CN207473452U - 一种本安体积修正仪的环路电流供电电路 - Google Patents

Abstract

一种本安体积修正仪的环路电流供电电路，包括XTR116电路，所述XTR116电路分别为光耦隔离电路、电子开关切换电路和滤波电路供电；所述XTR116电路的VREF端与所述电子开关切换电路电连接；所述光耦隔离电路分别与单片机和所述电子开关切换电路电连接；所述电子开关切换电路与所述滤波电路电连接，所述滤波电路与所述XTR116电连接；所述XTR116与所述稳压管取电电路电连接；所述稳压管取电电路与所述DC‑DC隔离电路电连接所述DC‑DC隔离电路与待供电电路电连接。本申请的有益效果是：能够同时实现4‑20mA电流输出和DC5V供电功能，4‑20mA的电流输出配合流量传感器可实现两线制功能；符合本质安全防爆要求，可用于本质安全仪表的设计；成本低廉，满足用户对产品性价比的要求。

Description

一种本安体积修正仪的环路电流供电电路

技术领域

本申请属于仪表维护技术领域，具体地说，涉及一种本安体积修正仪的环路电流供电电路。

背景技术

本安型仪表即本质安全型仪表，又叫安全火花型仪表，是指仪表在正常状态下和故障状态下，电路、系统产生的火花和达到的温度都不会引燃爆炸性混合物。它能适用于一切危险场所和一切爆炸性气体、蒸气混合物，并可以在通电的情况下进行维修和调整。

工业上普遍需要测量各类非电物理量，例如温度、压力、速度、角度等；另外电物理量(简称电量)，例如电流、电压、功率、频率等，都需要转换成标准模拟量电信号才能传输到几百米外的控制室或显示设备上。这种将物理量转换成电信号的设备称为变送器。工业上最广泛采用的标准模拟量电信号是用4～20mA直流电流来传输模拟量。

采用电流信号的原因是不容易受干扰，并且电流源内阻无穷大，导线电阻串联在回路中不影响精度，在普通双绞线上可以传输数百米。上限取20mA是因为防爆的要求：20mA的电流通断引起的火花能量不足以引燃瓦斯。下限没有取0mA的原因是为了能检测断线：正常工作时不会低于4mA，当传输线因故障断路，环路电流降为0。常取2mA作为断线报警值。

4-20mA范围值的电流符合变送器供电标准，变送器在电路中相当于一个特殊的负载，特殊之处在于变送器的耗电电流在4～20mA之间根据传感器输出而变化。显示仪表只需要串在电路中即可。这种变送器只需外接2根线，因而被称为两线制变送器。工业电流环标准下限为4mA，因此只要在量程范围内，变送器至少有4mA供电。这使得两线制传感器的设计成为可能。

发明内容

有鉴于此，本申请所要解决的技术问题是提供了一种本安体积修正仪的环路电流供电电路，能够同时实现4-20mA电流输出和电流环路供电功能，若与流量传感器配合还可实现两线制流量传感器的功能。

为了解决上述技术问题，本申请公开了一种本安体积修正仪的环路电流供电电路，并采用以下技术方案来实现。

一种本安体积修正仪的环路电流供电电路，包括XTR116电路、光耦隔离电路、电子开关切换电路、滤波电路、稳压管取电电路、DC-DC隔离电路；所述XTR116电路产生电源电压5V_421，所述5V_421分别与所述光耦隔离电路、所述电子开关切换电路和所述滤波电路电连接；所述XTR116电路的VREG端与所述电子开关切换电路电连接；所述光耦隔离电路分别与单片机和所述电子开关切换电路电连接；所述电子开关切换电路与所述滤波电路电连接，所述滤波电路与所述XTR116电连接；所述XTR116与所述稳压管取电电路电连接；所述稳压管取电电路与所述DC-DC隔离电路电连接；所述DC-DC隔离电路与待供电电路电连接。

进一步的，所述光耦隔离电路包括光耦O1；所述光耦O1的输入端正极与所述单片机电连接，负极与GND电连接；所述光耦O1的输出端一个管脚与所述5V_421电连接，另一个管脚串联电阻R2后与所述电子开关切换电路电连接；所述光耦O1串联所述电阻R2之前连接下拉电阻R3。

进一步的，所述电子开关切换电路包括电子开关U2；所述电子开关U2的电源端和GND端分别与所述5V_421和GND连接，EN端与所述GND电连接；所述光耦O1与所述电子开关U2的选择输入端电连接；所述电子开关U2的独立开关输入端与所述VREG端电连接；所述独立开关输出端与所述滤波电路电连接。

进一步的，所述滤波电路包括两级RC滤波电路和两级运算放大器；所述两级运算放大器分别为放大器U3A和放大器U3B，所述放大器U3A和所述放大器U3B分别位于所述两级RC滤波电路的前端和后端。

进一步的，所述电子开关切换电路的输出端串联电阻R5后与所述放大器U3A的+输入端电连接；所述放大器U3A的-输入端和输出端电连接；所述放大器U3A的输出端与所述两级RC滤波电路的输入端电连接，所述两级RC滤波电路的输出端与所述放大器U3B的+输入端电连接；所述放大器U3B的-输入端和输出端电连接；所述放大器U3A和所述放大器U3B的电源端均与5V_421电连接；所述放大器U3A和所述放大器U3B的GND端均与GND电连接。

进一步的，所述XTR116的VREG端与GND之间连接滤波电容；所述XTR116的VREF端与所述GND之间并连电阻R4和电容C4；所述XTR116的电源端接入供电电源，GND端与所述GND相连；所述XTR116的Base极和Emitter极分别与三极管Q1的基极和发射极电连接；所述三极管Q1的发射极与所述XTR116的电源端电连接；所述三极管Q1的发射极连接取电稳压管后作为电流环路的一端输出；所述XTR116的Io作为所述电流环路的另一端输出。

进一步的，所述DC-DC隔离电路包括DC-DC隔离芯片；所述取电稳压管的两端分别与所述DC-DC隔离芯片的两个输入端电连接，且所述两个输入端之间连接有电容；所述DC-DC隔离芯片的两个输出端之间并联有电容和稳压管组；所述稳压管组的两端与所述带供电电路电连接。

进一步的，所述稳压管组为并联的三个稳压二极管；所述取电稳压管为并联的三个稳压二极管。

与现有技术相比，本申请可以获得包括以下技术效果：能够同时实现4-20mA电流输出和DC5V供电功能，能够给仪表、主控板等供电；4-20mA的电流输出配合流量传感器可实现两线制流量传感器的功能；且本电路符合本质安全防爆要求，可用于本质安全仪表的设计；成本低廉，满足用户对产品性价比的要求。

当然，实施本申请的任一产品必不一定需要同时达到以上所述的所有技术效果。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1是本申请环路电流供电电路框图。

图2是本申请环路电流供电电路原理图。

具体实施方式

以下将配合附图及实施例来详细说明本申请的实施方式，藉此对本申请如何应用技术手段来解决技术问题并达成技术功效的实现过程能充分理解并据以实施。

本申请的电流输出采用的F-V-I转换的一个过程，即频率转电压，电压转电流的过程。主芯片XTR116是一种电压、电流转换芯片。XTR116可提供一个5V电源和一个4.096V的基准电压。4.096V的电压非常精确，但电流输出能力比较弱。本申请通过XTR116提供的4.096V基准电压以及电子开关U2进行切换，将单片机发出的PWM方波(通常为5V的PWM方波)转换为4.096V的方波，然后通过RC滤波将频率转换成电压，保证频率转换成电压的精确度。再由XTR116芯片精确的将电压值转换为电流值。从而实现了F-V-I的精确转换，实现了高精度4-20mA电流输出。

如图1所示，一种本安体积修正仪的环路电流供电电路，包括单片机、光耦隔离电路、电子开关切换电路、滤波电路、XTR116电路、稳压管取电电路、DC-DC隔离电路，它们依次连接组成环路。其中XTR116电路输入DC24V电源以供XTR116的正常工作，XTR116产生的DC5V电源，即图中的5V_421，为光耦隔离电路、电子开关切换电路、滤波电路供电。本实施例单片机选用DC5V供电的型号，单片机由XTR116提供的5V电压来供电。

如图2所示，单片机输出PWM信号，并与光耦隔离电路连接。光耦隔离电路包括光耦O1，光耦O1选用TLP281型号。光耦O1的输入端正极与单片机电连接，负极与GND电连接；输出端一个管脚接电源5V_421，另一个管脚(即O1的输出信号端)串联电阻R2后与电子开关切换电路电连接。光耦O1输出信号连接一个下拉电阻R3。

电子开关切换电路包括电子开关U2，电子开关U2选用74HC4053D。光耦O1与电子开关U2的一个选择输入端电连接，选择输入端与后面用到的独立开关相对应。电子开关U2的电源端和GND端分别与5V_421和GND连接，第6pin EN端接GND，以确保电子开关U2的正常工作。本实施例选用X独立开关，X1端接入4V基准电压，实际为转换芯片XTR116提供的4.096V基准电压，4V基准电压由XTR116电路提供。输出端X端串联电阻R5后与放大器U3A的+输入端电连接。放大器U3A的-输入端与输出端电连接，电源端和GND端分别与5V_421和GND电连接。放大器U3A的输出端经两级RC滤波后与放大器U3B的+输入端电连接，U3B的-输入端与输出端电连接，电源端和GND端分别与5V_421和GND电连接。U3A与U3B组成跟随器。两级滤波电路具体为依次串联电阻R6、电阻R7和电阻R8，每相邻两个电阻之间的节点均连接电容后接GND。U3A和U3B选用TLV2252AID。4.096V的PWM波，经过运算放大器U3组成的跟随器隔离和RC滤波后，获得直流电压输入到电流输出芯片U4中

放大器U3B的输出端串联电阻R9后与芯片U4的VIN输入端电连接。芯片U4选用XTR116。XTR116的VCC端连接DC24V电源，GND端连接GND，以保证XTR116的正常工作。XTR116的第8pin VREF端输出5V电压，即5V_421。5V_421与GND之间连接一个RC电路，用以稳定电压。5V_421为光耦隔离电路、电子开关切换电路、滤波电路供电。XTR116的第1pin VREG端输出4.096V的基准电压，4.096V基准电压与电子开关U2的X1端电连接，且4.096V基准电压与GND之间连接一个电容进行滤波。电子开关U2的输出方波经追踪器和RC滤波后，获得直流电压输入到电流输出芯片U4的VIN端，芯片U4将直流电压转换为4-20mA电流，经Io端口输出，作为电流环路的一端。

芯片U4的第5、6pin分别与三极管Q1连接，第6pin(也就是Base极)与三极管Q1的基极电连接，第5pin(也就是Emitter极)与三极管Q1的发射极电连接。三极管Q1的集电极与U4的电源端电连接。三极管Q1的集电极并联三个稳压管后作为电流环路的另一端进行输出。三个稳压管分别为D4、D5、D6，三极管Q1的集电极连接三个稳压管的正极，三个稳压管的负极连接在一起后作为电流环路的另一端进行输出。电流环路的两端作为电流输出端口，实现两线制功能，以对模拟量进行传输。在电流环路中接入稳压二极管，可实现稳压管取电，获得5V电压。

三极管Q1的集电极与DC-DC隔离芯片的GND1端电连接，DC-DC隔离芯片的V1端与稳压二极管D4、D5、D6的负极电连接，且GND1端和V1端之间并联两个电容C1和C2。DC-DC隔离芯片的型号为WDY05S05-W02。DC-DC隔离芯片的V2端和GND2端之间并联一个电容C3和三个稳压二极管D1、D2、D3，且GND2端与GND电连接。DC-DC隔离芯片的V2端和GND2端作为电源的正负两极为主控板等其他电路板供电，包括给前述的单片机进行供电。稳压二极管D1、D2、D3可以对输出的5V电压起到稳定的作用，保障供电电压的稳定性。

六个稳压二极管均为5V稳压。

稳压管取电+DC-DC隔离的方案，通过稳压管(D4、D5和D6)取电获得5V电压，然后通过DC-DC电源隔离模块，获得隔离后的5V电压，用来给仪表配电。本质安全防爆的仪表要求在正常状态下和故障状态下，电路、系统产生的火花和达到的温度都不会引燃爆炸性混合物。对于具体电路设计，主要要求电路中的储能元件不能超过国家本质安全防爆标准的要求。在本申请的电路中，储能元件对应的就是电源的滤波电容。国家本质安全防爆标准要求，在每个电压等级下都有最大电容值的要求，为了保证仪表的正常工作，并实现本质安全防爆，可以通过三个以上(包括三个)稳压管做电压的限制，稳压管以后的电路容值可按照稳压管的反向击穿电压计算。所以本申请在DC-DC电源隔离电路输出端采用了3个稳压二极管来限制电压，既可以保证电路本质安全特性，同时又保证电源电压的输出稳定性。

本申请的有益效果是：能够同时实现4-20mA电流输出和DC5V供电功能，能够给仪表、主控板等供电；4-20mA的电流输出配合流量传感器可实现两线制流量传感器的功能；且本电路符合本质安全防爆要求，可用于本质安全仪表的设计；成本低廉，满足用户对产品性价比的要求。

以上对本申请实施例所提供的一种本安体积修正仪的环路电流供电电路，进行了详细介绍。以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

如在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。“大致”是指在可接收的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。说明书后续描述为实施本申请的较佳实施方式，然所述描述乃以说明本申请的一般原则为目的，并非用以限定本申请的范围。本申请的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者系统中还存在另外的相同要素。

上述说明示出并描述了本申请的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本申请并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述申请构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本申请的精神和范围，则都应在本申请所附权利要求的保护范围内。

Claims (8)

1.一种本安体积修正仪的环路电流供电电路，其特征在于：包括XTR116电路、光耦隔离电路、电子开关切换电路、滤波电路、稳压管取电电路、DC-DC隔离电路；所述XTR116电路产生电源电压5V_421，所述5V_421分别与所述光耦隔离电路、所述电子开关切换电路和所述滤波电路电连接；所述XTR116电路的VREG端与所述电子开关切换电路电连接；所述光耦隔离电路分别与单片机和所述电子开关切换电路电连接；所述电子开关切换电路与所述滤波电路电连接，所述滤波电路与所述XTR116电连接；所述XTR116与所述稳压管取电电路电连接；所述稳压管取电电路与所述DC-DC隔离电路电连接；所述DC-DC隔离电路与待供电电路电连接。

2.根据权利要求1所述本安体积修正仪的环路电流供电电路，其特征在于：所述光耦隔离电路包括光耦O1；所述光耦O1的输入端正极与所述单片机电连接，负极与GND电连接；所述光耦O1的输出端一个管脚与所述5V_421电连接，另一个管脚串联电阻R2后与所述电子开关切换电路电连接；所述光耦O1串联所述电阻R2之前连接下拉电阻R3。

3.根据权利要求1所述本安体积修正仪的环路电流供电电路，其特征在于：所述电子开关切换电路包括电子开关U2；所述电子开关U2的电源端和GND端分别与所述5V_421和GND连接，EN端与所述GND电连接；所述光耦O1与所述电子开关U2的选择输入端电连接；所述电子开关U2的独立开关输入端与所述VREG端电连接；所述独立开关输出端与所述滤波电路电连接。

4.根据权利要求1所述本安体积修正仪的环路电流供电电路，其特征在于：所述滤波电路包括两级RC滤波电路和两级运算放大器；所述两级运算放大器分别为放大器U3A和放大器U3B，所述放大器U3A和所述放大器U3B分别位于所述两级RC滤波电路的前端和后端。

5.根据权利要求4所述本安体积修正仪的环路电流供电电路，其特征在于：所述电子开关切换电路的输出端串联电阻R5后与所述放大器U3A的+输入端电连接；所述放大器U3A的-输入端和输出端电连接；所述放大器U3A的输出端与所述两级RC滤波电路的输入端电连接，所述两级RC滤波电路的输出端与所述放大器U3B的+输入端电连接；所述放大器U3B的-输入端和输出端电连接；所述放大器U3A和所述放大器U3B的电源端均与5V_421电连接；所述放大器U3A和所述放大器U3B的GND端均与GND电连接。

6.根据权利要求1-5任一所述本安体积修正仪的环路电流供电电路，其特征在于：所述XTR116的VREG端与GND之间连接滤波电容；所述XTR116的VREF端与所述GND之间并连电阻R4和电容C4；所述XTR116的电源端接入供电电源，GND端与所述GND相连；所述XTR116的Base极和Emitter极分别与三极管Q1的基极和发射极电连接；所述三极管Q1的发射极与所述XTR116的电源端电连接；所述三极管Q1的发射极连接取电稳压管后作为电流环路的一端输出；所述XTR116的Io作为所述电流环路的另一端输出。

7.根据权利要求6所述本安体积修正仪的环路电流供电电路，其特征在于：所述DC-DC隔离电路包括DC-DC隔离芯片；所述取电稳压管的两端分别与所述DC-DC隔离芯片的两个输入端电连接，且所述两个输入端之间连接有电容；所述DC-DC隔离芯片的两个输出端之间并联有电容和稳压管组；所述稳压管组的两端与所述待供电电路电连接。

8.根据权利要求7所述本安体积修正仪的环路电流供电电路，其特征在于：所述稳压管组为并联的三个稳压二极管；所述取电稳压管为并联的三个稳压二极管。