專利名稱：可編程控制器的數(shù)字輸出口保護器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
一種可編程控制器的數(shù)字輸出口保護器。屬于電器器件技術(shù)領(lǐng)域。
隨著可編程控制器在電器控制領(lǐng)域中越來越廣泛的應(yīng)用，如何在使用中對它進行有效保護的要求亦越來越迫切。由于每臺可編程控制器中都具有數(shù)量眾多的數(shù)字輸出口，而且在實際應(yīng)用中，它們又直接與被控制的負載器件相連，因此在可編程控制器中，數(shù)字輸出口最容易受到損害，特別是受到來自感性負載器件的損害。
負載器件對數(shù)字輸出口造成的損害有以下幾種1.由于負載器件因故過載，致使負載電流超過正常值，造成負載器件和數(shù)字輸出口都受到不同程度的損害。為避免受到這種損害，各可編程控制器的生產(chǎn)廠家都在說明書中建議，為數(shù)字輸出口外接一只熔斷器。
2.因負載器件及其接線短路，致使數(shù)字輸出口被燒毀。在有些種類的可編程控制器中，已對這種損害采取了措施，方法是用一只熔斷器對多個數(shù)字輸出口進行成組保護，例如西門子公司為它的每塊型號為6ES5 451-8MD11的數(shù)字輸出模板都加裝了一只內(nèi)部熔斷器，該數(shù)字輸出模板內(nèi)含8個數(shù)字輸出口，每個口輸出額定值為0.5A，內(nèi)部熔斷器為10A，它雖然無法對每個輸出口作過流保護，但卻能作短路保護。可惜的是，因為熔斷器裝在內(nèi)部，現(xiàn)場維修的電工無法更換。
3.感性負載在斷開時產(chǎn)生放電電弧。這是所有可能對數(shù)字輸出口造成的危害中發(fā)生最頻繁的一種。原因是，在實際應(yīng)用中，數(shù)字輸出口所帶的負載中大多數(shù)都是接觸器、電磁鐵、電磁閥這一類感性負載。
以最常使用的繼電器型數(shù)字輸出口為例，如果它所帶的感性負載值已接近了純阻性負載時的額定值，那麼在負載斷開時的放電電弧足以把數(shù)字輸出口中的繼電器觸點燒毀，或者大大損害了使用壽命。所以，幾乎所有可編程控制器的生產(chǎn)廠家都在其產(chǎn)品說明書中注明，其數(shù)字輸出口在配接感性負載時，不是要降低額定電流值，就是要限定使用條件。表1列出了世界上幾個著名公司的產(chǎn)品 其數(shù)字輸出口配接不同類型負載時的額定值及其使用要求。*****表1 各公司數(shù)字輸出口帶不同類型負載的能力比較*****
從上表中可以看出，數(shù)字輸出口帶感性負載后，額定值或使用壽命要大大降低。
由于目前市場上還沒有數(shù)字輸出口保護器供選用，所以可編程控制器的使用者只能采用如下一些保護措施(1).在數(shù)字輸出口和負載之間補加熔斷器，作為過流和短路保護器。
(2).有的用戶在配接交流感性負載時，為每一個輸出口都并接一個RC吸收電路作為消弧措施。
(3).也有的用戶在配接交流感性負載時不是采用并接RC電路的方法，而是增設(shè)中間繼電器。他們把中間繼電器的線圈接在數(shù)字輸出口上，再用中間繼電器的觸點來控制感性負載器件。
上述各方法雖然可行，但都存在一些缺點保護措施(1)的缺點是沒有指示燈做為熔斷器的熔斷標志。保護措施(2)的缺點是，所需R和C的數(shù)值要根據(jù)不同的負載器件臨時選配，否則會產(chǎn)生串聯(lián)諧振，造成器件損壞，而且消弧效果不好，殘留的弧光仍較大。保護措施(3)的缺點是，由于給每個數(shù)字輸出口都增加一個中間繼電器，使得電路結(jié)構(gòu)和接線都變得相當(dāng)復(fù)雜。另外，由于中間繼電器也是感性負載器件，所以放電電弧并未被徹底消除。
除以上缺點之外，現(xiàn)行保護措施最大的缺點在于，由于可編程控制器的數(shù)字輸出口數(shù)量龐大，所以如果對每個數(shù)字輸出口都采取以上措施，整個系統(tǒng)的雜亂程度是可想而知的，這不僅會造成維修的不便，而且這些保護器件所占的安裝體積比較大，一般要比數(shù)字輸出口所占的體積大幾倍。
本發(fā)明的目的在于提供一種保護器，它不僅能防護負載器件，特別是交流感性負載器件對數(shù)字輸出口造成的上述三種危害，還能彌補目前采用的上述三種防護措施中的不足。
附

圖1是本保護器電氣原理方框圖，它被裝設(shè)于交流感性負載器件1和可編程控制器的數(shù)字輸出口9之間，并用虛線框圖住。位于虛線框兩端線上的符號A、B、C、D代表保護器與外部連接用的接線端子。虛線框左面的單元1是感性負載器件，虛線框右面的單元9是數(shù)字輸出口，數(shù)字輸出口中的輸出部分是一個繼電器觸點，供電電源由E，F(xiàn)兩點加入。從功能上分，整個保護器是由匯集了多種保護功能的過流保護熔斷器，熔斷器斷態(tài)指示電路和消弧電路三個部分所構(gòu)成。其中單元1即過流保護熔斷器，熔斷器斷態(tài)指示電路由檢測開關(guān)單元3和指示燈4所構(gòu)成，消弧電路由工作狀態(tài)檢測單元5，電流接續(xù)單元6，消陡峰電壓單元7和尖峰電壓吸收單元8所構(gòu)成。
保護器各單元的具體工作原理如下由于過流保護熔斷器2與負載1串聯(lián)，因此負載中的電流必須首先流經(jīng)熔斷器2后才能流入數(shù)字輸出口 9，當(dāng)負載1過流引起電流增大時，熔斷器2熔斷起到了過流保護的作用。熔斷器2熔斷后，熔斷器2兩端的電壓不再是0V，這將引起熔斷器斷態(tài)指示電路中的檢測開關(guān)單元3由關(guān)閉轉(zhuǎn)為導(dǎo)通，從而接通指示燈單元4，使指示燈亮。指示燈中的電流經(jīng)E→單元1→A→單元3→單元4→B→F構(gòu)成回路。所以保護器必須在接有負載器件時，指示燈才起作用。當(dāng)熔斷器2沒有熔斷時，它的兩端電壓為0V，不能打開檢測開關(guān)單元3，指示燈不亮，整個熔斷器斷態(tài)指示電路幾乎不耗電，以減小正常工作時給數(shù)字輸出口帶來的影響。在實際應(yīng)用中。檢測開關(guān)單元3由可控硅或晶體管和電阻構(gòu)成。指示燈4可以是發(fā)光二極管，也可以是氖管或其他發(fā)光器件。
消弧電路是本保護器中非常重要的一部分。它由工作狀態(tài)檢測單元5，電流接續(xù)單元6，消陡峰電壓單元7和尖峰電壓吸收單元8構(gòu)成。
從本質(zhì)上看，感性負載器件之所以會在數(shù)字輸出口斷開時產(chǎn)生放電電弧，是因為負載器件的感性部分所存儲的磁能無法立即消散。從回路中的電流現(xiàn)象看，是因為負載器件的感性部分不允許負載器件中的電流突然中斷。因此，為了消除放電電弧，必須保持數(shù)字輸出口在斷開的瞬間電流的連續(xù)性。
當(dāng)保護器應(yīng)用在交流供電的場合時，在單元9接通期間，工作狀態(tài)檢測單元5檢測出回路中的電流并以此打開單元6，使其處于導(dǎo)通狀態(tài)。這時因單元9中的繼電器觸點處于短接狀態(tài)，所以幾乎無電流從單元6中流過。也就是說，此時單元6對數(shù)字輸出口的工作無影響。在單元9突然斷開的瞬間，回路中的電流平穩(wěn)的被單元6接續(xù)過來，電流接續(xù)單元6的主要元件是由可控硅構(gòu)成的，可控硅被觸發(fā)后具有維持電流導(dǎo)通的特性，使回路中不會產(chǎn)生電流突變。因此，單元9上不會產(chǎn)生放電電弧，只是單元6的關(guān)斷時間產(chǎn)生了滯后，單元6的導(dǎo)通狀態(tài)一直要持續(xù)到感性負載流出的電流準備換向時才會阻斷。由于在感性負載中的電流波形要滯后電壓波形，所以阻斷時刻的出現(xiàn)要比等到電源電壓換向后還晚一段時間。滯后的具體時間與工作狀況有關(guān)，最長可達十幾毫秒。
當(dāng)單元9由斷開狀態(tài)回到接通狀態(tài)時，單元6不起接續(xù)電流作用，對單元9的工作不產(chǎn)生影響。
單元7由一個串聯(lián)的RC支路構(gòu)成，目的是為彌補單元6中的可控硅du/dt值較小的不足。
單元8是尖峰電壓吸收單元，由一只壓敏電阻或半導(dǎo)體穩(wěn)壓二極管構(gòu)成。它的作用是吸收因電源波形不純或電路抖動造成的隨機性沖擊干擾。
本保護器實施后，可產(chǎn)生如下積極效果(1)由于保護器把多種保護功能都匯集在一起，所以使用起來緊湊簡捷，簡化了系統(tǒng)的構(gòu)造和接線，方便了維修。
(2)消弧功能的改善延長了數(shù)字輸出口的使用壽命，而且把數(shù)字輸出口帶感性負載的能力提高了3-5倍，使數(shù)字輸出口的能力得到充分發(fā)揮。
(3)根據(jù)需要進行改造后的一種保護器電路還具有擴展數(shù)字輸出口的輸出功率的功能。使用這種保護器后，可以把廉價的晶體管型數(shù)字輸出口應(yīng)用到直接控制交流感性負載的領(lǐng)域中去。從而減小了控制系統(tǒng)的投資。
本保護器可廣泛應(yīng)用于具有可編程控制器的電控系統(tǒng)中。
附圖1是說明保護器電氣原理的方框圖。
附圖2是保護器實施例1中的電路圖。
附圖3是保護器實施例2中的電路圖。
附圖4是保護器實施例3中的電路圖。
附圖5是接線端子型保護器實施例結(jié)構(gòu)圖。
附圖6是模塊型保護器實施例結(jié)構(gòu)圖。
下面結(jié)合各附圖對本保護器的各實施例做如下說明
附圖2--附圖4是本保護器的一部分實施例所采用的電路圖，各附圖中的1-9分別代表附圖1中的單元1-單元9。在各附圖中均使用交流接觸器KM作為單元1，用一只普通熔斷器FU作為單元2，其額定電流值現(xiàn)場選定，一般為KM額定電流的110-120％。在附圖2中，F(xiàn)U與KM串聯(lián)。正常工作時，VH1截止，KM中的電流全部流經(jīng)FU后進入下一級單元，VH1的觸發(fā)極因被FU短路，因此無電流流過，對FU不起分流作用。這就保證了FU在負載過流時能可靠熔斷。在FU熔斷后，單元3中VH1的觸發(fā)極中產(chǎn)生了電流，數(shù)值在0.5--1mA之間，它使得VH1打開，于是指示燈VL被點亮。
在本實施例的消弧電路中，工作狀態(tài)檢測單元5主要由V1，V2，V3，V4構(gòu)成。當(dāng)單元9中的KA閉合時，流入KA的電流會在V1，V2兩端產(chǎn)生1.5V左右的電壓降，這就使單元6中VH2的觸發(fā)極中產(chǎn)生電流，電流大小由R4決定，一般為5-10mA左右，它使VH2打開。但因KA閉合將其短路，故其中無電流。當(dāng)KA突然斷開時，原KA中的電流被VH2接續(xù)過來，使C，D兩端不能產(chǎn)生高電壓，從而起到了消弧作用。這一接續(xù)過程維持到負載KM中的電流開始換相時，VH2截止，整個電路進入了正常的關(guān)閉狀態(tài)。削陡峰電壓單元7中的C2，R5與負載KM中的電阻成分r構(gòu)成一個比例積分型的(r+R)C吸收回路。當(dāng)系統(tǒng)開始通電瞬間導(dǎo)致PA，PN兩端電壓突然變化時，由于該吸收回路的積分作用，大大減小了VH2兩端的電壓變化率du/dt，從而保證了剛一通電時VH2不會誤動作。這里的(r+R)C吸收回路與目前電控系統(tǒng)中做消弧使用的RC回路不同，其中的電容數(shù)值很小，在本實施例中，C2僅為0.01μF，這就避免了C2與感性負載器件產(chǎn)生諧振的可能性。
單元8中RV的作用與在工作原理中敘述的情況相同。
附圖3的實施例示出了用兩只單相可控硅作為電流接續(xù)單元6的情況。由于兩只單相可控硅反向并聯(lián)，因此用了兩套附圖2中的工作狀態(tài)檢測單元5。用單相可控硅做電流接續(xù)單元的優(yōu)點在于它的du/dt值比雙相可控硅大5倍左右，因此可以進一步減小單元7中的電容的數(shù)值。在本實施例中，其值僅為6800Pf。本實施例還示出了另一種形式的檢測開關(guān)單元3，它使用結(jié)型晶體管作為開關(guān)器件。
附圖4是一種具有功率擴展功能的保護器的實施例。它除了具有上兩個實施例的保護功能外，還具有把數(shù)字輸出口的驅(qū)動能力進行功率擴展的功能。它適用于采用低壓晶體管型數(shù)字輸出口來控制交流感性負載的應(yīng)用場合。本例與上兩例的區(qū)別在于，工作狀態(tài)檢測單元5主要是由光可控硅IC構(gòu)成的。單元9利用V的導(dǎo)通/截止?fàn)顟B(tài)直接控制IC的通/斷，IC的通/斷又直接控制VH2觸發(fā)極中的電流通/斷，從而導(dǎo)致VH2打開/關(guān)閉。在本例中，由于單元9不再與VH2并聯(lián)，所以負載器件中的電流全部流入VH2中，單元9僅起控制作用。
從結(jié)構(gòu)上考慮，為了迎合不同的使用情況，本保護器可以做成接線端子型和模塊型的兩種結(jié)構(gòu)形式。
附圖5是接線端子型保護器外形結(jié)構(gòu)的一個實施例。其中2-8分別代表電氣原理方框圖中的2-8各單元，A，B，C，D代表接線端子。它的殼體與普通接線端子類似，這樣可以和普通接線端子安裝在一起。保護器底爪的形狀綜合了各種普通接線端子的底爪特點，因此它既可以安裝在普通接線端子的T型導(dǎo)軌上，也可以安裝在普通接線端子的C型導(dǎo)軌上。
附圖6給出了模塊型保護器的一個實施例，它把多個保護器組合在一個殼體中，每個單元都是一個獨立的保護器。圖中的2-8也分別代表電氣原理方框圖中的2-8各單元，A，C，D代表接線端子。它適于與數(shù)字輸出口也是模塊形式的可編程序控制器配合，以求得協(xié)調(diào)統(tǒng)一。模塊型保護器含有的保護器單元數(shù)量一般與數(shù)字輸出模塊的輸出點數(shù)相同，常見的是4、8或16個單元。
兩種保護器的殼體均由電氣絕緣性能良好且阻燃的高分子材料制成，尼龍、ABS塑料、聚醋酸脂等均是常選用的材料。
保護器電路部分中的2-8單元都焊接在一塊(也可以兩塊)印刷線路板上，并且安裝在殼體內(nèi)，其中熔斷器，指示燈和接線端子位于殼體的上腔中，便于使用者更換，其它部分位于殼體的下腔中，并用環(huán)氧樹脂灌封成一體，以加強器件的電氣絕緣強度。
權(quán)利要求1.一種可編程控制器的數(shù)字輸出口保護器，它裝設(shè)在可編程控制器的數(shù)字輸出口和負載器件之間，其特征在于是由匯集多種保護功能的過流保護熔斷器，熔斷器斷態(tài)指示電路和消弧電路三個電路單元所構(gòu)成。
2.依據(jù)權(quán)利要求1所述的可編程控制器的數(shù)字輸出口保護器，其特征在于熔斷器斷態(tài)指示電路由檢測開關(guān)單元3和指示燈4構(gòu)成，其檢測開關(guān)單元3由可控硅或晶體管和電阻構(gòu)成，指示燈可以是發(fā)光二極管，也可以是氖管或其它發(fā)光器件。
3.依據(jù)權(quán)利要求1所述的可編程控制器的數(shù)字輸出口保護器，其特征在于消弧電路由工作狀態(tài)檢測單元5，電流接續(xù)單元6，消陡峰電壓單元7和尖峰電壓吸收單元8所構(gòu)成，其電流接續(xù)單元6中的主要元件由可控硅組成，尖峰電壓吸收單元8中的主要元件是由一只壓敏電阻或半導(dǎo)體穩(wěn)壓二極管所組成的。
4.依據(jù)權(quán)利要求1所述的可編程控制器的數(shù)字輸出口保護器，其特征在于具有接線端子型和模塊型兩種外型結(jié)構(gòu)形式，其中接線端子型保護器在使用時可以和普通接線端子安裝在一起，既可以安裝在普通接線端子的T型導(dǎo)軌上，也可以安裝在普通接線端子的C型導(dǎo)軌上。
專利摘要一種可編程控制器數(shù)字輸出口保護器,屬于電器器件技術(shù)領(lǐng)域。它被裝設(shè)于可編程控制器的數(shù)字輸出口和負載器件之間。本保護器由過流保護熔斷器,熔斷器斷態(tài)指示電路和消弧電路組成,可對負載器件,特別是感性負載器件所造成的過流,短路,電弧光進行有效保護。由匯集多種保護動能的過流保護熔斷器,熔斷器斷態(tài)指示電路和消弧電路三個電路單元構(gòu)成。本保護器具有接線端子型和模塊型兩種結(jié)構(gòu)形式,可廣泛應(yīng)用于具有可編程控制器的電控系統(tǒng)中,它可以把輸出口帶感性負載的能力提高3—5倍。
文檔編號H01H85/00GK2301790SQ9721254
公開日1998年12月23日 申請日期1997年3月20日 優(yōu)先權(quán)日1997年3月20日
發(fā)明者王光偉 申請人:王光偉