デジタル入力モジュール

デジタル入力 (DI) モジュールは、プログラマブル ロジック コントローラ (PLC) およびモータ ドライブで、フィールド側のセンサおよびスイッチから 24V のデジタル入力を受け取るために使用されます。グランド電位の相違を管理するため、絶縁が使用されます。入力信号は、ヒステリシス付きの電圧コンパレータを使用し、ロジックHIGHまたはLOWとして解釈されます。24V 入力からの過剰な電流消費を回避するため、何らかの形の電流制限も実装されます。高密度の小型マルチ チャネルの設計では、消費電力が極めて重要な考慮事項です。

プログラマブル コントローラ用の IEC 61131-2 標準では、3 種類のデジタル入力レシーバ (タイプ 1、2、3) を規定しています。タイプ 3 の理想的な実装では、オン状態の消費電量を可能な限り 2mA に近くし、5V と 11V との間に電圧遷移スレッショルドが必要です。

一般的なデジタル入力の実装

今日使用されているデジタル入力レシーバの最も一般的な実装の2つを、図 1に示します。図 1 (a) に示す最初の例では、電圧スレッショルドは抵抗 R1 および R2 により設定され、R2 は基本電流制限として機能します。タイプ 3 のこのような実装では、32V 入力で消費電流が簡単に 12mA に達することがあります。図 1 (b)に示す2番目の実装では、いくつかの分離コンポーネント(9から15)を使用して、より的確な電流制限と、制御された電圧スレッショルドを実装しています。この場合、タイプ3について、消費電流は設計に応じ、温度範囲にわたって最高6mAです。どちらの例でも、電流制限はタイプ3入力の理想的な電流制限である2mAを大きく超えています。シュミット トリガ バッファは通常、オプトカプラの後段に、ノイズ耐性用のヒステリシスを提供するために必要となります。

デジタル入力モジュール用の新しい設計

テキサス・インスツルメンツの ISO1211 1 チャネル、ISO1212 2 チャネル、および ISO1228 8 チャネル デバイスは、電流制限が内蔵された絶縁デジタル入力レシーバで、IEC 61131-2 のタイプ 1、2、3 の特性に準拠しています。ISO1211 はチャネル間絶縁に、ISO1212 と ISO1228 はマルチチャネル設計に適しています。ISO1211を持つデジタル入力モジュールの1チャネルの実装を、図 2に示します。抵抗 R_SENSE は電流制限を、抵抗 R_THR は電圧遷移スレッショルドを制御します。R_SENSE と R_THR の推奨値、およびマルチチャネルや他のシナリオ用のアプリケーション回路は、ISO121x の製品データシートに示されています。ISO121xには正確な電流制限、ヒステリシス付きの電圧コンパレータ、逆極性保護および絶縁が組み込まれているため、システム設計が簡素化され、フィールド側の電源も必要ありません。タイプ 3 の特性では、ISO121x では入力消費電流が 2.5mA 未満に制限されますが、これは従来の手法の 5 分の 1 の値です。

オプトカプラを使用する従来の手法と比較して、ISO121xを使用する設計には次の利点があります。

1. 消費電力の低減：ISO121x の正確な電流制限により、デジタル入力から引き込まれる電流が最良で 5 分の 1 に低減され、消費電力と基板温度が低下します。図 3 に示すように、従来型の設計では室温テストで 84℃まで温度が上昇する可能性がありますが、ISO121x ベースの設計は 45℃と、大幅に温度が低下しています。
2. 基板とモジュールの小型化：ISO121x ベースの設計では、部品点数が削減されるため、基板も小型化できます。また、消費電力の低減から、より多くのチャネルを、小さなモジュールに組み込めるようになります。
3. システム設計を簡素化：ISO121x は IEC 61131-2 の入力特性を持っており、電流制限と絶縁はデータシートで規定されています。追加のシュミット トリガ バッファは必要ありません。これにより、システム設計が簡素化されます。
4. 高速動作：ISO121x は 4Mbps のデータ レートと 150ns のレイテンシを持ち、汎用オプトカプラよりもはるかに高速なインターフェイスが可能になります。

マルチチャネル シングルチップ ソリューション

図 4は、4つのISO1212デバイスを持つ設計のレイアウトと、競合品の8チャネル、シングル チップのソリューションとを比較したものです。基板の Y 方向の寸法は、入力ネジ端子とコネクタの配置により制限されます。しかし、X方向の寸法は、8チャネル、シングル チップのソリューションの方が長くなっています。これは、IC に近い部分の配線集中によって追加スペースが使用されることが原因です。これに対して、ISO1212 にはチャネルが 2 つしかないため、IC をより柔軟に、入力端子の近くに配置でき、結果として配線がはるかに簡素化され、設計が小型になります。

その他にも、ISO121x ベースの設計には、他のマルチチャネル シリアライザ デバイスのいくつかと比較して、次の利点があります。

1. フィールド側の電源が不要：これによって、24V のフィールド側の電源のコネクタ / 端子と、対応するサージ保護のコストを削減できます。
2. チャネルの独立性：フィールド側の 1 つのチャネルに損害 (たとえば短絡) が発生しても、他のチャネルには影響しません。
3. 高速：マルチチャネル デバイスのシリアル化では速度が 20kHz 未満に制限されるのに対して、ISO121x デバイスは最高 2MHz のクロックをサポートできます。

サージ、EFT、ESD への耐性を持つ設計

ISO12xxデバイスは、IEC 61000-4-x標準に従い、サージ、EFT、ESDへの耐性を持つよう設計されています。最良の過渡耐性を実現するための設計およびレイアウトのガイドラインについては、製品データシートのアプリケーション セクションを参照してください。

まとめ

ISO1212、 ISO1211、および ISO1228 デバイスはデジタル入力モジュールの現代的な設計となるもので、IEC 61131-2 の入力特性、ヒステリシス付きの電圧コンパレータ、正確な電流制限、ガルバニック絶縁が、小型パッケージに統合されています。ISO121x を使用して設計されたモジュールは、従来型の設計と比較して消費電力が低く、高いチャネル密度を持ち、小型でシンプルな設計が可能になります。