DE3934007C2 - Circuit arrangement for the transmission of measured value signals from a transmitting station to a receiving station - Google Patents

Circuit arrangement for the transmission of measured value signals from a transmitting station to a receiving station

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DE3934007C2 DE19893934007 DE3934007A DE3934007C2 DE 3934007 C2 DE3934007 C2 DE 3934007C2 DE 19893934007 DE19893934007 DE 19893934007 DE 3934007 A DE3934007 A DE 3934007A DE 3934007 C2 DE3934007 C2 DE 3934007C2
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Description

Die Erfindung geht aus von einer Schaltungsanordnung zur Übertragung von Meßwertsignalen von einer Sendestation zu einer Empfangs­ station über zwei Leitungen gemäß den im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen.The invention is based on a circuit arrangement for transmission of measured value signals from a transmitter station to a receiver station over two lines according to the preamble of claim 1 specified features.

Bei einer derartigen, im allgemeinen als Fernmeßanordnung betriebenen Schaltungsanordnung wird die Meßwertsignalinforma­ tion in Form eines Gleichstromsignals von der Sendestation über die Zweidrahtleitung zu der Empfangsstation übertragen, die die Gleichspannungs-Versorgungsquelle aufweist. Die elektrische Versorgung der Sendestation aus der Versorgungsquelle erfolgt ebenfalls über die Zweidrahtleitung.In such a, generally as a telemetry arrangement operated circuit arrangement is the measured value signal informa  tion in the form of a direct current signal from the transmitting station transmit the two-wire line to the receiving station, which the Has DC voltage supply source. The electrical The transmitter is supplied from the supply source also via the two-wire line.

Eine entsprechende Zweidraht-Fernmeßanordnung eignet sich insbesondere zum Einsatz in einer Regelschleife für indu­ strielle Prozesse, in der ein in der Sendestation durch ein Thermoelement oder einen anderen Sensor für die zu messende Prozeßvariable erfaßter Wert in ein Gleichstromsignal überführt wird, das über die Zweidrahtleitung zu einer entfernten Emp­ fangsstation zur Ansteuerung von Anzeigen, Aufzeichnungsgerä­ ten, Reglern oder anderen Instrumenten in der Prozeßregel­ schleife übertragen wird.A corresponding two-wire telemetry arrangement is suitable especially for use in a control loop for indu strial processes in which one in the transmitter by one Thermocouple or another sensor for the one to be measured Process variable detected value converted into a DC signal is that over the two-wire line to a remote Emp interception station for controlling displays, recording devices ten, regulators or other instruments in the process rule loop is transmitted.

Ein wesentlicher Vorteil einer solchen Zweidraht-Fernmeßanord­ nung ist darin zu sehen, daß ein und dasselbe Leitungspaar nicht nur zur Übertragung des Stromsignals von der Sendestation zur Empfangsstation, sondern auch zur elektrischen Versorgung der Sendestation aus einer elektrischen Quelle der Empfangs­ station dient, wodurch gesonderte Leitungen für die Stromver­ sorgung der Sendestationen entfallen.A major advantage of such a two-wire telemetry arrangement voltage can be seen in the fact that one and the same line pair not only for the transmission of the current signal from the transmitting station to the receiving station, but also for the electrical supply the transmitting station from an electrical source of reception station serves, whereby separate lines for the Stromver supply of the transmitter stations is eliminated.

Für eine Prozeßregel-Fernmeßanordnung gibt beispielsweise die nationale US-Norm ANSI-MC 12.1-1975 und ISA-A 50.1, "Compatibi­ lity of Analogue Signals for Electronic Industrial Process Instruments" an, daß das Norm-Ausgangssignal (einer Sendesta­ tion) 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 allgemein von der Industrie für industrielle Prozeßregelungen angenommen und praktiziert.For example, for a process control telemetry arrangement national US standard ANSI-MC 12.1-1975 and ISA-A 50.1, "Compatibi lity of Analogue Signals for Electronic Industrial Process Instruments "indicates that the standard output signal (a sendta tion) a direct current in the range from 4 mA to 20 mA (section 3.2 of the standard) and the standard voltage signal (of the receiver) a DC voltage of 1 to 5 V (section 3.3.2 of the standard) should be. These standards are commonly used by the industry industrial process regulations adopted and practiced.

Ein allgemeines Problem bei Zweidraht-Fernmeßanordnungen be­ steht darin, die elektrische Betriebsleistung der von der Empfangsstation aus elektrisch versorgten Komponenten der Sendestation für einen zuverlässigen Betrieb auch dann bereit­ stellen zu können, wenn der Signal-Strompegel der Zweidraht­ leitung zum Beispiel innerhalb des üblichen Bereichs von 4 mA bis 20 mA klein ist. Es ist daher schwierig, einen stets zuver­ lässigen Betrieb einer Zweidraht-Fernmeßanordnung sicherzustel­ len, wenn die von der Empfangsstation aus elektrisch zu ver­ sorgenden Komponenten der Sendestation einen vergleichsweise großen elektrischen Betriebsleistungsbedarf haben, wie dies beispielsweise der Fall ist, wenn die Sendestation einen diffe­ rentiellen Druckwandler und/oder einen Mikroprozessor enthält.A common problem with two-wire telemetry systems is the electrical operating power of the Receiving station made of electrically supplied components of the  Transmitting station ready for reliable operation even then to be able to put when the signal current level of the two-wire cable for example within the usual range of 4 mA is small up to 20 mA. It is therefore difficult to always be confident ensure reliable operation of a two-wire telemetry system len, if the ver from the receiving station electrically care components of the transmitter a comparatively have large electrical operating power requirements like this For example, the case is when the sending station has a diffe contains profitable pressure transducers and / or a microprocessor.

Verwendet man einen linearen Regler zur Regelung der Versor­ gungsspannung der Sendestation, so wird hierdurch das Angebot an elektrischer Leistung für den Betrieb der Komponenten der Sendestation begrenzt, so daß auch die Treiberfähigkeit von Treiberkomponenten bzw. Steuerschaltungen in der Sendestation reduziert wird. Eine Sendestation in einer Zweidraht-Fernmeß­ anordnung der hier betrachteten Art benötigt üblicherweise eine minimale Betriebsspannung, wobei ein linearer Zusammenhang zwischen der Betriebsspannung und der Fähigkeit, eine Wider­ standslast zu treiben, besteht. Beispielsweise kann ein Betrieb bei 12,5 V und 0 Ω oder auch ein Betrieb von 24 V und 500 Ω spezifiziert sein. Die interne Sender-Steuerelektronik ist notwendigerweise auf einen Stromverbrauch von weniger als 3,8 mA begrenzt, wenn die Zweidraht-Fernmeßanordnung im Strom­ bereich von 4 mA bis 20 mA betrieben wird. Je kleiner daher die minimale Betriebsspannung ist, umso kleiner muß der Lastwider­ stand sein.If a linear regulator is used to regulate the supply supply voltage of the transmitting station, this will result in the offer of electrical power for the operation of the components of the Sending station limited, so that the driver ability of Driver components or control circuits in the transmitter station is reduced. A transmitter station in a two-wire telemetry an arrangement of the type considered here usually requires one minimal operating voltage, with a linear relationship between the operating voltage and the ability to have a cons to drive standing load exists. For example, a company at 12.5 V and 0 Ω or an operation of 24 V and 500 Ω be specified. The internal transmitter control electronics is necessarily on a power consumption of less than 3.8 mA limited when the two-wire telemetry arrangement is in the current range of 4 mA to 20 mA is operated. The smaller the minimum operating voltage, the smaller the load must be stood up.

Aufgrund solcher Leistungsbegrenzungen kann es bei hohem elek­ trischem Leistungsbedarf der Sendestation notwendig werden, auf ein Vierdrahtsystem zurückzugreifen, um die elektrische Ver­ sorgung der Senderkomponenten sicherzustellen. Hierdurch gehen jedoch die wesentlichen Vorteile der Leitungseinsparung ver­ loren.Due to such power limitations, high elec trical power requirements of the transmitting station become necessary a four-wire system to access the electrical ver ensure the supply of the transmitter components. Go through this however, the main advantages of the line saving ver loren.

Eine Schaltungsanordnung (Zweidraht-Fernmeßanordnung) der eingangs genannten Art ist aus der DE 36 15 452 A1 bekannt.A circuit arrangement (two-wire telemetry arrangement)  type mentioned is known from DE 36 15 452 A1.

Die Sendestation der bekannten Schaltungsanordnung weist einen Meßumformer mit einem Meßwandler und einer Meßumformer-Schnitt­ stelle auf, die über einen Spannungsregler mit der Zweidraht­ leitung zur Empfängerstation verbunden ist. Der Spannungsregler stellt unabhängig von etwaigen Spannungsschwankungen auf der Zweidrahtleitung eine konstante Betriebsspannung für den Meß­ wandler bereit. Die Spannungsversorgungsleitungen zwischen Spannungsregler und Meßwandler, über die der Versorgungsgleich­ strom des Meßwandlers fließt, sind durch einen geschalteten Nebenschlußzweig mit einem Strombegrenzer überbrückt. Der Stromfluß in dem als zusätzlicher Verbraucher wirkenden Neben­ schlußzweig wird nach Maßgabe eines von dem betreffenden Meß­ wert abhängigen Ausgangssignals des Meßwandlers ein- und ausge­ schaltet, um einen pulsmodulierten Gleichstromfluß durch den Nebenschlußzweig vorzusehen. Der pulsmodulierte Gleichstrom wird über den Spannungsregler und die Zweidrahtleitung aus der Spannungsquelle in der Empfangsstation entnommen. Der als zusätzlicher Verbraucher wirkende Nebenschlußzweig wird daher impulsweise mit der Spannungsquelle verbunden. Auf der Zwei­ drahtleitung ist der pulsmodulierte Gleichstrom als Meßstrom dem konstanten Versorgungsgleichstrom für den Meßwandler über­ lagert.The Transmitting station of the known circuit arrangement has one Transmitter with a transducer and a transducer cut put that over a voltage regulator with the two wire line to the receiver station is connected. The voltage regulator provides regardless of any voltage fluctuations on the Two-wire line a constant operating voltage for the measurement converter ready. The power supply lines between Voltage regulators and transducers through which the supply equals current of the transducer flows are switched by a Branch branch bridged with a current limiter. Of the Current flow in the secondary acting as an additional consumer closing branch is made in accordance with one of the measurement concerned value-dependent output signal of the transducer on and off switches to a pulse modulated direct current flow through the Provide shunt branch. The pulse modulated direct current is via the voltage regulator and the two-wire line from the Voltage source removed in the receiving station. The as additional shunt branch acting consumer is therefore pulse connected to the voltage source. On the two wire line is the pulse-modulated direct current as measuring current the constant DC supply current for the transducer stores.

Zum Stand der Technik betreffend Zweidraht-Fernmeßanordnungen wird ferner auf die US-PS 40 84 155 und die US-PS 41 58 765 verwiesen.The prior art regarding two-wire telemetry arrangements will also refer to US Pat. No. 4,084,155 and US Pat. No. 4,158,765 referred.

Zum Stand der Technik bezüglich des Aufbaus und der Wirkungs­ weise von Spannungs-Schaltreglern kann beispielsweise auf das Fachbuch: "Halbleiter-Schaltungstechnik", U. Tietze - Oh. Schenk, Springer-Verlag Berlin-Heidelberg-New York, 4. Auflage, 1978, und auf das Fachbuch: "Elektronik ohne Ballast", O. Limann - H. Pelka, Franzis-Verlag GmbH, München, 7. Auflage, 1987, verwiesen werden.The state of the art in terms of structure and effectiveness example of voltage switching regulators can for example on that Technical book: "Semiconductor circuit technology", U. Tietze - Oh. Schenk, Springer-Verlag Berlin-Heidelberg-New York, 4th Edition, 1978, and on the specialist book: "Electronics without ballast", O. Limann - H. Pelka, Franzis-Verlag GmbH, Munich, 7th edition, 1987.

Für jede Zweidrahtschleife ist der Leistungsverbrauch der Sender-Steuerelektronik durch die externe Versorgungsspannung (der Quelle der gesamten in der Schleife verbrauchten Leistung) und den minimalen Betriebsstrom in der Schleife (z. B. 4 mA) begrenzt. Beispielsweise ist der Leistungsverbrauch der Sender-Steuerelektronik aller Standard-Zweidrahtsender auf 4 mA Ver­ sorgungsspannung V beschränkt.The power consumption is the same for every two-wire loop  Transmitter control electronics through the external supply voltage (the source of the total power consumed in the loop) and the minimum operating current in the loop (e.g. 4 mA) limited. For example, the power consumption of the transmitter control electronics all standard two-wire transmitters to 4 mA Ver supply voltage V limited.

Erfordert die Sender-Steuerelektronik eine der Versorgungs­ spannung gleiche Spannung, so können 4 mA als Maximalstrom verbraucht werden. Benötigt die Sender-Steuerelektronik jedoch eine kleinere Spannung als die Versorgungsspannung, so kann ein höherer Stromverbrauch erreicht werden.The transmitter control electronics requires one of the supply same voltage, 4 mA can be used as the maximum current be consumed. However, the transmitter control electronics are required a smaller voltage than the supply voltage, so a higher power consumption can be achieved.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Schaltungs­ anordnung der eingangs genannten Art die Sendestation mit einer im wesentlichen konstanten Leistung zu versorgen, wobei diese Leistung hinreichend ist, um auch bei niedrigen Signalpegeln eine relativ komplexe Sendestation, die beispielsweise einen Mikroprozessor enthält, zu versorgen.The invention has for its object in a circuit arrangement of the type mentioned the transmitter station with a to supply essentially constant power, being this Power is sufficient to even at low signal levels a relatively complex broadcasting station, for example a Microprocessor contains supply.

Diese Aufgabe wird ausgehend von den im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen dadurch gelöst, daß der Spannungsregler ein Spannungs-Abwärts-Schaltregler ist, der den ihm zugeführten Strom in einen stärkeren Strom umwan­ delt.This task is based on the in the preamble of claim 1 specified features solved by that the voltage regulator is a voltage step-down switching regulator, which converts the current supplied to it into a stronger current delt.

Der Spannungs-Abwärts-Schaltregler führt der Sendestation, deren spezifizierte Betriebsspannung kleiner ist als die ex­ terne Versorgungsspannung, eine im wesentlichen konstante Betriebsleistung zu, die selbst bei kleinen Gleichstrom-Signal­ pegeln ausreicht, um eine relativ komplexe Sendestation, die etwa einen magnetischen Durchflußmesser, einen Multiplexer und/oder einen Mikroprozessor enthalten kann, zu versorgen. Der Spannungs-Abwärts-Schaltregler liefert in der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung sowohl unter der Bedingung hoher Spannung und kleinen Stroms als auch unter der Bedingung kleiner Span­ nung und hohen Stroms eine für die zuverlässige Funktion der Sendestation ausreichende Betriebsleistung. Die erfindungs­ gemäße Schaltungsanordnung ist relativ einfach aufgebaut und arbeitet dennoch effizient und zuverlässig.The voltage down switching regulator leads the transmitter station, whose specified operating voltage is less than the ex ternal supply voltage, a substantially constant Operating power too, even with small DC signal level is sufficient for a relatively complex transmitter station that such as a magnetic flow meter, a multiplexer and / or may contain a microprocessor. Of the Voltage step-down switching regulator delivers in the invention Circuit arrangement both under the condition of high voltage and small current as well as under the condition of small span voltage and high current are essential for the reliable function of the Sending station sufficient operating performance. The fiction  according circuit arrangement is relatively simple and nevertheless works efficiently and reliably.

Zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unter­ ansprüchen angegeben.Appropriate developments of the invention are in the sub claims specified.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme der Figuren näher erläutert. Darin zeigt:An embodiment of the invention is described below Reference to the figures explained in more detail. It shows:

Fig. 1 ein Schaltbild einer erfindungsgemäßen Schaltungsanord­ nung, Fig. 1 is a circuit diagram of a voltage Schaltungsanord according to the invention,

Fig. 2 ein Schaltbild der grundlegenden Elemente eines in der Schaltungsanordnung enthaltenen Spannungs-Abwärts-Schaltreglers und Fig. 2 is a circuit diagram of the basic elements of a voltage step-down regulator and included in the circuit arrangement

Fig. 3 ein vereinfachtes Schaltbild zur Erläuterung der zur Verfügung stehenden Leistung, wenn in der Schaltungsanordnung eine lineare Regelung oder wenn eine Schaltregelung durchge­ führt wird. Fig. 3 is a simplified circuit diagram to explain the available power when a linear control or when a switching control is carried out in the circuit arrangement.

Fig. 1 zeigt die grundlegenden Elemente einer nachstehend als Zweidraht-Fernmeßanordnung bezeichneten Schaltungsanordnung 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 Versorgungsgleichspan­ nungsquelle mit einem Lastwiderstand 12 in Reihe geschaltet ist, über den ein Ausgangssignal im Standard-Strombereich (beispielsweise 4 bis 20 mA Gleichstrom) fließt. Die am Lastwi­ derstand 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 circuit arrangement hereinafter known as the two-wire Fernmeßanordnung shows according to the invention, which driven a by a process variable or other variable that contains DC voltage supplied sending station, wherein said variable is 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 supply direct voltage source formed by a battery 11 is connected in series with a load resistor 12 , via which an output signal in the standard current range (for example 4 to 20 mA direct current) flows. The dropping at the load resistor 12 voltage is fed into a receiver 13 , which can be an indicator for the process variable, a recording device, a controller or another device for process control. The two-wire line W₁ and W₂ is connected to the transmitting station at terminals T₄ and T₅.

Der Sensor 10 kann ein Thermoelement, ein differentieller Druckwandler oder eine andere Einrichtung zur Messung der Prozeßvariablen sein. Diese Variable kann die Strömungsge­ schwindigkeit, die Temperatur oder der Druck sein, woraus ein proportionales Analogsignal erzeugt wird. Im dargestell­ ten Ausführungsbeispiel wird dieses Analogsignal in eine durch einen Mikroprozessor gesteuerte Schaltung 14 einge­ speist.The sensor 10 can be a thermocouple, a differential pressure transducer or another device for measuring the process variables. This variable can be the flow rate, temperature or pressure, from which a proportional analog signal is generated. In the embodiment shown, this analog signal is fed into a circuit 14 controlled by a microprocessor.

Das durch die durch einen Mikroprozessor gesteuerte Schal­ tung 14 gelieferte Ausgangssignal an dem Anschluß T₁ wird in einen Eingang eines Differenzverstärkers 15 eingespeist, in dessen anderen Eingang eine an einem Rückkopplungswiderstand RFB abfallende Rückkoppelspannung eingespeist wird. Das Ausgangssignal des Verstärkers 15 moduliert einen Ausgangs­ transistor 16, der zwischen den Leitungen W₁ und W₂ in Serie zum Widerstand RFB liegt.The device 14 supplied by the microprocessor-controlled circuit device 14 output signal is fed into an input of a differential amplifier 15 , in the other input of which a drop-back at a feedback resistor R FB feedback voltage is fed. The output signal of the amplifier 15 modulates an output transistor 16 , which lies 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 RFB an einem Anschluß T₅ mit der Leitung W₂ verbunden ist. Der Anschluß T₂ ist über einen Spannung-Abwärts-Schaltregler 17 an einem Anschluß T₄ mit der Leitung W₁ verbunden. Der Regler 17 dient zur Zuführung einer relativ großen Versorgungsleistung 14 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 circuit 14 controlled by a microprocessor has supply input connections T₂ and T₃, the connection T₃ being connected to the line W₂ via the resistor R FB at a connection T₅. The terminal T₂ is connected via a voltage down-switching regulator 17 at a terminal T₄ to the line W₁. The controller 17 is used to supply a relatively large supply power 14 to the circuit 14 controlled by a microprocessor with a constant level, which remains essentially unchanged both at high voltage and low current and at low voltage and high current.

Die Spannung zwischen den Anschlüssen T₂ und T₃ ist gleich V2-3, während die Spannung zwischen den Anschlüssen T₄ und T₅ gleich V4-5 ist. Der in den Regler 17 fließende Strom ist mit Ips bezeichnet, während der vom Regler 17 in die durch einen Mikroprozessor gesteuerte Schaltung 14 fließende Strom mit Idc bezeichnet ist. Die Spannung V2-3 ist durch Versorgungsgrößenspezifikationen der in der durch einen Mikroprozessor gesteuerten Schaltung 14 verwendeten Kompo­ nenten festgelegt. Typischerweise handelt es sich bei der Spannung V2-3 um eine Gleichspannung von 5 V.The voltage between the terminals T₂ and T₃ is V 2-3 , while the voltage between the terminals T₄ and T₅ is V 4-5 . The current flowing into the controller 17 is designated I ps , while the current flowing from the controller 17 into the circuit 14 controlled by a microprocessor is designated I dc . The voltage V 2-3 is determined by supply size specifications of the components used in the circuit 14 controlled by a microprocessor. Typically, the voltage V 2-3 is a DC voltage of 5 V.

Erfindungsgemäß soll ein Strom Idc erzeugt werden, welcher größer als der Strom Ips bei der geregelten Gleichspannung von 5 V ist, um den Strombedarf der durch einen Mikroprozes­ sor gesteuerten Schaltung 14 zu befriedigen. Dies wird durch den Spannungs-Abwärts-Schaltregler 17 realisiert, wenn die Spannung V2-3 kleiner als die Spannung V4-5 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 current requirement of the circuit 14 controlled by a microprocessor. This is realized by the voltage step-down switching regulator 17 when the voltage V 2-3 is less than the voltage V 4-5 , as will be explained in the following.

Für diesen Zweck geeignete Schaltregler sind in den folgen­ den Druckschriften erläutert:Suitable switching regulators for this purpose are shown in the following explained in the publications:

  • 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) "from Motorola Corporation.
  • B. "Applications Handbook (1987-1988)" der Firma Unirode Corporation.B. "Applications Handbook (1987-1988)" from 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) from Texas Instruments.

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 controller 17 contains a switching transistor 18 which is switched through and blocked at a predetermined frequency. During the interval when the switch 18 is turned on, the input voltage is fed into the input of an LC filter formed by an inductor 19 and a capacitor 20 , as a result of which the current increases. If the switch is blocked, the energy stored in the inductance 19 maintains the current flow to the load via a “catch” diode 21 .

Der Regler 17 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 Eingangsreferenzspannung mit einem Abtastwert der Spannung vom Filter. Bei zunehmender Last sinkt die Aus­ gangsspannung. Der Fehlerverstärker tastet diesen Abfall ab und hält den Pulsbreitenmodulator für eine längere Zeitpe­ riode wirksam, wodurch breitere Steuerimpulse zum Schalt­ transistor 18 geliefert werden.The controller 17 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 input reference voltage with a sample of the voltage from the filter. The output voltage drops as the load increases. The error amplifier senses this drop and keeps the pulse width modulator effective for a longer period of time, thereby delivering wider control pulses to the switching transistor 18 .

Die Breite des Impulses legt fest, wie lange der Transistor­ schalter 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 current to flow, d. how much electricity to Output is delivered. If the load decreases, that becomes Switching transistor fed narrower control pulses until the Output voltage remains at a constant value.

Schaltregler stehen in drei grundsätzlichen Ausführungsfor­ men zur Verfügung:Switching regulators are available in three basic designs available:

  • (1) Abwärts- bzw. "Gegenwirkungs"-Regler(1) Downward or "counteraction" controller
  • (2) Aufwärts- bzw. "Anhebungs"-Regler(2) Up or "boost" slider
  • (3) invertierender Regler(3) inverting controller

Erfindungsgemäß wird ein Spannungs-Abwärtsregler verwendet, dessen Funktion im folgenden anhand von Fig. 2 beschrieben wird. Der Transistorschalter 18 liegt in Serie mit der Induktivi­ tät 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 voltage step-down regulator is used, the function of which is described below with reference to FIG. 2. The transistor switch 18 is in series with the inductance 19 between an input DC voltage V₁ and an output DC voltage V₀, the diode 21 on the input side of the inductor and the capacitance 20 on the output side.

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 einzuspei­ sen. Ist der Schalter 18 geschlossen, so liegt die Eingangs­ spannung 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.The transistor switch 18 in the counteracting circuit chops the DC input voltage in order to feed a variable-width pulse into the simple averaging filter formed by the inductance 19 and the capacitance 20 . If the switch 18 is closed, the input voltage is applied to this filter and current flows through the inductance 21 to the load. If the 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 Tastver­ hältnis. Im Spannungs-Abwärtsschaltregler ist daher die Ausgangsspan­ nung immer kleiner als die Eingangsspannung.In this counteraction circuit, the peak switching current is proportional to the load current. The output voltage V₀ is equal to the product of the input voltage V₁ and the Tastver ratio. The output span is therefore in the voltage step-down switching regulator voltage 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 durchge­ schalteten und gesperrten Transistorschalter für Reglung typische, 60% übersteigende Wirkungsgrade.In a linear series or shunt regulator due to the continuous operation the power loss relatively large. Typically the efficiency is one linear regulator less than 50%. Is the difference between input and output voltage large, so the resulting efficiency significantly below 40%. in the In contrast, a switching regulator has a continuous switched 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 Schalttransi­ stor 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. Since the switching transi stor is either turned on or off, this will result first, during most of the operation either a small current or a small voltage. Secondly is a good one in a wide range of input voltages  Control behavior realizable, thirdly in broad Areas of the 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 repräsen­ tiert, welcher durch eine Batterie 11 (24 V) über die Zweidrahtleitung W₁ und W₂ und den dazu in Serie liegenden Lastwiderstand R mit einer Spannung VT 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 lying in series with a voltage V T is supplied. The power loss (PD) of the transmitter 23 is given by the following equations:

PD = 24 I - RI² = VTI (Verlustleistung des Senders) bei I = 4 mA, PD = 96 mW - R (16 µW/Ohm)
= 0 R 6 K Ohm
bei I = 20 mA PD = 480 mW - R (400 µW/Ohm)
= 0 R ϑ 1,2 k Ohm
= VT = 24 - 20 (10-3) R
PD = 24 I - RI² = V T I (power loss of the transmitter) at I = 4 mA, PD = 96 mW - R (16 µW / Ohm)
= 0 R 6 K ohms
at I = 20 mA PD = 480 mW - R (400 µW / Ohm)
= 0 R ϑ 1.2 k ohms
= V T = 24 - 20 (10 -3 ) R

Für eine lineare Regelung ist die für die Elektronik des Senders verfügbare maximale Leistung (PE) durch folgende Gleichung gegeben:For a linear control, that for the electronics of the Transmitter available maximum power (PE) by the following Given equation:

PE = 4 mA · VT bei 20 mA
= 4 mA · [24 - 20 (10-3) · RJ]
= 96 mW - (80 µW/Ohm) · R
PE = 4 mA · V T at 20 mA
= 4 mA · [24 - 20 (10 -3 ) · RJ]
= 96 mW - (80 µW / Ohm) R

Für einen Spannungs-Abwärts-Schaltregler ist die für die Elektronik des Senders zur Verfügung stehende maximale Leistung (PE) durch folgende Gleichung gegeben:For a voltage step-down switching regulator, that for the electronics of the Maximum power (PE) available through the transmitter given the following equation:

PE = α PDMIN = α {96 mW - R (16 µW/Ohm)};
worin α den Wirkungsgrad des Schaltreglers bedeutet und
PE = 75 {96 mW - R (16 µW/Ohm)} bei α = 75% gilt.
PE = α PD MIN = α {96 mW - R (16 µW / Ohm)};
where α means the efficiency of the switching regulator and
PE = 75 {96 mW - R (16 µW / Ohm)} with α = 75% applies.

In einer praktischen Ausführungsform ist die für die elektronische Schaltung im Sender der Zweidraht-Fernmeßan­ ordnung erforderliche Betriebsgleichspannung gleich +5V. Gemäß Fig. 1 ist der von der Spannungsquelle 11 gezogene Strom gleich IPS, der die vom Regler 17 gespeiste Schaltung 14 durchfließende Strom gleich IDC, der den Signalausgangs­ transistor 16 durchfließende Strom gleich ICTL und der den Widerstand RFB durchfließende Strom IOUT gleich 4 bis 20 mA.In a practical embodiment, the operating DC voltage required for the electronic circuit in the transmitter of the two-wire Fernmeßan order is + 5V. Referring to FIG. 1, the current drawn from the voltage source 11 current is equal to I PS, the fed from the controller 17 circuit 14 by current flowing is I DC, the signal output transistor 16 by the current flowing is equal to I CTL and the resistor R FB current flowing through I OUT 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 IDC, d. h. der Verluststrom in der mit einer Gleichspannung von +5V gespeisten Schaltung 14, immer gleich oder geringfü­ gig kleiner als der Versorgungsstrom IPS ist. Da darüber hinaus IPS + ICTL = IOUT (der Senderausgangsstrom im Bereich von 4 bis 20 mA) gilt, darf die Größe des die Elektronik im Sender durchfließenden Stroms IDC 4 mA nicht übersteigen.It is now assumed that a linear regulator is used instead of a switching regulator in FIG. 1. In the case of linear control, it is essential in the arrangement that the current I DC , ie the leakage current in the circuit 14 fed with a direct voltage of + 5V, is always the same or slightly less than the supply current I PS . Since I PS + I CTL = I OUT (the transmitter output current in the range from 4 to 20 mA) also applies, the size of the current I DC flowing through the electronics in the transmitter must not exceed 4 mA.

Typische Werte für einen linearen Regler sind:Typical values for a linear controller are:

IOUT (minimum) = 3,8 mA (Eingangsgröße)
V+/- (minimum) = 12,5 V (Eingangsgröße)
IDC (maximum) = 3,8 mA bei +5V Gleichspannung
I OUT (minimum) = 3.8 mA (input variable)
V +/- (minimum) = 12.5 V (input variable)
I DC (maximum) = 3.8 mA at + 5V DC voltage

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 Schal­ regler 17 gemäß Fig. 1, um der Elektronik des Senders eine konstante Versorgungsleistung zuzuführen, so ist der Hauptge­ sichtspunkt, daß die Minimalverlustleistung des Reglers so beschaffen ist, daß die der Elektronik zugeführte Versor­ gungsleistung lediglich geringfügig kleiner als die durch die Versorgungsquelle gelieferte Versorgungsleistung ist.However, the arrangement according to the invention contains a scarf controller 17 according to FIG. 1 in order to supply the electronics of the transmitter with a constant supply power, so the main aspect is that the minimum power loss of the controller is such that the supply power supplied to the electronics is only slightly less than is the supply service provided by the supply source.

Der durch die Senderelektronik verbrauchte Strom IDC kann daher größer als der Versorgungsstrom IPS sein. Typische Werte für den Schaltregler sind die folgenden:The current I DC consumed by the transmitter electronics can therefore be greater than the supply current I PS . Typical values for the switching regulator are the following:

IOUT (minimum) = 3,8 mA (Eingangsgröße)
Reglerwirkungsgrad (minimum) = 75% (Eingangsgröße)
Schleifenwiderstand (maximum) = 550 Ohm (Eingangsgröße)
V +/- (minimum) = 6,5 V
I OUT (minimum) = 3.8 mA (input variable)
Controller efficiency (minimum) = 75% (input variable)
Loop resistance (maximum) = 550 ohms (input variable)
V +/- (minimum) = 6.5 V.

Die für die Elektronik des Senders zur Verfügung stehende Versorgungsgröße ist durch folgende Beziehungen gegeben:The available for the electronics of the transmitter The size of the supply is given by the following relationships:

a) IOUT = 3,8 mAa) I OUT = 3.8 mA

RFB = 100 Ohm, V bei Eingangsversorgungsspannung = 21,53 VR FB = 100 ohms, V at input supply voltage = 21.53 V.

a) IOUT = 20,8 mAa) I OUT = 20.8 mA

RFB = 100 Ohm, V Eingangsversorgungsspannung = 10,48 V.R FB = 100 ohms, V input supply voltage = 10.48 V.

Ein Vergleich einer linearen Regelung mit einer Schaltrege­ lung gemäß der Erfindung ergibt folgendes:A comparison of a linear control with a switching rain lung according to the invention results in the following:

  • I. Der Schaltregler in der Zweidraht-Fernmeßanordnung gewährleistet für die Elektronik des Senders bei einer Lastimpedanz von 550 Ohm, die mit einer Gleichversor­ gungsspannung von 24 V gespeist wird und in einem Strombereich von 3,8 bis 20,8 mA arbeitet, eine wesent­ lich 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 telemetry system ensures the electronics of the transmitter with a load impedance of 550 ohms, which is fed with a DC supply voltage of 24 V and works in a current range from 3.8 to 20.8 mA, a substantial Lich greater performance.
    The linear regulator produces 19 mW of power, while the switching regulator delivers 61.35 mW of power, which increases the available power by 222%.
  • II. Der Schaltregler vermag einen weit größeren Lastwider­ stand 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 Ansteuermöglichkeit bzw. der Treiberfähigkeit um 50% dar.II. The switching regulator can withstand a far greater load stood to feed when the two-wire telemetry arrangement fed from a 24 V supply voltage source becomes. A linear regulator with a minimal voltage V +/- of 12.5 V equals a load of 552 ohms. On Switching regulator with a minimum voltage V +/- of 6.5 V. is equal to a load of 841 ohms. This represents one 50% increase in the possibility of control or driver capability.

Claims (6)

1. Schaltungsanordnung zur Übertragung von Meßwertsignalen von einer Sendestation zu einer Empfangsstation über zwei Leitungen (W₁, W₂),
  • - bei der die Sendestation eine elektronische Schaltung (14) enthält, die einen an einen Meßwertgeber (10) angeschlos­ senen Signaleingang und einen die Meßwertsignale abgeben­ den Signalausgang (T₁) aufweist sowie einen mit der einen Leitung (W₁) über einen Spannungsregler (17) verbundenen Versorgungseingang (T₂) und einen mit der anderen Leitung (W₂) verbundenen Versorgungseingang (T₃) aufweist, wobei der Spannungsregler (17) eine zwischen den Versorgungsein­ gängen (T₂, T₂) liegende Spannung im wesentlichen konstant hält,
  • - bei der die Empfangsstation eine die Leitungen (W₁, W₂) miteinander verbindende Reihenschaltung einer Versorgungs­ quelle (11) und eines Lastwiderstands (12) aufweist,
  • - bei der der Signalausgang (T₁) der elektronischen Schaltung (14) an Bauelemente (15, 16, 18) angeschlossen ist, die den von der Versorgungsquelle (11) den Leitungen (W₁, W₂) zugeführten Strom (JOUT) entsprechend den Meßwertsignalen modulieren, und
  • - bei der eine dadurch an dem Lastwiderstand (12) abfallen­ de, entsprechend modulierte Spannung Signaleingängen eines Empfängers (13) zugeführt ist,
1. Circuit arrangement for the transmission of measured value signals from a transmitting station to a receiving station via two lines (W 1, W 2),
  • - In which the transmitting station contains an electronic circuit ( 14 ) which has a signal input connected to a measuring sensor ( 10 ) and one which emits the measured value signals, the signal output (T 1) and one with a line (W 1) via a voltage regulator ( 17 ) connected supply input (T₂) and a supply input (T₂) connected to the other line (W₂), the voltage regulator ( 17 ) keeping a voltage between the supply inputs (T₂, T₂) essentially constant,
  • - In which the receiving station has a line (W₁, W₂) interconnecting series connection of a supply source ( 11 ) and a load resistor ( 12 ),
  • - In which the signal output (T₁) of the electronic circuit ( 14 ) to components ( 15 , 16 , 18 ) is connected, which from the supply source ( 11 ) to the lines (W₁, W₂) supplied current (J OUT ) according to the measured value signals modulate, and
  • - in which a correspondingly modulated voltage drop on the load resistor ( 12 ) is fed to signal inputs of a receiver ( 13 ),
dadurch gekennzeichnet,
daß der Spannungsregler (17) ein Spannungs-Abwärts-Schaltregler (17) ist, der den ihm zugeführten Strom (IPS) in einen stärkeren Strom (Idc) umwandelt.
characterized by
that the voltage regulator ( 17 ) is a voltage step-down switching regulator ( 17 ) which converts the current (I PS ) supplied to it into a stronger current (I dc ).
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Schaltregler (17) einen Schalt­ transistor (18) enthält, dessen Einschaltdauer bei Abnahme des der elektronischen Schaltung (14) zuge­ führten Stroms (Idc) von einer Steuerschaltung (22) vergrößert wird.2. Circuit arrangement according to claim 1, characterized in that the switching regulator ( 17 ) contains a switching transistor ( 18 ), the duty cycle with decrease in the electronic circuit ( 14 ) supplied current (I dc ) from a control circuit ( 22 ) increases becomes. 3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zwischen dem Schalttransistor (18) und der elektronischen Schaltung (14) einerseits und zwischen den Versorgungseingängen (T₂, T₃) der elektronischen Schaltung (14) andererseits ein LC-Glied (19, 20) mit einer Induktivität (19) als Längsglied, einer Kapazität (20) als Querglied und eine vorgeschaltete, zur Induktivität (19) durchläs­ sige Diode (21) als Querglied liegen.3. Circuit arrangement according to claim 2, characterized in that between the switching transistor ( 18 ) and the electronic circuit ( 14 ) on the one hand and between the supply inputs (T₂, T₃) of the electronic circuit ( 14 ) on the other hand, an LC element ( 19 , 20th ) with an inductor ( 19 ) as a longitudinal element, a capacitance ( 20 ) as a transverse element and an upstream, inductor ( 19 ) permeable diode ( 21 ) as a transverse element. 4. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die an den Signalausgang (T₁) der elektronischen Schaltung (14) angeschlossenen Bauelemente (15, 16, 18) einen Steuertransistor (16) enthalten und daß der den Leitungen (W₁, W₂) zugeführte Strom (IOUT) in zwei Teilströme (IPS, ICTL) aufgeteilt ist, von denen der eine Teilstrom (IPS) dem Schaltregler (17) zugeführt ist und der andere Teilstrom (ICTL) von dem Steuer­ transistor (16) moduliert ist.4. Circuit arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the components ( 15 , 16 , 18 ) connected to the signal output (T₁) of the electronic circuit ( 14 ) contain a control transistor ( 16 ) and that the lines (W₁, W₂ ) supplied current (I OUT ) is divided into two partial currents (I PS , I CTL ), of which one partial current (I PS ) is supplied to the switching regulator ( 17 ) and the other partial current (I CTL ) from the control transistor ( 16 ) is modulated. 5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Steuertransistor (16) von einem Differenzverstärker (15) gesteuert ist, dessen einer Eingang mit dem Signalausgang (T₁) der elektronischen Schaltung (14) verbunden ist und dessen anderer Eingang mit der zu dem Lastwiderstand (12) führenden Leitung (W₂) stromabwärts eines in dieser Leitung (W₂) liegenden Widerstands (RFB) verbunden ist.5. Circuit arrangement according to claim 4, characterized in that the control transistor ( 16 ) is controlled by a differential amplifier ( 15 ), one input of which is connected to the signal output (T₁) of the electronic circuit ( 14 ) and the other input of which the load resistor ( 12 ) leading line (W₂) downstream of a in this line (W₂) lying resistor (R FB ) is connected.
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