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デジタル入出力の基礎知識

用途や種類からインターフェイス回路の特性まで、デジタル入出力について、分かりやすく解説します。

目次

1. デジタル入出力ボードとは

パソコンにデジタル信号をパラレル(並列)に入力・出力する機能を増設するためのインターフェイスボードです。デジタル入出力製品を使えば、各種制御回路のリレーや操作スイッチ、測定器などの状態を監視(読み出し)をしたり、ランプやLED、7セグメント表示器やリレーの制御出力のほか、PLC(シーケンサ)などのコントローラとのデジタル通信用のインターフェイスとしても使用できます。

接点・スイッチなどの状態監視 センサーによる測定 BCD/バイナリ 計測器・PLC通信 BCD/バイナリ リレー・ランプなどの駆動制御 アクチュエータの駆動制御


2. デジタル入出力ボードの種類と用途

2-1. フォトカプラ絶縁入出力タイプ

ボード内部の論理回路と入出力回路をフォトカプラで絶縁したタイプです。信号(情報)が光に変わり伝達され、操作回路に発生した電気的外乱の侵入を防ぐことができます。ただし、フォトカプラを駆動するために外部からDC電源の供給が必要です。デジタルスイッチや表示器など、操作回路が5 - 48VDCの弱電機器との接続に使用します。

2-1-1. 高速フォトカプラ絶縁入出力タイプ

絶縁素子に高速フォトカプラを使用して信号の伝達スピードを高速化したタイプです。高速な入出力が要求される場合に使用します。

標準タイプは、応答速度200μsec以内となります。

2-1-2. 電源内蔵フォトカプラ絶縁入出力タイプ

内部の論理回路とは絶縁されたDC電源を搭載したタイプです。フォトカプラの駆動と操作回路への電源供給が可能ですので、電源を用意できない場合に便利です。

2-2. 接点出力タイプ

出力回路にリレー接点を使用したタイプです。ボード内部の論理回路と出力回路は、このリレー接点によって絶縁されています。電流を流す方向に制限がありませんので、AC(交流)負荷も接続できます。操作回路がAC(交流)、または48VDCを超える強電機器を直接制御する場合に使用します。

2-3. 非絶縁入出力タイプ

ボード内部の論理回路と入出力回路を絶縁せずに直結したタイプです。フォトカプラ絶縁入出力タイプに比べて高速に応答します。ただし、電気的外乱の影響を受けやすいため、ノイズ環境が良好で配線距離が短くできる場合に適しています。小型リレーやコントローラなど、入出力回路が5VDC/3.3VDCやTTL/LVTTLの機器との接続に使用します。

2-3-1. 双方向入出力タイプ

ボード内部の論理回路とi8255 PPIまたは同等の双方向入出力回路を絶縁せずに直結したタイプです。入出力点数(方向)をプログラムで8点単位に可変することができます。入出力回路がTTL(5VDC)またはLVTTL(3.3VDC)で、双方向の入出力が必要な機器との接続に使用します。

3. 出力回路

デジタル入出力の出力回路は、用途や電気的な違いから以下のような種類があります。

3-1. トランジスタ出力(無接点出力)

半導体素子であるトランジスタを使用して、DC負荷を駆動・開閉する出力回路です。接点出力と違い、実接点がないことから無接点出力とも呼ばれます。

3-1-1. フォトカプラ絶縁オープンコレクタ出力(電流シンクタイプ)

出力トランジスタのコレクタが出力端子となり、開放(オープン)状態になっている出力回路です。内部論理は「ON(短絡):1、OFF(開放):0」です。出力トランジスタが「ON」(負荷を作動)したときに、電流が負荷から出力端子に流れ込むシンクタイプです。一般的な12 - 48VDCの弱電機器への信号出力に使用します。

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3-1-2. フォトカプラ絶縁出力(電流ソースタイプ・逆コモンタイプ)

出力トランジスタのエミッタが出力端子になっている出力回路です。内部論理は「ON(短絡):1、OFF(開放):0」です。出力トランジスタが「ON」(負荷を作動)したときに、電流が出力端子から負荷に向けて流れ出るソースタイプです。地絡事故に対し安全性が高いことからヨーロッパ諸国で好まれるソースタイプで12 - 48VDCの弱電機器への信号出力に使用します。

3-1-3. 非絶縁TTLオープンコレクタ出力(負論理)

出力トランジスタのコレクタが出力端子となり、開放(オープン)状態の出力回路で、入力回路側でプルアップします。内部論理は「Low(短絡):1、High(開放):0」の負論理です。入力回路がTTLの機器や5VDCの機器への信号出力に使用します。

3-1-4. フォトカプラ絶縁TTLレベル出力(負論理)

出力トランジスタのコレクタが出力端子になっている出力回路です。内部論理は「Low:1、High:0」の負論理です。入力回路がTTLの機器や5VDCの機器で、操作回路の配線が長くなる場合や、絶縁したい場合に使用します。

3-2. 接点出力(有接点出力)

リレー接点を使用して、内部の論理回路と絶縁した出力回路です。実接点によって、負荷を駆動・開閉することから、有接点出力とも呼ばれます。電流を流す方向に制限がないので、DC負荷でもAC(交流)負荷でも接続できます。AC(交流)、または48VDCを超える強電機器への信号出力に使用します。

4. 入力回路

デジタル入出力の入力回路には、以下のような種類があります。

4-1. DC入力

トランジスタ出力や操作回路がDCの接点出力回路と接続が可能な入力回路です。

4-1-1. フォトカプラ絶縁入力(電流シンク出力対応タイプ)

フォトカプラのカソード側が入力端子になっている入力回路です。シンクタイプのトランジスタ出力、またはリレースイッチ等からの出力信号を入力します。内部論理は「ON(短絡):1、OFF(開放):0」です。入力端子は、電流が流れ出るソ-スタイプです。一般的な12 - 48VDCの弱電機器からの信号入力に使用します。

4-1-2. フォトカプラ絶縁入力(電流ソース出力対応タイプ・逆コモンタイプ)

フォトカプラのアノード側が入力端子になっている入力回路です。ソースタイプのトランジスタ出力、またはリレースイッチ等からの出力信号を入力します。内部論理は「ON(短絡):1、OFF(開放):0」です。入力端子は、電流が流れ込むシンクタイプです。地絡事故に対し安全性が高いことからヨーロッパ諸国で好まれるタイプです。12~48VDCの弱電機器からの信号入力に使用します。

4-1-3. 非絶縁TTLレベル入力(負論理)

トランジスタのベースが入力端子になっており、5VDCでプルアップされている入力回路です。内部論理は「Low:1、High:0」の負論理です。出力回路がTTLの機器や5VDCの機器からの信号入力に使用します。

4-1-4. フォトカプラ絶縁TTLレベル入力(負論理)

フォトカプラのカソードが入力端子になっている入力回路です。内部論理は「Low:1、High:0」の負論理です。出力回路がTTLの機器や5VDCの機器で、操作回路の配線が長くなる場合や、絶縁したい場合に使用します。

5. 双方向入出力回路

5-1. 非絶縁TTL/LVTTLレベル入出力(正論理)

i8255 PPI(または相当)の入出力回路です。内部論理は「Low(短縮):0、High(開放):1」の正論理です。入出力回路がTTLの機器や5VDCの機器、またはTTL(5VDC)/LVTTL(3.3VDC)の双方向の入出力が必要な機器との信号入出力に使用します。

6. 選定のヒント

CASE 1 デジタル出力ボードでリレー制御をする

リレーのON/OFF制御であれば、通常その装置の数が必要な出力点数となります。制御したいリレーが10個の場合、出力点数が10点以上のボードをお選びください。

  • 装置によっては、アラームやリセット、ハンドシェイクなどの機能を持ったものがあります。このような場合は、さらにその分の入出力点数が必要です。

CASE 2 デジタル入力ボードでスイッチを監視する

スイッチのON/OFF監視であれば、通常その装置の数が必要な入力点数となります。監視したいスイッチが20個の場合、入力点数が20点以上のボードをお選びください。

  • 装置によっては、アラームやリセット、ハンドシェイクなどの機能を持ったものがあります。このような場合は、さらにその分の入出力点数が必要です。

CASE 3 デジタル出力ボードでBCD/バイナリデータ入力の7セグメント表示器を制御する

CASE 4 デジタル入力ボードでデジタルスイッチからBCD/バイナリデータを入力する

一般的な10進や16進のタイプであれば、通常1桁につき4ビット(4点)の出力または入力が必要となります。3桁の7セグメント表示器やデジタルスイッチの場合、入出力点数が12点(4点×3桁)以上のボードをお選びください。

  • 装置によっては、アラームやリセット、ハンドシェイクなどの機能を持ったものがあります。このような場合は、さらにその分の入出力点数が必要です。

CASE 5 アブソリュート形(バイナリデータ出力)のロータリエンコーダ

一般に入力点数は1回転の分解能に関係します。例えば、1回転を256分解するタイプであれば、8ビット(256 = 28)のバイナリデータが出力されてきます。入力点数が8点以上のボードをお選びください。

  • 装置によっては、アラームやリセット、ハンドシェイクなどの機能を持ったものがあります。このような場合は、さらにその分の入出力点数が必要です。
  • インクリメンタル形のロータリエンコーダには、パルスをカウントする機能を搭載した「カウンタボード」を使用します。