Budowa portów I/O w sterownikach przemysłowych

[mariusz.j]

Witam serdecznie wszystkich użytkowników forum Elektroniki Praktycznej!

Zanim przejdę do głównego tematu, chciałbym pogratulować nowej szaty graficznej strony EP, podziękować za stworzenie miejsca, w którym będzie można wymieniać myśli i doświadczenia z innymi konstruktorami oraz wyrazić nadzieję, że w przyszłości forum EP stanie się lekturą obowiązkową dla każdego elektronika.

Wracając do tematu głównego pragnę rozpocząć dyskusję dotyczącą budowy portów I/O w sterownikach przemysłowych. Interesują mnie rozwiązania jakie można spotkać w tego typu konstrukcjach, w szczególności sposoby zabezpieczania wejść i wyjść, dobór elementów (dostępnych w detalicznej sprzedaży) oraz normy i wytyczne projektowe. Wymagania wstępne
- wejście cyfrowe ogólnego przeznaczenia: zakres napięć wejściowych 5-24V,
- szybkie wejście cyfrowe: zakres napięć wejściowych 5-24V i/lub RS422, fmax=1MHz,
- wyjścia cyfrowe niskoprądowe: zakres napięć wyjściowych 5-24V, Imax=200mA (sink, source),
- wyjścia cyfrowe wysokoprądowe: zakres napięć wyjściowych 5-48V, Imax=10A, modulacja PWM,
fmax=10kHz (sink, source),
- szybki wyjścia cyfrowe: zakres napięć wyjściowych 5-24V i/lub RS422, Imax=200mA, fmax=1MHz
(sink, source).
Wszystkie porty I/O galwanicznie izolowane.

Temat próbuję zgłębić od jakiegoś czasu i nie znalazłem jednego kanonicznego rozwiązania. Jeżeli chodzi o wejścia to zazwyczaj stosuje się transoptor: standardowy lub szybki w zależności od typu wejścia. Często transoptor posiada wejście typu AC. Wejścia zabezpiecza się dwukierunkowym transilem (dioda TVS i/lub lampą wyładowczą GDT. Pomiędzy złączem wejściowym a transilem umieszcza się bezpiecznik bądź niewielki rezystor, który ulegnie przepalaniu. Dalej za transilem można znaleźć równoległy kondensator bądź filtr RC, następnie rezystor ustalający prąd diody nadawczej oraz samą diodę nadawczą. Często można znaleźć rezystor równolegle połączony z diodą nadawczą (nie wiem po co stosuje się takie rozwiązanie?), diodę Zenera włączoną w szereg z diodą nadawczą (również nie wiem po co?) i/lub diodę włączoną równolegle do diody nadawczej w odwrotnym kierunku (to rozwiązanie zabezpiecza diodę nadawczą przed zbyt wysokim napięciem wstecznym w przypadku złej polaryzacji wejścia gdy zastosowano transoptor z wejściem DC). Bardziej wyrafinowane rozwiązania posiadają źródło prądowe w obwodzie wejściowym, które ustala stały prąd diody nadawczej niezależnie od napięcia wejściowego -- to rozwiązanie podoba mi się najbardziej jednak nie wiem czy się sprawdzi w przypadku szybkich wejść (chodzi mi o pasmo przenoszenia takiego źródła).

Jeżeli chodzi o szybkie wejścia/wyjścia typu RS422 to można zastosować izolowany interfejs np. ADM2490 lub podobne, ewentualnie standardowy odbiornik/nadajnik linii plus dodatkowa izolacja galwaniczna w postaci transoptora lub któregoś układu z serii ADUMxxxx np ADUM1400 (TI ma w ofercie podobne układy). Linie standardowo zabezpieczamy transilem -- dla RS422 są dedykowane diody TVS o różnym napięciu przebicia dla napięć dodatnich i ujemnych np CDSOT23-SM712. Ewentualnie na każdej linie umieszczamy bezpiecznik. Na każdej linii umieszczamy opcjonalny rezystor terminujący 120 Ohm. Na liniach wejściowych warto umieścić rezystory podciągające, ustalające stan linii w przypadku braku nadajnika.

Znalazłem układy dedykowane do budowy wejść cyfrowych w standardzie przemysłowym np. CLT3-4B, PCLT-2A jednak pracują one jedynie w logice 24V.

Z wyjściami cyfrowymi miałem mały kłopot. Po pierwsze są dwa typy SINK (OC lub NPN) i SOURCE (PNP). W przypadku szybkich wyjść, wyjście typu SINK jest moim zdaniem łatwiej skonstruować. Wszystkie szybkie transoptory są zasilane od strony wyjścia niskim napięciem max 5V, podobnie układy ADUM. Dołożenie jednego tranzystora bipolarnego lub MOSFETa niskonapięciowego z driverem bramki nie jest problemem. Sterowanie tranzystorem PNP jest kłopotliwe w przypadku gdy nie mamy ustalonego napięcia zasilającego wyjście. Gdy dopuszczamy duży zakres zmian tego napięcia, wypadałoby zastosować źródło prądowe sterujące branką tranzystora bipolarnego. W przypadku MOSFETa pojawiają się inne problemy. Nie jestem pewien jak będzie kształtowało się pasmo przenoszenia układu typu SOURCE w przypadku zastosowania np źródła prądowego. Znalazłem układ UDN2981 jednak jego dopuszczalna częstotliwość kluczowania nie jest powalająca.

Natomiast w przypadku wyjść mocy korzystniej jest moim zdaniem zastosować wyjścia typu SOURCE, wtedy na płytce sterownika nie ma potrzeby umieszczania szerokich ścieżek masy dla prądów przepływających przez obciążenie. Na rynku dostępne są tzw. inteligentne klucze, które pozwalają uprościć konstrukcję obwodu wyjściowego do niezbędnego minimum. Ponadto, są wyposażone w wyjście diagnostyczne umożliwiające wykrycie stanów awaryjnych -- układy z rodziny ISPxxxx np IPS6021, IPS6031. Niestety w przypadku tych układów fmax=2,5kHz.

Wyjścia standardowo zabezpieczamy diodą TVS i/lub lampą GDT i bezpiecznikiem. W niektórych rozwiązaniach spotkałem się z dodatkowymi dławikami na wyjściu, jednak nie potrafię podać jasnych wytycznych w jaki sposób je dobrać.

Mniej więcej tyle udało mi się ustalić odnośnie tematu konstrukcji obwodów I/O sterowników przemysłowych. Czekam na komentarze i uwagi.

Pozdrawiam
Mariusz