交流负载高频电流驱动放大器的设计与实现

谢 宇，李建伟

（1.温州职业技术学院 机械工程系，浙江 温州 325035；2.温州市华展电气科技有限责任公司，浙江 温州 325001）

交流负载高频电流驱动放大器的设计与实现

谢 宇1，李建伟2

（1.温州职业技术学院 机械工程系，浙江 温州 325035；2.温州市华展电气科技有限责任公司，浙江 温州 325001）

交流负载高频电流驱动放大器采用光耦及LED采集PLC输出的直流信号，实现光电隔离及输入状态显示，控制双向可控硅BTA16导通驱动大电流交流负载工作。该放大器已获实用新型专利权，并转让给企业投入生产和使用。企业应用结果表明，该产品通用性强，性能可靠，接线方便规范，有效发挥了驱动电流放大作用，提高了设备抗干扰能力，降低了机电设备开发成本。

交流负载；电流驱动放大器；PLC；电磁阀

0 引 言

PLC作为目前最可靠的工控机，逐渐成为工业领域实现机电控制的主流设备。针对不同负载驱动需要，PLC有三种类型的开关量输出接口电路，分别为继电器输出、晶闸管输出和晶体管输出。三菱FX2N系列PLC输出技术参数[1]见表1。

由表1可知，继电器输出接口的PLC可驱动大电流交直流负载，但响应时间较长；晶闸管输出接口的

PLC可驱动交流负载，晶体管输出接口的PLC可驱动直流负载，都具有响应时间短的优点，同时也存在驱动电流较小的缺点[2]。在印刷机械等一些高速、频繁通断的气动控制设备上，一般采用晶体管或晶闸管输出接口的PLC驱动电磁阀，实现气路通断控制。为保证控制电路的工作，可选用24VDC的晶体管输出接口的PLC作为控制器件，直流电磁阀可直接由PLC驱动，或在两者之间加上直流负载高频电流驱动放大器以放大驱动电流[3]；而交流电磁阀等交流负载选用晶闸管输出接口的PLC作为控制器件，当设备驱动电流小于0.3A，可由PLC直接驱动，若设备驱动电流大于0.3A，则可通过采集直流驱动信号，经交流负载高频电流驱动放大器转换后驱动工作，其控制电路如图1所示。

表1 三菱FX2N系列PLC输出技术参数

图1 电流驱动放大器电磁阀控制电路

1 信号采集和状态显示电路设计

1.1 信号采集

对于晶体管输出接口的PLC来说，根据控制要求需要把用户程序的逻辑运算结果转换成能驱动外部执行电路的信号。该端口允许输出较小的驱动电流，作为交流负载高频电流驱动放大器的输入信号。

1.2 输入输出隔离及输入状态显示

为达到输入输出电路隔离，提高设备抗干扰性能，选用光耦MOC 3061作为隔离器件，并在输入支路上串入电阻R1作限流保护，两端并上电阻R2及LED串联支路，其电路如图2所示。当PL C对应端口有信号输出时，在5～15mA正向电流作用下，将驱动光耦内LED发出一定波长的光，触发输出部分具有过零检测的光控双向可控硅导通，同时输入状态显示LED灯亮[4]。

图2 输入输出隔离及输入状态显示电路

图2中的R1、R2值可由（1）式计算得到：

其中，VF为LED的正向电压，取1.2～1.4V；IFT为LED触发电流，取15mA，若工作温度低于25℃，则电流适当增加。

1.3 输出放大处理及输出状态显示

MOC 3061可驱动工作电压为220V的交流双向可控硅BTA16（以下简称BTA16），起到直流小电压、小电流控制大电压、大电流的作用。由图3可知，在BTA16前面接上电阻R3作为双向可控硅的门极电阻，可提高抗干扰能力；在BTA16两端并上电阻R4和电容C组成浪涌吸收电路，防止浪涌电压损坏BTA16；在BTA16输出端串上限流电阻R5和LED，当PLC输出端子接通时，电流驱动放大器对应输入端子有信号输入，经光耦导通后控制BTA16，驱动负载工作，输入状态显示LED灯亮，表示该输出端子有信号输出。该端子所驱动的交流负载正常工作，且负载的驱动电流大小不受PL C输出点最大电流限制，而是受BTA16最大工作电流（10～16A）限制，从而起到驱动电流放大作用[5]。

图3 电流驱动放大器输出电路

图3中的R3值可由（2）式计算得到，R4取39Ω，电容C取0.01μF组成浪涌吸收电路，R5取300 Ω[6]。

其中，VP为交流电路中的峰值电压；ITSM为峰值浪涌重复电流，一般取1A。

2 交流负载高频电流驱动放大器电路设计

2.1 单路电流驱动放大器

以驱动交流负载为例，将输入信号采集、输入状态显示及输入输出隔离和输出放大处理及输出状态显示相关电路结合在一起，其电路如图4所示。

图4 单路电流驱动放大器电路

2.2 16路电流驱动放大器

对于印刷机等机电气动设备而言，P L C一般控制多路负载工作，因此在单路电流驱动放大器电路的基础上，设计16路电流驱动放大器电路，然后进行排版设计成驱动放大器，根据最终线路板尺寸大小设计外壳及接线端子，如图5所示。输入端子除1～16路输入外，各设一个C O M端，输出端子两端分别设L和N端，用于接通交流电源作为负载的工作电源，提高了设备的通用性，方便设备使用。

图5 16路电流驱动放大器外形及接线端子布置

2.3 其他类型电流驱动放大器

针对负载正常工作的不同要求，有些设备工作时由直流电源驱动，因此在输入端子不变的情况下，需要重新选择光电隔离光耦及输出放大电路的核心部件MOS管型号，以满足不同负载要求，共设计三种型号电流驱动放大器，分别驱动交流负载、高电平有效负载或低电平有效负载。1 6路电流驱动放大器输入输出技术参数见表2。该放大器2012年11月向国家知识产权局提出两项实用新型专利授权申请，并于2013年4月17日获得授权。专利1名称：一种高频电流驱动放大系统，专利号：201220584725.6；专利2名称：一种交流负载高频电流驱动放大系统，专利号：201220583084.2。

表2 16路电流驱动放大器输入输出技术参数

3 结束语

根据电气原理图进行P CB设计后打样制作，接通电源，可达到P L C输出直流信号经交流负载高频电流驱动放大器放大后，控制高电压、大电流交流负载工作的要求。经测试，其主要技术参数见表3。目前，该产品专利已经转让给温州市某电气科技有限责任公司，并在该公司为其他企业开发的“全自动接线端子压接机”、“裁线机”、“剥线机”“眼镜绕框机”等高速运行设备上批量使用。经企业反映，该放大器通用性强，能有效替代普通小型继电器，性能可靠，接线方便规范，有效发挥了驱动电流放大作用，提高了设备抗干扰能力和工作效率。现在每月使用台数大概在100台左右，价值40 000元，有效降低了机电设备开发成本。

表3 电流驱动放大器主要技术参数

[1]许翏.电气控制与PLC应用[M].北京:机械工业出版社，2009:145-147.

[2]黄宋魏.电气控制与PLC[M].北京:电子工业出版社，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.电工电子技术[M].北京:高等教育出版社，2008:171-173.

[5]王琳.电工电子技术[M].北京:北京理工大学出版社，2007:130-135.

[6]饶蜀华.电工电子技术基础[M].北京:北京理工大学出版社，2008:151-157.

[责任编辑：谢树林]

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

浙江省教育厅科研计划项目（Y201225586）

谢 宇（1973—），男，浙江瑞安人，温州职业技术学院机械工程系讲师，硕士；

李建伟（1983—），男，浙江缙云人，温州市华展电气科技有限责任公司助理工程师.