5. Вывод дискретных сигналов

Вывод дискретных сигналов используется для управления состоянием включено / выключено исполнительных устройств. Устройства вывода отличаются большим многообразием.

Выходные каскады со стандартными ТТЛ или КМОП логическими уровнями в ПА используются редко, поскольку нагрузкой дискретных выходов являются не логические входы электронных устройств, а чаще всего электромеханические реле, пускатели, шаговые двигатели и др. Дискретные выходы обычно строятся на основе мощных биполярных транзисторов с открытым коллектором или полевых транзисторов (обычно МОП) с открытым стоком (рис.3.10).

Рис.3.10. Структурная схема выходных каскадов типа ОК для вывода дискретных сигналов

Рис.3.11. Подключение индуктивной нагрузки к дискретному выходу

По схемотехнике применения эти каскады эквивалентны, поэтому их называют каскадами ОК. Они обеспечивают большую гибкость, позволяя получить необходимые для нагрузки ток или напряжения с помощью внешнего источника питания. Кроме того, каскад ОК с помощью внешних резисторов и источников напряжения позволяет получить стандартные КМОП или ТТЛ-уровни V_вых (рис.3.10,11).

Наилучшим решением для построения дискретных выходов являются микросхемы интеллектуальных ключей, содержащих не только мощный транзистор с открытым стоком, но и цепи его защиты от перегрузки по току и напряжению, от к.з., переполюсовки и перегрева, а также электростатических разрядов. При перегреве выходного каскада или превышении тока нагрузки интеллектуальный ключ выключается.

Наиболее широко распространены выходные каскады ОК модулей вывода 2-х типов: для втекающего (рис.3.12) и вытекающего (рис.3.13) токов. Различие состоит в том, какой вывод является общим для нескольких нагрузок: заземленный или соединенный с шиной питания.

Каскады с открытым коллектором (стоком) удобны тем, что позволяют использовать внешний источник питания с напряжением, отличным от напряжения питания модулей вывода (рис.3.12.13). Кроме того, в этих схемах вместо источника питания Е_пит можно использовать тот же источник, что и для питания модулей вывода (V_пит).

Рис.3.12. Структурная схема выходных каскадов для втекающих токов

Рис.3.13. Структурная схема выходных каскадов для вытекающих токов

Рис.3.14. Релейный выход. Применение диода для устранения искрения контактов реле при коммутации индуктивной нагрузки

Рис.3.15. Релейный выход. Применение RC-цепочки для предотвращения искрения контактов при коммутации индуктивной нагрузки

Для управления нагрузками, питающимися большим током или от источника напряжения 110...220 В используют выходные каскады с э-м или твердотельными (полупроводниковыми) реле, тиристорами, симисторами.

Основное преимущество э-м реле - очень низкое падение напряжения на замкнутых контактах, что исключает необходимость их охлаждения. Недостаток - ограниченное количество срабатываний (порядка 10⁵...10⁶). Полупроводниковые реле, наоборот, имеют относительно большое сопротивление в открытом состоянии и требуют отвода тепла, но могут выполнить до 10¹⁰ переключений. Кроме того, полупроводниковые реле обладают более высокой надежностью и не имеют эффекта «дребезга контактов».

П

Рис.3.16. Тиристорный выход. Варистор используется для защиты тиристора от импульсов напряжения

ри использовании реле для коммутации индуктивной нагрузки возникает большая э.д.с. самоиндукции, которая вызывает пробой воздушного зазора при размыкании контактов и их искрение. Это приводит к быстрому износу контактов и появлению э-м помех. Проблема решается с помощью диода, включенного параллельно катушке индуктивности при коммутации в цепи постоянного напряжения (рис.3.14) и RC-цепочкой в цепи переменного напряжения (рис.3.15). Контакты реле желательно защищать предохранителями.

При использовании твердотельных реле или тиристоров в высоковольтных цепях с длинными кабельными линиями используют защиту на варисторах (рис.3.16), TVS-диодах и газовых разрядниках (подробнее гл.ХХ 3).