DE3934007A1 - TWO WIRE REMOTE EQUIPMENT - Google Patents
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft generell eine Fernmeßanordnung, in der ein Gleichstromsignal, das durch eine auf eine interessierende Variable ansprechende Sendestation über eine Zweidrahtleitung zu einer Empfangsstation mit einer Gleichspannungs-Versorgungsquelle übertragen wird, deren Ausgangssignal zur Erzeugung einer Betriebsversorgung für die Sendestation über die gleiche Leitung zu dieser übertragen wird, und speziell eine Anordnung dieser Art, welche eine relativ große Versorgung für die Sendestation zu liefern vermag.The present invention relates generally to a telemetry device, in a DC signal passing through one a variable of interest responding transmitting station via a two-wire line to a receiving station with a DC supply source is transmitted, whose Output signal for generating an operating supply for transmit the transmitting station over the same line to this is, and especially an arrangement of this kind, which a relatively large supply for the transmitting station too can deliver.
Eine Zweidraht-Fernmeßanordnung eignet sich speziell in einer Regelschleife für industrielle Prozesse, in der ein in einer Sendestation durch ein Thermoelement oder einen anderen Sensor für die zu messende Prozeßvariable erfaßter Wert in ein Gleichstromsignal überführt wird, das über eine Zweidrahtleitung in eine entfernte Empfangsstation zur Ansteuerung von Indikatoren, Aufzeichnungsgeräten, Reglern oder anderen Instrumenten in der Prozeßregelschleife übertragen wird. Anordnungen dieser Art sind in den US-PS 40 84 155, 41 58 765 und 46 92 328 beschrieben.A two-wire telemetry arrangement is particularly suitable in a control loop for industrial processes in which a in a transmitting station by a thermocouple or a another sensor detected for the process variable to be measured Value is converted into a direct current signal, which has a Two-wire line to a remote receiving station to Control of indicators, recording devices, controllers or other instruments in the process control loop is transmitted. Arrangements of this kind are in the US-PS 40 84 155, 41 58 765 and 46 92 328 described.
Ein wesentlicher Vorteil einer Zweidraht-Fernmeßanordnung ist darin zu sehen, daß die gleiche Leitung nicht nur zur Übertragung des Stromsignals von der Sendestation zur Empfangsstation, sondern auch zur Übertragung der Betriebsversorgung von der Empfangsstation zur Sendestation dient, wodurch die Notwendigkeit für gesonderte Leitungen in Fernregelanordnungen entfällt. Ein Stromausgangssignal hält dabei auch die Anfälligkeit der Anordnung auf Rauschspannungsspitzen minimal und eliminiert Leitungsausfallprobleme.A significant advantage of a two-wire Fernmeßanordnung is to be seen in the fact that the same line not only for Transmission of the current signal from the transmitting station to Receiving station, but also for the transmission of the operating supply from the receiving station to the transmitting station, eliminating the need for separate wires in Remote control arrangements deleted. A current output stops as well as the susceptibility of the device to noise surges minimizes and eliminates line failure problems.
Für eine Prozeßregel-Fernmeßanordnung gibt die nationale US-Norm ANSI-MC 12.1 - 1975 und ISA-S 50.1, "Compatibility of Analog Signals für Electronic Industrial process Instruments" an, daß das Norm-Ausgangssignal (einer Sendestation) ein Gleichstrom im Bereich von 4 mA bis 20 mA (Abschnitt 3.2 der Norm) und das Norm-Spannungssignal (des Empfängers) eine Gleichspannung von 1 bis 5 V (Abschnitt 3.3.2 der Norm) sein soll. Diese Normen werden generell von der Industrie für eine industrielle Prozeßregelung angenommen und praktiziert.For a process control telemeter, the national US Standard ANSI-MC 12.1 - 1975 and ISA-S 50.1, "Compatibility of Analog Signals for Electronic Industrial Process Instruments " that the standard output signal (a transmitting station) a DC current in the range of 4 mA to 20 mA (section 3.2 the standard) and the standard voltage signal (of the receiver) one DC voltage from 1 to 5 V (section 3.3.2 of the standard) should. These standards are generally used by the industry for adopted and practiced industrial process regulation.
Es hat sich auch gezeigt, daß bekannte Fernmeßanordnungen dieser Art in bestimmten Fällen keine angemessene Betriebsversorgung für Sendestationen liefern. Ist beispielsweise die Sendestation ein differentieller Druckwandler (D-P-Wandler), der mit einer eine Quadratwurzel ziehenden Anordnung zusammenarbeitet, so werden die Versorgungsgrößenanforderungen dieser Komponenten bei kleinen Eingangspegeln nicht erfüllt, wenn die Anordnung im gewöhnichen Gleichstrombereich von 4 bis 20 mA arbeitet. Soll ein Mikroprozessor in einer Sendestation vorhanden sein, so kann dies aus Versorgungsgründen nicht realisierbar sein. Es ist bekannt, in einer Zweidraht-Fernmeßanordnung eine lineare Regelung der Versorgungsspannung für die Sendestation durchzuführen. Derartige lineare Regler begrenzen den Leistungsverbrauch der Sender-Steuerschaltung und reduzieren deren Treibermöglichkeiten. Ein Zweidrahtsender ist typischerweise für eine minimale Spannungsversorgung mit festgelegten Bedingungen ausgelegt, wobei ein linearer Zusammenhang zwischen der Betriebsspannung und der Ansteuermöglichkeit einer Widerstandslast realisiert ist. Beispielsweise kann ein Betrieb bei 12,5 V und 0 Ohm oder auch ein Betrieb bei 24 V und 500 Ohm festgelegt werden. Die interne Sendersteuerelektronik ist notwendigerweise auf einen Stromverbrauch von weniger als 3,8 mA in einem Betriebsbereich der Anordnung von 4 bis 20 mA begrenzt. Je kleiner daher die minimale Betriebsspannung ist, um so kleiner muß der Lastwiderstand sein. It has also been found that known Fernmeßanordnungen this In some cases, no adequate supply of for transmitting stations. Is for example the Transmitting station a differential pressure transducer (D-P converter), the one with a square root pulling arrangement working together, so are the supply size requirements these components at low input levels not fulfilled, if the arrangement in the usual Gleichstrombereich from 4 to 20 mA works. Should a microprocessor in a transmitting station may be present, this can be for reasons of supply not be feasible. It is known in a two-wire Fernmeßanordnung a linear control of Supply voltage for the transmitting station to perform. Such linear regulators limit power consumption the transmitter control circuit and reduce their driver capabilities. A two-wire transmitter is typically for one minimal power supply with specified conditions designed, with a linear relationship between the Operating voltage and the control possibility of a resistance load is realized. For example, an operation at 12.5 V and 0 ohms or even at 24 V and 500 Ohm be set. The internal transmitter control electronics is necessarily due to a power consumption of less as 3.8 mA in an operating range of the arrangement of 4 to 20 mA limited. The smaller therefore the minimum operating voltage is, the smaller the load resistance must be.
Aufgrund derartiger Leistungsbegrenzungen kann es in vielen Fällen notwendig sein, die Fernmeßanordnung nicht als Zweidrahtanordnung, sondern als Vierdrahtanordnung auszubilden. Derartige zusätzliche Leitungen dienen zur Zuführung der entsprechenden Betriebsversorgung zur Sendestation, wodurch die wesentlichen Vorteile einer Zweidrahtanordnung verlorengehen.Because of such power limitations, it can be in many Be necessary, the Fernmeßanordnung not as Two-wire arrangement, but form a four-wire arrangement. Such additional lines are used for feeding the corresponding operating supply to the transmitting station, whereby the main advantages of a two-wire arrangement get lost.
Für jede Zweidrahtschleife ist der Leistungsverbrauch der Sendersteuerelektronik durch die externe Versorgungsspannung (die Quelle der gesamten in der Schleife verbrauchten Leistung) und den minimalen Betriebsstrom in der Schleife (4 mA) begrenzt. Beispielsweise ist der Leistungsverbrauch der Steuerelektronik aller Standard-Zweidrahtsender auf 4 mA · Versorgungsspannung V beschränkt.For each two-wire loop, the power consumption of the transmitter control electronics is limited by the external supply voltage (the source of total power consumed in the loop) and the minimum operating current in the loop (4 mA). For example, the power consumption of the control electronics of all standard two-wire transmitters is limited to 4 mA · supply voltage V.
Erfordert die Steuerelektronik im Sender eine der Versorgungsspannung gleiche Spannung, so können 4 mA als Maximalstrom verbraucht werden. In einer Situation, in der die Steuerelektronik jedoch eine kleinere Spannung als die Versorgungsspannung benötigt, kann ein höherer Stromverbrauch erreicht werden.Requires the control electronics in the transmitter one of the supply voltage same voltage, so can use 4 mA as the maximum current consumed. In a situation where the control electronics but a smaller voltage than the supply voltage needed, can be a higher power consumption be achieved.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung der in Rede stehenden Art anzugeben, bei welcher der Sendersteuerelektronik mehr Leistung zugeführt wird, wenn diese Steuerelektronik durch eine Schaltung realisiert wird, welche in bezug auf die verfügbare Spannung eine relativ kleine Spannung benötigt, wobei der Leistungsverbrauch insbesondere nicht auf einen kleinen Wert von 4 mA · Spannung V beschränkt ist.The present invention has for its object to provide an arrangement of the type in question, in which the transmitter control electronics more power is supplied when this control electronics is realized by a circuit which requires a relatively small voltage with respect to the available voltage, said Power consumption in particular is not limited to a small value of 4 mA · voltage V.
Diese Aufgabe wird bei einer Zweidraht-Fernmeldeeinrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. This object is achieved with a two-wire telecommunication device of the aforementioned type according to the invention by the Characteristics of claim 1 solved.
Die Erfindung sieht also eine Zweidraht-Fernmeßanordnung vor, in der die gleiche Leistung ein Gleichstromsignal von einer Sendestation zu einer Empfangsstation führt, wobei der Sendestation eine Betriebsversorgung mit im wesentlichen konstantem Wert zugeführt wird, der selbst bei kleinen Signalpegeln ausreicht, um relativ komplexe Sendestationen, wie etwa magnetische Flußmesser, auf Felder ansprechende Multiplexer oder Sender auf Mikroprozessor-Basis zu versorgen.The invention thus provides a two-wire Fernmeßanordnung before, in which the same power is a DC signal from a transmitting station leads to a receiving station, wherein the Broadcasting an operating supply with essentially constant value is supplied, even at small Sufficient signal levels to relatively complex transmitting stations, like magnetic flux meters, responsive to fields Multiplexer or transmitter to supply microprocessor-based.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung wird bei einer Zweidraht-Fermeßanordnung der vorgenannten Art die der Sendestaton zugeführte Versorgungsgröße durch einen Schaltregler geregelt, der zwei Versorgungseingangsanschlüssen sowohl in einem Zustand mit hoher Spannung und kleinem Strom als auch in einem Zustand mit kleiner Spannung und hohem Strom eine im wesentlichen konstante Versorgungsgröße zuführt.According to one embodiment of the invention is in a Two-wire Fermeßanordnung the aforementioned type of the Sendestaton supply supplied by a Switching regulator regulated, the two supply input terminals both in a state of high voltage and small Electricity as well as in a state of low voltage and high current a substantially constant supply size supplies.
Die erfindungsgemäße Zweidraht-Fernmeßanordnung ist dabei relativ einfach und billig aufgebaut und arbeitet dennoch effizient und zuverlässig.The two-wire Fernmeßanordnung invention is here Relatively simple and cheap and still works efficient and reliable.
In der erfindungsgemäßen Zweidraht-Fernmeßanordnung liefert also eine mit Gleichspannung versorgte Sendestation, welche auf eine Prozeßvariable oder eine andere Variable anspricht, ein Gleichstromsignal als Funktion dieser Variablen, das über eine Zweidrahtleitung zu einer Empfangsstation übertragen wird, in der eine Gleichspannungsquelle über einen Lastwiderstand an die Leitung angeschlossen ist. An diesem Widerstand wird ein Ausgangssignal in einem vorgegebenen Strombereich zur Ansteuerung eines Indikators oder eines anderen Instrumentes erzeugt. Die gleiche Leitung liefert die Betriebsgröße für die Versorgungseingangsanschlüsse der Sendestation über einen Abwärts-Schaltregler, welcher sowohl im Zustand hoher Spannung und kleinem Strom als auch im Zustand kleiner Spannung und hohem Strom eine konstante Betriebsgröße liefert, wodurch mehr Leistung für die Sendestation zur Verfügung steht und ihre Lastansteuerfähigkeit erhöht wird.In the two-wire Fernmeßanordnung invention provides So a supplied with DC transmitting station, which to a process variable or other variable, a DC signal as a function of this variable, the transmitted via a two-wire line to a receiving station is in which a DC voltage source via a Load resistor is connected to the line. At this Resistor will be an output in a given Current range for controlling an indicator or a generated by another instrument. The same line delivers the operating quantity for the supply input terminals of the Transmitter via a down-switching regulator, which both in the state of high voltage and low current as well as in the State of low voltage and high current a constant Provides operational size, thereby providing more power for the Transmitter is available and their load control capability is increased.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.Further embodiments of the invention are the subject of Dependent claims.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von in den Figuren der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigtThe invention is described below with reference to FIGS the drawing illustrated embodiments closer explained. It shows
Fig. 1 ein Schaltbild einer erfindungsgemäßen Zweidraht- Fernmeßanordnung, Fig. 1 is a circuit diagram of a two-wire Fernmeßanordnung according to the invention,
Fig. 2 ein Schaltbild der grundlegenden Elemente eines in der Anordnung enthaltenen Abwärts-Schaltreglers und Fig. 2 is a circuit diagram of the basic elements of a down-switching regulator included in the arrangement and
Fig. 3 ein vereinfachtes Schaltbild für den generellen Fall der zur Verfügung stehenden Leistung, wenn in der Anordnung eines lineare Schaltregelung durchgeführt wird. Fig. 3 is a simplified circuit diagram for the general case of the available power when in the arrangement of a linear switching control is performed.
Fig. 1 zeigt die grundlegenden Elemente einer Zweidraht- Fernmeßanordnung gemäß der Erfindung, welche eine durch eine Prozeßvariable oder eine andere Variable angesteuerte, mit Gleichspannung versorgte Sendestation enthält, wobei die Variable durch einen Sensor 10 gemessen wird. Die Sendestation ist durch eine Zweidrahtleitung W₁ und W₂ mit einer entfernten Empfangsstation verbunden, in der eine durch eine Batterie 11 gebildete Versorgungsgleichspannungsquelle mit einem Lastwiderstand 12 in Reihe geschaltet ist, über den ein Ausgangssignal im Standard-Strombereich (beispielsweise 4 bis 20 mA Gleichstrom) fließt. Die am Lastwiderstand 12 abfallende Spannung wird in einen Empfänger 13 eingespeist, bei dem es sich um einen Indikator für die Prozeßvariable, ein Aufzeichnungsgerät, einen Regler oder ein anderes Gerät für eine Prozeßregelung handeln kann. Die Zweidrahtleitung W₁ und W₂ ist an Anschlüssen T₄ und T₅ mit der Sendestation verbunden. Fig. 1 shows the basic elements of a two-wire remote measuring device according to the invention, which includes a DC-powered transmitting station driven by a process variable or other variable, the variable being measured by a sensor 10 . The transmitting station is connected by a two-wire line W ₁ and W ₂ to a remote receiving station in which a DC supply voltage source formed by a battery 11 is connected in series with a load resistor 12 through which an output in the standard current range (for example, 4 to 20 mA DC ) flows. The voltage dropping across the load resistor 12 is fed to a receiver 13 , which may be an indicator of the process variable, a recorder, a controller, or other process control device. The two-wire line W ₁ and W ₂ is connected to terminals T ₄ and T ₅ with the transmitting station.
Der Sensor 10 kann ein Thermoelement, ein differentieller Druckwandler oder eine andere Einrichtung zur Messung der Prozeßvariablen sein. Diese Variable kann die Strömungsgeschwindigkeit, die Temperatur oder der Druck sein, woraus ein proportionales Analogsignal erzeugt wird. Im dargestellten Ausführungsbeispiel wird dieses Analogsignal in eine durch einen Mikroprozessor gesteuerte Schaltung 14 eingespeist.The sensor 10 may be a thermocouple, a differential pressure transducer, or other means of measuring process variables. This variable can be the flow rate, the temperature or the pressure, from which a proportional analogue signal is generated. In the illustrated embodiment, this analog signal is fed to a microprocessor controlled circuit 14 .
Das durch die durch einen Mikroprozessor gesteuerte Schaltung 14 gelieferte Ausgangssignal an dem Anschluß T₁ wird in einen Eingang eines Differenzverstärkers 15 eingespeist, in dessen anderen Eingang eine an einem Rückkopplungswiderstand R FB abfallende Rückkoppelspannung eingespeist wird. Das Ausgangssignal des Verstärkers 15 moduliert einen Ausgangstransistor 16, der zwischen den Leitungen W₁ und W₂ in Serie zum Widerstand R FB liegt.The supplied through the controlled by a microprocessor circuit 14 output signal at the terminal T ₁ is fed to an input of a differential amplifier 15 , in whose other input a dropping at a feedback resistor R FB feedback voltage is fed. The output signal of the amplifier 15 modulates an output transistor 16 which is connected between the lines W ₁ and W ₂ in series with the resistor R FB .
Die durch einen Mikroprozessor gesteuerte Schaltung 14 besitzt Versorgungseingangsanschlüsse T₂ und T₃, wobei der Anschluß T₃ über den Widerstand R FB an einem Anschluß T₅ mit der Leitung W₂ verbunden ist. Der Anschluß T₂ ist über einen Schaltregler 17 an einem Anschluß T₄ mit der Leitung W₁ verbunden. Der Regler 17 dient zur Einführung einer relativ großen Versorgungsgröße zu der durch einen Mikroprozessor gesteuerten Schaltung 14 mit konstantem Pegel, welcher sowohl bei hoher Spannung und kleinem Strom als auch bei kleiner Spannung und hohem Strom im wesentlichen unverändert bleibt. The controlled by a microprocessor circuit 14 has supply input terminals T ₂ and T ₃, wherein the terminal T ₃ is connected via the resistor R FB at a terminal T ₅ to the line W ₂. The terminal T ₂ is connected via a switching regulator 17 at a terminal T ₄ with the line W ₁. The controller 17 is used to introduce a relatively large supply to the microprocessor-controlled circuit 14 with a constant level, which remains substantially unchanged at both high voltage and low current and at low voltage and high current.
Die Spannung zwischen den Anschlüssen T₂ und T₃ ist gleich V 2-3, während die Spannung zwischen den Anschlüssen T₄ und T₅ gleich V 4-5 ist. Der in den Regler 17 fließende Strom ist mit I ps bezeichnet, während der vom Regler 17 in die durch einen Mikroprozessor gesteuerte Schaltung 14 fließende Strom mit I dc bezeichnet ist. Die Spannung V 2-3 ist durch Versorgungsgrößenspezifikationen der in der durch einen Mikroprozessor gesteuerten Schaltung 14 verwendeten Komponenten festgelegt. Typischerweise handelt es sich bei der Spannung V 2-3 um eine Gleichspannung von 5 V.The voltage between the terminals T ₂ and T ₃ is equal to V 2-3 , while the voltage between the terminals T ₄ and T ₅ is equal to V 4-5 . The current flowing in the regulator 17 is denoted by I ps , while the current flowing from the regulator 17 to the microprocessor controlled circuit 14 is indicated by I dc . The voltage V 2-3 is determined by supply size specifications of the components used in the microprocessor controlled circuit 14 . Typically, the voltage V 2-3 is a DC voltage of 5 V.
Erfindungsgemäß soll ein Strom I dc erzeugt werden, welcher größer als der Strom I ps bei der geregelten Gleichspannung von 5 V ist, um den Strombedarf der durch einen Mikroprozessor gesteuerten Schaltung 14 zu befriedigen. Dies wird durch den Schaltregler 17 realisiert, wenn die Spannung V 2-3 kleiner als die Spannung V 4-5 ist, wie dies im folgenden noch erläutert wird.According to the invention, a current I dc is to be generated which is greater than the current I ps at the regulated DC voltage of 5 V in order to satisfy the power requirement of the microprocessor-controlled circuit 14 . This is realized by the switching regulator 17 when the voltage V 2-3 is smaller than the voltage V 4-5 , as will be explained below.
Für diesen Zweck geeignete Schaltregler sind in den folgenden Druckschriften erläutert:Switching regulators suitable for this purpose are in the following References:
- A. 1987 "Switchmode (A Designers Guide for Switching Power Supply Circuits and Components)" der Firma Motorola Corporation.A. 1987 "Switchmode (A Designers Guide for Switching Power Supply Circuits and Components) of Motorola Corporation.
- B. "Applications Handbook (1987-1988)" der Firma Unirode Corporation.B. "Applications Handbook (1987-1988)" of the company Unirode Corporation.
- C. "Linear and Interface Circuit Applications 1985" (Section C-Switching Power Design) der Firma Texas Instruments.C. "Linear and Interface Circuit Applications 1985" (Section C-Switching Power Design) of the company Texas Instrument.
Der Regler 17 enthält einen Schalttransistor 18, der mit einer vorgegebenen Frequenz durchgeschaltet und gesperrt wird. Während des Intervalls der Durchschaltung des Schalters 18 wird die Eingangsspannung in den Eingang eines durch eine Induktivität 19 und eine Kapazität 20 gebildeten LC-Filters eingespeist, wodurch der Strom zunimmt. Ist der Schalter gesperrt, so hält die in der Induktivität 19 gespeicherte Energie den Stromfluß zur Last über eine "Fang"-Diode 21 aufrecht.The regulator 17 includes a switching transistor 18 which is turned on and off at a predetermined frequency. During the interval of turn-on of the switch 18 , the input voltage is fed to the input of an LC filter formed by an inductor 19 and a capacitor 20 , whereby the current increases. When the switch is disabled, the energy stored in the inductor 19 maintains the flow of current to the load through a "snubber" diode 21 .
Der Regler wird durch eine generell durch einen Block 22 dargestellte Steuerschaltung überwacht und gesteuert. Diese Steuerschaltung enthält einen einen Impulsbreitenmodulator speisenden Oszillator, einen Fehlerverstärker und eine Präzisionsspannungsreferenz. Der Fehlerverstärker vergleicht die Eigenreferenzspannung mit einem Abtastwert der Spannung vom Filter. Bei zunehmender Last sinkt die Ausgangsspannung. Der Fehlerverstärker tastet diesen Abfall ab und hält den Pulsbreitenmodulator für eine längere Zeitperiode wirksam, wodurch breitere Steuerimpulse zum Schalttransistor 18 geliefert werden.The controller is monitored and controlled by a control circuit generally represented by a block 22 . This control circuit includes an oscillator feeding a pulse width modulator, an error amplifier and a precision voltage reference. The error amplifier compares the self-reference voltage with a sample of the voltage from the filter. As the load increases, the output voltage decreases. The error amplifier samples this drop and maintains the pulse width modulator for a longer period of time, thereby providing wider control pulses to the switching transistor 18 .
Die Breite des Impulses legt fest, wie lange der Transistorschalter einen Stromfluß ermöglicht, d. h. wieviel Strom zum Ausgang geliefert wird. Nimmt die Last ab, so werden dem Schalttransistor schmalere Steuerimpulse zugeführt, bis die Ausgangsspannung auf einem konstanten Wert bleibt.The width of the pulse determines how long the transistor switch allows a flow of current, d. H. how much electricity to Output is delivered. If the load decreases, then the Switching transistor fed narrower control pulses until the Output voltage remains at a constant value.
Schaltregler stehen in drei grundsätzlichen Ausführungsformen zur Verfügung:Switching regulators are available in three basic embodiments to disposal:
- (1) Abwärts- bzw. "Gegenwirkungs"-Regler,(1) down or "counteract" controller,
- (2) Aufwärts- bzw. "Anhebungs"-Regler,(2) up or "up" controls,
- (3) invertierender Regler.(3) inverting controller.
Erfindungsgemäß wird ein Abwärtsregler verwendet, dessen Funktion im folgenden anhand von Fig. 2 beschrieben wird. Der Transistorschalter 18 liegt in Serie mit der Induktivität 19 zwischen einer Eingangsgleichspannung V₁ und einer Ausgangsgleichspannung V₀, wobei die Diode 21 auf der Eingangsseite der Induktivität und die Kapazität 20 auf deren Ausgangsseite liegt.According to the invention, a buck regulator is used, the function of which will be described below with reference to FIG . The transistor switch 18 is connected in series with the inductance 19 between a DC input voltage V ₁ and a DC output voltage V ₀, wherein the diode 21 is located on the input side of the inductance and the capacitance 20 on the output side thereof.
Der Transistorschalter 18 in der Gegenwirkungsschaltung zerhackt die Eingangsgleichspannung, um einen Impuls mit variabler Breite in das einfache, durch die Induktivität 19 und die Kapazität 20 gebildete mittelnde Filter einzuspeisen. Ist der Schalter 18 geschlossen, so liegt die Eingangsspannung an diesem Filter, und es fließt Strom über die Induktivität 21 zur Last. Ist der Schalter 18 offen, so hält die im Feld der Induktivität gespeicherte Energie den Stromfluß durch die Last aufrecht.Transistor switch 18 in the counteracting circuit chops the DC input voltage to feed a variable width pulse into the simple averaging filter formed by inductor 19 and capacitance 20 . When the switch 18 is closed, the input voltage is applied to this filter, and current flows through the inductor 21 to the load. When switch 18 is open, the energy stored in the field of inductance maintains the current flow through the load.
In dieser Gegenwirkungsschaltung ist der Spitzenschaltstrom proportional zum Laststrom. Die Ausgangsspannung V₀ ist gleich dem Produkt aus Eingangsspannung V₁ und dem Tastverhältnis. Im Abwärtsschaltregler ist daher die Ausgangsspannung immer kleiner als die Eingangsspannung.In this reaction circuit, the peak switching current is proportional to the load current. The output voltage V ₀ is equal to the product of input voltage V ₁ and the duty cycle. In the step-down controller, therefore, the output voltage is always lower than the input voltage.
In einem linearen Serien- oder Nebenschlußregler ist aufgrund des kontinuierlichen Betriebes die Verlustleistung relativ groß. Typischerweise ist der Wirkungsgrad eines linearen Reglers kleiner als 50%. Ist die Differenz zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung groß, so fällt der resultierende Wirkungsgrad wesentlich unter 40%. Im Gegensatz dazu besitzt ein Schaltregler mit einem durchgeschalteten und gesperrten Transistorschalter für Reglung typische, 60% übersteigende, Wirkungsgrade.In a linear series or shunt regulator is due to the continuous operation, the power loss relatively large. Typically, the efficiency of a linear regulator less than 50%. Is the difference between input and output voltage large, it falls resulting efficiency significantly below 40%. in the In contrast, has a switching regulator with a through-connected and locked transistor switch for regulation typical efficiencies exceeding 60%.
Ein Schaltregler hat aus drei Gründen einen weit höheren Wirkungsgrad als ein linearer Regler. Da der Schalttransistor entweder ein- oder ausgeschaltet wird, führt dies erstens während des größten Teils des Betriebs entweder zu einem kleinen Strom oder zu einer kleinen Spannung. Zweitens ist in einem weiten Bereich von Eingangsspannungen ein gutes Regelverhalten realisierbar, wobei drittens in weiten Bereichen des Laststroms ein hoher Wirkungsgrad erreicht werden kann.A switching regulator has a much higher one for three reasons Efficiency as a linear regulator. As the switching transistor either turned on or off, this leads first, during most of the operation either too a small current or a small voltage. Secondly is good over a wide range of input voltages Control behavior feasible, thirdly in wide Areas of load current achieved high efficiency can be.
Diese Eigenschaften werden im folgenden anhand von Fig. 3 weiter erläutert, in der ein Element 23 den Sender repräsentiert, welcher durch eine Batterie 11 (24 V) über die Zweidrahtleitung W₁ und W₂ und den dazu in Serie liegenden Lastwiderstand R mit einer Spannung V T versorgt wird. Die Verlustleistung (PD) des Senders 23 ist durch folgende Gleichungen gegeben:These properties are further explained below with reference to FIG. 3, in which an element 23 represents the transmitter, which by a battery 11 (24 V) via the two-wire line W ₁ and W ₂ and the load resistor R in series with a voltage V T is supplied. The power loss (PD) of the transmitter 23 is given by the following equations:
Für eine lineare Regelung ist die für die Elektronik des Senders verfügbare maximale Leistung (PE) durch folgende Gleichung gegeben:For linear control, the maximum power (PE) available to the transmitter electronics is given by the following equation:
PE = 4 mA V T bei 20 mA
= 4 mA [24 - 20 (10-3) · R]
= 96 mW - (80 µW/Ohm) · R PE = 4 mA V T at 20 mA
= 4 mA [24-20 (10 -3 ) * R ]
= 96 mW - (80 μW / ohm) · R
Für enen Schaltregler ist die für die Elektronik des Senders zur Verfügung stehende maximale Leistung (PE) durch folgende Gleichung gegeben:For a switching regulator, the maximum power (PE) available to the transmitter electronics is given by the following equation:
PE = α PD MIN = α {96 MW - R (16 µW/Ohm)}; PE = α PD MIN = α {96 MW - R (16 μW / ohm)};
worin α den Wirkungsgrad des Schaltreglers bedeutet und where α means the efficiency of the switching regulator and
PE = . 75 {96 MW - R (16 µW/Ohm)} bei α = 75% PE =. 75 {96 MW - R (16 μW / Ohm)} at α = 75%
gilt.applies.
In einer praktischen Ausführungsform ist die für die elektronische Schaltung im Sender der Zweidraht-Fernmeßanordnung erforderliche Betriebsgleichspannung gleich +5 V. Gemäß Fig. 1 ist der von der Spannungsquelle 11 gezogene Strom gleich I PS , der die vom Regler 17 gespeiste Schaltung 14 durchfließende Strom gleich I DC , der den Signalausgangstransistor 16 durchfließende Strom gleich I CTL und der den Widerstand R FB durchfließende Strom I OUT gleich 4 bis 20 mA.In a practical embodiment, the required for the electronic circuit in the transmitter of the two-wire Fernmeßanordnung operating DC voltage is equal to +5 V. Referring to FIG. 1, the current drawn by the voltage source 11 is equal to I PS , the current flowing through the circuit 17 circuit 14 is equal to current I DC , the current flowing through the signal output transistor 16 equal to I CTL and the current I OUT flowing through the resistor R FB equal to 4 to 20 mA.
Es sei nun angenommen, daß anstelle eines Schaltreglers in Fig. 1 ein linearer Regler verwendet wird. Bei linearer Regelung ist in der Anordnung dann wesentlich, daß der Strom I DC , d. h. der Verluststrom in der mit einer Gleichspannung von +5 V gespeisten Schaltung 14 immer gleich oder geringfügig kleiner als der Versorgungsstrom I PS . Da darüber hinaus I PS+I CTL+I OUT (der Senderausgangsstrom im Bereich von 4 bis 20 mA) gilt, darf die Größe des die Elektronik im Sender durchfließenden Stroms I DC 4 mA nicht übersteigen.It is now assumed that instead of a switching regulator in Fig. 1, a linear regulator is used. In linear control is in the arrangement then essential that the current I DC , ie the leakage current in the fed with a DC voltage of +5 V circuit 14 is always equal to or slightly smaller than the supply current I PS . Moreover, since I PS + I + CTL I applies OUT (the transmitter output current in the range of 4 to 20 mA), the size of the electronics in the transmitter by flowing current I DC may not exceed 4 mA.
Typische Werte für einen linearen Regler sind:Typical values for a linear controller are:
Eingangsgrößen
I OUT (minimum) = 3,8 mA
V +/- (minimum) = 12,5 Vinput variables
I OUT (minimum) = 3.8 mA
V +/- (minimum) = 12.5V
I DC (maximum) -3,8 mA bis +5 V Gleichspannung I DC (maximum) -3.8 mA to +5 V DC
Für die Regelelektronik verfügbare Leistung = 19 mW.Power available for control electronics = 19 mW.
Maximaler Schleifenlastwiderstand bei 24 V Gleichspannung und 20,8 mAMaximum loop load resistance at 24 V DC and 20.8 mA
Enthält jedoch die erfindungsgemäße Anordnung einen Schaltregler 17 gemäß Fig. 1, um der Elektronik des Senders eine konstante Versorgungsgröße zuzuführen, so ist der Hauptgesichtspunkt, daß die Minimalverlustleistung des Reglers so beschaffen ist, daß die der Elektronik zugeführte Versorgungsgröße lediglich geringfügig kleiner als die durch die Versorgungsquelle gelieferte Versorgungsgröße ist.However, the inventive arrangement includes a switching regulator 17 as shown in FIG. 1, to supply the electronics of the transmitter a constant supply size, the main point is that the minimum power loss of the controller is such that the electronics supplied supply only slightly smaller than that through the Supply source supplied supply is.
Der durch die Senderelektronik verbrauchte Strom I DC kann daher größer als der Versorgungsstrom I PS sein. Typische Werte für den Schaltregler sind die folgenden:The consumed by the transmitter electronics current I DC can therefore be greater than the supply current I PS . Typical values for the switching regulator are the following:
Eingangsgrößen
I OUT (minimum) = 3,8 mA
Reglerwirkungsgrad (minimum) = 75%
Schleifenwiderstand (maximal) = 550 Ohminput variables
I OUT (minimum) = 3.8 mA
Controller efficiency (minimum) = 75%
Loop resistance (maximum) = 550 ohms
V +/- (minimum) = 6,5 V V +/- (minimum) = 6.5V
Die für die Elektronik des Senders zur Verfügung stehende Versorgungsgröße ist durch folgende Beziehungen gegeben:The available for the electronics of the transmitter Supply size is given by the following relationships:
- a) I OUT = 3,8 mA R FB = 100 Ohm, V bei Eingangsversorgungsspannung = 21,53 V.a) I OUT = 3.8 mA R FB = 100 ohms, V at input supply voltage = 21.53 V.
- b) I OUT = 20,8 mA R FB = 100 Ohm, V bei Eingangsversorgungsspannung = 10,48 V.b) I OUT = 20.8 mA R FB = 100 ohms, V at input supply voltage = 10.48 V.
Ein Vergleich einer linearen Regelung mit einer Schaltregelung gemäß der Erfindung ergibt folgendes: A comparison of a linear control with a switching control according to the invention gives the following:
-
I. Der Schaltregler in der Zweidraht-Fernmeßanordnung
gewährleistet für die Elektronik des Sensors bei einer
Lastimpedanz von 550 Ohm, die mit einer Gleichversorgungsspannung
von 24 V gespeist wird und in einem
Strombereich von 3,8 bis 20,8 mA arbeitet, eine wesentlich
größere Leistung.
Der Linearregler erzeugt eine Leistung von 19 mW, während der Schaltregler eine Leistung von 61,35 mW liefert, was zu einer Erhöhung der verfügbaren Leistung um 222% führt.I. The switching regulator in the two-wire remote sensing arrangement provides much greater power to the sensor electronics at a load impedance of 550 ohms, which is fed with a 24 V DC supply voltage and operates in a current range of 3.8 to 20.8 mA ,
The linear regulator produces a power of 19 mW, while the switching regulator delivers a power of 61.35 mW, resulting in an increase of the available power by 222%. - II. Der Schaltregler vermag einen weit größeren Lastwiderstand zu speisen, wenn die Zweidraht-Fernmeßanordnung aus einer Versorgungsspannungsquelle mit 24 V gespeist wird. Ein linearer Regler mit einer minimalen Spannung V +/- von 12,5 V ist gleich einer Last von 552 Ohm. Ein Schaltregler mit einer minimalen Spannung V +/- von 6,5 V ist gleich einer Last von 841 Ohm. Dies stellt eine Erhöhung der Ansteuermöglichkeiten um 50% dar.II. The switching regulator is able to supply a much greater load resistance when the two-wire remote measuring device is powered by a 24 V supply voltage source. A linear regulator with a minimum voltage V +/- of 12.5 V equals a 552 ohm load. A switching regulator with a minimum voltage V +/- of 6.5 V is equal to a load of 841 ohms. This represents an increase of the control possibilities by 50%.
Claims (8)
- (a) einer mit Gleichstrom versorgten Sendestation mit an eine interne elektronische Schaltung angeschlossenen Stromversorgungs-Eingangsanschlüssen (T₂, T₃), welche von einer interessierenden Variablen angesteuert ist, um als Funktion dieser Variablen ein Versorgungsgleichstrom- Ausgangssignal in einem vorgegebenen Strombereich zu erzeugen,
- (b) einer Zweidrahtleitung (W₁, W₂) deren eines Ende zur Übertragung des Versorgungsstroms mit dem Ausgang der Sendestation verbunden ist,
- (c) einer von der Sendestation entfernten Empfangsstation mit einer Gleichspannungsversorgungsquelle (11) und einem dazu in Reihe liegenden Lastwiderstand (12), welche zur Aufnahme des Versorgungsstroms und zur gleichzeitigen Stromversorgung der Sendestation mit dem anderen Ende der Leitung (W₁, W₂) verbunden sind,
- (d) einem die Stromversorgungs-Eingangsanschlüsse (T₂, T₃) der Sendestation mit dem einen Ende der Leitung (W₁, W₂) verbindenden Schaltregler (17), welcher der internen Schaltung einen Strom zuführt, der größer als der Versorgungsstrom ist.
- (a) supplied with direct current transmission station connected to an internal electronic circuit power supply input terminals (T ₂, T ₃) which is driven by a variables of interest to produce as a function of these variables, a Versorgungsgleichstrom- output signal in a predetermined current range,
- (B) a two-wire line (W ₁, W ₂) whose one end is connected to the transmission of the supply current to the output of the transmitting station,
- (C) a receiving station remote from the transmitting station with a DC power source ( 11 ) and a load resistor connected in series ( 12 ), which for receiving the supply current and for simultaneous power supply of the transmitting station with the other end of the line (W ₁, W ₂) are connected,
- (d) one of the power supply input terminals (T ₂, T ₃) of the transmitting station with the one end of the line (W ₁, W ₂) connecting switching regulator ( 17 ) which supplies the internal circuit with a current which is greater than the supply current ,
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| 8110 | Request for examination paragraph 44 | ||
| D2 | Grant after examination | ||
| 8363 | Opposition against the patent | ||
| 8330 | Complete disclaimer |