CN107968562B - 一种本安隔离型变送器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种本安隔离型变送器，包括：输入及A/D模块、数字隔离模块、微控制器、LCD显示模块、通信接口、输出电路和电源电路，微控制器分别与数字隔离模块、LCD显示模块、通信接口和输出电路连接；数字隔离模块与输入及A/D模块连接，电源电路用于给微控制器和LCD显示模块供电，电源电路包括：供电单元、稳压单元和电压转换单元；供电单元的正极与稳压单元的输入端连接；稳压单元的输出端连接电压转换单元的输入端；电压转换单元的输出分别与微控制器和LCD显示模块连接；供电单元的负极、稳压单元和电压转换单元共地。该本安隔离型变送器，将电容元件用在低电压电路中；并减少了电感元件的使用；其具有更丰富的功能，芯片选型更方便。

Description

一种本安隔离型变送器
技术领域
本发明涉及一种本安隔离型变送器。
背景技术
二线制变送器是将各种传感器信号(如温度、压力、液位等)转换成与工程单位成线性关系的4－20mADC信号，并具有现场LCD显示及通信接口等功能。其主要特点是输出4－20mADC信号与电源共用两根线，要求变送器电路总电流必须小于4mADC，为考虑一点余量，在设计时通常要求总电流小于3.5mA。
本安型变送器安装在有易燃易爆物质的场合，对变送器电路中的电感电容等储能元件有严格的要求。在IIC环境内中安装的变送器，当输入电压为28VDC时，允许的电容≤0.1uF，而变送器的抗干扰和纹波抑制都需要安装更大容量的电容。
因此，如何设计出一款本安隔离型变送器，使其尽量少用或不用电感元件，或将电容元件用在低电压电路中；显得尤为重要。
发明内容
针对现有技术的缺点，本发明的目的是提供一种本安隔离型变送器，其首先将高电压用稳压单元降低，然后再使用大容量电容；并在电压转换单元中采用电荷泵芯片进一步将电压降低，在电压转换单元仅仅使用电容，不使用电感，减少了电感元件的使用。
为实现上述目的，本发明提供了一种本安隔离型变送器，包括：输入及A/D模块、数字隔离模块、微控制器、LCD显示模块、通信接口、输出电路和电源电路，微控制器分别与数字隔离模块、LCD显示模块、通信接口和输出电路连接；数字隔离模块与输入及A/D模块连接，电源电路用于给微控制器和LCD显示模块供电，电源电路包括：供电单元、稳压单元和电压转换单元；供电单元的正极与稳压单元的输入端连接；稳压单元的输出端连接电压转换单元的输入端；电压转换单元的输出分别与微控制器和LCD显示模块连接；供电单元的负极、稳压单元和电压转换单元共地。
与现有技术相比，本发明公开的本安隔离型变送器，首先将高电压用稳压单元降低至7V，然后再使用大容量电容；并在电压转换单元中采用电荷泵芯片进一步将电压由7V降低至3.5V，其在电压转换单元仅仅使用电容，不使用电感，减少了电感元件的使用；且利用高效率的电压转换芯片将7V转换为3.5V之后，理论上将变送器电路允许的总电流提升了一倍。使变送器可以具有更丰富的功能，芯片选型更方便。
根据本发明另一具体实施方式，电源电路进一步包括单向导通元件，供电单元的正极经单向导通元件与稳压单元的输入端连接。
根据本发明另一具体实施方式，电源电路进一步包括滤波单元，滤波单元包括第一电容、第二电容、第一电感和第二电感；第一电容的一端与供电单元的正极连接，第一电容的另一端与供电单元的负极连接；第二电容的一端与稳压单元的输入端连接，诉第二电容的另一端接地；第一电感的一端连接供电单元的正极，第一电感的另一端与稳压单元的输入端连接；供电单元的负极经第二电感接地。
根据本发明另一具体实施方式，电源电路进一步包括隔离电源单元，隔离电源单元的输入端连接电压转换单元的输出端；隔离电源单元的输出端与输入及A/D模块连接。
根据本发明另一具体实施方式，电源电路进一步包括第一低压差稳压单元，第一低压差稳压单元的输入端连接电压转换单元的输出端，第一低压差稳压单元的输出端分别连接微控制器、LCD显示模块、输出电路和通信接口。
根据本发明另一具体实施方式，电源电路进一步包括第二低压差稳压单元，第二低压差稳压单元的输入端连接隔离电源模块的输出端，第二低压差稳压单元的输出端与输入及A/D模块连接。
根据本发明另一具体实施方式，稳压单元包括串联稳压电路、第三电容和稳压管，串联稳压电路的输入端连接供电单元的正极，串联稳压电路的输出端分别与电压转换单元的输入端和第三电容的一端连接，第三电容的另一端接地，稳压管的一端与串联稳压电路的输出端连接，稳压管的另一端接地。
根据本发明另一具体实施方式，单向导通元件为二极管。
本发明公开的本安型隔离变送器，依据GB3836.4－2010的表A.2，根据表中IIC类设备在28V时允许的电容为0.083uF，在7.0V时允许的电容为15.7uF。通过先降低电源电压后再使用大电容稳压滤波的方式，将电容元件用在低电压电路中；并在电压转换单元中采用电荷泵芯片进一步将电压降低，在电压转换单元仅仅使用电容，不使用电感，减少了电感元件的使用。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
附图说明
图1是实施例1提供的本安隔离型变送器的结构框图；
图2是实施例1提供的本安隔离型变送器的电源电路的电路图。
具体实施方式
实施例1
参见图1和图2，是本实施例提供的本安隔离型变送器的结构框图；图2是本实施例提供的本安隔离型变送器的电源电路的电路图。该本安隔离型变送器包括：输入及A/D模块1、数字隔离模块2、微控制器3、LCD显示模块4、通信接口5、输出电路6和电源电路7。
其中：微控制器3分别与数字隔离模块2、LCD显示模块4、通信接口5和输出电路6连接；数字隔离模块2与输入及A/D模1块连接，电源电路7用于给输入及A/D模块1、微控制器3、LCD显示模块4、通信接口5和输出电路6供电。
传感器信号经过输入及A/D模块1转换成数字量信号；再经过数字隔离模块2传输至微控制器3，再由微控制器3转换成对应的实时测量值，如0－100℃、－100－100KPa等；输出电路6将实时测量值转换成某一量程范围对应的4－20mADC信号；LCD显示模块4以文字或图表显示实时测量值或错误提示等内容；通信接口5可以与手持通信器、电脑、PLC等交换数据。
电源电路7包括供电单元71、单向导通元件D1、滤波单元72、采样电阻R、稳压单元73、电压转换单元74、第一低压差稳压单元U1、隔离电源单元75、和第二低压差稳压单U3。滤波单元71包括第一电容C1、第二电容C2、第一电感L1和第二电感L2；稳压单元73包括串联稳压电路731、第三电容C3和稳压管Z1；电压转换单元包括电荷泵芯片U2和第四电容C4和第五电容C5；隔离电源单元75包括隔离电源751和第六电容C6。
第一电容C1的一端经单向导通元件D1与供电单元的正极连接，第一电容C1的另一端与供电单元的负极连接；第二电容C2的一端与串联稳压电路的输入端连接，诉第二电容C2的另一端接地；第一电感L1的一端连接供电单元71的正极，第一电感L1的另一端与稳压单元73的输入端连接；供电单元71的负极依次经第二电感L2、采样电阻R接地。
串联稳压电路731的输出端分别与电压转换单元74的输入端和第三电容C3的一端连接，第三电容C3的另一端接地，稳压管Z1的一端与串联稳压电路731的输出端连接，稳压管Z1的另一端接地。
电荷泵芯片U2的输入端与串联稳压电路731的输出端连接；第四电容C4的两端分别连接电荷泵芯片U2的C+引脚和C－引脚；电荷泵芯片U2的输出端连接第一低压差稳压单元U1的输入端；第一低压差稳压单元U1输出端分别连接微控制器3、LCD显示模块4、输出电路6和通信接口5。第五电容C5的一端连接电荷泵芯片的输出端，第五电容C5的另一端接地。
隔离电源单元75的输入端连接电荷泵芯片U2的输出端；隔离电源单元75的输出端连接第二低压差稳压单元U3的输入端；第二低压差稳压单元U3的输出端与输入及A/D模块1连接。
本实施例提供的本安型隔离变送器的工作原理如下；
供电单元71的正极LOOP+和负极LOOP－既是变送器的电源线，也是输出信号线，电流范围是3.5－22mADC，电压范围是12－28VDC。单向导通元件D1在电源线接反时截止，起保护作用。由第一电容C1、第二电容C2、第一电感L1和第二电感L2组成的滤波单元72起滤波作用，采样电阻R是输出取样电阻，检测输出回路电流，阻值通常为10－50Ω，本发明中取值为33Ω。供电单元1的正极LOOP+和负极LOOP－的电源信号首先经过滤波单元72滤波后，再由串联稳压电路731降低至7V。电荷泵芯片U2和第四电容C4和第五电容C构成的电压转换单元74、即开关电容电压变换器，将7V电源降低至3.5V，其工作原理同DC－DC类似，效率高达90％以上，理论上将变送器电路允许的总电流从3.5mADC提升至7mADC。隔离电源单元75将电荷泵芯片U2输出的3.5V(3.5V－1和GND1)隔离变换成另一路3.5V(3.5V－2和GND2)，C6是安规电容，位于相互隔离的两组3.5V的地线之间。第一低压差稳压单元U1，3.5V－1经过U1稳压后得到VCC1，给MCU3、LCD显示模块4、输出电路6、通信接口5供电。第二低压差稳压单U3，3.5V－2经过U3稳压后得到VCC2，给输入及A/D模块1供电。
Z1为稳压管，本实施例中Z1包括三个并联的稳压管，稳压管的电压为7V，功率≥3W。
本实施例公开的本安型隔离变送器，依据GB3836.4－2010的表A.2，根据表中IIC类设备在28V时允许的电容为0.083uF，在7.0V时允许的电容为15.7uF。通过先降低电源电压后再使用大电容稳压滤波的方式，将电容元件用在低电压电路中；并在电压转换单元中采用电荷泵芯片进一步将电压降低，在电压转换单元仅仅使用电容，不使用电感，减少了电感元件的使用。
虽然本发明以较佳实施例揭露如上，但并非用以限定本发明实施的范围。任何本领域的普通技术人员，在不脱离本发明的发明范围内，当可作些许的改进，即凡是依照本发明所做的同等改进，应为本发明的范围所涵盖。

Claims (5)

1.一种本安隔离型变送器，其特征在于，包括：输入及A/D模块、数字隔离模块、微控制器、LCD显示模块、通信接口、输出电路和电源电路，所述微控制器分别与所述数字隔离模块、所述LCD显示模块、所述通信接口和所述输出电路连接；所述数字隔离模块与所述输入及A/D模块连接；所述电源电路用于给所述输入及A/D模块、所述微控制器、所述LCD显示模块、所述通信接口和所述输出电路供电；所述电源电路包括：供电单元、稳压单元和电压转换单元；所述供电单元的正极与所述稳压单元的输入端连接；所述稳压单元的输出端连接所述电压转换单元的输入端；所述电压转换单元的输出分别与所述微控制器和所述LCD显示模块连接；所述供电单元的负极、所述稳压单元和所述电压转换单元共地；
所述电压转换单元包括电荷泵芯片和第四电容和第五电容；所述电荷泵芯片的输入端与所述稳压单元的输出端连接，所述电压转换单元通过所述电荷泵芯片的输出端输出；所述第四电容的两端分别连接所述电荷泵芯片的C+引脚和C－引脚；所述第五电容的一端连接电荷泵芯片的输出端，所述第五电容的另一端接地；
所述电荷泵芯片的输出端连接第一低压差稳压单元的输入端；所述第一低压差稳压单元的输出端分别连接所述微控制器、所述LCD显示模块、所述输出电路和所述通信接口；
所述电源电路进一步包括隔离电源单元，所述隔离电源单元的输入端连接所述电荷泵芯片的输出端；所述隔离电源单元的输出端连接第二低压差稳压单元的输入端；所述第二低压差稳压单元的输出端与所述输入及A/D模块连接。
2.如权利要求1所述的本安隔离型变送器，其特征在于，所述电源电路进一步包括单向导通元件，所述供电单元的正极经所述单向导通元件与所述稳压单元的输入端连接。
3.如权利要求1所述的本安隔离型变送器，其特征在于，所述电源电路进一步包括滤波单元，所述滤波单元包括第一电容、第二电容、第一电感和第二电感；所述第一电容的一端与所述供电单元的正极连接，所述第一电容的另一端与所述供电单元的负极连接；所述第二电容的一端与所述稳压单元的输入端连接，第二电容 的另一端接地；所述第一电感的一端连接所述供电单元的正极，所述第一电感的另一端与所述稳压单元的输入端连接；所述供电单元的负极经所述第二电感接地。
4.如权利要求1所述的本安隔离型变送器，其特征在于，所述稳压单元包括串联稳压电路、第三电容和稳压管，所述串联稳压电路的输入端连接所述供电单元的正极，所述串联稳压电路的输出端分别与所述电压转换单元的输入端和所述第三电容的一端连接，所述第三电容的另一端接地，所述稳压管的一端与所述串联稳压电路的输出端连接，所述稳压管的另一端接地。
5.如权利要求2所述的本安隔离型变送器，其特征在于，所述单向导通元件为二极管。
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