JP5672964B2 - デジタル出力装置 - Google Patents

Description

本発明は、負荷に電源を供給し、過電流が流れるとこの負荷への電流供給を停止するデジタル出力装置に関し、特に高信頼性、高稼働率を必要とする機能安全アプリケーションに用いて好適なデジタル出力装置に関するものである。

図６に、負荷への電流供給を制御するデジタル出力装置の構成を示す。なお、負荷には流量や圧力などのプロセス量を検出し、またバルブなどプロセスを操作するフィールド機器等各種機器が含まれる。

図６において、１０はデジタル出力装置であり、フィールド機器などの負荷２０に電流を供給し、また異常の場合は電流の供給を停止する。デジタル出力装置１０は、過電流検出部１１、ラッチ１２、スイッチ制御部１３、スイッチ１４、および抵抗１５で構成される。

電源２１は端子１６と１９の間に接続され、負荷２０は端子１７と１８の間に接続される。電源２１の出力電流は過電流検出部１１、スイッチ１４を経由して負荷２０に供給される。スイッチ制御部１３は、入力された制御信号に基づいてスイッチ１４のオン、オフを制御する。スイッチ１４がオンになると負荷２０に電流が供給され、スイッチ１４がオフになると負荷２０への電流供給は停止される。

負荷２０に短絡などの故障が発生すると負荷２０に過大な電流が流れ、電源２１の焼損や他の機器に異常を来す場合がある。このため、デジタル出力装置１０は負荷２０に流れる電流を監視し、過大な電流が流れると速やかに負荷２０への電流供給を停止する。以下、このデジタル出力装置１０の動作について説明する。なお、スイッチ１４は入力される信号が高レベルのときにオンになり、低レベルのときにオフになる。また、スイッチ１４はスイッチ制御部１３によってオンに制御されている。

ラッチ１２のクロック端子には過電流検出部１１の出力が入力され、データ端子Ｄにはスイッチ制御部１３の出力（高レベル）が入力される。また、ラッチ１２の出力はオープンドレインであるとする。

過電流検出部１１は負荷２０に流れる電流を監視し、負荷２０に供給される電流が正常であると、その出力を低レベルに維持する。

負荷２０に流れる電流が予め定められた電流閾値を越えると、過電流検出部１１はその出力を低レベルから高レベルに変化させる。ラッチ１２は過電流検出部１１の出力の立ち上がりでスイッチ制御部１３の出力（高レベル）をラッチする。このため、その出力はオンになり、スイッチ制御部１３の出力のレベルに拘わらずスイッチ１４の入力信号は低レベルになる。スイッチ１４はオフになり、負荷２０への電流供給は停止される。

メンテナンス要員は過電流の原因を除去した後、ラッチ１２にクリア信号を入力する。ラッチ１２はこのクリア信号によってクリアされ、その出力はオフになる。このため、負荷２０への電流供給はスイッチ制御部１３によって制御できるようになる。

特許文献１には、電流検出手段１０１と電圧検出手段１０２でスイッチに流れる電流値と機器に出力される電圧値とを検出し、この電圧値と電流値を用いて診断を実行し、また状態を切り換えときの、他の機器への影響の有無を検出するデジタル出力装置が記載されている。

特開２００６−２０９６１８号公報

しかしながら、このようなデジタル出力装置には、次のような課題があった。
図６のデジタル出力装置は、過電流検出部１１が外来ノイズ等の影響で過電流が流れたと誤検出すると、ラッチ１２がセットされてスイッチ１４がオフになり、負荷２０へ電流が供給されなくなって、その動作が停止してしまうという課題があった。また、これを解除するためには、メンテナンス要員が手動でクリア信号を入力してラッチ１２をクリアしなければならないという課題もあった。

また、負荷２０が容量性の負荷の場合は、スイッチ１４がオンになると大きな突入電流が流れる。このため、過電流検出部１１がこの突入電流を過電流と誤認し、ラッチ１２がセットされてスイッチ１４がオフになるので、負荷２０に電流を供給することができないという課題もあった。

図７を用いて、このことを説明する。図７（Ａ）はスイッチ１４の状態、（Ｂ）は負荷２０に流れる電流変化を表す。時刻Ｔ１でスイッチ１４がオンになると、（Ｂ）に示すように、負荷２０には大きな突入電流が流れ、時刻Ｔ２で過電流検出部１１の電流閾値を越える。このため、ラッチ１２がセットされ、スイッチ１４がオフになって負荷２０への電流供給が停止する。

このため、容量性の負荷２０に電流を供給するためには過電流検出部１１の電流閾値を突入電流よりも大きくしなければならないが、電流閾値を大きくすると過電流検出感度が低下するので負荷２０に過大な電流が流れ、負荷２０あるいは電源２１の故障の原因となり、また他の機器に悪影響を与えてしまうという課題もあった。

本発明の目的は、ノイズに影響されることがなく、かつ容量性の負荷でも電流を供給することができるデジタル出力装置を実現することにある。

このような課題を達成するために、本発明のうち請求項１記載の発明は、
負荷に電流を供給し、過電流が流れたときに前記負荷への電流供給を停止するデジタル出力装置において、
前記負荷に流れる電流を監視し、過電流が流れたことを検出する過電流検出部と、
前記過電流検出部の出力信号が入力され、過電流が予め定められた時間流れたことを検出したときに、前記負荷への電流供給を停止する電流停止部と、
前記過電流検出部の出力信号が入力され、過電流が流れていないときに前記電流停止部の電流供給停止を解除すると共に、過電流が予め定められた時間流れた回数を計数し、この計数値が予め定められた回数になったときに、前記電流停止部の電流供給停止を解除しないようにする停止解除信号発生部と、
を備えたものである。ノイズなどによって誤動作することがなく、かつ容量性負荷にも電流を供給できる。

請求項２記載の発明は、請求項１に記載の発明において、
前記電流停止部を、
前記過電流検出部の出力信号が入力され、過電流が予め定められた時間流れたことを検出する時間計測部と、
前記時間計測部の出力信号によってセットされ、前記負荷に供給する電流を強制的に停止する信号を出力する電流停止信号発生部と、
で構成したのものである。構成が簡単になる。

請求項３記載の発明は、請求項１若しくは請求項２に記載の発明において、
前記停止解除信号発生部を、
過電流が予め定められた時間流れたことを表す信号が入力され、この信号の回数を数えて、予め定められた回数に達すると信号を出力する計数部と、
前記過電流検出部の出力信号、および前記計数部の出力信号が入力され、過電流が発生していないときに前記電流停止部の電流供給停止を解除する信号を発生すると共に、前記計数部の出力信号が入力されると、電流供給停止を解除する信号を発生しない信号発生部と、
で構成したのものである。構成が簡単になる。

本発明によれば以下のような効果がある。
請求項１、２、および３の発明によれば、過電流が予め定められた時間継続したときに負荷への電流供給を停止し、過電流がなくなったときに電流供給停止を解除すると共に、過電流が予め定められた時間継続した回数を計数し、この回数が予め定められた回数に達したときに、電流供給停止を解除しないようにした。

過電流が所定時間継続するまで電流供給を停止しないようにしたので、ノイズ等が原因で極短時間過電流信号が出力されても、負荷への電流供給が停止されないという効果がある。

また、過電流が所定時間継続すると負荷への電流供給を停止し、過電流がなくなるとこの電流停止を解除するようにしたので、起動時に突入電流が流れる容量性の負荷にも電流を供給することができるという効果もある。

さらに、過電流が予め定められた時間流れた回数が予め定められた回数に達すると電流供給停止を解除しないようにしたので、負荷の恒久的な故障による過電流の場合は、負荷への電流供給を停止できるという効果もある。

本発明の一実施例を示した構成図である。 図１の実施例の動作を示す特性図である。 図１の実施例の動作を示す特性図である。 図１の実施例の動作を示す特性図である。 図１の実施例の動作を示す特性図である。 従来のデジタル出力装置の構成図である。 容量性負荷が接続されたときの特性図である。

以下本発明を、図面を用いて詳細に説明する。図１は本発明に係るデジタル出力装置の一実施例を示した構成図である。なお、図６と同じ要素には同一符号を付し、説明を省略する。また、スイッチ制御部１３はスイッチ１４をオンにする信号（高レベル）を出力しているものとする。

図１において、３０はデジタル出力装置であり、過電流検出部１１、電流停止部３１、停止解除信号発生部３２、スイッチ制御部１３、スイッチ１４、抵抗１５で構成される。また、電流停止部３１はクロック発生部３３、カウンタ３４およびラッチ１２で構成され、停止解除信号発生部３２は信号発生部３５および計数部３６で構成される。電源２１は端子１６と１９の間に接続され、負荷２０は端子１７と１８の間に接続される。

電源２１の出力電流は過電流検出部１１およびスイッチ１４を経由して負荷２０に供給される。過電流検出部１１は負荷２０に流れる電流を監視し、この電流が予め定められた電流閾値より大きくなると、その出力を高レベルに遷移させる。この予め定められた電流閾値は、負荷２０が正常なときに流れる最大電流値よりも幾分大きな値に設定される。

クロック発生部３３の出力クロックはカウンタ３４のクロック端子に入力され、過電流検出部１１の出力信号はカウンタ３４のクロックイネーブルＥＮに入力される。カウンタ３４は過電流検出部１１の出力信号が高レベルになるとクロック端子に入力されたクロックをカウントし、カウント値が所定の値になると出力端子Ｑから出力される出力信号を高レベルにして、次の出力クロックの立ち上がりでカウント値を０に戻すものとする。

カウンタ３４は時間計測部に相当し、過電流が予め定められた時間流れたことを検出する。この予め定められた時間は、過電流検出部１１がノイズで誤動作したときに、その出力信号が高レベルを維持する時間より若干長くなるように設定する。

カウンタ３４の出力信号はラッチ１２のクロック端子に入力され、データ端子Ｄにはスイッチ制御部１３が出力する、スイッチ１４を制御する信号が入力される。ラッチ１２は、クロック端子に入力されるクロック（カウンタ３４の出力信号）の立ち上がりでデータ端子Ｄに印加された信号をラッチする。ラッチ１２は電流停止信号発生部に相当し、負荷に供給する電流を強制的に停止する信号を出力する。

ラッチ１２の出力端子Ｑとスイッチ制御部１３の出力端子は接続され、抵抗１５でプルアップされる。スイッチ１４はラッチ１２とスイッチ制御部１３の出力信号で制御され、これらの信号が高レベルのときにオンになる。また、ラッチ１２はオープンドレイン出力を有しているので、カウンタ３４の出力信号が立ち上がるとラッチ１２の出力がオンになる。このため、スイッチ制御部１３の出力信号のレベルに拘わらず、スイッチ１４に入力される信号が低レベルになってスイッチ１４はオフになり、負荷２０への電流供給は停止される。

過電流検出部１１の出力信号は信号発生部３５に入力される。信号発生部３５は、過電流検出部１１の出力信号が低レベル（過電流でない）になるとカウンタ３４およびラッチ１２のクリア端子ＣＬＲにクリア信号を出力する。このため、カウンタのカウント値は０になり、ラッチ１２の出力はオフになる。スイッチ１４はスイッチ制御部１３の出力信号で制御されるのでオンになり、負荷２０に電流が供給される。すなわち、信号発生部３５は負荷２０への電流供給停止を解除する信号を出力する。

カウンタ３４の出力信号は計数部３６に入力される。計数部３６はカウンタ３４の出力信号の立ち上がりをカウントし、このカウント値が所定の値以上になると信号発生部３５に信号を出力する。信号発生部３５は計数部３６の出力信号が入力されると、ラッチ１２のクリアを停止する。また、計数部３６は外部からクリア信号が入力されると、信号発生部３５に信号を出力し、ラッチ１２をクリアさせ、また自身の計数値を０にする。すなわち、計数部３６がカウントする回数が予め定められた回数に達すると信号発生部３５に信号を出力し、負荷２０への電流供給停止を解除しないようにする。

次に、図に基づいてこの実施例の動作を詳細に説明する。なお、カウンタ３４はカウント値が７になるとその出力信号が高レベルになり、次のクロックの立ち上がりでカウント値が０に戻るものとする。

図２は、過電流検出部１１の出力信号のパルス幅が、カウンタ３４の出力信号が高レベルになるまでの時間より短い場合の動作を示す特性図である。図２において、（Ａ）はクロック発生部３３の出力クロックの波形、（Ｂ）は過電流検出部１１の出力信号の波形、（Ｃ）はカウンタ３４のカウント値、（Ｄ）はカウンタ３４の出力信号の波形、（Ｅ）はラッチ１２の出力、（Ｆ）はスイッチ１４の状態である。

時刻Ｔ１０で過電流検出部１１の出力信号が高レベルになると、出力クロックの次の立ち上がりＴ１１からカウンタ３４のカウント値がアップする。時刻Ｔ１２で過電流検出部１１の出力信号が低レベルになると、信号発生部３５の出力信号によってカウンタ３４がクリアされ、カウント値は０に戻る。カウンタ３４のカウント値の最大値は３なので、カウンタ３４の出力信号は高レベルにならない。このため、（Ｅ）に示すようにラッチ１２の出力はオンにならず、（Ｆ）に示すようにスイッチ１４はオン状態を維持する。

このように、過電流検出部１１の出力信号のパルス幅が狭いと、スイッチ１４はオフにならない。このため、ノイズ等によって過電流検出部１１が誤動作しても、負荷２０への電流供給が途切れることはない。

図３に、過電流検出部１１の出力信号のパルス幅が、カウンタ３４の出力信号が高レベルなる時間より若干長い場合の例を示す。

図３において、図２と同様に（Ａ）〜（Ｆ）はそれぞれクロック発生部３３の出力クロックの波形、過電流検出部１１の出力信号の波形、カウンタ３４のカウント値、カウンタ３４の出力信号の波形、ラッチ１２の出力状態、スイッチ１４の状態である。

時刻Ｔ２０で過電流検出部１１の出力信号が高レベルになると、カウンタ３４はカウントを開始する。時刻Ｔ２１でカウンタ３４のカウント値が７になると、その出力信号は高レベルになる。このため、ラッチ１２の出力はオンになり、スイッチ１４はオフになる。

スイッチ１４がオフになると過電流は流れなくなり、過電流検出部１１の出力信号は低レベルになる。このため、時刻Ｔ２２で信号発生部３５の出力によってカウンタ３４およびラッチ１２がクリアされ、スイッチ１４は再びオンになる。過電流の要因は解消されていないので、過電流検出部１１の出力信号は再度高レベルになり、カウンタ３４は０からカウントを開始する。

時刻Ｔ２３で過電流の要因が解消され、過電流検出部１１の出力信号は低レベルになる。信号発生部３５によってカウンタ３４は０にクリアされる。

この例では時刻Ｔ２１とＴ２２の間でスイッチ１４がオフになり、一時的に負荷２０に電流が供給されなくなるが、過電流の要因が解消されると、自動的に元の状態に復帰する。

図４に、負荷２０が容量性負荷であり、突入電流が流れる場合の例を示す。図４において、（Ａ）〜（Ｄ）はそれぞれ負荷２０に流れる電流、過電流検出部１１の出力信号、ラッチ１２の出力状態、スイッチ１４の状態の変化を表している。

時刻Ｔ３０でスイッチ１４がオンになると、（Ａ）に示すように負荷２０に流れる電流は徐々に増加する。時刻Ｔ３１で過電流検出部１１の電流閾値Ｉｒより大きくなると、（Ｂ）に示すようにその出力信号は高レベルになる。

時刻Ｔ３２でカウンタ３４のカウント値が所定の値になるとラッチ１２がオンになり、スイッチ１４がオフになる。このため、過電流は流れなくなり、カウンタ３４とラッチ１２はクリアされ、その結果スイッチ１４はオンになる。この遷移が何度か繰り返される。

負荷２０には断続的に電流が流れるので、その容量は充電され、負荷２０に流れる電流のピーク値は徐々に小さくなる。時刻Ｔ３３で負荷２０に流れる電流のピーク値が電流閾値Ｉｒより小さくなる。このため、ラッチ１２の出力はオンにならず、スイッチ１４のオン状態は維持される。このように、負荷２０が容量性を有していても、負荷２０に電流を供給することができる。

負荷２０に恒常的な故障が発生して過電流が流れるときの例を図５に示す。図５において、（Ａ）〜（Ｃ）はそれぞれカウンタ３４の出力信号、計数部３６の計数値、ラッチ１２の出力の状態変化を表す。

時刻Ｔ４０で負荷２０に過電流が流れると過電流検出部１１の出力信号が高レベルになり、カウンタ３４がカウントを開始する。時刻Ｔ４１でカウンタ３４のカウント値が所定の値になるとラッチ１２の出力がオンになり、スイッチ１４がオフになる。このため、カウンタ３４とラッチ１２はクリアされる。この状態が繰り返される。

（Ｂ）に示すように、計数部３６はカウンタ３４の出力信号の立ち上がりの回数を計数する。時刻Ｔ４２でこの計数値が所定の値（Ｎ）になると、計数部３６はラッチ１２のクリアを禁止する。負荷２０には電流が供給されないので、過電流は発生しない。このため、計数部３６の計数値はＮのままであり、スイッチ１４はオフ状態を維持する。

過電流の原因が除去され、時刻Ｔ４３で外部からクリア信号が入力されると、計数部３６はクリアされ、その計数値は０になる。計数部３６はラッチ１２をクリアする。このため、スイッチ１４はオンになる。過電流の原因は除去されているので、過電流は流れない。

このように、恒久的な原因による過電流の場合は、一定時間後ラッチ１２はクリアされない。このため、負荷２０への電流供給は外部からクリア信号が入力されるまで禁止される。所定の値Ｎは、図４の容量性負荷の場合のオンオフ繰り返し回数より大きい値に設定する。

なお、図１実施例では過電流が一定時間流れたことを検出するためにカウンタ３４を用い、過電流が流れている時間クロックをカウントするようにしたが、この構成に限定されることはない。要は、過電流が予め定められた時間流れたことを検出できる構成であればよい。

また、負荷に流れる電流を強制的に遮断する信号を発生する構成としてラッチを用いたが、他の構成、例えばＲＳフリップフロップを用いてもよい。要はカウンタ３４の出力信号によって強制的に遮断する信号を発生する構成であればよい。

また、ラッチ１２の出力はオープンドレインとしたが、他の構成であってもよい。要は、スイッチ制御部１３の出力に優先して、強制的に負荷２０に流れる電流を遮断する構成であればよい。

また、過電流検出部１１は電流値を検出する抵抗と、この抵抗両端の電圧と電流式位置を比較することによって過電流を検出するものであるが、他の構成であってもよい。

さらに、停止解除信号発生部３２を信号発生部３５と計数部３６で構成するようにしたが、他の構成であってもよい。

１１ 過電流検出部
１２ ラッチ
１４ スイッチ
３０ デジタル出力装置
３１ 電流停止部
３２ 停止解除信号発生部
３３ クロック発生部
３４ カウンタ
３５ 信号発生部
３６ 計数部

Claims (3)

1. 負荷に電流を供給し、過電流が流れたときに前記負荷への電流供給を停止するデジタル出力装置において、
   前記負荷に流れる電流を監視し、過電流が流れたことを検出する過電流検出部と、
   前記過電流検出部の出力信号が入力され、過電流が予め定められた時間流れたことを検出したときに、前記負荷への電流供給を停止する電流停止部と、
   前記過電流検出部の出力信号が入力され、過電流が流れていないときに前記電流停止部の電流供給停止を解除すると共に、過電流が予め定められた時間流れた回数を計数し、この計数値が予め定められた回数になったときに、前記電流停止部の電流供給停止を解除しないようにする停止解除信号発生部と、
   を備えたことを特徴とするデジタル出力装置。
2. 前記電流停止部は、
   前記過電流検出部の出力信号が入力され、過電流が予め定められた時間流れたことを検出する時間計測部と、
   前記時間計測部の出力信号によってセットされ、前記負荷に供給する電流を強制的に停止する信号を出力する電流停止信号発生部と、
   で構成されることを特徴とする請求項１記載のデジタル出力装置。
3. 前記停止解除信号発生部は、
   過電流が予め定められた時間継続したことを表す信号が入力され、この信号の回数を数えて、予め定められた回数に達すると信号を出力する計数部と、
   前記過電流検出部の出力信号、および前記計数部の出力信号が入力され、過電流が発生していないときに前記電流停止部の電流停止を解除する信号を発生すると共に、前記計数部の出力信号が入力されると、電流停止を解除する信号を発生しない信号発生部と、
   で構成されることを特徴とする請求項１若しくは請求項２に記載のデジタル出力装置。

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