(57)【要約】【課題】フォトカプラのオン電流のバラツキが大きくても制御装置に対してオン信号を安定的に与えることができるようにする。【解決手段】トランジスタＴｒ１が、フォトカプラ４への入力電流Ｉａがフォトカプラ４のオン電流の上限値を上回る所定の第４電流を超えることが想定されることを条件としてフォトカプラ４の入力に対して通電するようにスイッチングする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
出力側にフォトカプラを設け当該フォトカプラの入力電流のレベルが動作レベルを超えるとオン信号を制御装置に出力するように構成された制御装置の入力回路において、
前記フォトカプラの入力に通ずる通電経路に設けられ前記フォトカプラの入力電流の動作レベルを上回るように設定された所定レベルを超えることが想定されることを条件として前記フォトカプラに通電するように切換えるスイッチング回路を備えたことを特徴とする制御装置の入力回路。
【請求項２】
出力側にフォトカプラを設け当該フォトカプラの入力電流のレベルに応じてオンオフ信号を制御装置に出力するように構成された制御装置の入力回路において、
入力回路本体が出力オンとなるように規定された前記入力回路本体に対する入力電圧電流の動作領域を第１の入力電圧電流領域とし、
前記入力回路本体が出力オフとなるように規定された前記入力回路本体に対する入力電圧電流の動作領域を第２の入力電圧電流領域としたときに、
前記入力回路本体に印加される入力電圧電流が、前記第１および第２の入力電圧電流領域間において不定出力可能に規定された第３の入力電圧電流領域内の入力電圧電流であることを条件として、前記フォトカプラに対する入力電流をオンオフ通電切換えするスイッチング回路を備えたことを特徴とする制御装置の入力回路。
【請求項３】
前記スイッチング回路により前記フォトカプラに対して入力電流が通電切換えされたときに当該フォトカプラに対する入力電流を抑制する電流抑制回路を設けたことを特徴とする請求項１または２記載の制御装置の入力回路。
【請求項４】
前記フォトカプラの入力側の電圧を検出する電圧検出回路を備え、
前記スイッチング回路は、前記電圧検出回路の検出電圧に応じて前記フォトカプラに対して通電切換えすることを特徴とする請求項１ないし３の何れかに記載の制御装置の入力回路。
【請求項５】
前記電圧検出回路は、前記入力回路の入力端子側電圧を検出することを特徴とする請求項４記載の制御装置の入力回路。
【請求項６】
前記電圧検出回路と前記スイッチング回路との間に介在して前記電流抑制回路が設けられていることを特徴とする請求項４または５記載の制御装置の入力回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、出力側にフォトカプラが設けられてなる制御装置の入力回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、制御装置の入力に設けられた入力回路としては、その出力側にフォトカプラを設け一次側と二次側とを絶縁する回路構成が用いられているものがある（例えば、特許文献１参照）。この特許文献１記載の構成によれば、フォトカプラの入力電流を変換してフォトカプラから出力信号を制御装置内に与えるようになっている。
【特許文献１】特開平８−２９２８０６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで近年、例えばプログラマブルコントローラ等の制御装置には高速応答化の要求があり、従来に比較してフォトカプラを高速応答可能な素子に変更する必要を生じている。フォトカプラを高速応答可能な素子に変更すると、多数のフォトカプラ間で入力電流のレベルの動作レベルに大きく違いが生じ、当該フォトカプラの出力がオンするときの入力電流値（オン電流）のバラツキが大きくなる傾向がある。このとき、例えば特許文献１に開示されている回路構成を適用してもオン電流のバラツキを低減することができず、制御装置に対してオン信号を安定的に与えることができない。
【０００４】
また、例えばプログラマブルコントローラ等の制御装置の場合には、一般的に入力回路の電圧電流特性が所定規格による規定を満たす必要がある。この場合、特許文献１に開示されている回路構成を適用しても適格に出力信号を制御装置に与えることができないことが確認されている。
【０００５】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、その第１の目的は、フォトカプラのオン電流のバラツキが大きくても制御装置に対してオン信号を安定的に与えることができるようにした制御装置の入力回路を提供することにあり、第２の目的は、制御装置に対してオンオフ信号を適格に与えることができるようにした制御装置の入力回路を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
請求項１記載の発明は、出力側にフォトカプラを設け当該フォトカプラの入力電流のレベルが動作レベルを上回るように設定された所定レベルを超えるとオン信号を制御装置に出力するものを対象としたものである。この構成によれば、フォトカプラの入力電流が所定レベルを超えたことが想定されることを条件としてフォトカプラに通電するように切換えるため、フォトカプラのオン電流のバラツキが大きくても制御装置に対してオン信号を安定的に与えることができる。
【０００７】
請求項２記載の発明は、出力側にフォトカプラを設け当該フォトカプラの入力電流のレベルに応じてオンオフ信号を制御装置に出力する制御装置の入力回路を対象としたものである。第１の入力電圧電流領域を、入力回路本体が出力オンとなるように規定された入力回路本体に対する入力電圧電流の動作領域と定義し、第２の入力電圧電流領域を、入力回路本体が出力オフとなるように規定された入力回路本体に対する入力電圧電流の動作領域と定義する。この場合、スイッチング回路は、入力回路本体に印加される入力電圧電流が第１および第２の入力電圧電流領域間において不定出力可能に規定された第３の入力電圧電流領域内の入力電圧電流であることを条件として、フォトカプラに対する入力電流をオンオフ通電切換えする。
【０００８】
このため、入力回路に与えられる入力電圧電流が第３の入力電圧電流領域の条件を満たしているときに、スイッチング回路がフォトカプラに対する入力電流をオンに切換える。この場合、フォトカプラの入力に対して電流が安定的に供給され、第１の入力電圧電流領域内で規定された電圧電流が入力回路に与えられるようになると、フォトカプラがオン信号を出力信号として出力するようになる。したがって、入力回路の出力がオンとして適格に保証されるようになる。
【０００９】
しかも逆に、入力回路に与えられる入力電圧電流が第３の入力電圧電流領域の条件を満たしているときに、スイッチング回路がフォトカプラに対する入力をオフに切換えると、フォトカプラの入力側に対して電流が供給されなくなる。この場合にはフォトカプラが常にオフ信号を出力信号として出力するようになる。したがって、入力回路の出力がオフとして適格に保証されるようになる。これにより、制御装置に対して適格にオンオフ出力信号を与えることができる。
【００１０】
請求項３記載の発明によれば、スイッチング回路がフォトカプラに対して入力電流を通電切換えしたときに、たとえフォトカプラに流れる電流が多くなり例えば抵抗素子等に流れる電流が多くなることで製品の発熱量が多くなったとしても、電流抑制回路がフォトカプラに対する入力電流を抑制するため、従来に比較して製品の発熱量を抑制できる。
【００１１】
請求項４記載の発明によれば、電圧検出回路が、フォトカプラの入力側の電圧を検出し、スイッチング回路は、電圧検出回路の検出電圧に応じてフォトカプラに対する入力電流をオンオフ通電切換えする。したがって、電圧検出回路の検出電圧に応じてフォトカプラに対して通電切換えすることができ、入力側の電圧を検出する構成を設けるだけで前述発明に係る回路を構成できるようになり、より簡単な回路で構成することができる。このとき、請求項５記載の発明のように、電圧検出回路を、入力回路の入力端子側電圧を検出するように構成することが望ましい。この場合、入力端子間の電圧を正確に測定することができ、より簡単な回路で構成できる。
【００１２】
請求項６記載の発明のように、電圧検出回路とスイッチング回路との間に介在して電流抑制回路が設けられていることが望ましい。このような構成によれば、より実用性の高い回路を構成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の制御装置をプログラマブルコントローラに適用した一実施形態について、図１および図２を参照しながら説明する。
図１は、制御装置とその入力回路の一例を詳細な電気的構成図により示している。また図３は、プログラマブルコントローラの電気的構成を概略的なブロック図により示している。
【００１４】
図１に示すように、プログラマブルコントローラ（以下、ＰＣと称す）１は、入力回路本体２と、制御装置たるＰＣ本体３とを備えて構成されている。また図３に示すように、ＰＣ本体３は、入力回路２の出力信号が与えられる論理演算部９と、論理演算部９の論理演算結果を出力するための出力インタフェースとしての出力回路８と、論理演算部９の論理演算結果を外部に通信するための通信部７とを備えている。
【００１５】
入力回路２の出力側には、フォトカプラ４が設けられている。このフォトカプラ４は、入力側にフォトダイオードが構成されると共に出力側にフォトトランジスタが構成されている。
【００１６】
ＰＣ本体３には論理演算部９が組込まれており、この論理演算部９により所定の論理演算が行われるようになっている。このＰＣ本体３には近年高速入力が要求されており、入力回路２の出力側には高速用のフォトカプラ４を使用する必要がある。具体的には、入力回路２の入力端子ＩＮおよびＣＯＭに与えられるパルス信号の周期がこれまでは数百μｓ〜数ｍｓであったのに対し、数μｓ〜十数μｓと短くなってきている。
【００１７】
この高速用のフォトカプラ４は、低速用のフォトカプラに比較するとオン電流のバラツキが大きい。例えばある素子では、低速用のフォトカプラが０．１〜１．５ｍＡ程度のオン電流のバラツキであるのに対し、高速用のフォトカプラ４は、０．１〜５ｍＡ程度のオン電流のバラツキがある。そこで、この高速用のフォトカプラ４を安定的および適格に使用できるように構成する必要があり、図１に示す回路構成を採用している。
【００１８】
この図１に示すように、入力回路２の入力端子ＩＮおよびＣＯＭ間には、抵抗Ｒ１およびＲ２とダイオードＤ１とが直列接続されており、入力回路２の入力側に閉ループが構成されている。
【００１９】
抵抗Ｒ１およびＲ２は、入力端子ＩＮおよびＣＯＭに与えられる電圧を分圧する分圧回路５（電圧検出回路に相当）として構成されており、この分圧回路５の分圧電圧Ｖ１がＮＰＮ型のトランジスタＴｒ１のベースに与えられるようになっている。トランジスタＴｒ１は、そのコレクタ−エミッタ間がフォトカプラ４の入力側のダイオードに通ずる通電経路に設けられている。分圧回路５とフォトカプラ４との間には、その通電経路に対して電流抑制回路６および高調波ノイズ除去用のコンデンサＣ１が設けられている。また、フォトカプラ４の出力はプルアップ抵抗Ｒ６を介してＰＣ本体３に入力されている。
【００２０】
電流抑制回路６は、例えば定電圧回路６ａの出力側に対して抵抗Ｒ５が直列接続されることにより構成されている。定電圧回路６ａは、ＮＰＮ型のトランジスタＴｒ２と、抵抗Ｒ４と、定電圧ダイオードＤ２とが図示形態で接続されることにより構成されている。フォトカプラ４の入力側には抵抗Ｒ３が並列接続されている。
【００２１】
ところで、このＰＣ１には所定の規格が定められている。図２には、この規格の入力電圧および入力電流特性を概略的に示している。入力端子ＩＮおよびＣＯＭには、パルス信号が与えられる。このパルス信号は、数μｓ〜十数μｓ程度の周期を有する信号であり、その振幅も変動する。このとき、入力電圧電流特性が図２の領域Ｘ１内であるときに入力回路本体２の出力がオンするように規格が定められており、入力電圧電流特性が図２の領域Ｘ２内であるときに出力がオフするように規格が定められている。
【００２２】
領域Ｘ２は、本発明の第２の入力電圧電流領域に相当しており、その領域は、例えば入力電圧が０Ｖ以上で所定の第１電圧Ｖ１以下、且つ、入力電流が０Ａ以上で所定の第５電流Ｉ５以下の条件を満たす入力電圧電流領域、または、入力電圧が０Ｖ以上で所定の第２電圧Ｖ２以下、且つ、入力電流が０Ａ以上で所定の第２電流Ｉ２以下の条件を満たす入力電圧電流領域である。この領域Ｘ２内の電圧電流特性の信号が与えられた場合には、入力回路本体２の出力を必ずオフとして出力する必要がある。尚、図２において、第１電圧Ｖ１＜第２電圧Ｖ２、で且つ、第１電流Ｉ１＜第２電流Ｉ２＜第３電流Ｉ３＜第４電流Ｉ４＜第５電流Ｉ５の関係がある。
【００２３】
また、領域Ｘ１は、本発明の第１の入力電圧電流領域に相当しており、その領域は、例えば入力電圧が所定の第２電圧Ｖ２以上で所定の第３電圧Ｖ３以下、且つ、入力電流が所定の第３電流Ｉ３以上で所定の第５電流Ｉ５以下の条件を満たす入力電圧電流領域である。この領域Ｘ１内の電圧電流特性の信号が与えられた場合には、入力回路本体２の出力を必ずオンとして出力する必要がある。
【００２４】
これらの領域Ｘ１およびＸ２間に設けられた入力電圧電流領域となる領域Ｘ３は、不定出力可能な領域と規定されており、規格上ではオンオフの何れの出力も可能である。具体的には、領域Ｘ３は、所定の第１電圧Ｖ１を超える電圧で且つ所定の第２電圧Ｖ２未満となる入力電圧で且つ所定の第２電流Ｉ２を超える電流で且つ所定の第５電流Ｉ５以下となる入力電流の条件を満たす入力電圧電流領域である。この領域Ｘ３内の電圧電流特性の信号が与えられた場合には、入力回路本体２の出力は必ずしもオンもしくはオフに規定されない。
【００２５】
このような条件のもとで量産時のバラツキ等にも絶えうる設計を行う必要がある。そこで、本実施形態ではこのような条件のもとで規格を満たすことができる実施形態を説明する。
【００２６】
上記構成の作用について説明する。
前述したように、入力端子ＩＮおよびＣＯＭにはパルス信号が入力される。このパルス信号は、数μｓ〜十数μｓ程度の周期を有する信号であり、その振幅も変動する。そこで本実施形態では入力電圧電流が過渡的に変動した場合のオンオフ特性について説明を行う。図２に示す特性Ａ１〜Ａ３は、本実施形態に係る特性を示しており、特性Ｂは、従来技術に係る特性を示している。
【００２７】
入力電圧Ｖinおよび入力電流Ｉinが共に０Ｖ、０Ａの場合には、フォトカプラ４の入力側には電流Ｉａが流れないため、フォトカプラ４の出力はオフとなる。この場合、前記した規格を満たす。入力電圧Ｖinおよび入力電流Ｉinが除々に上昇すると、ノードＮ１に対する印加電圧および電流も除々に増加する。すると、コンデンサＣ１には充電されるが、トランジスタＴｒ１がオフしている間はフォトカプラ４の入力側には電流Ｉａは流れない。
【００２８】
さらに入力電圧Ｖinおよび入力電流Ｉinが増加し、分圧回路５の分圧電圧Ｖ１がトランジスタＴｒ１のベースエミッタ間電圧となると、トランジスタＴｒ１はオフ状態からオン状態に遷移する。このとき、オン状態に移行するときの入力回路本体２の各回路素子の設定状態を、フォトカプラ４の入力側に流れる電流Ｉａが所定の第４電流Ｉ４以上の電流となるようにすることが望ましい。この所定の第４電流Ｉ４は、フォトカプラ４のオン電流のレベル（動作レベル）のバラツキの上限値（例えば、５ｍＡ）を考慮して予め定められた所定の電流値であり、少なくともこの上限値を上回るレベルで設定された電流値である。尚、図２には、フォトカプラ４の素子毎のオン電流のバラツキ範囲Ｈ２（例えば、下限値０．１ｍＡ、上限値５ｍＡ）を示している。
【００２９】
これまでは、比較的応答特性が遅くても良好な出力特性を得ることができるため、オン電流のバラツキの小さいフォトカプラ（図２のバラツキ範囲Ｈ１参照）を使用していたが、近年の応答特性の迅速化の要求に伴いオン電流のバラツキ範囲Ｈ２の特性を備えたフォトカプラ４を使用する必要を生じている。
【００３０】
この場合、トランジスタＴｒ１を設けることなくフォトカプラ４を使用して得た特性Ｂを参照すると、特に、入力電流Ｉinが所定の第６電流Ｉ６以上で第４電流Ｉ４未満となる条件を満たす電流である場合には、領域Ｘ１内の入力電圧電流特性であるにも関わらず、フォトカプラ４の出力がオンとなっていない場合も考えられる。したがって、入力回路本体２の出力をオンとしなければならない規格を満たすことができない。尚、第６電流Ｉ６は、図２に示すように、トランジスタＴｒ１を設けることなく構成した場合において、入力電圧が第２電圧Ｖ２を跨ぐときの電流値である。
【００３１】
そこで、本実施形態では、フォトカプラ４の入力電流の動作レベルの上限値を上回るように予め設定された電流値Ｉ４を電流Ｉａが超えたことが想定されるときにフォトカプラ４の入力側に通電するようにトランジスタＴｒ１を切換えている。すなわち、トランジスタＴｒ１が、フォトカプラ４の入力側に通電するように瞬時に切換える。このときの特性を、図２の特性Ａ１〜Ａ３に示している。尚、特性Ａ２は、電流抑制回路６を設けていない場合の特性の一例を示しており、特性Ａ３は、電流抑制回路６を設けたときの特性の一例を示している。
【００３２】
入力電流Ｉinが第４電流Ｉ４を超えたときにトランジスタＴｒ１がオンし、電圧電流特性の傾きが変化している（特性Ａ１およびＡ２，Ａ３参照）。第４電流Ｉ４以下のときにはフォトカプラ４の入力側に電流Ｉａが流れることがなくなり、フォトカプラ４の出力を安定的にオフに保持することができる。逆に、第４電流Ｉ４を超える電流値であるときにはフォトカプラ４の入力側に電流Ｉａが流れ、フォトカプラ４の入力側に通電電流を流すことができる。フォトカプラ４の入力側に流れる電流Ｉａが第４電流Ｉ４を超えていれば必ず出力をオンできるため、この場合、出力を安定的にオンにすることができるようになる。
【００３３】
したがって、入力電流Ｉinが所定の第６電流Ｉ６以上で第４電流Ｉ４未満となる条件を満たす電流であったとしても、フォトカプラ４の入力側には電流が流れることなく、入力回路本体２の出力がオン状態になるという不具合を防止することができる。
また、電流抑制回路６を設けた場合、特性Ａ３に示すように、入力回路本体２に流れる電流を抑制することができ、特に抵抗Ｒ５に流れる電流を抑制することができ、入力回路本体２の発熱量を抑えることができる。
【００３４】
また、領域Ｘ３内の入力電圧電流特性であるときにトランジスタＴｒ１の切換えを行うように入力回路本体２の回路を構成することも好ましい。
入力電圧Ｖinおよび入力電流Ｉinが領域Ｘ３内の入力電圧電流特性を満たしているときに、トランジスタＴｒ１がフォトカプラ４に対する入力電流Ｉａをオンするように切換えると、フォトカプラ４には通電されるようになる。この場合、フォトカプラ４の入力に対して電流Ｉａが安定的に供給されるようになり、領域Ｘ１内で規定された電圧電流が入力回路本体２に入力電圧電流ＶinおよびＩinとして入力され、必要に応じて例えばフォトカプラ４の動作レベルの上限値を上回る第４電流Ｉ４を超える電流がフォトカプラ４の入力に与えられる。すると、フォトカプラ４が常にオン信号を出力信号として出力するようになる。したがって、入力回路本体２の出力がオンとして適格に保証されるようになる。
【００３５】
この後、入力電圧Ｖinおよび入力電流Ｉinが低下し、入力回路本体２に与えられる入力電圧電流ＶinおよびＩinが領域Ｘ３内の条件を満たしているときに、トランジスタＴｒ１がフォトカプラ４の入力側に流れる電流Ｉａをオフに切換えると、フォトカプラ４の入力側に対して電流が供給されなくなる。この場合にはフォトカプラ４の出力が常にオフ状態に保持される。したがって、入力回路本体２の出力がオフとして適格に保証されるようになる。これにより、ＰＣ本体３に対して適格にオンオフ出力信号を与えることができる。
【００３６】
本実施形態によれば、トランジスタＴｒ１が、フォトカプラ４に対する入力電流が所定の第４電流Ｉ４を超えることが想定されることを条件としてフォトカプラ４の入力に対して通電するように切換えるため、フォトカプラ４のオン電流のバラツキが大きくてもＰＣ本体３に対してオン信号を安定的に与えることができる。
【００３７】
本実施形態によれば、領域Ｘ２の入力電圧電流条件を満たしているときに、トランジスタＴｒ１がオンオフ切換えするようになっているため、領域Ｘ１の入力電圧電流条件の場合には入力回路本体２の出力がオンとして適格に保証されるようになり、領域Ｘ２の入力電圧電流条件の場合には入力回路本体２の出力がオフとして適格に保証されるようになる。
【００３８】
本実施形態によれば、電流抑制回路６を設けているため、抵抗Ｒ５やフォトカプラ４に対して流れる電流を抑制することができ、発熱量を抑制できる。
本実施形態によれば、分圧回路５がフォトカプラ４の入力側に設けられ、分圧回路５の分圧電圧Ｖ１によりトランジスタＴｒ１のオンオフ切換えをしているため、より簡単な回路により構成することができる。
本実施形態によれば、分圧回路５は入力回路本体２の入力端子ＩＮおよびＣＯＭ間側の電圧を検出しているため、入力端子ＩＮおよびＣＯＭ間の電圧をより正確に測定することができ、より簡単な回路で構成することができる。
本実施形態によれば、分圧回路５とトランジスタＴｒ１との間に介在して電流抑制回路６が設けられているため、より実用性の高い回路を構成することができる。
【００３９】
（他の実施形態）
本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、例えば、以下に示す変形もしくは拡張が可能である。
【００４０】
定電圧回路６ａ、コンデンサＣ１、ダイオードＤ１、抵抗Ｒ１およびＲ２、Ｒ３、Ｒ５は必要に応じて設ければ良い。
領域Ｘ１を、入力電圧電流ＶinおよびＩinが所定の第２電圧Ｖ２以上で且つ、所定の第３電流Ｉ３以上となる領域と規定したが、これに限定されるものではない。領域Ｘ３も同様にこれに限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の一実施形態の回路構成を概略的に示す図（その１）
【図２】回路の電圧電流特性および規定を概略的に示す図
【図３】回路構成を概略的に示す図（その２）
【符号の説明】
【００４２】
図面中、２は入力回路本体（制御装置の入力回路）、３はプログラマブルコントローラ本体（制御装置）、４はフォトカプラ、５は分圧回路（電圧検出回路）、６は電流抑制回路、９は論理演算部、Ｔｒ１はトランジスタ（スイッチング回路）を示す。
【図１】
2007181034.tif 000003
【図２】
2007181034.tif 000004
【図３】
2007181034.tif 000005