یکی از بحث‌های بسیار ساده که باعث شده خیلی از مهندسین در هنگام سیم‌بندی به دلیل عدم وجود یک تعریف مشخص با آن مشکل داشته باشند، PNP یا NPN بودن سنسورها است.

آنچه که در این نوشتار خواهید خواند:

• تشخیص PNP و NPN
• سینک (Sink) یا سورس (Source)
• سنسورهای چند سیمه
• سیم‌بندی سنسورهای PNP و NPN

علت وجودی این ساختارها به دلیل مدار داخلی و نوع ترانزیستورهای مورداستفاده در درون سنسورها می‌باشد.

امروز در این پست در ابتدا به نحوه تشخیص نوع سنسور PNP یا NPN می‌پردازیم و حتی شرایطی را بررسی می‌کنیم که اگر سنسور دیتاشیت یا برچسب نداشت چگونه نوع آن را تشخیص دهیم و سپس Sink و Source بودن کارت‌های ورودی PLC را تعریف می‌کنیم چراکه این دو مورد در انتخاب نوع سنسور بسیار تعیین‌کننده هستند.

در ادامهٔ کار به نحوه سیم‌بندی سنسورهای ۲، ۳، ۴ و ۵ سیمه PNP یا NPN به بار یا ماژول ورودی PLC خواهیم پرداخت و در میان مباحث آنها به برخی نکات مهم و رویه‌های عملی نیز اشاره خواهیم کرد.

تشخیص PNP و NPN

قبل از اینکه به اتصالات و سیم‌کشی بپردازیم باید بدانیم که سنسور تهیه شده از چه نوعی می‌باشد. برای این هدف دو روش کلی وجود دارد که عبارت‌اند از؛

1. بررسی برچسب سنسور یا دیتاشیت آن
2. انجام آزمایش تشخیص pnp یا npn

برچسب سنسور یا دیتاشیت آن

ساده‌ترین راه تشخیص نوع سنسور مراجعه به برچسب سنسور یا Data Sheet است که سازنده آن را در اختیار ما قرار می‌دهد. در آن یا یکی از اصطلاح‌های گفته شده یا دیاگرام سنسور یا کد فنی آن مشخص‌کننده نوع سنسور خواهد بود. تمام اطلاعاتی که بر روی برچسب تجهیزات برق و اتوماسیون وجود دارند حاوی اطلاعات مفیدی هستند. همواره سعی کنید نسبت به این داده‌ها کنجکاو بوده و آنها را کامل بررسی نمایید.

انجام آزمایش تشخیص PNP یا NPN

اما گاهی پیش می‌آید که سنسوری که به دست ما می‌رسد دیتاشیت آن گم شده است و یا به دلیل حمل‌ونقل برچسب آن از بین رفته، در این حالت چه باید کرد؟

در این شرایط از این دستورالعمل که در ادامه گفته خواهد شد استفاده می‌کنیم تا نوع سنسور مدنظر مشخص گردد. دقت داشته باشید که این آزمایش را برای درک بهتر بروی سنسور ۳ سیمه انجام می‌دهیم و باقی سنسورها (۴ و ۵ سیمه) نیز به همین شکل می‌باشند.

امروزه سنسورهای سه سیمه با رنگ سیم استاندارد تولید می‌شوند. یعنی تمام سازندگان ملزم هستند که خروجی سنسورهای خودشان را با همین سه رنگ متمایز کنند. البته دو دسته رنگ وجود دارد: چند سال پیش سه رنگ قرمز، مشکی و سفید استاندارد خروجی سنسورها بودند و امروزه قهوه‌ای، آبی و مشکی.

رنگ‌های استاندارد سنسورهای ۳ سیمه: قهوه‌ای (ولتاژ مثبت)، آبی (ولتاژ منفی) و مشکی (سیگنال) می‌باشند.

نوع سیگنال‌های مرتبط با این رنگ‌ها به‌صورت است:

• قهوه‌ای (در گذشته سیم قرمز): +V
• آبی (در گذشته سیم مشکی): -V
• مشکی (در گذشته سیم سفید): سیگنال

با شناخت سیم‌ها و نوع تغذیه یا خروجی سنسور در مرحله بعد می‌خواهیم NPN یا PNP بودن را تشخیص دهیم.

تغذیه را به سنسور بر اساس کد رنگ سیم‌های سنسور وصل می‌کنیم. سر مثبت مولتی متر را به خروجی سنسور (سیم مشکی) و سر مشترک مولتی متر را به سیم آبی سنسور وصل می‌کنیم.

در این حالت، سنسور نباید در وضعیت تشخیص هدف باشد. یعنی شیء متناسب با سنسور در محدوده حسی آن قرار نگیرد. حالا به مقادیر نمایش‌داده‌شده روی سنسور دقت می‌کنیم. اگر صفر بود یعنی سنسور PNP است و اگر مقدار نمایشگر مولتی متر مثبت و بین ۷-۲۴ ولت بود یعنی سنسور NPN است.

در مرحله بعد سنسور را در موقعیت شیء هدف (یعنی شیء متناسب را در محدوده حسی آن سنسور) قرار دهید. در این وضعیت مقادیر مولتی متر گویای نوع سنسور است. اگر صفر بود یعنی سنسور NPN است و اگر مقدار نمایشگر مولتی متر مثبت و بین ۷-۲۴ ولت بود یعنی سنسور PNP است.

اگر با تغییر در وضعیت قرارگیری شیء در مقابل سنسور، وضعیت خروجی آن تغییر نکرد بدانید یا صرفاً ال‌ای‌دی سنسور متناسب با وضعیت درست کار کرد، احتمال نقص در سنسور یا وایرینگ آن وجود دارد. دقت داشته باشید که عملکرد مانیتور سنسور برای ما اهمیتی ندارد و باید خود سنسور عمل کند.

سینک (Sink) یا سورس (Source)

مسئله دیگری که مهم است و در طرف مقابل سنسور یعنی PLC یا Load قرار می‌گیرد بحث سینک یا سورس بودن است.

به‌صورت کلی کارت‌های ورودی PLC به دودسته Sink و Source تقسیم می‌شوند.

در نوع Sink سیم‌کشی به صورتی است که کنتاکت در مسیر تغذیه مثبت قرار می‌گیرد درحالی‌که در نوع Source سیم‌کشی به صورتی است که کنتاکت در مسیر تغذیه منفی قرار می‌گیرد. بیشترین و متداول‌ترین کارت‌ها از نوع Sink هستند.

اگر سنسور شما از نوع PNP باشد کارت ورودی باید از نوع Sink و اگر سنسور از نوع NPN باشد کارت ورودی باید از نوع Source باشد.

به زبان ساده‌تر، اگر کارت ورودی پی‌ال‌سی از نوع Sink (به معنای حفره یا گودال) بود یعنی این کارت باید پذیرای جریان باشد به همین دلیل در مقابل آن از سنسور PNP که ارسال‌کننده جریان می‌باشد استفاده می‌کنیم.

و اگر کارت ورودی پی‌ال‌سی از نوع Source (به معنای منبع) بود یعنی این کارت ارسال‌کننده و تامین کننده جریان می‌باشد به همین دلیل در مقابل آن از سنسور NPN که دریافت‌کننده جریان می‌باشد استفاده می‌کنیم.

Sink: در سینک، جریان همیشه درون PLC و قطب مثبت منبع متصل شده به ترمینال ورودی PLC گردش می‌کند و قطب منفی منبع در ماژول ورودی PLC به مشترک یا COM متصل شده است.

Source: در سورس، جریان همیشه از PLC به دستگاه خروجی مثل یک کلید یا سنسور گردش می‌کند، در اینجا همه ورودی‌های PLC به قطب منفی متصل می‌شوند و مشترک یا COM ماژول ورودی به قطب مثبت منبع متصل می‌شود.^[1]

سنسورهای چند سیمه

سنسورها عمدتاً در مدل‌های مختلفی برای کاربردهای متنوع ساخته می‌شوند به همین دلیل آنها در اشکال، پیکربندی و دسته‌بندی‌های متفاوتی مشاهده خواهید کرد.

یکی از این دسته‌بندی اساسی دراین‌بین تعداد سیم‌های سنسور می‌باشد که می‌تواند در انواع زیر باشند:

• دو سیمه
• سه سیمه
• چهار سیمه
• پنج سیمه

این افزایش سیم صرفاً جهت افزایش دقت کاری در سنسورها تعبیه شده است در غیر این صورت سازوکار و وظیفه همه آنها یکی می‌باشند.

در ادامه به سیم‌بندی سنسورهای PNP و NPN برای سنسورهای مختلف خواهیم پرداخت.

سیم‌بندی سنسورهای PNP و NPN

همان گونه که بیان شد این سنسورها می‌توانند به‌صورت؛ ۲، ۳، ۴ و ۵ سیمه در دسترس باشند که در ادامه نگاهی به آنها و نحوه سیم‌کشی این سنسورها خواهیم داشت.

توجه داشته باشید که کارت‌های ورودی PLC تفاوت بین سنسورهای ۲، ۳ یا ۴ سیمه را نمی‌دانند، اما در انتخاب کارت‌های ورودی برای سنسورهای ۲ سیم باید افت ولتاژ سنسور و سطح جریان حالت خاموش سنسور را مدنظر قرار دهیم. (به زبان ساده‌تر سنسور و کارت ورودی PLC همسان باشند این داده‌ها در دیتاشیت PLC ذکر شده است).

سنسورها با ۳ و ۴ سیم دارای سیم‌های خروجی اختصاصی هستند. این سیم‌های خروجی مستقیماً به ماژول ورودی PLC متصل می‌شوند.

اتصال سنسور ۲ سیمه PNP و NPN

این سنسورها در دو مدل AC و DC ساخته شده و تنها دو رشته سیم دارند. طبق تصویر زیر، سنسور دو سیمه با بار به‌صورت سری قرار گرفته و نیازی به اتصال سیم‌های جداگانه برای تغذیه ندارد. لازم به ذکر است که بار می‌تواند یک چراغ، رلهٔ سیگنال، کنتاکتور، ورودی PLC و … باشد. در تصویر زیر مشاهده می‌کنید که برخی از سنسورها دارای سیم و برخی دارای کانکتورهای استاندارد بوده و موقعیت قرارگیری بار در آن‌ها مهم نیست.

با روشن شدن سنسور، جریان نامی از آن عبور کرده و می‌تواند بار را روشن کند. این جریان در حد چند صد میلی‌آمپر بوده و برای تحریک رله‌های سیگنال، کنتاکتور و … کافی است.

قبل از سیم‌بندی باید جریان بار را با جریان نامی سنسور مطابقت دهیم. بیشتر بودن جریان بار ممکن است به سنسور آسیب‌زده و یا باعث عدم روشن شدن آن بشود.

ولتاژ تغذیه در این سنسورها می‌تواند به‌صورت AC، DC یا AC/DC با مقادیر مختلف باشد. نکتهٔ مهم در سیم‌بندی این سنسورها، مطابقت دادن ولتاژ تغذیه با ولتاژ منبع و عدم اتصال مستقیم سنسور به آن است.

اتصال سنسور ۲ سیمه به PLC

اگر شما از سنسور دو سیمه برای ماژول ورودی PLC در حال استفاده می‌باشید باید موارد زیر را به‌درستی و مرحله‌به‌مرحله انجام دهید:

الف: سنسور ۲ سیمه از نوع PNP می‌باشد:

۱. اتصال سیم مثبت سنسور به مثبت منبع تغذیه.

۲. اتصال سیم منفی سنسور به ورودی PLC.

ب: سنسور ۲ سیمه از نوع NPN می‌باشد:

۱. اتصال سیم منفی سنسور به منفی منبع تغذیه.

۲. اتصال سیم مثبت سنسور به ورودی PLC.

جریان نشتی سنسور ۲ سیمه

در سنسورهای دو سیمه جریان نشتی یا Leakage Current، جریان نامی و ولتاژ تغذیه مهم است. جریان نشتی میزان جریانی است که در حالت خاموش بودن سنسور از آن عبور می‌کند. این جریان در حد چند میلی‌آمپر بوده ولی می‌تواند در برخی بارهای حساس و با توان پایین اختلال ایجاد کند.

جریان نشتی در برخی از بارها می‌تواند اختلال ایجاد کند. این اختلال می‌تواند به‌صورت تحریک بدون علت و یا عدم خاموش شدن بار، بعد از قطع سنسور باشد. برای رفع این اشکال می‌توان بارهای بیشتری را با هم موازی کرده و یا از مقاومت استفاده کرد. هر دوی این موارد باعث افزایش جریان بار و جلوگیری از اختلال سنسور خواهد شد. میزان مقاومت مجاز و توان آن باتوجه‌به ولتاژ تغذیه در کاتالوگ شرکت‌های سازنده درج شده است.

سیم‌بندی سنسور ۳ سیمه PNP و NPN

مشخصاً در این سنسور شاهد سه سیم: آبی، قهوه‌ای و مشکی خواهیم بود که به ترتیب بیانگر ولتاژ منفی، ولتاژ مثبت و سیگنال می‌باشند.

اغلب این سنسورها از نوع DC با خروجی ترانزیستور در مدل‌های NPN و PNP بوده و می‌توانند به‌صورت نرمال باز (NO) و نرمال بسته (NC) در مدار فرمان استفاده شوند.

باتوجه‌به سادگی و هزینه مناسب، سنسور ۳ سیمه یکی از پرفروش‌ترین‌ها می‌باشد.

در تصویر بالا بار می‌تواند انواع لامپ، رله، کنتاکتور و … باشد که باتوجه‌به نوع ترانزیستورها و فرمان موردنظر (استفاده به‌صورت نرمال باز یا نرمال بسته) بین سیم مشکی و قهوه‌ای یا مشکی و آبی قرار می‌گیرد. در ضمن این نوع از سنسورها را می‌توان به انواع رله‌های کنترلی متصل کرد. برای این کار حتماً باید به نوع ورودی در رله‌های قابل برنامه‌ریزی توجه کرد.

در سنسور سه سیمه به دلیل جداسازی منبع از بار جریان نشتی مزاحم حذف شده است.

اتصال سنسور ۳ سیمه به PLC

زمانی که می‌خواهیم از سنسور ۳ سیمه برای کارت ورودی PLC استفاده نماییم بحث Sink و Source که در ابتدا توضیح داده شد مطرح می‌شوند.

دقت داشته باشید که اگر کارت ورودی PLC شما از نوع Sink می‌باشد باید در طرف مقابل از سنسور PNP استفاده نمایید.

اگر کارت ورودی PLC شما از نوع Source می‌باشد باید در طرف مقابل از سنسور NPN استفاده نمایید.

متداول‌ترین نوع ورودی PLC در اروپا نوع “Sink” است و همان‌طور که در زیر نشان‌داده‌شده است با سنسور PNP استفاده می‌شود. امروزه کارت‌های ورودی از نوع Source را کمتر مشاهده می‌کنید، این کارت‌ها بیشتر در شرکت‌های آسیایی محبوب می‌باشند و برای عملکرد صحیح به سنسور نوع NPN نیاز دارند.^[2]

و همان‌طور که قبلاً گفته شد بیشتر کارت‌های ورودی ساخته شده از نوع “Sink” می‌باشند تا از نوع “Source”.

PLCهای جدید و به‌روز کارت‌های ورودی‌شان هم‌زمان از نوع Sink و Source می‌باشند.

در تصویر زیر نگاهی دیگر به نحوه اتصال سنسورهای PNP و NPN به ماژول‌های سورس و سینک PLC می‌توانید داشته باشید.

پس به‌صورت کلی می‌توانیم برای انجام سیم‌کشی سنسور ۳ سیمه و ماژول ورودی PLC گام‌های زیر را انجام دهیم:

الف: سنسور ۳ سیمه از نوع PNP می‌باشد:

۱. اتصال سیم‌های مثبت (قهوه‌ای) و منفی (آبی) سنسور به منبع تغذیه.

۲. اتصال سیم سیگنال سنسور به ماژول ورودی PLC.

۳. اتصال سیم دوم ماژول PLC به منفی منبع تغذیه (ورودی PLC از نوع سینک می‌باشد).

ب: سنسور ۳ سیمه از نوع NPN می‌باشد:

۱. اتصال سیم‌های مثبت (قهوه‌ای) و منفی (آبی) سنسور به منبع تغذیه.

۲. اتصال سیم سیگنال سنسور به ماژول ورودی PLC.

۳. اتصال سیم دوم ماژول PLC به مثبت منبع تغذیه (ورودی PLC از نوع سورس می‌باشد).

در ویدئو زیر به‌صورت خلاصه نحوه سیم‌کشی سنسورهای ۳ سیمه PNP و NPN شرح داده شده است

دانلود فیلم سیم‌بندی سنسورهای PNP و NPN ۳ سیمه – Full HD | با حجم ۵۱ مگابايت

سیم‌بندی سنسور ۴ سیمه PNP و NPN

شاید مهم‌ترین سوال این باشد که چرا باید از سنسور ۴ سیمه استفاده نماییم؟

سنسور ۴ سیمه به ما اجازه می‌دهد که بتوانیم از دو حالت نرمال باز (Normal Open) و نرمال بسته (Noraml Close) به‌صورت هم‌زمان استفاده نماییم.

این سنسورها نیز معمولاً به‌صورت جریان مستقیم بوده و دارای خروجی ترانزیستوری هستند. رنگ سیم‌ها در این سنسور می‌تواند قهوه‌ای، آبی، مشکی و سفید باشند. طبق تصویر زیر، رنگ قهوه‌ای برای اتصال به قطب مثبت منبع تغذیه، آبی به قطب منفی، مشکی به‌صورت نرمال باز و سفید به‌صورت نرمال بسته در نظر گرفته می‌شوند.

سیم‌بندی سنسور ۵ سیمه PNP و NPN

سنسورهای ۵ سیمه برای توان‌های بالاتر (نوع رله‌ای) تولید شده‌اند. سنسورهای پنج سیمه در مدل‌های ترانزیستوری و رله‌ای ساخته شده و می‌توانند به‌صورت هم‌زمان یک پلاتین نرمال باز و یک نرمال بسته داشته باشند. به‌عنوان‌مثال در تصویر زیر، سیم‌بندی یک سنسور پنج سیمه از نوع رله‌ای را مشاهده می‌کنید.

تغذیهٔ سنسور در مدل‌های رله‌ای انعطاف بسیار بالایی دارد. به‌عنوان‌مثال و طبق تصویر بالا، می‌توان از ۲۴ تا ۲۴۰ ولت AC و DC را به‌صورت مستقیم به سنسور متصل کرد. این ولتاژ کاری باعث حذف منبع تغذیه و کاهش پیچیدگی و هزینه‌های مدار می‌شود. از طرف دیگر خروجی رله توان بسیار بیشتری نسبت به مدل‌های ترانزیستوری داشته و می‌توان بدون نگرانی از آن در مدار فرمان استفاده کرد. در کنار مزایای ذکر شده، سنسورهای رله‌ای دارای معایبی مانند: سرعت عملکرد پایین، ایجاد صدا هنگام کار، ایجاد جرقه، مصرف بیشتر و … نیز هستند.

همانند شستی‌ها، میکروسوئیچ‌ها و … می‌توان برای ساخت حالت‌های منطقی، سنسورها را نیز به‌صورت سری و موازی به یکدیگر متصل کرد. این کار باعث حذف کنترلرها، کاهش حجم سیم‌بندی و در نتیجه کاهش هزینه‌ها خواهد شد با این حال به دلیل پیچیده شدن منطق کاری این کار توصیه نمی‌شود مگر اینکه شما در سطح بالایی از دانش برنامه‌نویسی می‌باشید و چاره‌ای جز سری و موازی کردن وجود ندارد.

منابع

1. ” Sinking and Sourcing Concepts”, Lenze AC Tech Corporation, 2009 ↑

    

2. “What is the difference between PNP and NPN when describing 3 wire connection of a sensor?“, Schneider Electric, May 2012 ↑

خوشحال خواهیم شد اگر شما نکته و یا تجربه‌ای در مورد سیم‌کشی سنسورهای PNP یا NPN داشته‌اید با ما در بخش نظرات در میان بگذارید.

راستی! برای دريافت مطالب جديد در پیج اینستاگرم PowreEn عضو شويد.