Ввод-вывод дискретных сигналов в индустриальных применениях: решения от ST

13 февраля 2017

автоматизацияответственные примененияST Microelectronicsстатья

Компания STMicroelectronics – один из лидеров по производству полупроводниковых компонентов для промышленных приложений. В частности, компания предлагает широкий выбор микросхем для создания дискретных входов и семейство интеллектуальных силовых ключей для построения дискретных выходов. При их использовании разработка займет минимум времени, а конечное решение окажется на порядок лучше как по функционалу и уровню защиты, так и по габаритам, нежели схемы на дискретных компонентах.

Дискретные входы и выходы – наиболее распространенные функциональные звенья в промышленном оборудовании. Для самых сложных станков и промышленных линий число дискретных каналов может достигать десятков и сотен.

Дискретные входы необходимы для решения целого круга задач, таких как контроль состояния различных датчиков (концевых датчиков, аварийных датчиков масла и давления, термостатов и так далее), реализация промышленных панелей управления (клавиатур, аварийных выключателей и прочих), прием информации от исполнительных механизмов и тому подобные (рисунок 1). Сфера применения дискретных выходов также широка: это передача информационных сигналов (сообщений об авариях, индикации состояния), управление исполнительными механизмами (актуаторами, катушками мощных контакторов и реле, питанием датчиков), питание индикаторов (сигнальных лампочек, сообщающих об авариях) и так далее (рисунок 1).

Рис. 1. Примеры использования дискретных входов и выходов

Рис. 1. Примеры использования дискретных входов и выходов

Все это приводит к тому, что наиболее распространенными модулями СЧПУ являются блоки электроавтоматики. Однако даже при создании маломощного программируемого контроллера разработчики в обязательном порядке снабжают его дискретными каналами (рисунок 2).

Рис. 2. Типовая схема программируемого логического контроллера

Рис. 2. Типовая схема программируемого логического контроллера

Несмотря на функциональную простоту, схемотехническая реализация дискретных каналов оказывается достаточно сложной, особенно сейчас, когда одновременно требуются минимальное значение потребления, малая стоимость, высокая надежность и компактные размеры. Если создавать модуль электроавтоматики на 32 входа на базе дискретных компонентов, то потребуется как минимум 64 резистора, более 32 конденсаторов, 96 защитных диодов (32 TVS и пара диодов Шоттки на канал). Нужно ли говорить, что габариты такого решения оказываются весьма значительными?

Компания STMicroelectronics предлагает готовые решения дискретных каналов на базе интегральных микросхем:

  • микросхемы дискретных входов семейства xCLT с числом каналов до 8, защитой от аварийных ситуаций, минимальными габаритами и низким потреблением;
  • интеллектуальные ключи (Intelligent Power Switch, IPS) для промышленных приложений с числом выходных каналов до 8, с нагрузочным током до 2,8 А, рабочим напряжением до 60 В, богатым списком диагностических функций и защитных механизмов.

Использование перечисленных микросхем позволяет добиться:

  • существенного снижения габаритов конечного решения;
  • упрощения схемотехнической реализации;
  • повышения надежности за счет встроенных защитных функций и механизмов;
  • уменьшения потерь мощности;
  • в ряде случаев – снижения стоимости за счет сокращения числа необходимых гальванических изоляторов и уменьшения размеров печатной платы.

Рассмотрим на примере микросхем производства компании STMicroelectronics преимущества использования интегральных решений при создании дискретных входов и выходов.

Особенности реализации дискретных входов в промышленных приложениях

Как было отмечено выше, дискретные входы могут использоваться для самых различных целей – от опроса состояния концевых датчиков до приема информационных сигналов от приводов двигателей. Естественно, что сигналы от различных устройств существенно отличаются по характеристикам: длительности фронта и среза, наличию дребезга, сопротивлению источника, амплитуде и так далее. Например, сигнал, сформированный замыкающимися контактами реле, характеризуется типовым временем фронта 5 мс и срезом 3 мс, при этом возможно возникновение дребезга. Напротив, быстродействующие сигналы от полупроводниковых ключей могут иметь частоту в десятки и сотни кГц, а дребезг у них отсутствует вовсе.

Однако с точки зрения схемотехнической реализации наиболее важными оказываются характеристики токов и напряжений. В итоге для классификации цифровых входов используют два основных параметра: тип опрашиваемых датчиков, диапазоны токов и напряжений для заданных логических состояний. Чтобы учесть эти и другие принципиальные различия, вводят классификацию типов входов. Например, в соответствии с ГОСТ IEC 61131–2-2012 «Контроллеры Программируемые. Часть 2. Требования к оборудованию и испытания», цифровые входы бывают трех типов [1].

Цифровой вход типа 1 (type 1 digital input) – устройство для измерительных сигналов, получаемых от механических контактов устройств переключения, например, реле, кнопок, выключателей и тому подобного. Преобразует фактический сигнал с двумя состояниями в однобитовое двоичное число.

Цифровой вход типа 2 (type 2 digital input) – устройство для измерительных сигналов от полупроводниковых устройств переключения, например, двухпроводных бесконтактных переключателей. Преобразует фактический сигнал с двумя состояниями в однобитовое двоичное число. Данный класс цифрового входа может использоваться вместо классов 1 и 3.

Цифровой вход типа 3 (type 3 digital input) по определению аналогичен входам типа 2, но отличается величиной входных токов. Он также используется для приема сигналов, получаемых от полупроводниковых устройств переключения, например, двухпроводных бесконтактных переключателей. Данный класс цифрового входа может использоваться вместо класса 1.

В соответствии с ГОСТ, рабочий диапазон входа состоит из области «ВКЛ», области перехода и области «ВЫКЛ». Для входа в область «ВКЛ» необходимо, чтобы были одновременно превышены минимальное значение тока и напряжения. Для постоянного напряжения питания 24 В вход типа 1 должен переходить в состояние «ВКЛ» при напряжениях 15…30 В при токе 2…15 мА. Для входа типа 2 напряжение включения составляет 11…30 В при токе 6…30 мА. Для входа типа 3 диапазон напряжений включения составляет 11…30 В при токе 2…15 мА.

Цифровые входы типа 3 имеют более низкие электрические характеристики по сравнению с цифровыми входами типа 2. Благодаря меньшей допустимой токовой нагрузке удается на одном модуле разместить большее число входов типа 3.

Значения токов и напряжений определяют мощность, рассеиваемую на входе. Это очень важный факт, о котором необходимо всегда помнить, так как он может влиять в том числе и на габариты конечного устройства. Рассмотрим эту особенность на примере базовой схемы.

Базовая схема цифрового входа на дискретных компонентах включает в себя до шести элементов. Это резистивный делитель, конденсатор фильтра, защитный TVS-диод, пара ограничительных диодов Шоттки (рисунок 3). Если требуется обеспечить гальваническую развязку, то необходимо добавить оптрон и подтягивающий резистор. В обоих случаях значение входного тока в основном определяется суммарным сопротивлением резисторов R1 и R2.

Рис. 3. Реализация дискретных входов с помощью дискретных компонентов

Рис. 3. Реализация дискретных входов с помощью дискретных компонентов

Схема требует компромиссного выбора номиналов компонентов. Малое сопротивление резисторов и конденсатора фильтра гарантирует максимальное быстродействие, но снижает уровень защищенности от помех и от статических разрядов; кроме того, мощность, выделяемая на входе, увеличивается. Если же выбирать высокие номиналы сопротивлений, то снижается быстродействие.

Рассмотрим схему для входа типа 1 без оптопары при номинальном напряжении 24 В. Если ток опроса составит 2 мА, то минимальная суммарная мощность на делителе окажется равной 15 В x 0,002 А = 30 мВт, что не очень много. Однако если ток опроса датчика должен быть 15 мА, то минимальная мощность составит 225 мВт. А это уже значительная величина. Если при этом требуется получить сигнал на входе контроллера не более 5 В, то соотношение R1/R2 должно быть около 4. То есть мощность на R1 составит 180 мВт. Таким образом, потребуется использовать один резистор 1206 или несколько компонентов меньшего типоразмера. Еще хуже обстоит дело со входом типа 2. Если использовать ток 30 мА, то минимальная мощность составит 330 мВт, из них на входном резисторе будет рассеиваться 264 мВт. Для таких значений лучше использовать типоразмер 2010.

Таким образом, у схемы на дискретных компонентах есть несколько недостатков: высокие потери мощности, значительные габаритные размеры, большое количество компонентов. Перечисленные проблемы можно устранить, если использовать интегральные решения, например микросхемы семейства xCLT производства компании STMicroelectronics.

Суть решения заключается в том, что все дискретные компоненты базовой схемы заменяются одной микросхемой (рисунок 4). Входным для нее является сигнал от датчика, а на выходе формируется сигнал управления оптопарой.

Рис. 4. Реализация дискретных входов с помощью решений STMicroelectronics

Рис. 4. Реализация дискретных входов с помощью решений STMicroelectronics

Особенностью схем является наличие встроенного ограничителя тока. В отличие от базовой схемы, ток не растет пропорционально напряжению. В итоге мощности потерь оказываются значительно меньше.

Встроенный драйвер оптопары не требует дополнительных внешних компонентов. Входной резистор R1 выполняет две функции – он задает делитель и, соответственно, тип входа, и он же определяет уровень защиты от статики и мощных кондуктивных помех.

Общими достоинствами решения от STMicroelectronics являются:

  • снижение мощности потерь за счет встроенного ограничителя тока;
  • минимизация габаритных размеров;
  • сокращение числа компонентов;
  • высокая степень защиты от статики и помех;
  • сокращение времени на разработку.

Кроме перечисленных достоинств, каждая из линеек в семействе данных микросхем для цифровых входов имеет дополнительные преимущества. Рассмотрим их подробнее.

Решения для дискретных входов от STMicroelectronics

Семейство микросхем xCLT производства компании STMicroelectronics включает линейки CLT3, PCLT, SCLT, CLT01. У каждой из них есть свои особенности (таблица 1).

Таблица 1. Характеристики микросхем дискретных входов производства компании STMicroelectronics

Наименование Число
каналов
Типы
входов
Тип
выходов
Uвх, В Iвх огр, мА Iвх имп. при 8/20 мкс, А Корпус Отладочный набор
CLT01-38S4 8 1, 2, 3 SPI + драйвер оптопары -30…35 2,1…2,6 24 HTSSOP38 STEVAL-IPF023V1
CLT01-38SQ7 8 1, 2, 3 SPI + драйвер оптопары -30…35 2,1…2,6 24 QFN-48L
CLT3-4B 4 1 и 3 Драйвер оптопары -0,3…32 2,1…3,7 24 TSSOP 20 STEVAL-IPF008V1
PCLT-2A 2 1, 2, 3 Драйвер оптопары -30…32 6,1…8,8 24 HTSSOP14 STEVAL-IPF004V1
SCLT3-8BQ7 8 1, 2, 3 SPI + драйвер оптопары -0,3…30 2,1…2,6 24 QFN-48L STEVAL-IPF007V1
SCLT3-8BT8 8 1, 2, 3 SPI + драйвер оптопары -0,3…30 2,1…2,6 24 HTSSOP38

CLT3-4B – базовая микросхема семейства. Она представляет собой четырехканальный ограничитель тока с защитой от перенапряжений и выходным драйвером оптопары. Максимальный входной ток каждого канала ограничен значением 3 мА. Микросхема выпускается в корпусном исполнении TSSOP20.

CLT3 позволяет с помощью единственного входного резистора реализовывать входы типа 1 и 3. Чтобы получить вход типа 1, следует использовать резистор 2,2 кОм. Если выбирать значение сопротивлений 1,2 кОм, то вход соответствует требованиям типа 3.

PCLT-2A – двухканальный программируемый ограничитель тока с защитой от перенапряжений и выходным драйвером оптопары. Главной особенностью PCLT-2A является возможность настройки тока ограничения с помощью единственного внешнего резистора. Диапазон регулировки составляет 6,1…8,8 мА. Таким образом, PCLT-2A соответствует требованиям по току, предъявляемым к входам типа 2.

SCLT – восьмиканальный ограничитель тока с защитой от перенапряжений и выходным интерфейсом SPI с драйвером оптопары.

В SCLT вместо параллельной шины выходных каналов реализован SPI-интерфейс со встроенными драйверами опотпар. В итоге для создания гальванической развязки для восьми входных датчиков потребуется всего три оптопары вместо восьми. Если необходимо реализовать модуль с числом входов до 32, то выигрыш окажется еще больше (рисунок 5). При этом микросхемы SCLT объединяются в последовательную цепочку по SPI для набора требуемого числа входов.

Рис. 5. Преимущества использования микросхем дискретных входов с последовательным интер- фейсом

Рис. 5. Преимущества использования микросхем дискретных входов с последовательным интерфейсом

Частота работы SPI-интерфейса микросхем SCLT достигает 2 МГц. Если требуются более высокие скорости, следует обратить внимание на линейку CLT01.

CLT01 – восьмиканальный ограничитель тока с защитой от перенапряжений и выходным интерфейсом SPI с драйвером оптопары и скоростью до 6,25 МГц. Эти микросхемы – наиболее совершенные представители семейства, которые работают со входным током 3 мА и выпускаются в корпусных исполнениях HTSSOP38 и QFN-48L.

Кроме готовых микросхем для дискретных входов компания STMicroelectronics предлагает решения и для реализации мощных дискретных выходов.

Особенности реализации дискретных выходов в промышленных приложениях

Чтобы разобраться в особенностях реализации дискретных выходов, можно вновь обратиться к ГОСТ IEC 61131–2-2012.

Цифровой выход (digital output) – это устройство, которое преобразует однобитовое двоичное число в сигнал с двумя состояниями [1].

Основными характеристиками цифровых выходов являются [1]:

  • номинальная токовая нагрузка: 0,1/0,25/0,5/1/2 А, при этом максимальный ток составляет 0,12/0,3/0,6/1,2/2,4 А.
  • тип выхода: незащищенный или устойчивый к состоянию короткого замыкания.

Чтобы создать дискретный выход, устойчивый к возникновению КЗ, потребуются драйвер транзистора, мощный транзистор, элементы защиты и цепи ОС. Как и в случае с входами, если строить схему на дискретных компонентах, получится громоздкое решение, которое потребует достаточно много времени для разработки.

Компания STMicroelectronics предлагает готовое решение цифровых выходов в виде интеллектуальных силовых ключей (Intelligent Power Switch и IPS). Они объединяют в одном корпусе силовой ключ, драйвер, систему диагностики и защитные компоненты (рисунок 6). Такой ключ может управляться напрямую от цифрового выхода микроконтроллера.

Рис. 6. Преимущества интеллектуальных силовых ключей STMicroelectronics

Рис. 6. Преимущества интеллектуальных силовых ключей STMicroelectronics

Интеллектуальные ключи производства компании STMicroelectronics дают разработчикам следующие преимущества:

  • сокращение времени на разработку;
  • уменьшение габаритных размеров;
  • сокращение номенклатуры используемых компонентов;
  • получение готовых диагностических функций;
  • высокий уровень защиты от аварийных ситуаций на выходе, в том числе и от КЗ.

Номенклатура интеллектуальных ключей этой компании насчитывает более двух десятков наименований. Рассмотрим их более подробно.

Решения для дискретных выходов от ST Microelectronics

Компания STMicroelectronics предлагает к услугам разработчиков более двух десятков интеллектуальных ключей со следующими отличительными особенностями (таблица 2):

  • готовое решение для дискретных выходов;
  • три различных технологии – биполярную, MultiBCD и VIPower;
  • ключи верхнего плеча, нижнего плеча (TDE1737DP), комплементарные (TDE1707/TDE1708);
  • неизолированные и со встроенной гальванической развязкой (ISO8200B);
  • с числом каналов 1…8;
  • с выходным током до 2,8 А и сопротивлением от 50 мОм;
  • с рабочим напряжением до 60 В;
  • со встроенной защитой от КЗ.

Таблица 2. Характеристики интеллектуальных ключей от STMicroelectronics

Наименование Число
каналов
Тип выходов Iвых, А Rоткр, мОм Uпит, В Технология Корпус Отладочный набор
TDE1737DP 1 Нижний ключ 0,5 8…50 биполярная DIP-8
TDE1747 1 Верхний ключ 0,5 10…50 биполярная SO-14
TDE1787 1 Верхний ключ 0,3 6…50 (60) биполярная DIP-8
TDE1798 1 Верхний ключ 0,5 6…50 биполярная DIP-8
TDE1897RFPT 1 Верхний ключ 0,5 0,4 18…35 MultiBCD DIP-8
TDE1898C 1 Верхний ключ 0,5 0,4 18…35 MultiBCD SO-20
TDE3247 1 Верхний ключ 0,25 10…36 биполярная SO-14
L6370 1 Верхний ключ 2,5 0,1 9,5…50 MultiBCD PowerSO-20/

QFN-48L

STEVAL-IFP020V1
L6375 1 Верхний ключ 0,5 0,4 8…40 MultiBCD SO-20/SO-8
L6377 1 Верхний ключ 0,5 0,4 8…40 MultiBCD SO-14
VN540 1 Верхний ключ 2,8 0,05 10…45 VIPower PENTAWATT/

PowerSO-10

VN751 1 Верхний ключ 2,5 0,06 5,5…45 VIPower PPAK / SO-8 STEVAL-IFP005V1
TDE1707BFP 1 Верхний + нижний ключ 0,5 6…48 биполярная SO-8
TDE1708DFT 1 Верхний + нижний ключ 0,3 6…48 биполярная DFN 8L STEVAL-IFS006V2
L6360 2 Верхний ключ 0,5 1,2 / 2 18…36 MultiBCD VFQFPN-26L STEVAL-IFP016V2
VNI2140 2 Верхний ключ 1 0,08 9…45 VIPower PowerSSO-12 STEVAL-IFP020V1
L6374 4 Верхний ключ 0,1 4 10,8…40 MultiBCD SO-20
L6376 4 Верхний ключ 0,5 0,64 9,5…40 MultiBCD PowerSO-20
VN330 4 Верхний ключ 0,7/1 0,2 10…45 VIPower PowerSO-10
VN340 4 Верхний ключ 0,7/1 0,2 10…45 VIPower PowerSO-10
VNI4140 4 Верхний ключ 0,7/1 0,08 10,5…41 VIPower PowerSSO-24 STEVAL-IFP020V1, STEVAL-IFP019V1
VNQ860 4 Верхний ключ 0,25 0,27 5,5…41 VIPower SO-20/PowerSO-10
VN808 8 Верхний ключ 0,7/1 0,15 10,5…45 VIPower PowerSO-36 STEVAL-IFP019V1, STEVAL-IFP001V1
VNI8200XP 8 Верхний ключ 0,7 0,11 10,5…45 VIPower PowerSSO-36 STEVAL-IFP001V1
ISO8200B 8 Верхний ключ, изолированный 0,7 0,11 10,5…45 VIPower PowerSO-36 STEVAL-IFP001V1

Ключи производятся по трем различным технологиям.

Биполярная технология используется для создания одноканальных ключей с малым выходным током (до 0,5 А) и высоким рабочим напряжением до 60 В. Представителями данной группы являются TDE1737DP, TDE1747, TDE1787, TDE1798, TDE3247 и TDE1707BFP. Среди них можно особо выделить:

  • TDE1737DP – единственный ключ нижнего плеча во всем семействе;
  • TDE1707 и TDE1708 – интеллектуальные ключи с комплементарным выходом (верхний ключ + нижний ключ).

Технология MultiBCD позволяет создавать одно- и многоканальные ключи с типовым выходным током от 0,5 А. При этом главной отличительной особенностью семейства является широкий выбор диагностических функций и возможность подстройки тока ограничения. Среди этой группы стоит выделить следующих представителей:

  • L6370 – одноканальный ключ с выходным током до 2,5 А;
  • L6374 и L6376 – четырехканальные ключи с рабочим напряжением до 40 В.

Технология VIPower оказывается наиболее совершенной с точки зрения получаемых характеристик. Она характеризуется: минимальным сопротивлением открытого канала и максимальной токовой нагрузкой, высокими показателями по теплоотдаче, максимальным числом выходов до 8. Рассмотрим наиболее интересных представителей данной группы.

VN540 – одноканальный ключ верхнего уровня с рекордно низким значением сопротивления канала от 50 мОм и максимальным выходным током до 2,8 А. Ключ выпускается в корпусном исполнении PENTAWATT/PowerSO-10.

VNI2140 – двухканальный ключ верхнего уровня с сопротивлением канала всего 80 мОм и током до 1 А.

Рис. 7. Преимущества использования VNI8200XP с последовательным интерфейсом

Рис. 7. Преимущества использования VNI8200XP с последовательным интерфейсом

Рис. 8. Преимущества использования ключей ISO8200B с гальванической развязкой

Рис. 8. Преимущества использования ключей ISO8200B с гальванической развязкой

VNI8200XP – новинка данного семейства. Он представляет собой восьмиканальный интеллектуальный ключ с нагрузочным током каждого канала до 0,7 А. Отличительной особенностью VNI8200XP является не только большое количество каналов, но и возможность управления ими с помощью SPI-интерфейса. Это является идеальным решением для создания многоканальных приложений с гальванической развязкой. Если, например, для создания 32-канального модуля электроавтоматики использовать одноканальные решения, то потребуется 32 оптопары. При использовании VNI8200XP можно будет обойтись тремя оптронами (рисунок 7).

Говоря об устройствах с гальванической развязкой, обязательно стоит сказать о новой микросхеме ISO8200B. Это первая в номенклатуре STMicroelectronics микросхема интеллектуальных ключей со встроенной изоляцией для промышленных приложений. При ее использовании необходимость во внешних оптронах отпадает в принципе (рисунок 8). Максимальный ток каждого канала для ISO8200B достигает 0,7 А.

Отладочные средства от STMicroelectronics

Кроме самих интегральных решений, компания STMicroelectronics предоставляет разработчикам широкий выбор отладочных плат, которые помогают максимально быстро ознакомиться со всеми особенностями микросхем дискретных входов и выходов (рисунок 9).

Рис. 9. Отладочные платы STMicroelectronics

Рис. 9. Отладочные платы STMicroelectronics

В большинстве случаев отладочные платы не содержат ничего лишнего и могут использоваться как независимо, так и в комплекте с другими дополнительными наборами. Например, плата STEVAL-IFP022V1 служит для оценки особенностей восьмиканальных ключей VNI8200XP и может подключаться к коммуникационной плате STEVAL-PCC009V2. STEVAL-PCC009V2 обеспечивает связь с прикладным ПО на ПК. При этом пользователю ничего не требуется делать руками – достаточно соединить платы между собой, подключить нагрузку и начать исследования.

Заключение

Создание дискретных входов и выходов для промышленных приложений – достаточно сложная задача, особенно когда необходимо соответствовать отраслевым стандартам. В этом нетрудно убедиться, если ознакомиться с ГОСТ IEC 61131–2-2012. В этом случае от разработчика потребуется точное выполнение приведенных спецификаций токов и напряжений, а также обеспечение хотя бы минимального уровня защиты.

Решение представленной задачи можно значительно упростить, если строить схемы входов и выходов не на дискретных компонентах, а с привлечением интегральных систем. Микросхемы дискретных входов и интеллектуальные силовые ключи производства компании STMicroelectronics позволяют при минимальных затратах времени получить надежное и защищенное решение, отвечающее всем требованиям стандартов.

Литература

  1. ГОСТ IEC 61131–2-2012 «Контроллеры Программируемые. Часть 2. Требования к оборудованию и испытания».
  2. www.st.com.

Получение технической информации, заказ образцов, заказ и доставка.

ST_STSPIN220_NE_01_17

•••

Наши информационные каналы

О компании ST Microelectronics

Компания STMicroelectronics является №1 производителем электроники в Европе. Компоненты ST широко представлены в окружающих нас потребительских товарах – от iPhone до автомобилей разных марок. Лидеры индустриального рынка выбирают компоненты ST за их надежность и выдающиеся технические параметры. В компании ST работает 48 000 сотрудников в 35 странах. Производственные мощности расположены в 12 странах мира. Более 11 тысяч сотрудников заняты исследованиями и разработками – инновационное лидерство ...читать далее