Membangun Modul I/O Digital-Saluran-Kepadatan Tinggi untuk Pengontrol Otomatisasi Industri-Generasi Berikutnya
[Pendahuluan] Ketika gelombang Industri 4.0 melanda seluruh dunia, sensor pintar menjadi semakin lazim di lingkungan pabrik. Penerapan sensor secara luas mendorong perubahan yang signifikan: kebutuhan untuk memproses I/O dalam jumlah besar-baik digital maupun analog-dalam pengontrol lama. Oleh karena itu, pengembangan modul I/O berkepadatan tinggi yang mempertahankan ukuran dan profil termal yang dapat dikelola menjadi hal yang sangat penting. Dalam artikel ini, ADI berfokus pada I/O digital.
Biasanya, I/O digital pada PLC terdiri dari komponen terpisah seperti resistor/kapasitor atau driver FET terpisah. Untuk meminimalkan ukuran pengontrol sekaligus menangani saluran 2 hingga 4 kali lebih banyak, industri beralih dari solusi terpisah ke solusi terintegrasi.
Selain itu, pendekatan diskrit memiliki banyak kelemahan, terutama ketika setiap modul menangani delapan saluran atau lebih. Faktanya, penyebutan disipasi termal/daya yang tinggi, banyaknya volume komponen diskrit (dengan mempertimbangkan ukuran dan Mean Time Between Failures (MTBF)), dan kebutuhan akan spesifikasi sistem yang andal sudah cukup untuk menunjukkan ketidakpraktisan pendekatan diskrit.
Gambar 1 mengilustrasikan tantangan teknis yang dihadapi saat membuat modul-input digital (DI) dan output digital (DO) berdensitas tinggi. Baik sistem DI maupun DO memerlukan pertimbangan yang cermat mengenai ukuran dan manajemen termal.
Gambar 1. Pertimbangan Modul Input dan Output Digital
Untuk input digital, perhatikan bahwa ini mendukung berbagai jenis input, termasuk input Kelas 1/2/3, dan dalam beberapa kasus, input 24V dan 48V. Dalam semua skenario, karakteristik pengoperasian yang andal adalah hal yang terpenting, dan bahkan deteksi sirkuit terbuka pun sangat penting.
Untuk keluaran digital, sistem menggunakan konfigurasi FET yang berbeda untuk menggerakkan beban. Ketepatan arus penggerak biasanya menjadi pertimbangan utama. Diagnostik juga harus diperhitungkan untuk banyak aplikasi.
Di bawah ini, kami mengeksplorasi bagaimana solusi terintegrasi dapat membantu mengatasi beberapa tantangan ini.
Merancang Modul Input Digital-Saluran-Kepadatan Tinggi
Desain diskrit tradisional menggunakan jaringan pembagi resistor untuk mengubah sinyal 24V/48V menjadi sinyal yang dapat digunakan oleh mikrokontroler. Filter RC diskrit juga dapat digunakan di ujung depan. Optokopler eksternal kadang-kadang digunakan ketika isolasi diperlukan.
Gambar 2 mengilustrasikan pendekatan diskrit yang khas untuk membangun rangkaian input digital.
Gambar 2. Desain Input Digital Tradisional Menggunakan Logika DiskritJenis desain ini cocok untuk sejumlah input digital tertentu, khususnya 4 hingga 8 per papan. Di luar angka ini, desainnya dengan cepat menjadi tidak praktis. Pendekatan terpisah ini menimbulkan berbagai permasalahan, termasuk:
● Konsumsi daya tinggi dan hot spot terkait di papan.
● Setiap saluran memerlukan optokopler terpisah.
● Komponen yang berlebihan menyebabkan tingkat FIT yang rendah dan mungkin memerlukan perangkat yang lebih besar.
Lebih penting lagi, pendekatan desain diskrit menyiratkan bahwa arus masukan meningkat secara linier dengan tegangan masukan. Pertimbangkan resistor masukan 2.2KΩ dan VIN 24V. Ketika masukannya adalah 1 (misalnya, pada 24V), arus masukannya adalah 11mA, setara dengan disipasi daya sebesar 264mW. Modul 8 saluran mengkonsumsi lebih dari 2W, sedangkan modul 32 saluran melebihi 8W. Lihat Gambar 3 di bawah ini:
Gambar 3. Perkiraan Konsumsi Daya Modul Input Digital yang Dibangun Menggunakan Logika Diskrit
Dari sudut pandang termal saja, desain terpisah ini tidak dapat mendukung banyak saluran dalam satu papan.
Salah satu keuntungan utama dari desain input digital terintegrasi adalah pengurangan konsumsi daya secara signifikan, sehingga meminimalkan kebutuhan termal. Sebagian besar perangkat input digital terintegrasi memungkinkan pembatasan arus input yang dapat dikonfigurasi untuk menurunkan konsumsi daya secara signifikan.
Ketika batas arus diatur ke 2,6mA, konsumsi daya turun secara signifikan hingga sekitar 60mW per saluran. Konsumsi daya terukur untuk modul input digital 8 saluran kini dapat diatur di bawah 0,5 watt, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4 di bawah:
Gambar 4. Perkiraan Penghematan Daya untuk Modul Input Digital Menggunakan Chip DI Terintegrasi
Alasan lain untuk tidak menggunakan desain logika diskrit adalah modul DI terkadang harus mendukung tipe input yang berbeda. Standar IEC-yang diterbitkan untuk input digital 24V menetapkan Tipe 1, 2, dan 3. Tipe 1 dan 3 biasanya digunakan bersamaan karena batas arus dan ambang batasnya sangat mirip. Tipe 2 memiliki batas arus yang lebih tinggi yaitu 6mA. Dengan pendekatan diskrit, desain ulang mungkin diperlukan karena sebagian besar komponen diskrit perlu diperbarui.
Produk input digital terintegrasi umumnya mendukung ketiga jenis tersebut. Pada dasarnya, Tipe 1 dan Tipe 3 biasanya didukung oleh perangkat input digital terintegrasi. Namun, untuk memenuhi persyaratan arus minimum 6mA untuk input Tipe 2, dua saluran harus dihubungkan secara paralel untuk satu input lapangan. Hanya-resistor pembatas arus yang perlu disesuaikan. Ini memerlukan sedikit modifikasi PCB.
Misalnya, perangkat ADI DI saat ini memiliki batas arus 3,5mA/saluran. Oleh karena itu, seperti yang ditunjukkan pada gambar, ketika dua saluran digunakan secara paralel dan sistem harus mengakomodasi input Tipe 2, resistor REFDI dan RIN harus disesuaikan. Untuk beberapa komponen baru, nilai saat ini juga dapat dipilih melalui pin atau perangkat lunak.
Gambar 5. Menggunakan dua saluran secara paralel untuk mendukung dua-jenis input digital
Untuk mendukung sinyal input digital 48V (bukan persyaratan umum), diperlukan proses serupa, yang memerlukan penambahan resistor eksternal untuk menyesuaikan ambang tegangan di ujung medan. Tetapkan nilai resistor eksternal ini sedemikian rupa sehingga "batas arus * R + ambang batas" pin memenuhi spesifikasi ambang batas tegangan di ujung lapangan (lihat lembar data perangkat).
Terakhir, karena modul input digital terhubung ke sensor, desainnya harus memenuhi karakteristik operasional yang andal. Saat menggunakan solusi terpisah, fitur perlindungan ini harus dirancang dengan cermat. Saat memilih perangkat input digital terintegrasi, pastikan hal-hal berikut ini ditentukan sesuai dengan standar industri:
● Kisaran tegangan input yang lebar (misalnya, hingga 40V).
● Kemampuan untuk menggunakan daya medan (7V hingga 65V).
● Toleransi ESD yang tinggi (celah udara ESD ±15kV) dan kemampuan lonjakan arus (biasanya 1kV).
Menyediakan diagnostik tegangan lebih dan suhu berlebih juga bermanfaat untuk memungkinkan MCU mengambil tindakan yang tepat.
Merancang Modul Output Digital-Saluran-Kepadatan Tinggi
Desain keluaran digital diskrit yang khas menampilkan FET dengan rangkaian driver, yang digerakkan oleh mikrokontroler. Berbagai metode dapat digunakan untuk mengkonfigurasi FET untuk menggerakkan mikrokontroler.
Sakelar beban-sisi atas didefinisikan sebagai sakelar yang dikontrol oleh sinyal pengaktifan eksternal yang menyambungkan atau memutus catu daya dari beban tertentu. Dibandingkan dengan sakelar beban sisi-bawah, sakelar sisi-atas menyuplai arus ke beban, sedangkan sakelar sisi-bawah menghubungkan atau memutus sambungan ground beban, sehingga menarik arus dari beban. Meskipun keduanya menggunakan FET tunggal, masalah dengan-saklar sisi bawah adalah beban mungkin mengalami korsleting ke ground. Sakelar-sisi tinggi melindungi beban dengan mencegah ground short. Namun,{10}}pengalihan sisi rendah lebih murah untuk diterapkan. Terkadang, driver keluaran juga dikonfigurasikan sebagai saklar dorong-pull, yang memerlukan dua MOSFET. Lihat Gambar 6 di bawah ini:
Gambar 6. Konfigurasi berbeda yang digunakan untuk driver keluaran digital
Perangkat DO yang terintegrasi dapat menggabungkan beberapa saluran DO menjadi satu komponen. Karena sakelar-sisi tinggi,-sisi bawah, dan tarik-menggunakan konfigurasi FET yang berbeda, perangkat berbeda dapat digunakan untuk mengimplementasikan setiap jenis driver keluaran.
Demagnetisasi bawaan untuk Beban Induktif
Keuntungan utama perangkat keluaran digital terintegrasi adalah-kemampuan demagnetisasi bawaannya untuk beban induktif.
Beban induktif adalah perangkat apa pun yang berisi kumparan yang, jika diberi energi, biasanya melakukan kerja mekanis-seperti katup solenoid, motor, dan aktuator. Medan magnet yang dihasilkan oleh arus dapat menggerakkan kontak saklar pada relay atau kontaktor untuk mengoperasikan katup solenoid, atau memutar poros suatu motor. Dalam kebanyakan kasus, teknisi menggunakan-sakelar samping tinggi untuk mengontrol beban induktif. Tantangannya terletak pada pengosongan induktor ketika saklar mati dan arus berhenti mengalir ke beban. Dampak negatif dari pengosongan yang tidak tepat meliputi: kontak relai dapat menimbulkan busur listrik, lonjakan tegangan negatif yang besar dapat merusak IC sensitif, dan timbul kebisingan frekuensi tinggi atau EMI, yang pada akhirnya berdampak pada kinerja sistem.
Dalam solusi diskrit, pendekatan yang paling umum untuk melepaskan beban induktif adalah dengan menggunakan dioda freewheeling. Dalam rangkaian ini, ketika sakelar ditutup, dioda mendapat bias balik-dan tidak menghantarkan arus. Saat sakelar terbuka, tegangan suplai negatif melintasi induktor ke depan-membiaskan dioda, menghilangkan energi yang tersimpan dengan mengalirkan arus melaluinya hingga kondisi stabil dengan arus nol tercapai.
Untuk banyak aplikasi, khususnya industri di mana setiap kartu I/O memiliki beberapa saluran keluaran, dioda ini sering kali berukuran besar, sehingga secara signifikan meningkatkan biaya dan ukuran desain.
Perangkat keluaran digital modern mengimplementasikan fungsi ini secara internal menggunakan sirkuit penjepit aktif. Misalnya, ADI menggunakan fitur SafeDemag™ yang dipatenkan yang memungkinkan perangkat keluaran digital mematikan beban dengan aman tanpa dibatasi oleh induktor. Untuk lebih jelasnya, klik di sini untuk mengakses catatan aplikasi di situs web.
Saat memilih perangkat keluaran digital, beberapa faktor penting harus dipertimbangkan. Tinjau dengan cermat spesifikasi berikut dalam lembar data:
● Periksa peringkat arus kontinu maksimum dan pastikan beberapa output dapat diparalelkan bila diperlukan untuk mencapai penggerak arus yang lebih tinggi.
● Pastikan perangkat keluaran dapat menggerakkan beberapa saluran-berarus tinggi (melebihi kisaran suhu). Lihat lembar data untuk memastikan-nilai resistansi, arus suplai, dan resistansi termal serendah mungkin.
● Spesifikasi keakuratan penggerak arus keluaran juga penting.
Informasi diagnostik sangat penting untuk memulihkan kondisi pengoperasian tertentu di-di luar-jangkauan. Pertama, informasi diagnostik untuk setiap saluran keluaran diinginkan. Hal ini mencakup deteksi suhu, arus lebih,-rangkaian terbuka, dan-hubungan pendek. Dari perspektif tingkat chip, diagnostik penting mencakup penghentian termal, tegangan rendah VDD, dan diagnostik SPI. Carilah beberapa atau semua diagnostik ini di perangkat output digital terintegrasi.
Perangkat Input/Output Digital yang Dapat Diprogram
Mengintegrasikan DI dan DO pada IC memungkinkan terciptanya produk yang dapat dikonfigurasi. Ini adalah contoh produk 4 saluran yang dapat dikonfigurasi sebagai input atau output.
Gambar 7.4 Produk DI/DO yang Dapat Dikonfigurasi untuk Solusi Implementasi Saluran
Dilengkapi inti DIO, yang memungkinkan setiap saluran dikonfigurasikan sebagai DI (Tipe 1/3 atau Tipe 2) atau keluaran digital dalam mode-sisi tinggi atau-tarik. Batas DO saat ini dapat diatur dari 130mA hingga 1,2A. Fungsi demagnetisasi bawaan-. Peralihan antara input digital Tipe 1/3 dan Tipe 2 hanya memerlukan konfigurasi pin, sehingga menghilangkan kebutuhan akan resistor eksternal.
Perangkat ini tidak hanya mudah dikonfigurasikan tetapi juga cukup tangguh untuk lingkungan industri. Hal ini berarti perlindungan ESD yang tinggi, perlindungan tegangan catu daya hingga 60V, dan perlindungan lonjakan saluran-ke-bumi.
Hal ini menjadi contoh bagaimana pendekatan terpadu dapat membuka kemungkinan yang lebih besar (modul DI/DO yang dapat dikonfigurasi).
Kesimpulan
Saat merancang modul masukan atau keluaran digital dengan kepadatan tinggi, solusi terpisah menjadi tidak praktis setelah kepadatan saluran melebihi ambang batas tertentu. Opsi perangkat terintegrasi harus dievaluasi secara cermat untuk pertimbangan manajemen termal, keandalan, dan ukuran.
Saat memilih perangkat DI atau DO yang terintegrasi, poin data utama perlu diperhatikan, termasuk karakteristik pengoperasian yang andal, diagnostik, dan dukungan untuk beberapa konfigurasi input{0}output.