6.3.8. Вывод дискретных сигналов

Вывод дискретных сигналов используется для управления состоянием включено/выключено исполнительных устройств. Устройства вывода отличаются большим многообразием. Знание структуры выходных каскадов необходимо для правильного их применения.

Выходные каскады со стандартными ТТЛ или КМОП логическими уровнями в промышленной автоматизации используются редко. Это связано с тем, что нагрузкой дискретных выходов являются не логические входы электронных устройств, а чаще всего электромеханические реле, пускатели, шаговые двигатели и др. Дискретные выходы обычно строятся на основе мощных биполярных транзисторов с открытым коллектором или полевых транзисторов (обычно МОП) с открытым стоком (рис. 6.32). С точки зрения схемотехники применения эти каскады эквивалентны, поэтому мы будем их называть "каскады ОК". Каскады с ОК обеспечивает большую гибкость, позволяя получить необходимые для нагрузки ток или напряжения с помощью внешнего источника питания. Кроме того, каскад ОК с помощью внешних резисторов и источников напряжения позволяет получить стандартные КМОП или ТТЛ уровни   (рис. 6.32).

Наилучшим решением для построения дискретных выходов являются микросхемы интеллектуальных ключей, которые содержат в себе не только мощный транзистор с открытым стоком, но и цепи его защиты от перегрузки по току, напряжению, короткого замыкания, переполюсовки и перегрева, а также электростатических разрядов. При перегреве выходного каскада или превышения тока нагрузки интеллектуальный ключ выключается.

Наиболее широко распространены выходные каскады ОК модулей вывода двух типов: для втекающего тока (рис. 6.34) и вытекающего (рис. 6.35). Различие между ними состоит в том, какой вывод является общим для нескольких нагрузок: заземленный или соединенный с шиной питания.

Каскады с открытым коллектором (стоком) удобны тем, что позволяют использовать внешний источник питания с напряжением, отличным от напряжения питания модулей вывода (рис. 6.34, рис. 6.35). Кроме того, в этих схемах вместо источника питания  можно использовать тот же источник, что и для питания модулей вывода ( ).

Для управления нагрузками, питающимися большим током или от источника напряжения 110...220 В используют выходные каскады с электромагнитными или твердотельными (полупроводниковыми) реле, тиристорами, симисторами.

Основным достоинством электромагнитных реле является очень низкое падение напряжения на замкнутых контактах, что исключает необходимость их охлаждения. Недостатком является ограниченное количество срабатываний (порядка  ). Полупроводниковые реле, наоборот, имеют относительно большое сопротивление в открытом состоянии и требуют отвода тепла, но могут выполнить до   переключений. Кроме того, полупроводниковые реле обладают более высокой надежностью и не имеют эффекта "дребезга контактов".

При использовании реле для коммутации индуктивной нагрузки возникает большая э. д. с. самоиндукции, которая вызывает пробой воздушного зазора при размыкании контактов и их искрение. Это приводит к быстрому износу контактов и появлению электромагнитных помех. Проблема решается с помощью диода, включенного параллельно катушке индуктивности при коммутации в цепи постоянного напряжения (рис. 6.36) и RC-цепочкой - в цепи переменного (рис. 6.37). Контакты реле желательно защищать предохранителями.

При использовании твердотельных реле или тиристоров в высоковольтных цепях с длинными кабельными линиями используют защиту на варисторах (рис. 6.38), TVS диодах и газовых разрядниках.