что такое транзисторный выход
Типы дискретных выходов ПЛК
Современные интеллектуальные устройства (контроллеры, регуляторы, датчики) имеют дискретные выходы для передачи другим устройствам сигналов о возникающих событиях, а так же для управления исполнительными устройствами. Эти входы могут быть всего нескольких типов.
Промышленные контроллеры, как правило, используют только релейные и транзисторные выходы. В регуляторах иногда встречаются другие разновидности. Далее мы разберём каждый из типов и определим их принцип работы, достоинства и недостатки.
Релейный выход
Такой выход представляет собой обычное электромагнитное реле, управляемое внутренней логикой контроллера. С помощью такого выхода можно скоммутировать любую внешнюю силовую нагрузку: электрическую печь, клапан, насос, привод и т.д. При этом необходимо учитывать мощность коммутируемого устройства (чтобы максимально возможный ток, протекающий в цепи не превышал предельный ток указанный для этого выхода). В технических характеристиках обязательно указывают нагрузочную способность выхода. Может быть 1, 2…10А — это и есть основная характеристика релейного выхода.
Ещё релейные выходы различают по количеству контактов. Как у обычного реле, у релейного выхода могут быть нормально-открытый (НО) и нормально-закрытый (НЗ) контакты. Чаще всего на корпус устройства выводят только НО контакт, как наиболее часто применяемый, для экономии места.
Однако встречаются ПЛК и модули дискретного вывода, где релейный выход имеет перекидной ключ с одним общим контактом — такой ключ называют перекидным.
Схема подключения ОВЕН ПЛК150
Как видно на схеме, дискретные выходы DO1 и DO2 имеют перекидной контакт (3 вывода), а DO3 и DO4 только НО контакт.
Теперь рассмотрим преимущества и недостатки релейного выхода.
Транзисторный выход (транзисторная оптопара)
Дискретный выход типа «транзисторный ключ» — это электронный ключ реализованный на полевом или биполярном транзисторе. Транзистор пропускает электрический ток, когда на его базу приходит управляющее напряжение.
Такое включение транзистора называют схемой с открытым коллектором.
Транзисторный ключ может коммутировать только цепи постоянного тока. В промышленном оборудовании как стандарт де-факто для дискретных сигналов (как и аналоговых) используется напряжение 24 В. Но ничего не мешает такому выводу коммутировать цепь с напряжением, например, 12 В.
Транзисторные выходы обычно объединяют в каскады.
Существует две разновидности транзисторных выходных каскадов: для втекающего и вытекающего тока.
Выходные каскады для втекающих (слева) и вытекающих (справа) токов. (рисунок с сайта www.bookasutp.ru)
Эти схемы отличаются только общим выводом для каскада. В схеме со втекающим током общим общим выводом является земля, а в противоположном случае общий вывод — питание.
Рассмотрим преимущества и недостатки выхода типа «транзисторный ключ».
Симисторный выход (симисторая оптопара)
Этот тип выхода по принципу работы, подключению, достоинствам и недостаткам аналогичен транзисторному входу. Однако, симисторный выход может коммутировать цепи переменного тока.
Такой выход редко встречается в ПЛК. Чаще всего его имеют регуляторы. Например, ПИД-регулятор температуры, который управляет индуктивной нагрузкой (электрическая печь). В этом случае симисторный выход удобен тем, что он как и релейный может коммутировать силовую нагрузку, но исключает искрение контактов.
Форум АСУТП
Клуб специалистов в области промышленной автоматизации
Начинающему разбираться в контроллерной технике
Начинающему разбираться в контроллерной технике
Сообщение limewax » 09 мар 2010, 16:09
Re: Начинающему разбираться в контроллерной технике
Сообщение T_Vlad » 09 мар 2010, 16:32
Re: Начинающему разбираться в контроллерной технике
Сообщение Никита » 09 мар 2010, 16:46
Re: Начинающему разбираться в контроллерной технике
Сообщение limewax » 09 мар 2010, 16:56
Re: Начинающему разбираться в контроллерной технике
Сообщение Михайло » 09 мар 2010, 17:15
Это, пожалуй, основное, что нужно знать.
Re: Начинающему разбираться в контроллерной технике
Сообщение Никита » 09 мар 2010, 19:27
Re: Начинающему разбираться в контроллерной технике
Сообщение Jackson » 09 мар 2010, 22:48
Как всё сложно. Запудрите мозги новичку. 🙂
Это всё о дискретных выходах, имеющих только два состояния: 1 (включено, замкнуто) и 0 (отключено, разомкнуто).
Аналоговые выходы априори транзисторные (на как правило на операционных усилителях).
Re: Начинающему разбираться в контроллерной технике
Сообщение T_Vlad » 10 мар 2010, 08:26
Что такое DO (дискретный выход) в ПЛК. Для чего он нужен? Оставить комментарий
Дискретный выход (DO, digital output, DQ) в ПЛК применяется для включения подсоединенных к нему устройств: клапанов, магнитных пускателей промежуточных реле. Фактически дискретный выход — это переключатель, который замыкается по команде программируемого логического контроллера. Дискретный выход может иметь два состояния: разомкнутое (FALSE) и замкнутое (TRUE). При замкнутом состоянии подсоединенное устройство будет включено, при разомкнутом — отключено.
Рис. 1 — Принцип работы дискретных выходов
Дискретные выходы бывают транзисторные и релейные.
Транзисторные DQ коммутируют только низковольтные сигналы до 24…30 В постоянного тока (VDC). С их помощью включают низковольтное оборудование, например лампы индикации. У транзисторных выходов большая скорость переключения, поэтому их также используют для широтно-импульсной модуляции (ШИМ, PWM), PID-регулирования и т. д. Недостаток транзисторных выходов — малая нагрузка, например, транзисторные выходы «ОВЕН ПЛК110» рассчитаны до 24 VDC / 0,4 A.
Если ПЛК имеет только транзисторные выходы и нужно коммутировать переменный ток, то устанавливается промежуточное реле.
Рис. 2 — Промежуточное реле к дискретным выходам для коммутации переменного тока
Релейные выходы коммутируют не только постоянный, но и переменный ток. Максимальная допустимая нагрузка релейных DO зависит от модели ПЛК. Например, 250 VAC / 4 A для «ОВЕН ПЛК63», 250 VAC / 1,5 A для Delta DVP-SS и т. д. Недостаток релейных выходов — низкая скорость переключения, что не позволяет их использовать для ШИМ и PID. Реле имеют механический ресурс на количество переключений. Обычно он равен 100 000…300 000 переключений.
Входы и выходы контроллера (ПЛК), дискретные и аналоговые
Входы и выходы — базовое понятие любого контроллера. Это может быть промышленный контроллер (Beckhoff, Овен, Siemens, ABB), специальный контроллер для системы Умный Дом (Larnitech, Wiren Board, EasyHomePLC, Evika) или распределённая система KNX или HDL. В любой системе есть элементы типа «дискретный вход», «дискретный выход», «аналоговый вход», «аналоговый выход».
Поскольку для расчёта системы и вообще понимания того, откуда берётся её стоимость, очень важно знать разницу между входами и выходами, расскажу подробнее о них.
Входы контроллера
Вход — это клемма для подключения какого-либо источника сигнала, который передаёт информацию в контроллер. Какие могут быть источники сигнала?
Выключатель — это источник сигнала. Сигнал может быть либо «нажато» либо «не нажато». То есть, либо логический ноль, либо логическая единица.
Тут мы переходим к понятию того, что вход и выход может быть дискретным (бинарным или цифровым его могут называть) или аналоговым. Дискретный — значит, воспринимающий либо единицу, либо ноль. Выключатель подключается к дискретному входу, так как он либо нажат, либо не нажат, других вариантов нет.
Дискретный вход может либо ожидать появления какого-то напряжения, либо замыкания входа на землю. Например, контроллер ОВЕН ПЛК воспринимает как логическую единицу появление на входе напряжения от +15 до +30 вольт. А контроллер WirenBoard ожидает, что на входе появится земля (GND). В первом случае на выключатель надо подать +24В, чтобы при нажатии кнопки на вход контроллера пришли +24 вольта, во втором — на выключатель подаём общий минус (землю) с того же модуля входов, при нажатии она придёт на контроллер.
Датчик движения также подключается к дискретному входу контроллера. Датчик либо подаёт сигнал о том, что движение есть, либо о том, что движения нет. Вот схема подключения датчика Colt XS:
Два левых контакта — напряжение питания датчика, +12 вольт. Два средних контакта — тревожный контакт, он нормально-замкнут. То есть, если движения нет, то N и С замкнуты, если движение появляется, то N и С размыкаются. Так сделано для того, чтобы если злоумышленник перережет провод датчика или повредит датчик, то цепь разорвётся, что приведёт к сработке сигнализации. Если на датчик не подавать питание, то N и С также будут разомкнутыми.
В случае с контроллерами Овен, Beckhoff и большинством других контроллеров, нам надо подать на один из контактов датчика +24 вольта, а другой подключить ко входу контроллера. Если контроллер видит на входе +24В, то есть, логическую единицу, то всё в порядке, движения нет. Как только сигнал пропадает, значит, датчик сработал. В случае с контроллером, который детектирует не напряжение, а землю (как в Wirenboard), мы подключаем N к общему минусу контроллера, С так же к его входу.
Контакты Т датчика — это тампер, датчик вскрытия корпуса. Они также нормально замкнуты, размыкаются при вскрытии корпуса датчика. Такие контакты есть у многих элементов охранных систем. Для датчиков охранной сигнализации тампер можно подключить последовательно клеммам сработки, для датчиков на включение света можно вообще не подключать тампер.
Датчик протечки воды также подключается к дискретному входу. Принцип тот же — при отсутствии протечки с датчика приходит сигнал. Нужно по каждому датчику смотреть по инструкции, замкнут он в случае протечки или разомкнут.
Аналоговый вход контроллера видит не просто наличие или отсутствие сигнала, он видит величину сигнала. Универсальный аналоговый сигнал — это от 0 до 10 вольт постоянного тока, такой сигнал даёт множество разных датчиков. Либо от 1 до 10 вольт. Есть ещё токовый сигнал — от 4 до 20 миллиампер. Почему не от ноля, а от 1 вольта или 4 миллиампер? Чтобы понимать, работает ли вообще источник сигнала. Если датчик с выходным сигналом 1-10 вольт выдаёт 1 вольт, значит, это соответствует минимальному уровню измеряемой величины. Если 0 вольт — значит, он выключен или сломан, а может, провод оборван.
То же с датчиком влажности или освещённости. Смотрим диапазон измерения параметра, смотрим выходной сигнал и можем получить точную измеряемую величину.
То есть, аналоговый вход измеряет величину сигнала: ток или напряжение. Многие датчики выпускаются в разных модификациях: с выходом по току или по напряжению. Если нам для системы надо найти какой-то редкий датчик, например, уровня определённого газа в воздухе, то, скорее всего, у него будет выход либо 0-10В, либо 4-20мА. У более продвинутых — интерфейс RS485, о нём чуть позже.
Датчики угарного газа, природного газа (метана) и пропана обычно имеют дискретный выход, то есть, подключаются к дискретному входу контроллера и подают сигнал, когда значение измеряемой концентрации газа становится опасным. Датчики уровня углекислого газа или кислорода дают аналоговое значение, соответствующее уровню газа в воздухе, чтобы контроллер сам мог принимать решение о каком-то действии.
Выходы контроллера
Выходы — это клеммы, на которые сам контроллер может подать сигнал. Контроллер подаёт сигнал, чтобы чем-то управлять.
Дискретный выход — это выход, на который контроллер может подать либо логический ноль, либо логическую единицу. То есть, либо включить, либо выключить.
Свет без регулировки яркости подключается к дискретному выходу.
Электрический тёплый пол — тоже к дискретному выходу.
Клапан перекрывания воды, или электрическая розетка, или вентилятор вытяжки, или привод радиатора — они подключаются к дискретным выходам контроллера.
В зависимости от конкретного модуля дискретных выходов выход может быть либо транзисторным (открытый коллектор), то есть, требующим реле для управления каким-то мощным прибором, либо релейным, то есть, к нему сразу можно что-то подключить. Надо смотреть характеристики выхода — коммутируемое напряжение и ток. Важно понимать, что если написано, что выход коммутирует 230 вольт 5 ампер резистивной нагрузки, то это относится только к лампочке накаливания. Светодиодная лампа — надо делить ток на десять. Блоки питания и электромоторы тоже далеко не резистивная нагрузка.
Выход типа «открытый коллектор» не позволяет подключать на него нагрузку, только реле. Надо смотреть, чтобы коммутационные возможности выхода соответствовали току и напряжению катушки реле.
Аналоговый выход — клемма, на которую контроллер может подать сигнал не только включено-выключено, но определённое значение управления. Это те же 0-10 (или 1-10) вольт, либо 4-20 миллиампер. Далее на этот управляющий сигнал мы подключаем либо диммер освещения, либо регулятор скорости вращения вентилятора либо что-то ещё, имеющее соответствующий вход.
Управление освещением — это силовой диммер, который в зависимости от сигнала 0-10 вольт с контроллера даёт на выходе от 0 до 230 вольт переменного тока для питания ламп накаливания или диммируемых светодиодных ламп.
Для светодиодных лент используется ШИМ-диммер (или ШИМ-драйвер или блок питания с диммированием), он по сигналу 0-10 либо 1-10 вольт с контроллера подаёт на ленту широтно-импульсно модулированный сигнал для диммирования. Подробнее про ШИМ у меня написано здесь.
Для вентиляторов используется тиристорный регулятор, часто также со входом 0-10 вольт.
Интерфейсы контроллера
У любого контроллера есть разные интерфейсы связи, которые определяют, с какими устройствами он может общаться. Интерфейсы связи обычно двухсторонние, то есть, контроллер может передавать на них информацию и получать информацию о состоянии.
Интерфейс Ethernet — это подключение к компьютерной сети и интернету для управления с мобильного приложения или общения с другими контроллерами. Аналогично интерфейс Wi-Fi.
Интерфейс RS-485 Modbus — самый распространённый для связи с разной техникой. Это кондиционеры, вентмашины, различные датчики и исполнительные устройства, модули расширения и много чего ещё.
RS-232 это интерфейс с маленькой дальностью линии. Обычно это, например, GSM модемы.
KNX — интерфейс связи с шиной KNX, на которой может находиться очень много устройств всех видов.
Получаем такую сводную картинку по входам и выходам контроллера:
Пример
Возьмём для примера контроллер системы Умный Дом EasyHomePLC 5.2.
У него 32 дискретных входа. Напряжение на входе должно быть от +9 до +60 вольт, чтобы контролер считал его единицей.
Из этих 32 входов 16 могут быть аналоговыми. Сигнал на входе от 0 до 10 вольт.
18 дискретных выходов. Из них 9 релейные (коммутация 16 ампер 230 вольт), 9 открытых коллекторов для подключения внешних реле.
6 ШИМ выходов с током коммутации до 1.4 ампера и напряжением до 30 вольт на каждый выход. Это управление светодиодной лентой, либо сигнал 0-10 вольт, если на ШИМ выход подключить RC-цепочку (резистор и конденсатор будут сглаживать сигнал ШИМ).
Интерфейсов связи у него много: Ethernet, два RS-485, два RS-232, miniUSB (для прошивки).
Подробнее про входы и выходы можно почитать здесь:
244,157 просмотров всего, 532 просмотров сегодня
Датчики с транзисторным выходом PNP/NPN, схема подключения, разница и отличия
Среди всех используемых в промышленности датчиков до сих пор превалируют дискретные, т. е. имеющие два состояния выходного сигнала – включен/выключен (иначе – 0 либо 1). В основном подобные датчики используются для определения некоторых конечных положений, и принцип действия может быть любым – индуктивным, оптическим, емкостным и так далее.
Все подобные датчики объединяет одна характеристика – схемотехника выхода. Основных вариантов здесь два:
— релейный выход основывается, очевидно, на использовании реле. Схема питания датчика при этом гальванически развязана с выходом, что даёт возможность использовать такие датчики для коммутации высокого напряжения.
— транзисторный выход использует PNP либо NPN транзистор на выходе и подключает соответственно плюсовой либо минусовой провод.
Немного теории. Транзисторы PNP и NPN относятся к категории биполярных и имеют три вывода: коллектор, база и эмиттер. Сам транзистор состоит из трёх частей, называемых областями, разделенных двумя p-n переходами. Соответственно, транзистор PNP имеет две области P и одну область N, а NPN, соответственно, две N и одну P. Направление протекания тока также разное:
— для PNP при подаче напряжения на эмиттер ток протекает от эмиттера к коллектору;
— для NPN подача напряжения на коллектор вызывает протекание тока от коллектора к эмиттеру.
Это обуславливает необходимость подключения питания с прямой полярностью относительно общих клемм для транзисторов NPN, и обратной – для PNP.
Любой биполярный транзистор работает по принципу управления током базы для регулирования тока между эмиттером и коллектором. Единственное различие в принципе работы транзисторов PNP и NPN заключается в полярности напряжений, подаваемых на эмиттер, базу и коллектор. В зависимости от реализации смещений p-n переходов возможны различные режимы работы транзисторов, но в общем случае в датчиках используются два:
— насыщение: прямое прохождение тока между эмиттером и коллектором (замкнутый контакт)
— отсечка: отсутствие тока между эмиттером и коллектором (разомкнутый контакт)
Рассмотрим подробнее подключение и особенности применения, например, индуктивных датчиков с транзисторным выходом. Отличием является коммутация разных проводов цепи питания: PNP соединяет плюс источника питания, NPN – минус. Ниже наглядно показаны различия в подключении; справа изображён датчик с выходом PNP, слева – NPN.
Принципиальное отличие логики PNP от NPN
Чаще применяется вариант с выходом на основе транзистора PNP, поскольку большее распространение получила схемотехника с общим минусовым проводом источника питания. Выходное напряжение зависит от напряжения питания датчика и обычно находится в узком диапазоне, например, 20…28 В.
Выбор датчика по типу используемого транзистора обуславливается в первую очередь схемотехникой используемого контроллера или иного оборудования, к которому предполагается подключать датчик. Обычно в документации на контроллеры и устройства коммутации указывается, какой транзисторный выход они позволяют использовать.
Теперь о совместимости. Вообще, существует четыре основных разновидности выхода датчиков:
Помимо типа используемого транзистора, различие также заключается в исходном состоянии выхода – он может быть в нормальном (если датчик не активирован) состоянии либо разомкнутым (открытым), либо замкнутым (закрытым). Отсюда обозначения NO (НО) – normally open (нормально открытый) и normally closed (нормально закрытый).
Что делать, если требуется заменить один датчик на другой, но нет возможности установить аналог с идентичной логикой и схемотехникой выхода? В случае, если меняется только исходное состояние выхода (НО на НЗ и наоборот), путей решения может быть несколько:
— внесение изменений в конструкцию, инициирующую датчик
— внесение изменений в программу (смена алгоритма)
— переключение выходной функции датчика (при наличии такой возможности)
Замена же оптического датчика с изменением типа используемого транзистора представляет собой проблему большую, нежели просто поменять алгоритм или сместить какой-то элемент конструкции. Изменение схемотехники датчика влечет за собой также необходимость внесения существенных изменений в схему его подключения. Конечно, это не всегда допустимо, однако в ряде случаев это единственный выход.
Замена датчика PNP на NPN
Рассмотрим схему, представленную выше слева (для примера взят датчик с транзистором PNP). В случае неактивного датчика с нормально открытым выходом ток не протекает через его выходные контакты; для нормально закрытого, соответственно, ситуация обратная. Благодаря протекающему току на нагрузке создаётся падение напряжения.
Наряду с основной (внешней) нагрузкой датчика, которой может являться вход контроллера, в нём может присутствовать также внутренняя нагрузка, однако она не гарантирует, что датчик будет работать стабильно. Если внутреннего сопротивления нагрузки у датчика нет, такая схема называется схемой с открытым коллектором – она может функционировать исключительно при наличии внешней нагрузки.
Вернемся к схеме. Активация датчика с выходом PNP обеспечивает подачу напряжения +V через транзистор на вход контроллера. Реализация этой схемы с датчиком, имеющим выход NPN, требует добавления в схему дополнительного резистора (номинал которого обычно подбирается в диапазоне 4.9-10 кОм) для обеспечения функционирования транзистора. В этом случае при неактивном датчике напряжение поступает через добавленный резистор на вход контроллера, что делает схему, по сути, нормально закрытой. Активация датчика обеспечивает отсутствие сигнала на входе контроллера, поскольку транзистор NPN, через который проходит почти весь ток дополнительного резистора, шунтирует вход контроллера.
Таким образом, подобный подход обеспечивает возможность замены датчика PNP на NPN при условии, что перефазировка датчика не является проблемой. Это допустимо, когда датчик исполняет роль счетчика импульсов – контроль числа оборотов, количества деталей и т. д.
Если подобное изменение не является приемлемым, и требуется сохранить в том числе логику работы системы, можно пойти по более сложному пути.
Схемы подключения датчиков PNP к устройству со входом NPN и наоборот
Суть заключается в добавлении в схему подключения дополнительного биполярного транзистора, тип которого выбирается исходя из типа входа прибора, к которому подключается датчик, а также двух дополнительных сопротивлений нагрузки. Если используется прибор с входом NPN, то и дополнительный транзистор требуется такой же. Активация датчика инициирует переключение внешнего транзистора, который уже подаёт напряжение на вход прибора. Данная схема, в отличие от рассмотренной ранее, сохраняет логику работы системы, однако более сложна в сборке.