JP6961499B2

JP6961499B2 - 入力回路

Info

Publication number: JP6961499B2
Application number: JP2018002035A
Authority: JP
Inventors: 良一内山; 淳一加藤
Original assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Current assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Priority date: 2018-01-10
Filing date: 2018-01-10
Publication date: 2021-11-05
Anticipated expiration: 2038-01-10
Also published as: JP2019121280A

Description

本発明は、スイッチのＯＮ、ＯＦＦ情報を取り込む入力回路に関し、特に、入力情報の取り込みについて高い信頼性が要求されるプログラマブルコントローラ用の入力回路に関する。

コストアップや装置の大型化を抑えつつ、外部機器に接続したときにも発熱を抑制する信号入力回路の従来技術として、特許文献１が知られている。特許文献１は、三線式センサの入力抵抗Ｒ２を、二線式センサの入力抵抗Ｒ１より大きくすることでＲ１に流れる電流を抑制して発熱を小さくしたプログラマブルコントローラの入力回路が開示している。

特開２００２−２３６５０５号公報

特許文献１に記載の技術は、三線式センサを入力端子に接続して使用する際には、二線式センサ接続時に選択されるＲ１より抵抗が大きなＲ２を選択するため、大電流による発熱量の増大を回避できる。ところで、例えば、プログラムコントローラの入力回路を構成するスイッチは、センサの信号のＯＮ、ＯＦＦに従い、ＯＮ、ＯＦＦをする。一方、スイッチをＯＮしている接点が、外部からの原因で、接点の開閉が反復する現象であるチャタリングという現象が生じると、信号の信頼性が低下する。さらに、スイッチの接点の材質や構造により、接点の接触信頼性を考慮して電流範囲を決めていることから、消費電力を下げるために電流を下げることは望ましくは無い。

特許文献１は、抵抗を大きくし、電流を下げることで、抵抗の発熱量を下げることはできる。しかしながら、上記したように、スイッチにより生じる信号の信頼性、および接点の接触信頼性を維持するとともに、入力回路を構成する抵抗での消費電力を低減することについては、配慮されていない。

本発明の目的は、スイッチを有する入力回路において、スイッチに関する信頼性を保ちながら、入力回路における抵抗による発熱を低減する入力回路を提供することにある。

本発明の好ましい一例としては、直流電源と、第１のスイッチと、フォトカプラと、第２のスイッチと抵抗を有する入力回路であって、第１の回路は、第１の直流電源と、前記第１のスイッチと、前記フォトカプラと、第１の抵抗とを有し、第２の回路は、第２の直流電源と、前記第１のスイッチと、前記フォトカプラと、第２の抵抗とを有し、前記第２のスイッチを切り替えることで、前記入力回路は、前記第１の回路と前記第２の回路の間で切り替わり、前記第１のスイッチがＯＮした後に、回路に流れる電流が安定したら、前記第２のスイッチは、前記第１の回路から前記第２の回路に切り替え、切り替える前に前記第１の回路に流れる電流と、切り替え後に前記第２の回路に流れる電流とは、ほぼ同じ電流値となるように前記第１の回路と前記第２の回路を構成した入力回路である。

本発明によれば、スイッチを有する入力回路において、スイッチに関する信頼性を保ちながら、入力回路における抵抗による発熱を低減することができる。

実施例１の入力回路を説明する図。低入力電源電圧へ切り替えるスイッチの回路例を示す図。入力回路におけるタイミングチャート。

以下、本発明の実施例を、図面を用いて、説明する。

図１、図２、および図３を用いて、実施例１を説明する。図１は、直流（以下、ＤＣという）入力回路の例を示す。ＤＣ入力回路は、スイッチのＯＮ／ＯＦＦ状態の情報を、スイッチに、電圧を印加し、電流を流してプログラマブルコントローラに取り込む。図１におけるＤＣ入力回路の多入力回路の例は、コモン端子（Ｃ）に対し、入力端子（ＩＮｎ）に定格電圧を印加されると、入力ＯＮを取り込む入力モジュールの例を示す。

まず、スイッチのＯＮ／ＯＦＦ状態を検知する方法として、スイッチＯＮ時に電流が流れたことで、入力回路はスイッチがＯＮした状態と認識する。

スイッチ（SＷ1）１がＯＮし、スイッチ（Ｓ１）１０がＯＮの際には、ＤＣ電源２により、入力用抵抗１２、入力用抵抗３、フォトカプラ６からなる第１の回路内のループ１３で、電流（入力電流）が流れる。入力用抵抗３と入力用抵抗１２はこの入力電流値を制限する。フォトカプラ６の入力に電流が流れると、フォトカプラ６の出力が制御回路用電源電圧（Vcc）からＬレベルに変化し、この信号を、プログラマブルコントローラの演算制御回路に送り、検出しようとするスイッチがＯＮしたことの情報を渡す。

抵抗５は、入力端子（ＩＮｎ）に印加する電圧対し、入力ＯＮ／ＯＦＦのしきい電圧値を決める抵抗である。スイッチ（SＷ1）１がＯＮし、スイッチ（Ｓ１）１０がＯＦＦの際には、ＤＣ電源１１により、入力用抵抗１２、フォトカプラ６からなる第２の回路内のループ１４で、電流（入力電流）が流れる。

実施例１では、スイッチ１が、ＳＷ１、ＳＷ２といった多入力回路の構成となっている。多入力の内、入力端子IN１の入力回路の動作について、以下に説明する。

実施例１では、スイッチ１がＯＮしてからスイッチ１が安定後（チャタリングがおさまった後）からスイッチ１がＯＦＦするまでの間、切り替えスイッチ回路（Ｓ１）１０は、ＯＦＦする。
切り替えスイッチ回路（Ｓ１）１０が、ＯＦＦすると、第１の回路に流れる電流経路１３の入力電流は流れなくなり、入力用抵抗３からの発熱はなくなる。

切り替えスイッチ回路（Ｓ１）１０が、ＯＦＦすると、電流経路が１３から電流経路１４に切り替わる。第２の回路に流れる電流経路１４の入力電流値は、入力用電源１１の電圧値と入力抵抗１２の抵抗値で決めることになり、電流経路１３と同じ電流値になるように、入力抵抗１２の値をえらぶ。これより、電流経路１３の入力電流値と電流経路１４の入力電流値は同じとなり、入力用スイッチ１に流れる電流は、切り替えスイッチ回路１０がＯＮ、ＯＦＦに関わらず同一電流で変化しない。入力用スイッチ１に流れる電流は、切り替えスイッチ回路１０がＯＮ、ＯＦＦに関わらず全く同じ電流を流すようにしなくとも、入力用スイッチ１の接触信頼性が維持できるような電流範囲であればよく、ほぼ同じ電流であればよい。

また、切り替えスイッチ回路（Ｓ１）１０がＯＮの時は、入力抵抗３と入力抵抗１２が発熱し、切り替えスイッチ回路（Ｓ１）１０が、ＯＦＦの時は入力抵抗１２のみ発熱することになる。
ここで、入力抵抗３の発熱量と入力抵抗１２の発熱量を比較すると、この回路例の電圧値と抵抗値で計算すると、下記値となり、入力抵抗１２の発熱量は入力抵抗３の約１／４に小さくなる。なお、フォトカプラ（以下、PCという）に並列に接続した抵抗５は、入力しきい値を決定する抵抗器であり、その消費電力は小さいので、無視できる。

・入力抵抗３と１２の発熱量は、次のように求められる。
（100Ｖ（電源２）−1V（PC入力ドロップ電圧））²÷20kΩ（入力抵抗３の抵抗値15kΩ+ 入力抵抗１２の抵抗値5kΩ）＝0.49Ｗ

・入力抵抗１２の発熱量は、次のように求められる。
（24Ｖ（電源１１）−1V（PC入力ドロップ電圧））²÷５kΩ（入力抵抗１２の抵抗値）＝0.11Ｗ

また、電流経路１３と電流経路１４の入力電流値は下記値となり、ほぼ同一電流値となる。

・電流経路１３の入力電流値＝（100Ｖ（電源２）−1V（PC入力ドロップ電圧））÷20kΩ（入力抵抗３と入力抵抗１２の合計抵抗値）＝4.95ｍＡ

・電流経路１４の入力電流値＝（24Ｖ（電源１１）−1V（PC入力ドロップ電圧））÷５kΩ（入力抵抗１２の抵抗値）＝4.6ｍＡ

入力がＯＮ／ＯＦＦと判定するための入力電圧のしきい値について、電流経路１３と電流経路１４のしきい値の電圧は下記となり、各入力用電源電圧の約５０％で変わりなく、ＯＮ時、ＯＦＦ時とも同等のマージンを確保できる。

電流経路１３の入力しきい電圧は、約５０Ｖ（電源１００Ｖの５０％）、電流経路１４の入力しきい電圧は、約１２Ｖ（電源２４Ｖの５０％）である。

ここまでの説明では、電流経路１３から電流経路１４に切り替わると、入力電流と入力しきい値の位置については変化をなくして、信号の信頼性を保ちながら、入力抵抗からの発熱量が約１／４に小さくなることがわかる。

次に、図３にて入力用スイッチと、切り替えスイッチ回路１０のＯＮ／ＯＦＦのタイミング、そして入力抵抗器からの発熱量の削減部分について、以下に説明する。

ＳＷ１のＯＮ／ＯＦＦのタイムチャートは、入力用スイッチ１のＯＮ／ＯＦＦ状態の例を示す。これに関連してＳ１は、切り替えスイッチ回路１０のＯＮ／ＯＦＦのタイミングを示す。Ｓ１のＯＮ／ＯＦＦ状態は、ＳＷ１のＯＮ／ＯＦＦ状態とは反対になり、ＳＷ１がＯＮの時には、Ｓ１は、ＯＦＦ、ＳＷ１が、ＯＦＦの時には、Ｓ１は、ＯＮとなる。それに加え、ＳＷ１が、ＯＦＦからＯＮになってから10ｍｓ、Ｓ１が、遅れてＯＮからＯＦＦになる。

この10ｍＳの期間は、入力用スイッチ１のチャタリング期間であり、流れる電流は安定しない。10ｍｓ後に、チャタリングがおさまって、入力用スイッチ１に流れる電流は安定する。

ＳＷ１が、ＯＮであり、Ｓ１がＯＮの期間では、電流経路１３で入力電流が流れ、入力抵抗３と入力抵抗１２から0.49Ｗの発熱がある。ＳＷ１が、ＯＮであり、Ｓ１がＯＦＦの期間では、電流経路１４で入力電流が流れ、入力抵抗１２から0.11Ｗの発熱がある。

切り替えスイッチ回路１０と低電圧の入力用電源１１を使わないで電流経路１３のみからなる場合（比較例）では、ＳＷ１が、ＯＮの時は、常時0.49Ｗの発熱があることになる。それに対し、実施例１の発熱量を比較すると、Ｓ１が、ＯＦＦの期間については、発熱量が0.49Ｗから0.11Ｗに低減している。この低減量は、ＳＷ１のＯＮの期間に比例して大きく低減することになり、入力モジュールからの発熱量が抑えられる。

図１に示した実施例では、入力抵抗１２をフォトカプラ６の前に配置したが、フォトカプラ６と低電圧電源１１の間の電流経路１４に設けてもよい。その場合には、電流経路１３と電流経路１４における各抵抗は、両経路に重なった入力抵抗は無く、各経路は、それぞれ別々の入力抵抗から構成されることになる。

次に、ＳＷ１のタイミングから、Ｓ１のタイミングを具体的にどうやって作るかについて、図２を用いて、Ｓ１の具体例を説明する。図１の切り替えスイッチ回路１０（S1）の回路例を図２に示す。

図１とは、接続端子(Ａ)、(Ｂ)、(Ｃ)で接続しており、図２において、スイッチの動作をするトランジスタ１５、抵抗１６、１７、コンデンサ１８、ダイオード１９から構成されている。トランジスタ１５はドレイン（D）端子、ソース（s)端子、ゲート（G）端子があり、S端子に対しG端子にトランジスタＯＮ電圧仕様値以上の電圧が加わると、トランジスタはＯＮ状態となり、S端子からD端子に電流を流す動作をする。

S端子に対しG端子にトランジスタＯＮ電圧仕様値以下の電圧になると、トランジスタはＯＦＦ状態となり、S端子からD端子に電流を遮断する。Ｒ１（抵抗器）１６と、Ｒ２（抵抗器）１７は、S端子に対しG端子に加える電圧値を調整するもので、（Ａ）端子に対し（Ｃ）端子に設定された電圧以上の電圧が印加されると、トランジスタ１５はＯＮ状態となり、（Ｂ）端子から（Ａ）端子へ電流を流す。（Ｂ）端子に対し（Ｃ）に印加する電圧が小さくなると、トランジスタ１５はＯＦＦし、（Ｂ）端子から（Ａ）端子への電流を遮断する。

図１に示した実施例では、（Ａ）端子に対する（Ｃ）端子の電圧が５０Ｖ以上で、トランジスタ１５がＯＮする。入力用スイッチ１がＯＦＦしている時は、電流経路１３と電流経路１４はともに電流が流れない状態であり、切り替えスイッチ回路１０の（Ａ）端子に対して、（Ｃ）端子には電圧（１００Ｖ）が加わっているため、切り替えスイッチ回路１０内のトランジスタはＯＮしている。このため、入力スイッチ１の両端子には、入力用電源２の１００Ｖが、印加されている状態である。この時、図２のコンデンサ１８は充電しきっている。

入力用スイッチ１がＯＮになると、電流経路１３の入力電流が流れ始める。この時、切り替えスイッチ回路１０の（Ａ）端子に対し（Ｃ）端子の電圧は２４Ｖと低くなり、切り替えスイッチ回路１０内のトランジスタはＯＦＦ状態に変化する。一方、充電されていたコンデンサ１８が、放電を開始し、トランジスタ１５のS端子に対するG端子の電圧が、この放電により、５０Ｖの電圧以下になるまではトランジスタ１５はＯＮし続け、電流経路１３の電流が流れる。

スイッチ１がＯＮしてから10ｍｓ経つと、コンデンサ１８の放電電圧が５０Ｖの電圧以下になり、トランジスタ１５は、ＯＦＦする。トランジスタ１５はＯＦＦすると、切り替えスイッチ回路１０はＯＦＦし、電流経路１４の電流が流れ始め、スイッチ１がＯＦＦするまで流れ続ける。

スイッチ１がＯＦＦになると、電流経路１４の電流が流れなくなり、上記に戻り、切り替えスイッチ回路１０の（Ａ）端子に対して、（Ｃ）端子に電圧（１００Ｖ）が加わるため、切り替えスイッチ回路１０内のトランジスタはＯＮし、入力スイッチ１の両端子には、入力用電源２の１００Ｖが印加されている状態となる。ダイオード１９は、（Ａ）端子に対し（Ｃ）端子に電圧（１００Ｖ）が加わった時、遅れなしに急速にコンデンサ１８に充電しトランジスタ１５をＯＮさせる。上記の動作することにより、図３のタイミングチャート通りの動作をすることになる。

１．入力用スイッチ
２．入力用ＤＣ電源（高電圧）
３．入力抵抗
６．フォトカプラ
１０．切り替えスイッチ回路
１１．入力用ＤＣ電源（低電圧）
１２．入力用抵抗器
１３．電流経路
１４．電流経路

Claims

直流電源と、第１のスイッチと、フォトカプラと、第２のスイッチと抵抗を有する入力回路であって、
第１の回路は、第１の直流電源と、前記第１のスイッチと、前記フォトカプラと、第１の抵抗とを有し、
第２の回路は、第２の直流電源と、前記第１のスイッチと、前記フォトカプラと、第２の抵抗とを有し、
前記第２のスイッチを切り替えることで、前記入力回路は、前記第１の回路と前記第２の回路の間で切り替わり、前記第１のスイッチがＯＮした後に、回路に流れる電流が安定したら、前記第２のスイッチは、前記第１の回路から前記第２の回路に切り替え、切り替える前に前記第１の回路に流れる電流と、切り替え後に前記第２の回路に流れる電流とは、ほぼ同じ電流値となるように前記第１の直流電源と前記第２の直流電源の電圧の値と、前記第１の抵抗と前記第２の抵抗の値は定められており、
前記第１のスイッチがＯＮとなると、チャタリング期間経過後に、前記第２のスイッチは、ＯＮからＯＦＦに切り替わることで、前記第１の回路から前記第２の回路に切り替え、前記第２の直流電源は、前記第１の直流電源より低い電圧であることを特徴とする入力回路。
直流電源と、第１のスイッチと、フォトカプラと、第２のスイッチと抵抗を有する入力回路であって、
第１の回路は、第１の直流電源と、前記第１のスイッチと、前記フォトカプラと、第１の抵抗とを有し、
第２の回路は、第２の直流電源と、前記第１のスイッチと、前記フォトカプラと、第２の抵抗とを有し、
前記第２のスイッチを切り替えることで、前記入力回路は、前記第１の回路と前記第２の回路の間で切り替わり、前記第１のスイッチがＯＮした後に、回路に流れる電流が安定したら、前記第２のスイッチは、前記第１の回路から前記第２の回路に切り替え、切り替える前に前記第１の回路に流れる電流と、切り替え後に前記第２の回路に流れる電流とは、前記第１のスイッチの接触信頼性が維持できるような電流範囲の電流値となるように前記第１の直流電源と前記第２の直流電源の電圧の値と、前記第１の抵抗と前記第２の抵抗の値は定められており、
前記第１のスイッチがＯＮとなると、チャタリング期間経過後に、前記第２のスイッチは、ＯＮからＯＦＦに切り替わることで、前記第１の回路から前記第２の回路に切り替え、前記第２の直流電源は、前記第１の直流電源より低い電圧であることを特徴とする入力回路。
請求項１または請求項２に記載の入力回路において、前記第１のスイッチがＯＦＦになると、前記第２のスイッチは、前記第２の回路から前記第１の回路に切り替えることを特徴とする入力回路。
請求項３に記載の入力回路において、前記第２のスイッチは、トランジスタとコンデンサとを有し、
前記第１のスイッチがＯＦＦの際には、前記トランジスタはＯＮとなり、前記第１のスイッチがＯＮになると、前記コンデンサが放電し、前記チャタリング期間経過後に、前記トランジスタはＯＦＦとなり、前記第１の回路から前記第２の回路に切り替わることを特徴とする入力回路。
請求項１または請求項２に記載の前記入力回路において、前記第１のスイッチは、外部の信号に従ってＯＮとＯＦＦとが切り替わり、前記フォトカプラの出力信号は演算制御回路に接続され、前記第１の回路と前記第２の回路は、複数段設けられていることを特徴とするプログラマブルコントローラ用入力回路。