JP2018007135A - Signal transfer circuit and instrumentation device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、入出力間を絶縁した状態で信号伝達が可能な信号伝達回路及び計装機器に関する。 The present invention relates to a signal transmission circuit and an instrumentation device capable of transmitting a signal in a state where input and output are insulated.
一般に計装機器においては、DC4〜20mA電流信号が標準信号として用いられている。DC4〜20mA電流信号は、4mAを0%、20mAを100%とし、4mAから20mA間のリニアな変化から計測値を伝達する方式である。DC4〜20mA電流信号を使用した計装機器は、例えば、DC電源から電力が供給され、センサ回路で測定した測定値を制御回路からDC4〜20mA電流信号を使用して外部に出力している。この計装機器では、制御回路とセンサ回路がDC電源からのノイズを受けないように絶縁型の信号伝達回路を介して信号伝達されている。 Generally, in instrumentation, a DC 4 to 20 mA current signal is used as a standard signal. The DC 4 to 20 mA current signal is a system in which 4 mA is 0% and 20 mA is 100%, and a measured value is transmitted from a linear change between 4 mA and 20 mA. An instrumentation device using a DC 4 to 20 mA current signal is supplied with power from a DC power source, for example, and outputs a measurement value measured by a sensor circuit from the control circuit to the outside using the DC 4 to 20 mA current signal. In this instrumentation device, the control circuit and the sensor circuit are signal-transmitted via an insulating signal transmission circuit so as not to receive noise from the DC power source.
図7に示すように、信号伝達回路40として入出力間をトランスTRで絶縁した状態で信号伝達するものが提案されている。信号伝達回路40では、電気信号S0が制限抵抗R41を通じてトランスTRの一次巻線に入力され、トランスTRの二次巻線から制限抵抗R42を通じて出力される。トランスTRの二次巻線側には、トランスTRで発生する逆電圧を除去するダイオードD41が設けられている。トランスTRでは、入力側の電気信号の立ち上がりや立ち上がりの高周波成分だけが短パルス信号S3として出力側に伝達される。短パルス信号S3のパルス幅がパルス幅変更回路41で調整されて出力側で電気信号S0が復元される。
As shown in FIG. 7, a
上記した信号伝達回路40では、トランスTRを用いることで絶縁することが可能になるが、トランスTRは部品外形が大きく高価であるという問題がある。このため、安価で小型のフォトカプラやフォトMOSリレーを用いた信号伝達回路も提案されている。フォトカプラを用いた信号伝達回路では、入力信号がフォトカプラ内の発光ダイオードで光に変換され、この光がフォトカプラ内のフォトトランジスタに受光されることで、入出力間を絶縁した状態で信号伝達することが可能になっている。なお、フォトカプラを信号伝達回路に適用した構成は、例えば特許文献1に記載されている。
In the
ところで、フォトカプラやフォトMOSリレー等の絶縁型の信号伝達素子をONにするためには発光ダイオードに0.5〜10mAの電流を流す必要がある。DC4〜20mA電流信号は電力供給も兼ねているため、発光ダイオードで電流が消費されると、DC4〜20mA電流信号で伝達される電流値に発光ダイオードで消費される電流値が加えられる。上記したように、DC4〜20mA電流信号は4mAから20mAの電流値を0%から100%の計測値として表しているため、消費電流が加わると正確な計測値を外部に伝達することができないという問題があった。 By the way, in order to turn on an insulating signal transmission element such as a photocoupler or a photoMOS relay, it is necessary to pass a current of 0.5 to 10 mA to the light emitting diode. Since the DC4 to 20 mA current signal also serves as power supply, when the current is consumed by the light emitting diode, the current value consumed by the light emitting diode is added to the current value transmitted by the DC4 to 20 mA current signal. As described above, the current signal of DC4 to 20 mA represents the current value of 4 mA to 20 mA as the measured value of 0% to 100%, so that when the consumption current is added, the accurate measured value cannot be transmitted to the outside. There was a problem.
本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、電流信号に影響を与えることなく、入出力間を絶縁状態で信号伝達することができる信号伝達回路及び計装機器を提供することを目的の1つとする。 The present invention has been made in view of such points, and an object of the present invention is to provide a signal transmission circuit and an instrumentation device capable of transmitting signals in an insulated state between input and output without affecting a current signal. One.
本発明の信号伝達回路は、入出力間を絶縁した状態で電気信号を伝達する信号伝達回路であって、発光素子から受光素子に光学的に信号伝達する信号伝達部と、電源から前記発光素子に向かって流れ込む電流を制限する制限抵抗と、前記制限抵抗を介して前記電源から出力された電荷を蓄えるキャパシタとを備え、前記キャパシタに蓄えた電荷によって前記発光素子を発光させることを特徴とする。 The signal transmission circuit of the present invention is a signal transmission circuit for transmitting an electrical signal in a state where the input and output are insulated, a signal transmission unit for optically transmitting a signal from a light emitting element to a light receiving element, and a light source from the light emitting element And a capacitor for storing the electric charge output from the power source through the limiting resistor, and the light emitting element is caused to emit light by the electric charge stored in the capacitor. .
本発明によれば、キャパシタが内部電源となって信号伝達部の発光素子が発光されて、発光素子と受光素子の間が絶縁された状態で光学的に信号伝達される。発光素子の発光時には電源からの電流が消費されるのではなく、キャパシタに蓄えられた電荷が消費される。このため、電源からの電力供給を兼ねる電流信号に対する発光素子の電流消費の影響を抑えることができる。また、キャパシタの電荷の消費によって電圧が低下しても、電源から信号伝達回路内に流れ込む電流が制限抵抗によって制限されるため、電流信号に対する影響が抑えられている。したがって、電流信号に影響を与えることなく、入出力間を絶縁状態で信号伝達することができる。 According to the present invention, the capacitor serves as an internal power source, the light emitting element of the signal transmission unit emits light, and an optical signal is transmitted with the light emitting element and the light receiving element insulated. When the light emitting element emits light, current from the power source is not consumed, but electric charge stored in the capacitor is consumed. For this reason, the influence of the current consumption of the light emitting element on the current signal that also serves as the power supply from the power source can be suppressed. Even if the voltage drops due to the consumption of the capacitor charge, the current flowing from the power source into the signal transmission circuit is limited by the limiting resistor, so that the influence on the current signal is suppressed. Therefore, the signal can be transmitted in an insulated state between the input and output without affecting the current signal.
以下、本実施の形態の信号伝達回路を適用した計装機器について説明する。図1は、本実施の形態の計装機器のブロック図である。図2は、比較例の信号伝達回路の回路図である。 Hereinafter, instrumentation equipment to which the signal transmission circuit of the present embodiment is applied will be described. FIG. 1 is a block diagram of the instrumentation device of the present embodiment. FIG. 2 is a circuit diagram of a signal transmission circuit of a comparative example.
図1に示すように、計装機器1は、DC電源(電源)2に接続されており、DC電源2からのDC4〜20mA電流信号で電力供給されると共に、DC4〜20mA電流信号で計測値を外部に出力するように構成されている。計装機器1には、計装機器1を制御する制御回路3と、計測対象を計測するセンサ回路4と、制御回路3−センサ回路4間で信号伝達する信号伝達回路5とが設けられている。信号伝達回路5は、制御回路3及びセンサ回路4がノイズの影響を受けないように、入力側の制御回路3と出力側のセンサ回路4を電気的に絶縁した状態で光学的に信号伝達している。
As shown in FIG. 1, the
このように構成された計装機器1では、制御回路3から信号伝達回路5に電気信号が入力され、信号伝達回路5を介して入力された電気信号でセンサ回路4が駆動される。そして、制御回路3によってセンサ回路4から計測値が取得され、電力供給でも使用されるDC4〜20mA電流信号で制御回路3から外部に計測値が出力される。なお、DC4〜20mA電流信号は計装向けの標準規格の信号であり、4mAを0%とし20mAを100%として、4mAから20mAまでの電流値のリニアの変化を使用して計測値を伝達する伝達用信号である。
In the
ところで、図2の比較例に示すように、一般的な信号伝達回路30として安価で小型のフォトカプラF31を使用したものが提案されている。フォトカプラF31の発光ダイオードD31のアノードに制限抵抗R31を介して入力側の電源ラインL31が接続され、発光ダイオードD31のカソードに電気信号S0の入力ラインL32が接続されている。また、フォトカプラF31のフォトトランジスタT31のコレクタにプルアップ抵抗R32を介して出力側の電源ラインL33が接続され、フォトトランジスタT31のエミッタがグラウンドG31に接地されている。また、プルアップ抵抗R32とフォトトランジスタT31のコレクタの接続点P31が電気信号S0の出力ラインL34に接続されている。
Meanwhile, as shown in the comparative example of FIG. 2, those using photocoupler F 31 inexpensive and compact as a general
この信号伝達回路30では、例えば、入力側の電気信号S0がHighからLowに切り替わると、入力側の電源電圧V0が制限抵抗R31を介して発光ダイオードD31に印加されて発光される。発光ダイオードD31の発光によってフォトトランジスタT31のベース部分に光が当たると、フォトトランジスタT31のコレクタ−エミッタ間が導通されて、出力側の電源電圧VEがグラウンドG31に短絡して出力側の電気信号がHighからLowに切り替わる。このように、入力端子からの電気信号S0に応じて発光ダイオードD31のON/OFFが切り替り、発光ダイオードD31の発光に応じてフォトトランジスタT31がスイッチングすることで電気信号S0が信号伝達される。
In the
図3に示すように、この比較例の信号伝達回路30では、フォトカプラF31をONにするためには発光ダイオードD31に0.5〜10mA程度の電流を流す必要がある。このため、発光ダイオードD31で10mAが電流消費されると、電力供給を兼ねるDC4〜20mA電流信号で伝達される電流値に10mAが加算された電流が流れてしまう。例えば、4mAの電流信号を出力している状態で発光ダイオードD31が発光すると、発光ダイオードD31の発光期間Tはベース電流(装置内の他の回路で消費される電流)に加えて10mAが加算された電流が出力される。このように、DC4〜20mA電流信号の電流値が発光ダイオードD31の消費電流で可変するため、正確な計測値を伝達することができない。
3, in the comparative example
そこで、本実施の形態の信号伝達回路5には、電源から出力された電荷を一次的にキャパシタC11(図4参照)で蓄えて、キャパシタC11に蓄えた電荷を用いて発光ダイオードD11(図4参照)を発光させるようにしている。これにより、DC4〜20mA電流信号に対する発光ダイオードD11の発光による消費電流の影響を抑えている。さらに、キャパシタC11の電荷の消費によって電圧が低下しても、電源から信号伝達回路5内に流れ込む電流を制限抵抗R11(図4参照)で制限することによって、DC4〜20mA電流信号に対する影響を抑えている。
Therefore, the
以下、第1の実施の形態の信号伝達回路について説明する。第1の実施の形態の信号伝達回路は、単一のフォトカプラによって入出力間を絶縁した状態で信号伝達する回路である。第1の実施の形態の信号伝達回路は、一定のパルス幅の電気信号を伝達する際に使用される。図4は、第1の実施の形態の信号伝達回路の一例を示す図である。なお、図4は、本実施の形態を説明するために簡略化した回路図であり、信号伝達回路が通常備える構成については備えているものとする。 The signal transmission circuit according to the first embodiment will be described below. The signal transmission circuit according to the first embodiment is a circuit that transmits a signal in a state where the input and output are insulated by a single photocoupler. The signal transmission circuit according to the first embodiment is used when an electric signal having a constant pulse width is transmitted. FIG. 4 is a diagram illustrating an example of the signal transmission circuit according to the first embodiment. FIG. 4 is a simplified circuit diagram for explaining the present embodiment, and it is assumed that the signal transmission circuit normally includes a configuration.
図4に示すように、信号伝達回路5は、パッケージ内に発光ダイオードD11とフォトトランジスタT11を封入したフォトカプラ(信号伝達部)F11を備えており、発光ダイオードD11とフォトトランジスタT11の間で入力側と出力側が電気的に絶縁されている。信号伝達回路5の入力側の電源ラインL11は、制限抵抗R11及びキャパシタC11を介してグラウンドG11に接地されている。また、制限抵抗R11及びキャパシタC11の接続点P11は、制限抵抗R12を介して発光ダイオードD11のアノードに接続されている。電気信号S0の入力ラインL12は、単安定マルチバイブレータ(信号変換部)11を介して発光ダイオードD11のカソードに接続されている。
As shown in FIG. 4, the
信号伝達回路5の出力側の電源ラインL13は、プルアップ抵抗R13を介してフォトトランジスタT11のコレクタに接続され、フォトトランジスタT11のエミッタはグラウンドG12に接地されている。また、プルアップ抵抗R13とフォトトランジスタT11のコレクタの接続点P12は、パルス幅変更回路(信号復元部)12を介して電気信号S0の出力ラインL14に接続されている。信号伝達回路5では、入力ラインL12からフォトカプラF11に信号が入力されると、フォトカプラF11で発光ダイオードD11からフォトトランジスタT11に光学的に信号伝達されて出力ラインL14に信号が出力される。
Power line L 13 of the output side of the
この信号伝達回路5では、入力側の電源ラインL11を通じて制限抵抗R11に電流が流れて、制限抵抗R11を介して電源から出力された電荷がキャパシタC11に蓄えられている。このキャパシタC11に一時的に蓄えられた電荷によって、発光ダイオードD11が発光される。これにより、発光ダイオードD11の発光時にはキャパシタC11が内部電源として使用され、DC4〜20mA電流信号の電流値に発光ダイオードD11の消費電流が加算されることがない。よって、発光ダイオードD11の発光時のDC4〜20mA電流信号を用いた計測値の伝達への影響が抑えられている。
In the
また、制限抵抗R11は、電源から発光ダイオードD11に向かう電流を、DC4〜20mA電流信号に影響を与えない大きさに制限している。これにより、キャパシタC11の充電時や発光ダイオードD11の発光時に電源ラインL11を通じて信号伝達回路5内に流れ込む電流が大きくなり過ぎることがなく、DC4〜20mA電流信号を用いた計測値の伝達への影響が抑えられている。このときの制限抵抗R11の抵抗値RL1は、入力側の電源電圧をV0、DC4〜20mA電流信号に影響を与えない電流の最大値をIamaxとすると、下記式(1)のように表される。V0=5V、Iamax=0.1mAの場合にはRL1≧50kΩになる。
式(1)
RL1≧V0/Iamax
Also, limiting resistor R 11 is the current flowing from the power source to the light emitting diode D 11, limits to the size that does not affect the DC4~20mA current signal. Thus, without the current flowing into the
Formula (1)
R L1 ≧ V0 / I amax
また、制限抵抗R12は、キャパシタC11から発光ダイオードD11に流れる電流を、発光ダイオードD11の発光に必要な大きさに制限している。このときの制限抵抗R12の抵抗値RL2は、フォトカプラF11の最大駆動電圧(制限抵抗R11とキャパシタC11の接続点P11の最大電圧)をV1max、発光ダイオードD11に流す電流をIFとすると、下記式(2)のように表される。V1=5V、IF=10mAの場合にはRL2=500Ωになる。
式(2)
RL2=V1max/IF
Also, limiting resistor R 12 is the current flowing from the capacitor C 11 to the light emitting diode D 11, limits to the size required for the light emission of the light-emitting diode D 11. The resistance value R L2 of the limiting resistor R 12 at this time is the maximum driving voltage of the photocoupler F 11 (the maximum voltage at the connection point P 11 between the limiting resistor R 11 and the capacitor C 11 ) V1 max , and the light-emitting diode D 11 is caused to flow. When the current is IF, it is expressed as the following formula (2). In the case of V1 = 5 V and IF = 10 mA, R L2 = 500Ω.
Formula (2)
R L2 = V1 max / IF
単安定マルチバイブレータ11は、電気信号S0を当該電気信号S0の立ち上がり又は立ち下がりに同期した短パルス信号S1に変換して発光ダイオードD11のカソードに印加している。短パルス信号S1の信号レベルがHighからLowに切り替わることで、発光ダイオードD11に順方向電圧が加わって、キャパシタC11から発光ダイオードD11に電流が流れて発光ダイオードD11が発光する。このとき、短パルス信号S1のパルス幅が、キャパシタC11に蓄えられた電荷で発光ダイオードD11を発光可能な期間以下に設定されているため、キャパシタC11に蓄えられた電荷だけで発光ダイオードD11を発光させることができる。
フォトカプラF11では、短パルス信号S1が発光ダイオードD11の発光に変換されてフォトトランジスタT11に伝達される。フォトトランジスタT11は発光ダイオードD11からの光を受けることで、ベース電流が流れてコレクタ−エミッタ間を導通する。このとき、フォトトランジスタT11のコレクタにはプルアップ抵抗R13を介して出力側の電源電圧VEが印加されており、このコレクタ電圧がコレクタ−エミッタ間の導通によって変動する。入力側の短パルス信号S1に同期してコレクタ電圧が変動することで、コレクタ電圧の変動から出力側の短パルス信号S1が取り出されて信号伝達される。 In photocoupler F 11, the short pulse signal S1 is transmitted to the phototransistor T 11 is converted into light emission of the light-emitting diode D 11. The phototransistor T 11 receives light from the light emitting diode D 11 , and thus a base current flows and conducts between the collector and the emitter. At this time, the collector of the phototransistor T 11 has the power source voltage VE on the output side through a pull-up resistor R 13 is applied, the collector voltage Collector - varies by conduction between the emitter. As the collector voltage fluctuates in synchronization with the short pulse signal S1 on the input side, the short pulse signal S1 on the output side is extracted from the fluctuation of the collector voltage and transmitted.
パルス幅変更回路12は、出力側の短パルス信号S1のパルス幅を調整して、一定のパルス幅の電気信号S0を復元する。すなわち、短パルス信号S1が、当該短パルス信号S1の信号レベルがHighからLowになるのに同期して立ち下がる一定のパルス幅の電気信号S0に変換される。上記したように、第1の実施の形態の信号伝達回路5は一定のパルス幅の電気信号の信号伝達に用いられる。このため、電気信号の立ち上がり又は立ち下がりタイミングのいずれかを短パルス信号S1で伝達することで、入出力間で一定のパルス幅の電気信号S0を信号伝達することが可能になっている。
The pulse width changing circuit 12 adjusts the pulse width of the short pulse signal S1 on the output side to restore the electric signal S0 having a constant pulse width. That is, the short pulse signal S1 is converted into an electric signal S0 having a constant pulse width that falls in synchronization with the signal level of the short pulse signal S1 changing from High to Low. As described above, the
このように構成された信号伝達回路5では、入力ラインL12に電気信号S0が入力されると、単安定マルチバイブレータ11によって電気信号S0が短パルス信号S1に変換される。短パルス信号S1の信号レベルがHighからLowに切り替わることで、キャパシタC11に蓄えられた電荷によって発光ダイオードD11が発光する。発光ダイオードD11の発光に同期してフォトトランジスタT11のコレクタ−エミッタ間が導通し、コレクタ電圧の変動が短パルス信号S1として取り出される。そして、パルス幅変更手段12で短パルス信号S1から電気信号S0が復元されることで、フォトカプラF11によって入出力間を絶縁した状態で電気信号S0が信号伝達される。
In the
このとき、キャパシタC11に蓄えられた電荷だけで発光ダイオードD11が発光するため、DC4〜20mA電流信号に影響を与えることがない。キャパシタC11の電荷が発光ダイオードD11の発光に使用されることで、キャパシタC11の電圧が低下して外部から信号伝達回路5に電流が流れ込むが、制限抵抗R11によって電流が制限されることでDC4〜20mA電流信号への影響を抑えることができる。フォトカプラF11を用いて入出力間が絶縁されているため、トランスを用いて入出力間を絶縁する構成と比較して、信号伝達回路5を安価かつ小型に形成することができる。
At this time, since the light-emitting diode D 11 only the charge stored in the capacitor C 11 emits light, it does not affect the DC4~20mA current signal. By electric charge of the capacitor C 11 is used for light emission of the light emitting diode D 11, the voltage of the capacitor C 11 is current flows into the
ここで、図5を参照して短パルス信号に対するフォトカプラの駆動電圧の変化について説明する。図5は、第1の実施の形態の短パルス信号とフォトカプラの駆動電圧との関係を示す図である。ここでは、図4を適宜参照しながら説明する。 Here, a change in the driving voltage of the photocoupler with respect to the short pulse signal will be described with reference to FIG. FIG. 5 is a diagram illustrating a relationship between the short pulse signal and the driving voltage of the photocoupler according to the first embodiment. Here, description will be made with reference to FIG. 4 as appropriate.
図5に示すように、短パルス信号S1のLow期間Tlでは、キャパシタC11から発光ダイオードD11に電流が流れてキャパシタC11に蓄えられた電荷が消費され、キャパシタC11と制限抵抗R11の接続点P11(図4参照)の駆動電圧V1が急激に低下する。電源電圧V0よりも駆動電圧V1が低下することで信号伝達回路5内に電源から電流が流れ込むが、制限抵抗R11によって電流が制限されている。短パルス信号S1のHigh期間T2では、発光ダイオードD11が消灯して電流が流れることがなく、制限抵抗R11を介して電源から出力された電荷がキャパシタC11に蓄えられ、後続の短パルス信号がLowになるまで駆動電圧V1が徐々に上昇する。
As shown in FIG. 5, the Low period Tl of the short pulse signal S1, charge current to the light emitting diode D 11 is stored in the capacitor C 11 flows from the capacitor C 11 is consumed, the limiting resistor and a capacitor C 11 R 11 The driving voltage V1 at the connection point P 11 (see FIG. 4) rapidly decreases. Although the driving voltage V1 than the power supply voltage V0 is a current flows from the power supply to the
以上のように、第1の実施の形態の信号伝達回路5では、キャパシタC11が内部電源となってフォトカプラF11の発光ダイオードD11が発光されて、発光ダイオードD11とフォトトランジスタT11の間が絶縁された状態で光学的に信号伝達される。発光ダイオードD11の発光時には電源からの電流が消費されるのではなく、キャパシタC11に蓄えられた電荷が消費される。このため、DC4〜20mA電流信号に対する発光ダイオードD11の電流消費の影響を抑えることができる。また、キャパシタC11の電荷の消費によって電圧が低下しても、電源から信号伝達回路5内に流れ込む電流が制限抵抗R11によって制限されるため、DC4〜20mA電流信号に対する影響が抑えられている。したがって、DC4〜20mA電流信号に影響を与えることなく、入出力間を絶縁した状態で信号伝達することができる。
As described above, in the
次に、第2の実施の形態の信号伝達回路について説明する。第2の実施の形態の信号伝達回路は、複数のフォトカプラによって入出力間を絶縁した状態で信号伝達する回路である。第2の実施の形態の信号伝達回路は、複数のフォトカプラによって電気信号の立ち上がりと立ち下がりを個別に伝達することで、パルス幅が可変する電気信号を伝達することが可能になっている。図6は、第2の実施の形態の信号伝達回路の一例を示す図である。なお、図6は、本実施の形態を説明するために簡略化した回路図であり、信号伝達回路が通常備える構成については備えているものとする。また、第2の実施の形態では、第1の実施の形態と同一の構成については説明を省略する。 Next, a signal transmission circuit according to a second embodiment will be described. The signal transmission circuit according to the second embodiment is a circuit that transmits a signal with a plurality of photocouplers insulated from input and output. The signal transmission circuit according to the second embodiment can transmit an electric signal having a variable pulse width by individually transmitting the rising and falling edges of the electric signal by a plurality of photocouplers. FIG. 6 is a diagram illustrating an example of a signal transmission circuit according to the second embodiment. FIG. 6 is a simplified circuit diagram for explaining the present embodiment, and it is assumed that the signal transmission circuit normally includes a configuration. In the second embodiment, the description of the same configuration as that of the first embodiment is omitted.
図6に示すように、信号伝達回路20では、第1、第2のフォトカプラF21、F22を備えており、第1、第2のフォトカプラF21、F22を介して入力側と出力側が電気的に絶縁されている。信号伝達回路20の入力側の電源ラインL21は、制限抵抗R21及びキャパシタC21を介してグラウンドG21に接地されている。また、制限抵抗R21及びキャパシタC21の接続点P21は、制限抵抗R22を介して第1、第2の発光ダイオードD21、D22のアノードに接続されている。電気信号の入力ラインL22は、第1、第2の単安定マルチバイブレータ(第1、第2の信号変換部)21、22を介して第1、第2の発光ダイオードD21、D22のカソードに接続されている。
As shown in FIG. 6, the
信号伝達回路20の出力側の第1の電源ラインL23は、第1のプルアップ抵抗R23を介して第1のフォトトランジスタT21のコレクタに接続され、第1のフォトトランジスタT21のエミッタはグラウンドG22に接地されている。出力側の第2の電源ラインL24は、第2のプルアップ抵抗R24を介して第2のフォトトランジスタT22のコレクタに接続され、第2のフォトトランジスタT22のエミッタはグラウンドG23に接地されている。また、第1、第2のプルアップ抵抗R23、R24と第1、第2のフォトトランジスタT21、T22のコレクタの接続点P21、P22は、それぞれフリップフロップ(信号復元部)23を介して電気信号の出力ラインL25に接続されている。
The first power supply line L 23 on the output side of the
キャパシタC21には電源から出力された電荷が蓄えられており、このキャパシタC21に一時的に蓄えられた電荷によって第1、第2の発光ダイオードD21、D22が発光される。これにより、第1、第2の発光ダイオードD21、D22の発光時にはキャパシタC21が内部電源として使用される。また、制限抵抗R21はキャパシタC21の充電時や第1、第2の発光ダイオードD21、D22の発光時に電源ラインL21を通じて信号伝達回路20内に流れ込む電流を制限している。このため、DC4〜20mA電流信号に対する第1、第2の発光ダイオードD21、D22の消費電流の影響が抑えられている。
The capacitor C 21 stores the charge output from the power source, and the first and second light emitting diodes D 21 and D 22 emit light by the charge temporarily stored in the capacitor C 21 . Thus, the first capacitor C 21 during light emission of the second light-emitting diodes D 21, D 22 is used as an internal power supply. Further, the limiting resistor R 21 limits the current flowing into the
このように構成された信号伝達回路20では、入力ラインL22に電気信号が入力されると、第1、第2の単安定マルチバイブレータ21、22に電気信号S0が入力される。第1の単安定マルチバイブレータ21では、電気信号S0が当該電気信号S0の立ち下がりに同期した第1の短パルス信号S1に変換され、第2の単安定マルチバイブレータ22では、電気信号S0が当該電気信号S0の立ち上がりに同期した第2の短パルス信号S2に変換される。短パルス信号S1、S2のパルス幅は、キャパシタC21に蓄えられた電荷で第1、第2の発光ダイオードD21、D22を発光可能な期間以下に設定されている。
In the
第1の短パルス信号S1がHighからLowに切り替わることで、キャパシタC21に蓄えられた電荷によって第1の発光ダイオードD21が発光し、第1の発光ダイオードD21から第1のフォトトランジスタT21に第1の短パルス信号S1が伝達される。同様に、第2の短パルス信号S2がHighからLowに切り替わることで、キャパシタC21に蓄えられた電荷によって第2の発光ダイオードD22が発光し、第2の発光ダイオードD22から第2のフォトトランジスタT22に第2の短パルス信号S2が伝達される。そして、フリップフロップ23にて第1、第2の短パルス信号S1、S2から電気信号S0が復元される。
By first short pulse signal S1 is switched to Low from High, the first light emitting diode D 21 emits light by the charge stored in the capacitor C 21, a first phototransistor T from the first light-emitting diode D 21 21 receives the first short pulse signal S1. Similarly, the second short pulse signal S2 that switches to Low from High, the second light emitting diode D 22 emits light by the charge stored in the capacitor C 21, the second light-emitting diodes D 22 second second short pulse signal S2 is transmitted to the phototransistor T 22. The flip-
この場合、フリップフロップ23では、第1の短パルス信号S1で信号レベルが立ち下げられ、第2の短パルス信号S2で信号レベルが立ち上げられて電気信号S0が復元される。すなわち、第1の短パルス信号S1の信号レベルがLowになると電気信号がクリアされ、第2の短パルス信号S2の信号レベルがLowになると電気信号がセットされる。このように、電気信号S0の立ち下がりと立ち上がりのタイミングが伝達されることで、電気信号S0のパルス幅が不定であっても、入出力間を絶縁した状態で電気信号S0を信号伝達することが可能になっている。
In this case, in the flip-
以上のように、第2の実施の形態の信号伝達回路20においても、第1の実施の形態と同様に第1、第2の発光ダイオードD21、D22の発光によるDC4〜20mA電流信号に対する影響が抑えられている。また、電気信号S0のパルス幅が可変しても、入出力間を絶縁した状態で信号伝達することができる。
As described above, also in the
なお、上記した第1、第2の実施の形態では、信号伝達部としてフォトカプラF11、F21、F22を例示しているが、この構成に限定されない。信号伝達部は、電気信号を発光素子から受光素子に光学的に伝達する構成であればよく、例えば、発光ダイオードとMOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)から成るフォトMOSリレーが使用されてもよい。 In the first and second embodiments described above, the photocouplers F 11 , F 21 , and F 22 are illustrated as signal transmission units, but the present invention is not limited to this configuration. The signal transmission unit may be configured to optically transmit an electrical signal from the light emitting element to the light receiving element. For example, a photo MOS relay including a light emitting diode and a MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor) is used. May be.
また、上記した第1、第2の実施の形態では、信号変換部として単安定マルチバイブレータ11、21、22を例示しているが、この構成に限定されない。信号変換部は、電気信号を当該電気信号の立ち上がり又は立ち下がりに同期した短パルス信号に変換する構成であればよく、例えば、微分回路等でも短パルス信号に変換可能である。
In the first and second embodiments described above,
また、上記した第1の実施の形態では、信号復元部としてパルス幅変更回路12を例示し、上記した第2の実施の形態では、信号復元部としてフリップフロップ23を例示しているが、この構成に限定されない。信号復元部は、発光素子から受光素子に伝達された短パルス信号から電気信号を復元する構成であれよい。
In the first embodiment described above, the pulse width changing circuit 12 is exemplified as the signal restoration unit. In the second embodiment, the flip-
また、本実施の形態の計装機器1は、本発明の信号伝達回路を備えた計装機器であればよく、例えば駐車場内の車両の有無やゲートへの車両の進入を検知する車両検知器に使用されてもよい。
Moreover, the
また、本発明の各実施の形態を説明したが、本発明の他の実施の形態として、上記各実施の形態を全体的又は部分的に組み合わせたものでもよい。 Moreover, although each embodiment of the present invention has been described, as another embodiment of the present invention, the above embodiments may be combined in whole or in part.
また、本発明の実施の形態は上記の各実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の趣旨を逸脱しない範囲において様々に変更、置換、変形されてもよい。さらに、技術の進歩又は派生する別技術によって、本発明の技術的思想を別の仕方で実現することができれば、その方法を用いて実施されてもよい。したがって、特許請求の範囲は、本発明の技術的思想の範囲内に含まれ得る全ての実施態様をカバーしている。 The embodiments of the present invention are not limited to the above-described embodiments, and various changes, substitutions, and modifications may be made without departing from the spirit of the technical idea of the present invention. Further, if the technical idea of the present invention can be realized in another way by technological advancement or other derived technology, the method may be used. Accordingly, the claims cover all embodiments that can be included within the scope of the technical idea of the present invention.
また、本発明の実施の形態では、本発明を計装機器の信号伝達回路に適用した構成について説明したが、その他の機器の信号伝達回路に適用することも可能である。 In the embodiment of the present invention, the configuration in which the present invention is applied to the signal transmission circuit of the instrumentation device has been described. However, the present invention can also be applied to the signal transmission circuit of other devices.
下記に、上記の実施形態における特徴点を整理する。
上記実施形態に記載の信号伝達回路は、入出力間を絶縁した状態で電気信号を伝達する信号伝達回路であって、発光素子から受光素子に光学的に信号伝達する信号伝達部と、電源から前記発光素子に向かって流れ込む電流を制限する制限抵抗と、前記制限抵抗を介して前記電源から出力された電荷を蓄えるキャパシタとを備え、前記キャパシタに蓄えた電荷によって前記発光素子を発光させることを特徴とする。
The feature points in the above embodiment are organized below.
The signal transmission circuit described in the above embodiment is a signal transmission circuit that transmits an electrical signal in a state where the input and output are insulated from each other, and includes a signal transmission unit that optically transmits a signal from a light emitting element to a light receiving element, and a power source. A limiting resistor for limiting a current flowing toward the light emitting element; and a capacitor for storing a charge output from the power supply via the limiting resistor, and causing the light emitting element to emit light by the charge stored in the capacitor. Features.
この構成によれば、キャパシタが内部電源となって信号伝達部の発光素子が発光されて、発光素子と受光素子の間が絶縁された状態で光学的に信号伝達される。発光素子の発光時には電源からの電流が消費されるのではなく、キャパシタに蓄えられた電荷が消費される。このため、電源からの電力供給を兼ねる電流信号に対する発光素子の電流消費の影響を抑えることができる。また、キャパシタの電荷の消費によって電圧が低下しても、電源から信号伝達回路内に流れ込む電流が制限抵抗によって制限されるため、電流信号に対する影響が抑えられている。したがって、電流信号に影響を与えることなく、入出力間を絶縁状態で信号伝達することができる。 According to this configuration, the light emitting element of the signal transmission unit emits light with the capacitor serving as an internal power source, and an optical signal is transmitted with the light emitting element and the light receiving element insulated. When the light emitting element emits light, current from the power source is not consumed, but electric charge stored in the capacitor is consumed. For this reason, the influence of the current consumption of the light emitting element on the current signal that also serves as the power supply from the power source can be suppressed. Even if the voltage drops due to the consumption of the capacitor charge, the current flowing from the power source into the signal transmission circuit is limited by the limiting resistor, so that the influence on the current signal is suppressed. Therefore, the signal can be transmitted in an insulated state between the input and output without affecting the current signal.
また、上記実施形態に記載の信号伝達回路において、電気信号を当該電気信号の立ち上がり又は立ち下がりに同期した短パルス信号に変換して前記発光素子に入力する信号変換部と、前記発光素子から前記受光素子に伝達された短パルス信号から電気信号を復元する信号復元部とを備え、短パルス信号のパルス幅が、前記キャパシタに蓄えられた電荷で前記発光素子を発光可能な期間以下である。この構成によれば、キャパシタに蓄えられた電荷だけで発光素子を発光できるため、電流信号に対する発光素子の発光による影響を抑えることができる。 Further, in the signal transmission circuit described in the above embodiment, a signal conversion unit that converts an electric signal into a short pulse signal synchronized with the rising or falling of the electric signal and inputs the signal to the light emitting element; A signal restoration unit that restores an electrical signal from the short pulse signal transmitted to the light receiving element, and the pulse width of the short pulse signal is equal to or shorter than a period during which the light emitting element can emit light with the charge stored in the capacitor. According to this configuration, since the light emitting element can emit light only with the electric charge stored in the capacitor, the influence of light emission of the light emitting element on the current signal can be suppressed.
また、上記実施形態に記載の信号伝達回路において、前記信号復元部が、短パルス信号のパルス幅を調整して電気信号を復元する。この構成によれば、短パルス信号から一定のパルス幅の電気信号を復元することで、入出力間で一定のパルス幅の電気信号を信号伝達することができる。 Further, in the signal transmission circuit described in the above embodiment, the signal restoration unit restores the electric signal by adjusting the pulse width of the short pulse signal. According to this configuration, by restoring an electrical signal having a constant pulse width from a short pulse signal, it is possible to transmit an electrical signal having a constant pulse width between the input and output.
また、上記実施形態に記載の信号伝達回路において、前記信号伝達部が、第1の発光素子から第1の受光素子に光学的に信号伝達する第1の信号伝達部と、第2の発光素子から第2の受光素子に光学的に信号伝達する第2の信号伝達部とを有し、前記信号変換部が、電気信号を当該電気信号の立ち下がりに同期した第1の短パルス信号に変換する第1の信号変換部と、電気信号を当該電気信号の立ち上がりに同期した第2の短パルス信号に変換する第2の信号変換部とを有し、前記信号復元部が、前記第1の発光素子から前記第1の受光素子に伝達された第1の短パルス信号で信号レベルを立ち下げ、前記第2の発光素子から前記第2の受光素子に伝達された第2の短パルス信号で信号レベルを立ち上げることで電気信号を復元し、第1の短パルス信号のパルス幅が、前記キャパシタに蓄えられた電荷で前記第1の発光素子を発光可能な期間以下であり、第2の短パルス信号のパルス幅が、前記キャパシタに蓄えられた電荷で前記第2の発光素子を発光可能な期間以下である。この構成によれば、電気信号の立下りを第1の短パルス信号、電気信号の立ち上がりを第2の短パルス信号で個別に伝達することで、パルス幅が可変する電気信号を伝達することができる。 Further, in the signal transmission circuit described in the above embodiment, the signal transmission unit optically transmits a signal from the first light emitting element to the first light receiving element, and a second light emitting element. And a second signal transmission unit for optically transmitting a signal to the second light receiving element, and the signal conversion unit converts the electrical signal into a first short pulse signal synchronized with a falling edge of the electrical signal. A first signal conversion unit that converts the electrical signal into a second short pulse signal that is synchronized with the rising edge of the electrical signal, and the signal restoration unit includes the first signal conversion unit. The signal level is lowered by the first short pulse signal transmitted from the light emitting element to the first light receiving element, and the second short pulse signal transmitted from the second light emitting element to the second light receiving element. The electrical signal is restored by raising the signal level, and the first short The pulse width of the pulse signal is equal to or shorter than the period during which the first light emitting element can emit light with the electric charge stored in the capacitor, and the pulse width of the second short pulse signal is the electric charge stored in the capacitor. The period is shorter than the period during which the second light emitting element can emit light. According to this configuration, the electrical signal with variable pulse width can be transmitted by individually transmitting the falling edge of the electrical signal using the first short pulse signal and the rising edge of the electrical signal using the second short pulse signal. it can.
また、上記実施形態に記載の信号伝達回路において、前記信号伝達部が、前記発光素子としての発光ダイオードと前記受光素子としてのフォトトランジスタとから成るフォトカプラである。この構成によれば、安価で小型なフォトカプラを用いて信号伝達回路を形成することができる。 In the signal transmission circuit described in the above embodiment, the signal transmission unit is a photocoupler including a light emitting diode as the light emitting element and a phototransistor as the light receiving element. According to this configuration, the signal transmission circuit can be formed using an inexpensive and small photocoupler.
また、上記実施形態に記載の信号伝達回路において、前記制限抵抗が、前記キャパシタに供給される電流を、DC4〜20mA電流信号に影響を与えない大きさに制限する。この構成によれば、DC4〜20mA電流信号に対する発光素子での消費電流の影響を確実に抑えることができる。 Further, in the signal transmission circuit described in the above embodiment, the limiting resistor limits the current supplied to the capacitor to a magnitude that does not affect the DC4 to 20 mA current signal. According to this configuration, it is possible to reliably suppress the influence of the current consumption in the light emitting element on the DC4 to 20 mA current signal.
また、上記実施形態に記載の計装機器は、上記に記載された信号伝達回路と、前記信号伝達回路に電気信号を入力する制御回路と、前記信号伝達回路を介して入力された電気信号で駆動するセンサ回路とを備え、前記センサ回路の計測値をDC4〜20mAの電気信号を使用して出力する。この構成によれば、DC4〜20mA電流信号で伝達される計測値を精度よく外部に伝達することができる。 In addition, the instrumentation device described in the embodiment includes the signal transmission circuit described above, a control circuit that inputs an electric signal to the signal transmission circuit, and an electric signal that is input via the signal transmission circuit. A sensor circuit for driving, and outputs a measured value of the sensor circuit using an electrical signal of DC 4 to 20 mA. According to this configuration, it is possible to accurately transmit a measurement value transmitted with a DC 4 to 20 mA current signal to the outside.
以上説明したように、本発明は、電流信号に影響を与えることなく、入出力間を絶縁状態で信号伝達することができるという効果を有し、特に、DC4〜20mA電流信号で限力供給及び信号伝達する信号伝達回路及び計装機器に有用である。 As described above, the present invention has an effect that signals can be transmitted between the input and output without affecting the current signal, and in particular, the power supply is limited by the DC 4 to 20 mA current signal. It is useful for signal transmission circuits and instrumentation devices that transmit signals.
1 計装機器
3 制御回路
4 センサ回路
5、20 信号伝達回路
11 単安定マルチバイブレータ(信号変換部)
12 パルス幅変更回路(信号復元部)
21 第1の単安定マルチバイブレータ(第1の信号変換部)
22 第2の単安定マルチバイブレータ(第2の信号変換部)
23 フリップフロップ(信号復元部)
C11、C21 キャパシタ
D11 発光ダイオード(発光素子)
D21 第1の発光ダイオード(第1の発光素子)
D22 第2の発光ダイオード(第2の発光素子)
F11 フォトカプラ(信号伝達部)
F21 第1のフォトカプラ(第1の信号伝達部)
F22 第2のフォトカプラ(第2の信号伝達部)
R11、R21 制限抵抗
T11 フォトトランジスタ(受光素子)
T21 第1のフォトトランジスタ(第1の受光素子)
T22 第2のフォトトランジスタ(第2の受光素子)
DESCRIPTION OF
12 Pulse width change circuit (signal restoration part)
21 1st monostable multivibrator (1st signal converter)
22 2nd monostable multivibrator (2nd signal converter)
23 Flip-flop (signal restoration unit)
C 11 , C 21 capacitor D 11 light emitting diode (light emitting element)
D 21 first light emitting diode (first light emitting element)
D 22 Second light emitting diode (second light emitting element)
F 11 photocoupler (signal transmitting portion)
F 21 first photocoupler (first signal transmission unit)
F 22 second photocoupler (second signal transmission unit)
R 11 , R 21 limiting resistor T 11 phototransistor (light receiving element)
T 21 first phototransistor (first light receiving element)
T 22 second phototransistor (second light receiving element)
Claims (7)
発光素子から受光素子に光学的に信号伝達する信号伝達部と、
電源から前記発光素子に向かって流れ込む電流を制限する制限抵抗と、
前記制限抵抗を介して前記電源から出力された電荷を蓄えるキャパシタとを備え、
前記キャパシタに蓄えた電荷によって前記発光素子を発光させることを特徴とする信号伝達回路。 A signal transmission circuit for transmitting an electrical signal in a state where the input and output are insulated,
A signal transmission unit for optically transmitting a signal from the light emitting element to the light receiving element;
A limiting resistor for limiting a current flowing from the power source toward the light emitting element;
A capacitor for storing electric charges output from the power source via the limiting resistor,
A signal transmission circuit, wherein the light emitting element is caused to emit light by electric charge stored in the capacitor.
前記発光素子から前記受光素子に伝達された短パルス信号から電気信号を復元する信号復元部とを備え、
短パルス信号のパルス幅が、前記キャパシタに蓄えられた電荷で前記発光素子を発光可能な期間以下であることを特徴とする請求項1に記載の信号伝達回路。 A signal converter that converts the electrical signal into a short pulse signal synchronized with the rise or fall of the electrical signal and inputs the short pulse signal; and
A signal restoration unit that restores an electrical signal from a short pulse signal transmitted from the light emitting element to the light receiving element;
2. The signal transmission circuit according to claim 1, wherein a pulse width of the short pulse signal is equal to or shorter than a period during which the light emitting element can emit light with the charge stored in the capacitor.
前記信号変換部が、電気信号を当該電気信号の立ち下がりに同期した第1の短パルス信号に変換する第1の信号変換部と、電気信号を当該電気信号の立ち上がりに同期した第2の短パルス信号に変換する第2の信号変換部とを有し、
前記信号復元部が、前記第1の発光素子から前記第1の受光素子に伝達された第1の短パルス信号で信号レベルを立ち下げ、前記第2の発光素子から前記第2の受光素子に伝達された第2の短パルス信号で信号レベルを立ち上げることで電気信号を復元し、
第1の短パルス信号のパルス幅が、前記キャパシタに蓄えられた電荷で前記第1の発光素子を発光可能な期間以下であり、第2の短パルス信号のパルス幅が、前記キャパシタに蓄えられた電荷で前記第2の発光素子を発光可能な期間以下であることを特徴とする請求項2に記載の信号伝達回路。 The signal transmission unit optically transmits a signal from the first light emitting element to the first light receiving element, and optically transmits a signal from the second light emitting element to the second light receiving element. A second signal transmission unit,
The signal converter converts a first signal converter that converts an electric signal into a first short pulse signal that is synchronized with the falling edge of the electric signal; and a second short signal that is synchronized with the rising edge of the electric signal. A second signal converter for converting into a pulse signal,
The signal restoration unit lowers the signal level with a first short pulse signal transmitted from the first light emitting element to the first light receiving element, and from the second light emitting element to the second light receiving element. The electrical signal is restored by raising the signal level with the transmitted second short pulse signal,
The pulse width of the first short pulse signal is equal to or shorter than a period during which the first light emitting element can emit light with the charge stored in the capacitor, and the pulse width of the second short pulse signal is stored in the capacitor. 3. The signal transmission circuit according to claim 2, wherein the second light-emitting element has a period during which the second light-emitting element can emit light with a constant charge.
前記信号伝達回路に電気信号を入力する制御回路と、
前記信号伝達回路を介して入力された電気信号で駆動するセンサ回路とを備え、
前記センサ回路の計測値をDC4〜20mAの電気信号を使用して出力することを特徴とする計装機器。 A signal transmission circuit according to any one of claims 1 to 6;
A control circuit for inputting an electric signal to the signal transmission circuit;
A sensor circuit that is driven by an electric signal input via the signal transmission circuit,
An instrumentation device that outputs a measured value of the sensor circuit using an electric signal of DC 4 to 20 mA.
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