交流負載高頻電流驅(qū)動放大器的設(shè)計與實現(xiàn)

謝 宇，李建偉

（1.溫州職業(yè)技術(shù)學院 機械工程系，浙江 溫州 325035；2.溫州市華展電氣科技有限責任公司，浙江 溫州 325001）

交流負載高頻電流驅(qū)動放大器的設(shè)計與實現(xiàn)

謝 宇1，李建偉2

（1.溫州職業(yè)技術(shù)學院 機械工程系，浙江 溫州 325035；2.溫州市華展電氣科技有限責任公司，浙江 溫州 325001）

交流負載高頻電流驅(qū)動放大器采用光耦及LED采集PLC輸出的直流信號，實現(xiàn)光電隔離及輸入狀態(tài)顯示，控制雙向可控硅BTA16導通驅(qū)動大電流交流負載工作。該放大器已獲實用新型專利權(quán)，并轉(zhuǎn)讓給企業(yè)投入生產(chǎn)和使用。企業(yè)應(yīng)用結(jié)果表明，該產(chǎn)品通用性強，性能可靠，接線方便規(guī)范，有效發(fā)揮了驅(qū)動電流放大作用，提高了設(shè)備抗干擾能力，降低了機電設(shè)備開發(fā)成本。

交流負載；電流驅(qū)動放大器；PLC；電磁閥

0 引 言

PLC作為目前最可靠的工控機，逐漸成為工業(yè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)機電控制的主流設(shè)備。針對不同負載驅(qū)動需要，PLC有三種類型的開關(guān)量輸出接口電路，分別為繼電器輸出、晶閘管輸出和晶體管輸出。三菱FX2N系列PLC輸出技術(shù)參數(shù)[1]見表1。

由表1可知，繼電器輸出接口的PLC可驅(qū)動大電流交直流負載，但響應(yīng)時間較長；晶閘管輸出接口的

PLC可驅(qū)動交流負載，晶體管輸出接口的PLC可驅(qū)動直流負載，都具有響應(yīng)時間短的優(yōu)點，同時也存在驅(qū)動電流較小的缺點[2]。在印刷機械等一些高速、頻繁通斷的氣動控制設(shè)備上，一般采用晶體管或晶閘管輸出接口的PLC驅(qū)動電磁閥，實現(xiàn)氣路通斷控制。為保證控制電路的工作，可選用24VDC的晶體管輸出接口的PLC作為控制器件，直流電磁閥可直接由PLC驅(qū)動，或在兩者之間加上直流負載高頻電流驅(qū)動放大器以放大驅(qū)動電流[3]；而交流電磁閥等交流負載選用晶閘管輸出接口的PLC作為控制器件，當設(shè)備驅(qū)動電流小于0.3A，可由PLC直接驅(qū)動，若設(shè)備驅(qū)動電流大于0.3A，則可通過采集直流驅(qū)動信號，經(jīng)交流負載高頻電流驅(qū)動放大器轉(zhuǎn)換后驅(qū)動工作，其控制電路如圖1所示。

表1 三菱FX2N系列PLC輸出技術(shù)參數(shù)

圖1 電流驅(qū)動放大器電磁閥控制電路

1 信號采集和狀態(tài)顯示電路設(shè)計

1.1 信號采集

對于晶體管輸出接口的PLC來說，根據(jù)控制要求需要把用戶程序的邏輯運算結(jié)果轉(zhuǎn)換成能驅(qū)動外部執(zhí)行電路的信號。該端口允許輸出較小的驅(qū)動電流，作為交流負載高頻電流驅(qū)動放大器的輸入信號。

1.2 輸入輸出隔離及輸入狀態(tài)顯示

為達到輸入輸出電路隔離，提高設(shè)備抗干擾性能，選用光耦MOC 3061作為隔離器件，并在輸入支路上串入電阻R1作限流保護，兩端并上電阻R2及LED串聯(lián)支路，其電路如圖2所示。當PL C對應(yīng)端口有信號輸出時，在5～15mA正向電流作用下，將驅(qū)動光耦內(nèi)LED發(fā)出一定波長的光，觸發(fā)輸出部分具有過零檢測的光控雙向可控硅導通，同時輸入狀態(tài)顯示LED燈亮[4]。

圖2 輸入輸出隔離及輸入狀態(tài)顯示電路

圖2中的R1、R2值可由（1）式計算得到：

其中，VF為LED的正向電壓，取1.2～1.4V；IFT為LED觸發(fā)電流，取15mA，若工作溫度低于25℃，則電流適當增加。

1.3 輸出放大處理及輸出狀態(tài)顯示

MOC 3061可驅(qū)動工作電壓為220V的交流雙向可控硅BTA16（以下簡稱BTA16），起到直流小電壓、小電流控制大電壓、大電流的作用。由圖3可知，在BTA16前面接上電阻R3作為雙向可控硅的門極電阻，可提高抗干擾能力；在BTA16兩端并上電阻R4和電容C組成浪涌吸收電路，防止浪涌電壓損壞BTA16；在BTA16輸出端串上限流電阻R5和LED，當PLC輸出端子接通時，電流驅(qū)動放大器對應(yīng)輸入端子有信號輸入，經(jīng)光耦導通后控制BTA16，驅(qū)動負載工作，輸入狀態(tài)顯示LED燈亮，表示該輸出端子有信號輸出。該端子所驅(qū)動的交流負載正常工作，且負載的驅(qū)動電流大小不受PL C輸出點最大電流限制，而是受BTA16最大工作電流（10～16A）限制，從而起到驅(qū)動電流放大作用[5]。

圖3 電流驅(qū)動放大器輸出電路

圖3中的R3值可由（2）式計算得到，R4取39Ω，電容C取0.01μF組成浪涌吸收電路，R5取300 Ω[6]。

其中，VP為交流電路中的峰值電壓；ITSM為峰值浪涌重復電流，一般取1A。

2 交流負載高頻電流驅(qū)動放大器電路設(shè)計

2.1 單路電流驅(qū)動放大器

以驅(qū)動交流負載為例，將輸入信號采集、輸入狀態(tài)顯示及輸入輸出隔離和輸出放大處理及輸出狀態(tài)顯示相關(guān)電路結(jié)合在一起，其電路如圖4所示。

圖4 單路電流驅(qū)動放大器電路

2.2 16路電流驅(qū)動放大器

對于印刷機等機電氣動設(shè)備而言，P L C一般控制多路負載工作，因此在單路電流驅(qū)動放大器電路的基礎(chǔ)上，設(shè)計16路電流驅(qū)動放大器電路，然后進行排版設(shè)計成驅(qū)動放大器，根據(jù)最終線路板尺寸大小設(shè)計外殼及接線端子，如圖5所示。輸入端子除1～16路輸入外，各設(shè)一個C O M端，輸出端子兩端分別設(shè)L和N端，用于接通交流電源作為負載的工作電源，提高了設(shè)備的通用性，方便設(shè)備使用。

圖5 16路電流驅(qū)動放大器外形及接線端子布置

2.3 其他類型電流驅(qū)動放大器

針對負載正常工作的不同要求，有些設(shè)備工作時由直流電源驅(qū)動，因此在輸入端子不變的情況下，需要重新選擇光電隔離光耦及輸出放大電路的核心部件MOS管型號，以滿足不同負載要求，共設(shè)計三種型號電流驅(qū)動放大器，分別驅(qū)動交流負載、高電平有效負載或低電平有效負載。1 6路電流驅(qū)動放大器輸入輸出技術(shù)參數(shù)見表2。該放大器2012年11月向國家知識產(chǎn)權(quán)局提出兩項實用新型專利授權(quán)申請，并于2013年4月17日獲得授權(quán)。專利1名稱：一種高頻電流驅(qū)動放大系統(tǒng)，專利號：201220584725.6；專利2名稱：一種交流負載高頻電流驅(qū)動放大系統(tǒng)，專利號：201220583084.2。

表2 16路電流驅(qū)動放大器輸入輸出技術(shù)參數(shù)

3 結(jié)束語

根據(jù)電氣原理圖進行P CB設(shè)計后打樣制作，接通電源，可達到P L C輸出直流信號經(jīng)交流負載高頻電流驅(qū)動放大器放大后，控制高電壓、大電流交流負載工作的要求。經(jīng)測試，其主要技術(shù)參數(shù)見表3。目前，該產(chǎn)品專利已經(jīng)轉(zhuǎn)讓給溫州市某電氣科技有限責任公司，并在該公司為其他企業(yè)開發(fā)的“全自動接線端子壓接機”、“裁線機”、“剝線機”“眼鏡繞框機”等高速運行設(shè)備上批量使用。經(jīng)企業(yè)反映，該放大器通用性強，能有效替代普通小型繼電器，性能可靠，接線方便規(guī)范，有效發(fā)揮了驅(qū)動電流放大作用，提高了設(shè)備抗干擾能力和工作效率?，F(xiàn)在每月使用臺數(shù)大概在100臺左右，價值40 000元，有效降低了機電設(shè)備開發(fā)成本。

表3 電流驅(qū)動放大器主要技術(shù)參數(shù)

[1]許翏.電氣控制與PLC應(yīng)用[M].北京:機械工業(yè)出版社，2009:145-147.

[2]黃宋魏.電氣控制與PLC[M].北京:電子工業(yè)出版社，2010:89-90.

[3]XIE YU.Amplifier Design on 16-channel High-frequency Current Drive[J].Advanced Materials Research，2013，658:620-625.

[4]林平勇.電工電子技術(shù)[M].北京:高等教育出版社，2008:171-173.

[5]王琳.電工電子技術(shù)[M].北京:北京理工大學出版社，2007:130-135.

[6]饒蜀華.電工電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京:北京理工大學出版社，2008:151-157.

[責任編輯：謝樹林]

Design and Practice of AC Load High-frequency Current Drive Amplifier

XIE Yu1, LI Jianwei2
(1.Mechanical Engineering Department, Wenzhou Vocational & Technical College, Wenzhou, 325035, China;
2.Wenzhou Huazhan Electrical Science and Technology Co., Ltd., Wenzhou, 325001, China)

Adopting the optocoupler and LED to gather the direct current signal sent by PLC, AC load highfrequency current drive amplifier achieves the photoelectric isolation and input display and controls BTA16 triac conduction to drive great current AC load. The amplifier has obtained the new practical patent right and has been put into production and use. The result shows the product can be in common use and has a high reliability. It is convenient in wiring and brings into full play of the amplification of the drive current, which improves the anti-interference of the equipment and cuts down the cost of its development.

AC load; Current Drive Amplifier; PLC; Magnetic valve

TN722.7+3

A

1671-4326(2013)02-0051-03

2013-01-12

浙江省教育廳科研計劃項目（Y201225586）

謝 宇（1973—），男，浙江瑞安人，溫州職業(yè)技術(shù)學院機械工程系講師，碩士；

李建偉（1983—），男，浙江縉云人，溫州市華展電氣科技有限責任公司助理工程師.