[发明专利]用于工业控制的具有生成和吸收性能及低热耗的输出模块

说明书

技术领域

本发明涉及用于工业控制系统的I/O模块，具体地涉及可以灵活地适应交流（AC）或直流（DC）功率的数字控制的低散热I/O模块。

背景技术

工业控制器是用于例如在工厂环境中控制工业过程或机器的专用计算机系统。工业控制器在很多方面不同于传统的计算机。物理上，他们被构造成基本上更强地抵抗撞击和损坏，并更好地抵御外部污染物和极端环境条件。处理器和操作系统被优化为用于实时控制，并且执行使现成的程序定制能够与各种不同的控制器应用相适应的语言。此外，控制器具有高度模块化体系结构，使得不同数量和不同类型的输入和输出模块能够被用于将控制器连接至要控制的过程或机器。通过使用与高可靠和可用的实时通信相适应的专用“控制网络”来推动该模块化。通过保证最大通信延迟（例如，由预先调度网络的带宽和/或对于高可用性提供冗余通信能力来获得），这样的控制网络（例如，以太网IP）与标准的通信网络（例如，以太网）不同。

作为其增强的模块化的一部分，工业控制器可以利用专用于特定类型的电信号和功能（例如，检测输入AC或DC信号或控制输出AC或DC信号）的I/O模块。这些I/O模块中的每个可以具有使得他们连同其他所选择的I/O模块能够以不同的组合被安装到壳体或机架中以满足特定应用的要求的连接器系统。多个机架可以位于接近受控过程或机器的方便控制点处，以经由专门的控制网络（例如以太网IP）与中央工业控制器进行通信。

通常，需要不同的I/O模块来控制AC和DC信号以反映用于信号的控制装置（例如，三端双向可控硅开关元件与晶体管）中的差异。根据DC信号是从DC输出模块“生成（sourced）”还是“吸收（sinked）”到DC输出模块中，可能需要不同的I/O DC模块。

通常，与工业控制器（控制器侧）通信的I/O模块的电路系统和与受控过程或机器（现场侧）通信的电路系统在光学上隔离，以防止现场侧的故障损坏工业控制系统或其他I/O模块。对于输出电路（例如，AC输出或DC输出电路），可能必须提供独立于在控制器侧上可用的功率、用于现场侧电路的操作的低压DC源。这通常，通过使用降压电阻将受控于I/O模块的高电压转换成适于向现场侧电路供电的较低电压来实现。这种降压电阻通常体积较大以处理所需的功耗，并且必须被隔开以帮助耗散伴生的热。

通常通过三端双向可控硅开关元件或晶闸管来提供AC电压的控制，三端双向可控硅开关元件或晶闸管可以通过依赖于受控AC信号的相移方案的常规触发电路来在AC信号的过零处进行转换（以减少电气开关噪声和功耗）。

发明内容

本发明提供了I/O模块的输出电路，其通过使用光伏光学隔离器消除了对用于生成现场侧功率的高瓦特、功率下降的电阻器的需求，光伏光学隔离器通过光能转换来生成自己的电功率。通过使用高压场效应晶体管替代传统的三端双向可控硅开关元件来切换受控功率，来使光伏光学隔离器的使用变得可行。通过有源下拉晶体管检测控制电压下降的开始来对与光伏光学隔离器的低功率输出和场效应晶体管的高阻抗有关的慢关断时间进行管理。使用FET使得该电路能够被用于AC和DC生成（sourcing）和DC吸收（sinking）操作。

可以通过使用独立的过零检测器来实现过零检测，使得能够通过基于与波形过零的可变相位关系而切换波形来灵活地控制AC波形。

更具体地，本发明的一种实施方式提供了一种用于在工业控制系统的I/O模块电路，该I/O模块电路具有壳体，壳体支承的端子，该端子用于接收要由I/O模块电路进行控制的电功率。包含在壳体中的电路包括：至少一个场效应晶体管，场效应晶体管具有在端子之间串联的源极和漏极以根据由场效应晶体管的栅极所接收的信号来控制流经端子的电流；光伏电压光学隔离器，其具有连接至场效应晶体管的栅极的光伏堆并且与发光二极管光学隔离；以及可释放的电连接器，其也由壳体支承，并且接收表示I/O模块的端子处的电功率的期望控制的信号。

因此，本发明的至少一种实施方式的特征在于，提供一种输出I/O模块，该I/O模块不需要用于形成现场侧功率的降压电阻器。本发明的至少一种实施方式的特征在于，提供一种降低热耗的I/O模块，从而允许更紧凑的设计和/或取消冷却功能例如，风扇或易受故障或环境污染物影响的风扇。

包含在壳体中的电路可以包括两个串联连接的FET，并且光伏堆从两个串联连接的FET的被连接源极的连接点连接至两个串联连接的FET的栅极。