采用MAX22191的工业数字输入

数字输入（DI）是一种电路，设计用于接收从工业传感器发送的二进制信号，并将该输入转换为可编程逻辑控制器（PLC）或工业控制器的可靠逻辑信号。工业二进制信号的常见示例是按钮和/或温度或接近阈值指示器。MAX22191寄生供电DI电路可以监测1型和3型灌电流，并为PLC和工业电路提供二进制输入信号源。本应用笔记给出了使用MAX22191的吸电流、电流源、高压和交流检测数字输入电路的示例。

介绍

DI是一种电路，旨在接收从工业传感器传输的二进制信号，并将该输入转换为PLC或工业控制器的可靠逻辑信号。工业二进制信号的常见示例是按钮和/或温度或接近阈值指示器。MAX22191寄生供电DI电路可以监测1型和3型灌电流，并为PLC和工业电路提供二进制输入信号源。

数字输入的类型

IEC 61131-2标准规定了工业应用中灌入DI电路的输入阈值和电流要求，并定义了工业应用中的三种DI电路：

类型1：机电电路

类型 2：分立式、大电流、半导体电路

类型3：集成（低功耗）半导体电路

DI类型之间的区别主要在于电压阈值和电流限制。此外，DI电路通常用于以下两种配置之一：正逻辑（sinking输入和sourcing输出）、负逻辑（sourcing输入和sinking输出）。24V 和 48V（直流和交流）sinking输入的 IEC 61131-2 门限如表 1 所示。

表 1.IEC 61131-2 类型 1-3 定义
 

 

限额类型	类型 1 限制						类型 2 限制						类型 3 限制
	关闭区域		过渡		在区域		关闭区域		过渡		在区域		关闭区域		过渡		在区域
	VL (V)	IL (mA)	VL (V)	IL (mA)	VL (V)	IL (mA)	VL (V)	IL (mA)	VL (V)	IL (mA)	VL (V)	IL (mA)	VL (V)	IL (m	VL (V)	IL (mA)	VL (V)	IL (mA)
最大值	15/5	15	15	15	30	15	11/5	30	11	30	30	30	11/5	15	11	15	30	15
最小值	-3	ND	5	05	15	2	-2	ND	5	2	11	6	-3	ND	5	1.5	11	2

 

随着工厂车间传感器密度的增加，需要具有更小封装和更低功耗的数字输入电路。如表中所示，2型DI电路需要更大的功率，反过来，现代工业设备自然而然地逐步淘汰。

MAX22191设计支持1类（直流和交流）和3类（直流）输入。

24V 直流灌电流数字输入

常见的DI电路是正逻辑电路，也称为灌电流输入。在灌电流输入配置中，DI电路在源电压较高时吸收来自源极的电流。图1所示为MAX22191采用寄生供电灌电流输入配置。

图1.MAX22191吸电流DI电路

当输入电压（IN引脚）超过导通电压门限（MAX22191为10V，最大值）时，MAX22191检测导通状态。然后使能输出，为负载提供2.3mA （典型值）的电流。当输入电压降至IN电压下限阈值（7V，最小值）以下时，输出电流降至0mA，表示关断状态。使用图1所示电路，VSOURCE = 24V，继电器对电路输入进行脉冲，MAX22191的IN引脚电压和OUT电流如图2所示。

图2.MAX22191输入和输出信号在电流吸收电路中， CH1 = IN，CH3 = I外x 10O。

请注意，输出源电流由 CH3 波形表示。通过将CH3波形除以10O来计算输出（OUT）源电流。

注意D1 TVS二极管用于在高压瞬态事件期间保护MAX22191。选择D1二极管时，确保其钳位电压低于输入引脚的绝对最大额定值（+MAX22191输入引脚为60V）。

24V 直流源出数字输入

负逻辑DI电路具有电流源输入和电流吸收输出。这种类型的配置是电流源DI电路。请注意，使用电流源DI电路时应特别小心，因为短路条件会导致输出“导通状态”。

图3所示为MAX22191采用寄生供电电流源配置。

图3.MAX22191电流源电路

在该配置中，MAX22191 IN引脚连接到24V电源，传感器或开关将GND/返回端子连接到信号源的GND端子。仅当开关闭合且电流可以流向电源的返回端子时，该电路才处于导通状态。以返回端子为基准得到的波形与图2中的波形相似。

使用MAX22191带状态/指示灯LED

MAX22191可以寄生为自身、光隔离器和用于提供状态信息的外部LED，使其成为低功耗数字隔离方案。图4显示了使用外部LED的吸电流配置示例。

图4.MAX22191电流吸收电路，带状态/指示灯LED。

当输入电压（V在） 超过输入高阈值，输出提供 2.3mA （典型值） 电流，并提供足以驱动外部状态 LED 和光隔离器的电压顺从性。当输入电压降至输入低阈值以下时，输出电流被切断，LED因此被关闭，光隔离器被关闭。

高压和交流信号检测

某些应用需要适合灌电流、拉电流和大交流输入信号电压的数字输入。增加一个外部二极管桥和几个电阻，MAX22191可用于有这些要求的系统中。图5所示为MAX22191用于高压双向信号检测的基本电路。

图5.用于MAX22191的双向高压检测电路

两个 1.5kO MELF 电阻器和两个 TVS 二极管 D1 和 D2 用于保护电路免受瞬态高电压/电流事件的影响，如浪涌 （IEC 61000-4-5）、电快速瞬变 （EFT， IEC 61000-4-5） 和静电放电 （ESD， IEC 61000-4-2）。确保D1和D2箝位电压低于DI输入引脚的最大额定值。

D3二极管桥用于将输入信号整流至0V = V2 = V源.这些增加的二极管还增加了整个DI电路的灌电流/拉电流，并略微增加了电路的整体功耗。使用图4中的电路±24V源输入，图6中的波形显示了开关期间的IN输入电压和OUT输出源电流。图7显示了相同的波形，使用±48V V源电压。

图6.MAX22191双向电路信号，±24V输入信号， CH2 = 端子输入，CH1 = MAX22191 IN，CH3 = I外x 10O。

图7.MAX22191双向电路信号，±48V输入信号。
CH2 = 端子输入，CH1 = MAX22191 IN，CH3 = I外x 10O

图5中的电阻R1和R2在高压应用中保护MAX22191，如果高于10V，可用于设置导通状态触发电压。计算所选阈值（V千） 使用以下步骤：

计算 V2电压时 V源= V千作为 V2= V源- [V二极管+ （1.5kO x I在)].

计算 V1= V2- （1.5kO x I在).

选择 R2在 100O 和 1kO 之间。

计算 R1= R2x （V1/10 - 1).

套装 I在= 3.8mA 用于双向输入计算。

例如，使用±110V双向输入信号，假设触发阈值设置为+60V。电阻分压器值计算如下：

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

选择具有适当功率耗散额定值的电阻尺寸，以实现正常工作。

虽然图5所示为双向输入信号，但电阻分压器也适用于单向输入信号电路。单向电路的计算和功耗考虑因素与此处所示类似，但输入电流应设置为2.4mA （I在= 2.4mA）。

审核编辑：郭婷