W świecie przemysłowym istnieje wiele różnych rodzajów sygnałów wyjściowych czujników. Niektóre są proste, jak wyjścia dyskretne, a inne złożone, na przykład wyjścia Ethernetowe lub analogowe. Niezależnie od stopnia złożoności wszystkie one opierają się na tym, że czujnik odbiera sygnał fizyczny, taki jak światło lub dźwięk, i reaguje na niego sygnałem elektrycznym, czyli sygnałem wyjściowym. Oba rodzaje sygnałów wyjściowych mają swoje zastosowania. Jednak omawiając sygnały dyskretne, należy pamiętać o kilku kwestiach.
Zrozumienie wyjść dyskretnych
Istnieją dwa podstawowe rodzaje wyjść dyskretnych: wyjścia przekaźnikowe elektromechaniczne (EM) oraz wyjścia półprzewodnikowe. Oba są wyjściami dyskretnymi, które sygnalizują jeden ze stanów, np. włączony lub wyłączony, prawdziwy lub fałszywy.
Wyjścia przekaźnikowe elektromechaniczne wykorzystują przełącznik mechaniczny do zmiany stanu przepływu sygnału. Gdy w wyjściu przekaźnika elektromechanicznego włącza się elektromagnes, przyciąga on zwór w dół, zamykając styk. Powoduje to zamknięcie obwodu i umożliwienie przepływu prądu. Gdy elektromagnes wyłącza się, sprężyna odciąga zwornik do góry, otwierając styk i przerywając przepływ prądu. Przełączniki te lepiej radzą sobie z przełączaniem dużych obciążeń elektrycznych niż wyjścia półprzewodnikowe, jednak ruchome części ograniczają ich żywotność i powodują nieco wolniejszą szybkość reakcji w porównaniu z wyjściami półprzewodnikowymi.
Najczęściej spotykanymi wyjściami dyskretnymi są wyjścia półprzewodnikowe. Są one sterowane tranzystorami – są to przełączniki elektroniczne, które włączają lub wyłączają przepływ prądu. Wyjścia półprzewodnikowe można porównać do przekaźnika elektromagnetycznego, ale bez żadnych ruchomych części. Charakteryzują się one dużą szybkością przełączania oraz odpornością na wstrząsy i wibracje. Firma Banner oferuje czujniki z wyjściami półprzewodnikowymi zarówno prądu przemiennego (AC), jak i stałego (DC). Jednak wyjścia półprzewodnikowe typu PNP lub NPN są dostępne wyłącznie w urządzeniach zasilanych prądem stałym (DC).
Jaka jest zatem różnica między PNP a NPN?
Chociaż często mówi się o czujnikach jako o czujnikach typu PNP lub NPN, skróty te w rzeczywistości odnoszą się do typu tranzystora zastosowanego w urządzeniu. Różnica między typami PNP i NPN polega na budowie materiału półprzewodnikowego znajdującego się wewnątrz tranzystora. W tranzystorze PNP materiał półprzewodnikowy składa się z trzech warstw: warstwy ujemnej (N) pomiędzy dwiema warstwami dodatnimi (P): dodatnia-ujemna-dodatnia, czyli PNP. Podobnie tranzystor NPN ma warstwę dodatnią umieszczoną pomiędzy dwiema warstwami ujemnymi: Ujemna-Dodatnia-Ujemna, czyli NPN. Pomimo odmiennej budowy obie odmiany posiadają dodatnie i ujemne wyprowadzenia zasilania i są podłączone do urządzenia zwanego obciążeniem, takiego jak podłączona lampka sygnalizacyjna, koncentrator lub master IO-Link, sterownik PLC itp.
Wyjścia PNP
Wyjście PNP, zwane również wyjściem zasilającym, dostarcza prąd do podłączonego obciążenia. Obciążenie elektryczne jest podłączone między wyjściem czujnika a ujemnym (wspólnym) biegunem zasilacza. Napięcie wyjściowe jest równe napięciu zasilania.
Wyjścia NPN
Ponieważ zapewniają one połączenie z masą obwodu, wyjścia typu NPN nazywane są również wyjściami typu „sinking”. W tym przypadku obciążenie elektryczne jest podłączone między wyjściem czujnika a dodatnim biegunem zasilacza. Napięcie wyjściowe stanowi sygnał masowy. W wyjściach typu NPN prąd płynie w kierunku przeciwnym do tego w wyjściach typu PNP.
Różne typy sygnałów wyjściowych czujników
Różne czujniki mają różne typy wyjść. Czujniki bipolarne zawierają zarówno tranzystory PNP, jak i NPN w konfiguracji z podwójnym wyjściem. Jeśli nie masz pewności, jakiego typu wyjścia potrzebujesz, możesz podłączyć jedno lub drugie. Zazwyczaj jednak do sterownika PLC podłącza się tylko jedno wyjście.
Czujniki z wyjściami komplementarnymi będą typu PNP lub NPN. Urządzenia te mają dwa przewody wyjściowe: jeden jest otwarty, a drugi zamknięty.
Wyjście typu push-pull zawiera zarówno tranzystory wyjściowe typu PNP, jak i NPN w tym samym obwodzie. Jeśli obwód jest włączony i wysyła sygnał PNP, po wyłączeniu będzie wysyłał sygnał NPN (i odwrotnie). Czujniki z wyjściem typu push-pull posiadają ustawienie polaryzacji, które pozwala użytkownikowi wybrać, które wyjście ma być aktywne po uruchomieniu czujnika.
Kiedy stosować PNP i NPN
To, w której części świata się znajdujesz, często decyduje o tym, jakiego rodzaju wyjścia dyskretnego będziesz używać. W Azji około 90 procent wyjść to NPN. W Europie około 90 procent wyjść to PNP. W Stanach Zjednoczonych stosunek NPN do PNP wynosi około 60 do 40.
Sterownik PLC będzie oczekiwał sygnału typu PNP lub NPN, dlatego należy upewnić się, że używane jest właściwe wyjście czujnika, odpowiadające konkretnemu sygnałowi wymaganemu przez sterownik PLC w danej aplikacji. Informacje te można znaleźć w dokumentacji sterownika PLC oraz na schematach połączeń.
Kiedy będziesz pracować nad kolejną aplikacją, skontaktuj się z ekspertami z firmy Langir Engineering aby uzyskać pomoc w określeniu konkretnych wymagań dotyczących wyjść typu PNP lub NPN.
Pobierz przewodnik po przełącznikach pojemnościowych firmy Langir (PDF)
Artykuł ten opiera się na informacjach technicznych opublikowanych pierwotnie przez firmę Banner (bannerengineering.com).
