CN101976092A - 一种压降自动调整的串联回路取电电路 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种压降自动调整的串联回路取电电路，包括依次串联的24V电源、串联型仪表设备、变送器、负载电阻，串联型仪表设备包括回路取电电路、DC/DC模块及内部电路，所述回路取电电路中串联一采样电阻，采样电阻上电压信号送入电压调整网络，电压调整网络驱动调节取电电路中串联在回路上晶体管的导通和截止，最终实现对回路压降的调节。电路实现简单，压降范围通过电路参数的选择可任意调整，并且适用于所有串联型回路取电仪表和设备，具有较广泛的推广应用价值。

Description

一种压降自动调整的串联回路取电电路
技术领域
本发明涉及一种工业自动化控制系统中取电电路，特别涉及一种两线制串联分压仪表、设备的取电电路。
背景技术
工业自动化控制系统中通常采用两线制4～20mA回路方式，既传输测量/控制信号，又同时为现场仪表提供电能。4～20mA回路中通常包括一个24V电源、一个产生4～20mA信号的高阻设备(如变送器、AO型控制器等)，以及其他串联在回路中的低阻设备(如负载电阻、执行器、指示表等)。通常由变送器构成的4～20mA回路如图1所示。
由于回路中所有串联设备的电源都来自于单一的24V，为保证所有仪表正常工作，期望回路中串联设备的压降足够低，如模拟指针式电流表的串联压降低于0.7V。但随着这些串联型仪表或设备的数字化，其功耗要求越来越大，因此将消耗更多的回路压降，目的是在小于4mA的低电流条件确保回路串联仪表/设备获得足够的电能，以维持其正常工作。
这些串联型仪表或设备通常利用稳压管串联在回路中，获得固定的压降并作为内部系统的电源，如图2所示。根据内部的总功耗需求，计算小于4mA条件下所需压降，即作为最终设计的固定压降值。该方案的缺点是当回路电流加大后，由于串联压降仍是定值，因此串联设备将从回路中获得额外的能量，这些能量只能被稳压管白白浪费掉。如果串联设备的功耗要求较大，则设计的串联压降也需要很大，容易导致回路工作的不正常。
发明内容
本发明是针对现在串联型仪表或设备的功耗要求越来越大，容易导致回路工作不正常的问题，提出了一种压降自动调整的串联回路取电电路，可根据回路电流的大小动态调整串联压降，以实现最小的回路压降损失，保证回路的正常工作。
本发明的技术方案为：一种压降自动调整的串联回路取电电路，包括依次串联的24V电源、串联型仪表设备、变送器、负载电阻，串联型仪表设备包括回路取电电路、DC/DC模块及内部电路，所述回路取电电路中串联一采样电阻，采样电阻上电压信号送入电压调整网络，电压调整网络驱动调节取电电路中串联在回路上晶体管的导通和截止。
所述电压调整网络包括运放、参考电压源和用于电压调节两串联电阻，参考电压源接运放比较负极，采样电阻接运放比较负极，所述回路取电电源经过用于电压调节两串联电阻分压后接运放比较正极，运放输出为电压调整网络输出。
所述电压调整网络包括同相电压跟随放大器、运放、参考电压源和用于电压调节两串联电阻，参考电压源接运放比较负极，采样电阻接同相电压跟随放大器输入正极，经同相电压跟随放大器信号放大后接运放比较负极，所述回路取电电源经过用于电压调节两串联电阻分压后接运放比较正极，运放输出为电压调整网络输出。
所述电压调整网络包括反相放大电路、运放、参考电压源和用于电压调节两串联电阻，所述回路取电电源经过用于电压调节两串联电阻分压后接运放比较正极，参考电压源接运放比较负极，采样电阻接反相放大电路负极，反相放大电路正极接地，反相放大电路输出接运放比较正极，运放输出为电压调整网络输出。
本发明的有益效果在于：本发明压降自动调整的串联回路取电电路，电路实现简单，压降范围通过电路参数的选择可任意调整，并且适用于所有串联型回路取电仪表和设备，具有较广泛的推广应用价值。
附图说明
图1为现有技术由变送器构成的4～20mA回路图；
图2为现有技术基于稳压管的串联回路取电示意图；
图3为本发明压降自动调整的串联回路取电电路原理框图；
图4为本发明压降自动调整的串联回路取电电路原理实现图；
图5为本发明压降自动调整的串联回路取电电路实例一电路图；
图6为本发明压降自动调整的串联回路取电电路实例二电路图；
图7为本发明压降自动调整的串联回路取电电路实例二带参数电路图。
具体实施方式
图1所示的由变送器构成的4～20mA回路连接图，通常包括一个24V电源101、一个过程测量用变送器103、负载电阻104和其他串联型仪表/设备102。电源101为整个回路提供电能；变送器103根据测量结果调节回路电流在4～20mA范围内变化；负载电阻104用于电流采样，以及满足智能仪表的通信需求；其他串联型仪表/设备102用于回路的辅助功能，如电流指示表、记录仪、数字通信等。
图2所示电路，是目前使用最广泛的串联型回路取电电路。串联型仪表/设备102通过内部的稳压管201串联在回路中，获得固定的回路压降，并提供给内部电路203(通常利用DC/DC模块202调整到需要的内部工作电压)。为保证小于4mA的条件下仪表/设备仍能正常工作，需要设计的稳压管201电压参数都较大，使得能量利用不充分，甚至因为串联压降过大导致回路电压不够。
图3所示本发明压降自动调整的串联回路取电电路原理框图，串联型仪表/设备102内部包含一个小阻值的电阻301作为采样电阻，用于回路4～20mA电流的检测。通过采样电阻301两端的电压，可以获得回路电流的大小。将回路电流采样信息反馈给电压调整网络302，并驱动调节串联在回路中晶体管303的导通压降，最终实现对回路压降的调节。根据内部电路要求，可通过DC/DC模块304进行内部电压的调整。
图4是本发明压降自动调整的串联回路取电电路原理实现图。图3中的电压调整网络302由运放402、参考电压源403和电压调节用电阻405、406(R1、R2)构成。回路电流通过电阻404(R0)采样，并连接到运放402的反相输入端。电路达到平衡后，串联电源压降Vin与参考电压Vref以及回路测量电压Vf之间的关系见式(1)：Vin＝(1+R2/R1)*(Vref+Vf)。
由于回路测量电压Vf与回路电流Iloop成反比例关系，即Vf＝-Iloop*R0，因此串联电源压降Vin与回路电流Iloop的关系见式(2)：Vin＝(1+R2/R1)*(Vref-Iloop*R0)。
从式(2)可以看出，电源压降Vin与回路电流Iloop成反比例关系，即随着回路电流Iloop的增大，串联电源压降Vin会随之减小。通过调节电阻R1、R2、R0以及参考电压Vref，可以实现串联电源压降Vin在需要的范围内变化。
原理实现图由于回路电流采样电阻R0的取值比较小，反馈电压Vf的范围也比较小，最终串联电源压降Vin的可调范围也较小。
图5所示本发明压降自动调整的串联回路取电电路实例一电路图。将回路测量电压Vf经过由运放505和外围电阻508～510(R5、R4、R3)组成的同相电压跟随放大器，可实现Vf的放大，即VFB＝(1+R4/R5)*Vf。此时式(2)将变为式(3)：Vin＝(1+R2/R1)*(Vref-Iloop*(1+R4/R5)*R0)，通过调节电阻R4和R5，可实现串联电源压降Vin较宽的调整范围。
图6所示本发明压降自动调整的串联回路取电电路实例二电路图。通过由运放601及外围电阻602～604(R3～R5)构成的反相放大电路，同样可以对回路测量电压Vf进行放大，并反相。经过反相放大后的反馈电压VFB与回路电流Iloop之间的关系见式(4)：VFB＝Iloop*R0*(R4/R5)。
由于VFB与Iloop已经成为正比例关系，因此反馈电压VFB接入到调整用运放608的同相端，此时串联压降Vin与参考电压Vref以及回路测量反馈电压VFB之间的关系见式(5)：Vin＝Vref*(1+R2/R1+R2/R3)-VFB*(R2/R3)
将式(4)代入式(5)，可以得到图6所示实现电路中Vin与Iloop的关系，见式(6)：Vin＝Vref*(1+R2/R1+R2/R3)-Iloop*R0*(R4/R5)*(R2/R3)
从式(6)可以看出，Vin随Iloop增大而减小，并且通过电阻R0～R5以及参考电压Vref，可以实现对串联电源压降Vin范围的调节。
如图7为本发明压降自动调整的串联回路取电电路实例二带参数电路图，采用TLV431作为串联电源压降调整器件，其内部包括了调整用晶体管701和运放702以及参考电压源703(1.24V)。电阻R0～R5的取值如图中所示，反相放大用运放704采用OPA369，DC/DC模块705采用TPS61220，内部电源电压Vcc为2.5V。将图7中的电路参数代入式(6)，计算得到串联压降Vin与回路电流Iloop之间的关系见式(7)：Vin＝2.48-Iloop*50，当Iloop＝4mA的时候，Vin＝2.28V；当Iloop＝20mA的时候，Vin＝1.48V。

Claims (4)

1.一种压降自动调整的串联回路取电电路，包括依次串联的24V电源、串联型仪表设备、变送器、负载电阻，串联型仪表设备包括回路取电电路、DC/DC模块及内部电路，其特征在于，所述回路取电电路中串联一采样电阻，采样电阻上电压信号送入电压调整网络，电压调整网络驱动调节取电电路中串联在回路上晶体管的导通和截止。
2.根据权利要求1所述压降自动调整的串联回路取电电路，其特征在于，所述电压调整网络包括运放、参考电压源和用于电压调节两串联电阻，参考电压源接运放比较负极，采样电阻接运放比较负极，所述回路取电电源经过用于电压调节两串联电阻分压后接运放比较正极，运放输出为电压调整网络输出。
3.根据权利要求1所述压降自动调整的串联回路取电电路，其特征在于，所述电压调整网络包括同相电压跟随放大器、运放、参考电压源和用于电压调节两串联电阻，参考电压源接运放比较负极，采样电阻接同相电压跟随放大器输入正极，经同相电压跟随放大器信号放大后接运放比较负极，所述回路取电电源经过用于电压调节两串联电阻分压后接运放比较正极，运放输出为电压调整网络输出。
4.根据权利要求1所述压降自动调整的串联回路取电电路，其特征在于，所述电压调整网络包括反相放大电路、运放、参考电压源和用于电压调节两串联电阻，所述回路取电电源经过用于电压调节两串联电阻分压后接运放比较正极，参考电压源接运放比较负极，采样电阻接反相放大电路负极，反相放大电路正极接地，反相放大电路输出接运放比较正极，运放输出为电压调整网络输出。
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