采用MAX22191的工業(yè)數(shù)字輸入

數(shù)字輸入（DI）是一種電路，設(shè)計(jì)用于接收從工業(yè)傳感器發(fā)送的二進(jìn)制信號，并將該輸入轉(zhuǎn)換為可編程邏輯控制器（PLC）或工業(yè)控制器的可靠邏輯信號。工業(yè)二進(jìn)制信號的常見示例是按鈕和/或溫度或接近閾值指示器。MAX22191寄生供電DI電路可以監(jiān)測1型和3型灌電流，并為PLC和工業(yè)電路提供二進(jìn)制輸入信號源。本應(yīng)用筆記給出了使用MAX22191的吸電流、電流源、高壓和交流檢測數(shù)字輸入電路的示例。

介紹

DI是一種電路，旨在接收從工業(yè)傳感器傳輸?shù)亩M(jìn)制信號，并將該輸入轉(zhuǎn)換為PLC或工業(yè)控制器的可靠邏輯信號。工業(yè)二進(jìn)制信號的常見示例是按鈕和/或溫度或接近閾值指示器。MAX22191寄生供電DI電路可以監(jiān)測1型和3型灌電流，并為PLC和工業(yè)電路提供二進(jìn)制輸入信號源。

數(shù)字輸入的類型

IEC 61131-2標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了工業(yè)應(yīng)用中灌入DI電路的輸入閾值和電流要求，并定義了工業(yè)應(yīng)用中的三種DI電路：

類型1：機(jī)電電路

類型 2：分立式、大電流、半導(dǎo)體電路

類型3：集成（低功耗）半導(dǎo)體電路

DI類型之間的區(qū)別主要在于電壓閾值和電流限制。此外，DI電路通常用于以下兩種配置之一：正邏輯（sinking輸入和sourcing輸出）、負(fù)邏輯（sourcing輸入和sinking輸出）。24V 和 48V（直流和交流）sinking輸入的 IEC 61131-2 門限如表 1 所示。

表 1.IEC 61131-2 類型 1-3 定義

隨著工廠車間傳感器密度的增加，需要具有更小封裝和更低功耗的數(shù)字輸入電路。如表中所示，2型DI電路需要更大的功率，反過來，現(xiàn)代工業(yè)設(shè)備自然而然地逐步淘汰。

MAX22191設(shè)計(jì)支持1類（直流和交流）和3類（直流）輸入。

24V 直流灌電流數(shù)字輸入

常見的DI電路是正邏輯電路，也稱為灌電流輸入。在灌電流輸入配置中，DI電路在源電壓較高時(shí)吸收來自源極的電流。圖1所示為MAX22191采用寄生供電灌電流輸入配置。

圖1.MAX22191吸電流DI電路

當(dāng)輸入電壓（IN引腳）超過導(dǎo)通電壓門限（MAX22191為10V，最大值）時(shí)，MAX22191檢測導(dǎo)通狀態(tài)。然后使能輸出，為負(fù)載提供2.3mA （典型值）的電流。當(dāng)輸入電壓降至IN電壓下限閾值（7V，最小值）以下時(shí)，輸出電流降至0mA，表示關(guān)斷狀態(tài)。使用圖1所示電路，VSOURCE = 24V，繼電器對電路輸入進(jìn)行脈沖，MAX22191的IN引腳電壓和OUT電流如圖2所示。

圖2.MAX22191輸入和輸出信號在電流吸收電路中， CH1 = IN，CH3 = I外x 10O。

請注意，輸出源電流由 CH3 波形表示。通過將CH3波形除以10O來計(jì)算輸出（OUT）源電流。

注意D1 TVS二極管用于在高壓瞬態(tài)事件期間保護(hù)MAX22191。選擇D1二極管時(shí)，確保其鉗位電壓低于輸入引腳的絕對最大額定值（+MAX22191輸入引腳為60V）。

24V 直流源出數(shù)字輸入

負(fù)邏輯DI電路具有電流源輸入和電流吸收輸出。這種類型的配置是電流源DI電路。請注意，使用電流源DI電路時(shí)應(yīng)特別小心，因?yàn)槎搪窏l件會導(dǎo)致輸出“導(dǎo)通狀態(tài)”。

圖3所示為MAX22191采用寄生供電電流源配置。

圖3.MAX22191電流源電路

在該配置中，MAX22191 IN引腳連接到24V電源，傳感器或開關(guān)將GND/返回端子連接到信號源的GND端子。僅當(dāng)開關(guān)閉合且電流可以流向電源的返回端子時(shí)，該電路才處于導(dǎo)通狀態(tài)。以返回端子為基準(zhǔn)得到的波形與圖2中的波形相似。

使用MAX22191帶狀態(tài)/指示燈LED

MAX22191可以寄生為自身、光隔離器和用于提供狀態(tài)信息的外部LED，使其成為低功耗數(shù)字隔離方案。圖4顯示了使用外部LED的吸電流配置示例。

圖4.MAX22191電流吸收電路，帶狀態(tài)/指示燈LED。

當(dāng)輸入電壓（V在） 超過輸入高閾值，輸出提供 2.3mA （典型值） 電流，并提供足以驅(qū)動外部狀態(tài) LED 和光隔離器的電壓順從性。當(dāng)輸入電壓降至輸入低閾值以下時(shí)，輸出電流被切斷，LED因此被關(guān)閉，光隔離器被關(guān)閉。

高壓和交流信號檢測

某些應(yīng)用需要適合灌電流、拉電流和大交流輸入信號電壓的數(shù)字輸入。增加一個外部二極管橋和幾個電阻，MAX22191可用于有這些要求的系統(tǒng)中。圖5所示為MAX22191用于高壓雙向信號檢測的基本電路。

圖5.用于MAX22191的雙向高壓檢測電路

兩個 1.5kO MELF 電阻器和兩個 TVS 二極管 D1 和 D2 用于保護(hù)電路免受瞬態(tài)高電壓/電流事件的影響，如浪涌 （IEC 61000-4-5）、電快速瞬變 （EFT， IEC 61000-4-5） 和靜電放電 （ESD， IEC 61000-4-2）。確保D1和D2箝位電壓低于DI輸入引腳的最大額定值。

D3二極管橋用于將輸入信號整流至0V = V2 = V源.這些增加的二極管還增加了整個DI電路的灌電流/拉電流，并略微增加了電路的整體功耗。使用圖4中的電路±24V源輸入，圖6中的波形顯示了開關(guān)期間的IN輸入電壓和OUT輸出源電流。圖7顯示了相同的波形，使用±48V V源電壓。

圖6.MAX22191雙向電路信號，±24V輸入信號， CH2 = 端子輸入，CH1 = MAX22191 IN，CH3 = I外x 10O。

圖7.MAX22191雙向電路信號，±48V輸入信號。
CH2 = 端子輸入，CH1 = MAX22191 IN，CH3 = I外x 10O

圖5中的電阻R1和R2在高壓應(yīng)用中保護(hù)MAX22191，如果高于10V，可用于設(shè)置導(dǎo)通狀態(tài)觸發(fā)電壓。計(jì)算所選閾值（V千） 使用以下步驟：

計(jì)算 V2電壓時(shí) V源= V千作為 V2= V源- [V二極管+ （1.5kO x I在)].

計(jì)算 V1= V2- （1.5kO x I在).

選擇 R2在 100O 和 1kO 之間。

計(jì)算 R1= R2x （V1/10 - 1).

套裝 I在= 3.8mA 用于雙向輸入計(jì)算。

例如，使用±110V雙向輸入信號，假設(shè)觸發(fā)閾值設(shè)置為+60V。電阻分壓器值計(jì)算如下：

V2= 60V - （0.7V + 5.7V） = 53.6V

V1= 53.6V - 5.7V = 47.9V

R2= 1kO

R1= 1kO x （47.9/10 - 1） = 3.79kO

選擇具有適當(dāng)功率耗散額定值的電阻尺寸，以實(shí)現(xiàn)正常工作。

雖然圖5所示為雙向輸入信號，但電阻分壓器也適用于單向輸入信號電路。單向電路的計(jì)算和功耗考慮因素與此處所示類似，但輸入電流應(yīng)設(shè)置為2.4mA （I在= 2.4mA）。

審核編輯：郭婷