子（アース）との間の上記の迂回路をツェナーダイオーＺＤ１だけで構成したが、この迂回路の構成としては、その他にも様々な接続形態を考えることができる。
図４に、上記のツェナーダイオーＺＤ１（図２）の接続形態の変形例を例示する。本図４のツェナーダイオードＺＤ１′のカソード端は、直流電源装置１０１の一方の出力端子（正電極）に接続されており、このツェナーダイオードＺＤ１′のアノード端は、抵抗器Ｒ₂を介して、直流電源装置１０１の他方の出力端子（負電極）に接続されている。即ち、ツェナーダイオードＺＤ１′と抵抗器Ｒ₂は、直流電源装置１０１の両電極の間で、直列に接続されている。

また、ＮＰＮ形のトランジスタＴｒ１のコレクタ端は、直流電源装置１０１の一方の出力端子（正電極）に接続されており、このトランジスタＴｒ１のエミッタ端は、直流電源装置１０１の他方の出力端子（アース）に接続されている。また、トランジスタＴｒ１のベース端は、ツェナーダイオードＺＤ１′のアノード端に接続されている。
この様な構成に従えば、トランジスタＴｒ１のベース端がツェナーダイオードＺＤ１′のアノード端に接続されるので、直流電源装置１０１から出力される直流電圧がツェナーダイオードＺＤ１′のツェナー電圧を上回った場合に、その上昇と共に急激にトランジスタＴｒ１を流れるコレクタ電流も増えるので、直流電源装置１０１から出力される直流電圧をより確実かつ効果的に定格値以内に抑えることができる。

実施例１の安全ＰＬＣの構成図。実施例１の電源系１００の回路図。実施例１の情報処理系２００の回路図。ツェナーダイオーＺＤ１の接続形態の変形例を例示する回路図。従来の構成及び問題点を説明する説明図。

符号の説明

１００：安全ＰＬＣの電源系
１０１：システムＡの直流電源
１０２：システムＢの直流電源
ＺＤ１，
ＺＤ２：ツェナーダイオード
２００：安全ＰＬＣの情報処理系
２０１：ＰＬＣ内のシステムＡ
２０２：ＰＬＣ内のシステムＢ
Ｒ₁ ：ＭＥＬＦ抵抗
Ｌ：信号転送路

Claims

電源回路が二重化された安全ＰＬＣにおいて、
第１の直流電源により駆動される第１の出力段トランジスタと、
第２の直流電源により駆動される第２の出力段トランジスタと
を有し、
前記第１の出力段トランジスタと前記第２の出力段トランジスタとが、抵抗器を有する信号転送路を介してそれぞれ互いに接続されており、
前記第１及び第２の直流電源はそれぞれ何れも、
該直流電源の２つの出力端子間に、その出力電位差の最大値を制限する過電圧防止手段を有する
ことを特徴とする安全ＰＬＣ。
前記過電圧防止手段は、
前記出力端子間に接続されたツェナーダイオードから構成されている
ことを特徴とする請求項１に記載の安全ＰＬＣ。
前記過電圧防止手段は、
コレクタ端が前記２つの出力端子の内の高電位側の端子に接続され、かつ、エミッタ端が前記２つの出力端子の内の低電位側の端子に接続されたＮＰＮ形のトランジスタと、
カソード端が前記高電位側の端子に接続され、アノード端が前記トランジスタのベース端に接続されたツェナーダイオードと、
前記ベース端と前記低電位側の端子とを接続する抵抗器と
から成る
ことを特徴とする請求項１に記載の安全ＰＬＣ。